DDS是一套通信协议和API标准，它提供了以数据为中心的连接服务。Fast-RTPS是DDS的开源实现，借助它可以方便的开发出高效，可靠的分布式系统。本文是对DDS以及Fast RTPS的介绍文章。

• 从《变形金刚》电影说起
• DDS介绍
  • DDS可以降低系统复杂度
  • DDS应用范围
  • DDS 提供商
  • DDS与RTPS
• DDS与汽车行业
• Fast-RTPS 介绍
• 源码与编译
• Fast-RTPS概述
• 对象与数据结构
  • Publish-Subscriber模块
  • RTPS模块
  • 配置Attributes
• Domain
• 发现
• 传输控制
• FastRTPS代码示例
• FASTRTPSGEN
• 发布者-订阅者层
• 读者-写者层
• 持久化
• QoS
• 实操测试
• 参考资料与推荐读物

从《变形金刚》电影说起

这里要提到的是2011年的真人版电影，变形金刚第三部《Transformers: Dark of the Moon》。

这是一篇技术文章，为什么要扯到《变形金刚》电影呢？这是因为这部电影的主要内容与本文所提到的技术有一定的相关性。

在这部电影中，御天敌背叛了擎天柱，与霸天虎合作。在地球的各地布置了许多的能量柱，他试图借助这些能量柱将赛博坦星球传送到地球上，以此来重建自己的家园。

这些能量柱必须组合起来才能完成传输工作，并且在这其中有一个红色的能量柱比较特殊，因为它负责控制其他的传送柱。

由此可见，这是一个大型的分布式系统。在这个系统中，这个红色的能量柱被称之为“中心节点”，中心节点正如其名称那样，它是整个系统的中心。对于带有中心节点的分布式系统来说，一旦中心节点被摧毁，整个系统都将无法工作。

因此电影的后来，自然是擎天柱摧毁了这个中心节点，使得御天敌的传送计划彻底失败。

从设计上来说，对于一个如此大型的系统，却存在一个非常薄弱和重要的中心节点，这并不是一个好的方案。

而本文介绍的DDS就是一个去中心化的分布式技术。因此在这类系统中，不存在负责总控制的中心节点，所有节点都完全对等。任何一个节点的异常都不会影响整个系统的运行。

DDS介绍

DDS全称是Data Distribution Service，这是一套通信协议和API标准，它提供了以数据为中心的连接服务，基于发布者-订阅者模型。这是一套中间件，它提供介于操作系统和应用程序之间的功能，使得组件之间可以互相通信。并且提供了低延迟，高可靠的通信以及可扩展的架构。

或许，你已经知道很多种网络通信协议，对于发布-订阅这些概念也很熟悉。那DDS到底有什么特别之处呢？

下图展示了4个时代的数据通信方式：

• （第一代）点对点的CS（Client-Server）结构，这是大家最为熟悉的：一个服务器角色被许多的客户端使用，每次通信时，通信双方必须建立一条连接。当通信节点增多时，通信的连接数也会增多。并且，每个客户端都必须知道服务器的具体地址和所提供的服务。一旦服务器地址发生变化，所有客户端都会受到影响。
• （第二代）Broker模型：存在一个中间人，它负责初步处理大家的请求，并进一步找到真正能响应服务的角色，这就好像存在一个经纪人。这为客户端提供了一层抽象，使得服务器的具体地址变得不重要了。服务端地址如果发生变化，只需要告诉Broker就可以了。但这个模型的问题在于，Broker变成了模型的中心，它的处理速度会影响所有人的效率，这就好像城市中心的路口，当系统规则增长到一定程度，Broker终究会成为瓶颈。更糟糕的是，如果Broker瘫痪了，可能整个系统都将无法运转。
• （第三代）广播模型：所有人都可以在通道上广播消息，并且所有人都可以收到消息。这个模型解决了服务器地址的问题，且通信双方不用单独建立连接，但它存在的问题是：广播通道上的消息太多，太嘈杂，所有人都必须关心每条消息是否与自己有关。这就好像全公司一千号人坐在同一个房间里面办公一样。
• （第四代）DDS模型：这种模型与广播模型有些类似，所有人都可以在DataBus上发布和读取消息。但它更进一步的是，通信中包含了很多并行的通路，每个人可以只关心自己感兴趣的消息，自动忽略自己不需要的消息。

下图展示了DDS在网络栈中的位置，它位于传输层的上面，并且以TCP，UDP为基础。

这个图之所以是沙漏形状是因为：两头的技术变化都发展很快，但是中间的却鲜有变化。

对比大家常见的Socker API，DDS有如下特点：

关于DDS的更多特性，可以点击这个链接：《What is DDS？》。

DDS可以降低系统复杂度

对于分布式系统来说，有很多复杂的逻辑需要处理，例如：如何发现其他节点，如何为每个节点分配地址，如何配置消息的可靠性等。这使得应用程序变得臃肿。

而如果说通信的中间件能够完全处理好这些逻辑，则应用程序将可以集中处理自己的业务，变得更加敏捷。

下图是两种情况的对比：

如果考虑系统的演化，问题会更突出。

由于分布式系统中包含了许多的角色需要互相通信，随着角色数量的不断增长，其通信的通道数量会以爆炸式增长。

而如果有统一的DataBus，则即便新增了通信角色其通信模型也不会变得更加复杂。

DDS应用范围

尽管可能你原先没有听过DDS这个术语，但其实它的应用非常广泛，广泛到它涉及到了我们每天都要依赖的许多重要行业，例如：航空，国防，交通，医疗，能源等等。

下图是一些示例：

DDS 提供商

DDS本身是一套标准。由Object Management Group（简称OMG）维护。

OMG是一个开放性的非营利技术标准联盟，由许多大型IT公司组成：包括IBM，Apple Computer，Sun Microsystems等。

但OMG仅仅负责制定标准，而标准的实现则由其他服务提供商完成。

目前DDS的提供商包括下面这些：

• Vortex OpenSplice
• eProsima Fast RTPS
• Hamersham
• Company Summary Kongsberg Gallium
• MilSOFT
• Object Computing OpenDDS
• Remedy IT
• RTI
• Twin Oaks Computing, Inc.

DDS与RTPS

在DDS规范中，有两个描述标准的基本文档：

• DDS Specification：描述了以数据为中心的发布-订阅模型。该规范定义了API和通信语义（行为和服务质量），使消息从消息生产者有效地传递到匹配的消费者。DDS规范的目的可以概括为：“能够在正确的时间将正确的信息高效，可靠地传递到正确的位置”。
• DDSI-RTPS：描述了RTPS（Real Time Publish Subscribe Protocol）协议。该协议通过UDP等不可靠的传输，实现最大努力（Best-Effort）和可靠的发布-订阅通信。RTPS是DDS实现的标准协议，它的目的和范围是确保基于不同DDS供应商的应用程序可以实现互操作。

DDS与汽车行业

对于汽车行业来说，汽车开放系统架构（AUTomotive Open System ARchitecture）已经在AUTOSAR Adaptive Platform 18.03中包含了DDS协议。

ROS2架构也以DDS为基础。

另外，DDS的实时特性可能特别适合自动驾驶系统。在这类系统中，通常会存在感知，预测，决策和定位模块，这些需要非常高速和频繁的交换数据。借助DDS，可以很好的满足它们的通信需求。

Fast-RTPS 介绍

Fast-RTPS是eprosima对于RTPS的C++实现，这是一个免费开源软件，遵循Apache License 2.0。

eProsima Fast RTPS在性能，功能和对最新版本RTPS标准（RTPS 2.2）的遵守方面均处于领先地位。关于Fast RTPS的性能可以查看这个链接：eProsima Fast RTPS Performance。

它最为被大家知道的可能是因为被ROS2设定为默认的消息中间件。

Fast-RTPS支持平台包括：Windows, Linux, Mac OS, QNX, VxWorks, iOS, Android, Raspbian。

Fast-RTPS具有以下优点：

• 对于实时应用程序来说，可以在Best-Effort和可靠通信两种策略上进行配置。
• 即插即用的连接性，使得网络的所有成员自动发现其他新的成员。
• 模块化和可扩展性允许网络中设备不断增长。
• 可配置的网络行为和可互换的传输层：为每个部署选择最佳协议和系统输入/输出通道组合。
• 两个API层：一个简单易用的发布者-订阅者层和一个提供对RTPS协议内部更好控制的Writer-Reader层。

源码与编译

Fast-RTPS的源码位于Github上：eProsima/Fast-RTPS。

可以通过下面这条命令获取其源码：

git clone https://github.com/eProsima/Fast-RTPS.git

关于如何编译Fast-RTPS可以参见这个链接：Fast RTPS Installation from Sources。

Fast-RTPS概述

Fast-RTPS提供了两个层次的API：

• Publisher-Subscriber层：RTPS上的简化抽象。
• Writer-Reader层：对于RTPS端点的直接控制。

相较而言，后者更底层。两个层次的核心角色如下图所示：

Publisher-Subscriber层为大多数开发者提供了一个方便的抽象。它允许定义与Topic关联的发布者和订阅者，以及传输Topic数据的简单方法。

Writer-Reader层更接近于RTPS标准中定义的概念，并且可以进行更精细的控制，但是要求开发者直接与每个端点的历史记录缓存进行交互。

Fast RTPS是并发且基于事件的。每个参与者都会生成一组线程来处理后台任务，例如日志记录，消息接收和异步通信。

事件系统使得Fast RTPS能够响应某些条件并安排定期活动。用户中几乎不用感知它们，因为这些事件大多数仅仅与RTPS元数据有关。

对象与数据结构

下面是Fast-RTPS实现中的核心结构。

Publish-Subscriber模块

RTPS标准的高层类型。

• Domain：用来创建，管理和销毁Participants。
• Participant：包括Publisher和Subscriber，并管理它们的配置。
  • ParticipantAttributes：创建Participant的配置参数。
  • ParticipantListener：可以让开发者实现Participant的回调函数。
• Publisher：在Topic上发布数据的对象。
  • PublisherAttributes：创建Publisher的配置参数。
  • PublisherListener：可以让开发者实现Publisher的回调函数。
• Subscriber：在Topic上接受数据的对象。
  • SubscriberAttributes：创建Subscriber的配置参数。
  • SubscriberListener：可以让开发者实现Subscriber的回调函数。

RTPS模块

RTPS的底层模型。包含下面几个子模块：

• RTPS Common
  • CacheChange_t：描述Topic上的变更，存储在历史Cache中。
  • Data：Cache变化的负载。
  • Message：RTPS消息。
  • Header：RTPS协议的头信息。
  • Sub-Message Header：标识RTPS的订阅消息。
  • MessageReceiver：反序列化和处理接受到的RTPS消息。
  • RTPSMessageCreator：构建RTPS消息。
• RTPS Domain
  • RTPSDomain：用来创建，管理和销毁底层的RTPSParticipants。
  • RTPSParticipant：包括Writer和Reader。
• RTPS Reader
  • RTPSReader：读者的基类。
  • ReaderAttributes：包含RTPS读者的配置参数。
  • ReaderHistory：存储Topic变化的历史数据。
  • ReaderListener：读者的回调类型。
• RTPS Writer
  • RTPSWriter：写者的基类。
  • WriterAttributes：包含RTPS写者的配置参数。
  • WriterHistory：存储写者的历史数据。

配置Attributes

上面的数据结构中看到了许多Attributes后缀的类名。这些类包含了对协议或者对象的配置参数，很多特性都需要设置这些属性来完成。

这些类的定义基本都位于下面三个文件夹中：

• include/fastrtps/attributes
• include/fastrtps/rtps/attributes
• include/fastdds/rtps/attributes

Fast RTPS支持非常多的配置参数，并且参数的结构常常是嵌套的。

通过代码去配置这些参数会产生很多啰嗦的代码，而且最大的问题在于：每次更改配置参数都需要重新编译。这个问题并非Fast RTPS才有，只要包含大量配置参数的软件都会这样的问题。通常的解决方法就是：提供文本格式的配置文件的方式来配置参数。因此对于Fast-RTPS来说，除了支持通过代码配置参数，它也支持通过XML文件的方式来进行配置。

有了配置文件之后，在代码中直接读取就好了，例如：

Participant *participant = Domain::createParticipant("participant_xml_profile");

在这之后，如果需要调整配置，只需要修改配置文件，不用在改动代码，自然也不用重新编译。这对于项目部署是很重要的。

Fast-RTPS支持的配置项，以及这些配置项说明和默认值都可以到这个链接中查看：XML profiles。

Domain

RTPS中的通信参数者之间，通过Domain进行隔离。

同一时刻可能有多个Domain同时存在，一个Domain中可以包含任意数目的消息发送者和接受者。

其结构如下图所示：

开发者可以通过domainId来指定参与者所属Domain。

如果没有指定，默认的domainId = 80。

发现

作为DDS的实现，Fast-RTPS提供了Publisher和Subscriber自动发现和匹配的功能。在实现上，这分为两个步骤来完成：

• Participant Discovery Phase （PDP）：在这个阶段，参与者互相通知彼此的存在。为了达到这个目的，每个参与者需要定时发送公告消息。公告消息通过周知的多播地址和端口发送（根据domain计算得到）。
• Endpoint Discovery Phase （EDP）：在这个阶段，Publisher和Subscriber互相确认。为此，参与者使用在PDP期间建立的通信通道，彼此共享有关其发布者和订阅者的信息。 该信息包含了Topic和数据类型。为了使两个端点匹配，它们的Topic和数据类型必须一致。 一旦发布者和订阅者匹配，他们就发送/接收数据了。

这两个阶段对应了两个独立的协议：

• Simple Participant Discovery Protocol：指定参与者如何在网络中发现彼此。
• Simple Endpoint Discovery Protocol：定义了已经互相发现的参与者交换信息的协议。

Fast-RTPS提供了四种发现机制：

• Simple：这是默认机制。它在PDP和EDP阶段均使用RTPS标准，因此可与任何其他DDS和RTPS实现兼容。
• Static：此机制在PDP阶段使用Simple Participant Discovery Protocol。如果所有发布者和订阅者的地址以及端口和主题信息是事先知道的，则允许跳过EDP阶段。
• Server-Client：这种发现机制使用集中式发现结构，由服务器充当发现机制的Hub。
• Manual：此机制仅与RTPSDomain层兼容。它禁用了PDP阶段，使用户可以使用其选择的任何外部元信息通道手动匹配和取消匹配RTPS参与者，读者和写者。

不同的发现机制具有一些共同的配置：

关于发现机制的更多信息可以浏览这个链接：Discovery。

传输控制

Fast-RTPS实现了可插拔的传输架构，这意味着每一个参与者可以随时加入和退出。

在传输上，Fast-RTPS支持以下五种传输方式：

• UDPv4
• UDPv6
• TCPv4
• TCPv6
• SHM（Shared Memory）

默认的，当Participant创建时，会自动的配置两个传输通道：

• SHM：用来与同一个机器上的参与者通信。
• UDPv4：同来与跨机器的参与者通信。

当然，开发者可以改变这个默认行为，通过C++接口或者XML配置文件都可以。

SHM要求所有参与者位于同一个系统上，它是借助了操作系统提供的共享内存机制实现。共享内存的好处是：支持大数据传输，减少了数据拷贝，并且也减少系统负载。因此通常情况下，使用SHM会获得更好的性能。使用SHM时，可以配置共享内存的大小。

网络通信包含了非常多的参数需要配置，例如：Buffer大小，端口号，超时时间等等。框架本身为参数设置了默认值，大部分情况下开发者不用调整它们。但是知道这些默认值是什么，在一些情况下可能会对分析问题有所帮助。关于这些配置的默认值，以及如果配置可以查看这个链接：Transport descriptors。

与UDP不同，TCP传输是面向连接的，因此，Fast-RTPS必须在发送RTPS消息之前建立TCP连接。TCP传输可以具有两种行为：充当TCP服务器或充当TCP客户端。服务器打开一个TCP端口以侦听传入的连接，然后客户端尝试连接到服务器。服务器和客户端的概念独立于RTPS概念，例如：Publisher，Subscriber，Reader或Writer。它们中的任何一个都可以用作TCP服务器或TCP客户端，因为这些实体仅用于建立TCP连接，而RTPS协议可以在该TCP连接上工作。

如果要使用TCP传输，开发者需要做更多的配置，关于这部分内容可以继续阅读官方文档，这里不再赘述。

FastRTPS代码示例

FastRTPS不仅有框架文档，API Reference，还有丰富的代码示例。

对于开发者来说，浏览这些代码可能是上手最快捷的方法。

你可以在这里浏览这些示例：Fast-RTPS/examples/C++/。

FASTRTPSGEN

FASTRTPSGEN是一个Java程序。用来为在Topic上传输的数据类型生成源码。

开发者通过接口描述语言（Interface Definition Language）定义需要传输的数据类型。然后通过FASTRTPSGEN生成C++编译需要的源文件。

可以通过下面的方法获取和编译FASTRTPSGEN。

git clone --recursive https://github.com/eProsima/Fast-RTPS-Gen.git
cd Fast-RTPS-Gen
gradle assemble

编译完成之后可执行文件位于./scripts/目录。如果需要，可以将该路径添加到$PATH变量中。

关于如何通过IDL定义数据类型请参见这里：Defining a data type via IDL。

以下面这个示例文件为例：

struct TestData 
{
char char_type;
octet octet_type;
long long_type;
string string_type;

float float_array[4];

sequence<double> double_list;
};

我们将其保存到文件名为data_type.idl的文件中。然后通过下面这条命令生成C++文件：

~/Fast-RTPS-Gen/scripts/fastrtpsgen data_type.idl 

最后会得到下面四个文件：

data_type.cxx
data_type.h
data_typePubSubTypes.cxx
data_typePubSubTypes.h

前两个文件定义的是实际存储数据的结构，后两个文件定义的类是eprosima::fastrtps::TopicDataType的子类。用来在参与者上注册类型：

/**
 * Register a type in a participant.
 * @param part Pointer to the Participant.
 * @param type Pointer to the Type.
 * @return True if correctly registered.
 */
RTPS_DllAPI static bool registerType(
        Participant* part,
        fastdds::dds::TopicDataType * type);

每一套通信系统中通常都会包含一个或多个自定义的数据类型。

发布者-订阅者层

可以通过 HelloWorldExample 来熟悉发布者-订阅者层接口。

该目录下文件列表如下：

-rw-r--r--  1 paul  staff   1.8K  3 16 13:36 CMakeLists.txt
-rw-r--r--  1 paul  staff   2.8K  3 16 13:36 HelloWorld.cxx
-rw-r--r--  1 paul  staff   6.1K  3 16 13:36 HelloWorld.h
-rw-r--r--  1 paul  staff    62B  3 16 13:36 HelloWorld.idl
-rw-r--r--  1 paul  staff   4.4K  3 16 13:36 HelloWorldPubSubTypes.cxx
-rw-r--r--  1 paul  staff   1.7K  3 16 13:36 HelloWorldPubSubTypes.h
-rw-r--r--  1 paul  staff   4.6K  3 16 13:36 HelloWorldPublisher.cpp
-rw-r--r--  1 paul  staff   1.7K  3 16 13:36 HelloWorldPublisher.h
-rw-r--r--  1 paul  staff   3.8K  3 16 13:36 HelloWorldSubscriber.cpp
-rw-r--r--  1 paul  staff   1.8K  3 16 13:36 HelloWorldSubscriber.h
-rw-r--r--  1 paul  staff   2.0K  3 16 13:36 HelloWorld_main.cpp
-rw-r--r--  1 paul  staff   3.1K  3 16 13:36 Makefile
-rw-r--r--  1 paul  staff   203B  3 16 13:36 README.txt

这其中：

• README.txt是工程说明
• CMakeLists.txt与Makefile是编译文件
• HelloWorld_main.cpp包含了生成可执行文件的main函数
• HelloWorld.idl是待传输的数据结构定义
• HelloWorld.h，HelloWorld.cxx，HelloWorldPubSubTypes.h和HelloWorldPubSubTypes.cxx是由HelloWorld.idl文件生成
• HelloWorldPublisher.h和HelloWorldPublisher.cpp是发布者的实现
• HelloWorldSubscriber.h和HelloWorldSubscriber.cpp是订阅者的实现

熟悉一个C++工程可以先从main入手，HelloWorld_main.cpp中的主要逻辑就是根据用户输入的参数是"publisher"还是"subscriber"来确定启动哪个模块。

switch(type)
{
    case 1:
        {
            HelloWorldPublisher mypub;
            if(mypub.init())
            {
                mypub.run(count, sleep);
            }
            break;
        }
    case 2:
        {
            HelloWorldSubscriber mysub;
            if(mysub.init())
            {
                mysub.run();
            }
            break;
        }
}

接下来我们直接看HelloWorldPublisher和HelloWorldSubscriber就好。

HelloWorldPublisher::init中主要是为Publisher的对象设置参数：

bool HelloWorldPublisher::init()
{
    m_Hello.index(0);
    m_Hello.message("HelloWorld");
    ParticipantAttributes PParam;
    PParam.rtps.builtin.discovery_config.discoveryProtocol = DiscoveryProtocol_t::SIMPLE;
    PParam.rtps.builtin.discovery_config.use_SIMPLE_EndpointDiscoveryProtocol = true;
    PParam.rtps.builtin.discovery_config.m_simpleEDP.use_PublicationReaderANDSubscriptionWriter = true;
    PParam.rtps.builtin.discovery_config.m_simpleEDP.use_PublicationWriterANDSubscriptionReader = true;
    PParam.rtps.builtin.domainId = 0;
    PParam.rtps.builtin.discovery_config.leaseDuration = c_TimeInfinite;
    PParam.rtps.setName("Participant_pub");
    mp_participant = Domain::createParticipant(PParam);

    if(mp_participant==nullptr)
        return false;
    //REGISTER THE TYPE

    Domain::registerType(mp_participant,&m_type);

    //CREATE THE PUBLISHER
    PublisherAttributes Wparam;
    Wparam.topic.topicKind = NO_KEY;
    Wparam.topic.topicDataType = "HelloWorld";
    Wparam.topic.topicName = "HelloWorldTopic";
    Wparam.topic.historyQos.kind = KEEP_LAST_HISTORY_QOS;
    Wparam.topic.historyQos.depth = 30;
    Wparam.topic.resourceLimitsQos.max_samples = 50;
    Wparam.topic.resourceLimitsQos.allocated_samples = 20;
    Wparam.times.heartbeatPeriod.seconds = 2;
    Wparam.times.heartbeatPeriod.nanosec = 200*1000*1000;
    Wparam.qos.m_reliability.kind = RELIABLE_RELIABILITY_QOS;
    mp_publisher = Domain::createPublisher(mp_participant,Wparam,(PublisherListener*)&m_listener);
    if(mp_publisher == nullptr)
        return false;

    return true;

}

这里的参数配置请参阅API说明：

• RTPSParticipantAttributes
• BuiltinAttributes
• PublisherAttributes
• TopicAttributes
• WriterQos
• WriterTimes
• WriterQos

Publisher发送消息的逻辑很简单：

bool HelloWorldPublisher::publish(bool waitForListener)
{
    if(m_listener.firstConnected || !waitForListener || m_listener.n_matched>0)
    {
        m_Hello.index(m_Hello.index()+1);
        mp_publisher->write((void*)&m_Hello);
        return true;
    }
    return false;
}

注意，这里write的对象是通过idl文件生成的类型。

Subscriber的初始化和Publisher是类似的：

bool HelloWorldSubscriber::init()
{
    ParticipantAttributes PParam;
    PParam.rtps.builtin.discovery_config.discoveryProtocol = DiscoveryProtocol_t::SIMPLE;
    PParam.rtps.builtin.discovery_config.use_SIMPLE_EndpointDiscoveryProtocol = true;
    PParam.rtps.builtin.discovery_config.m_simpleEDP.use_PublicationReaderANDSubscriptionWriter = true;
    PParam.rtps.builtin.discovery_config.m_simpleEDP.use_PublicationWriterANDSubscriptionReader = true;
    PParam.rtps.builtin.domainId = 0;
    PParam.rtps.builtin.discovery_config.leaseDuration = c_TimeInfinite;
    PParam.rtps.setName("Participant_sub");
    mp_participant = Domain::createParticipant(PParam);
    if(mp_participant==nullptr)
        return false;

    //REGISTER THE TYPE

    Domain::registerType(mp_participant,&m_type);
    //CREATE THE SUBSCRIBER
    SubscriberAttributes Rparam;
    Rparam.topic.topicKind = NO_KEY;
    Rparam.topic.topicDataType = "HelloWorld";
    Rparam.topic.topicName = "HelloWorldTopic";
    Rparam.topic.historyQos.kind = KEEP_LAST_HISTORY_QOS;
    Rparam.topic.historyQos.depth = 30;
    Rparam.topic.resourceLimitsQos.max_samples = 50;
    Rparam.topic.resourceLimitsQos.allocated_samples = 20;
    Rparam.qos.m_reliability.kind = RELIABLE_RELIABILITY_QOS;
    Rparam.qos.m_durability.kind = TRANSIENT_LOCAL_DURABILITY_QOS;
    mp_subscriber = Domain::createSubscriber(mp_participant,Rparam,(SubscriberListener*)&m_listener);

    if(mp_subscriber == nullptr)
        return false;


    return true;
}

当然，Subscriber有自己的配置参数类型：

• SubscriberAttributes
• ReaderQos
• ReaderTimes

需要注意的是，Subscriber与Publisher的通信是建立在Topic上的，因此对于Topic标识的配置要保持一致：

Wparam.topic.topicDataType = "HelloWorld";
Wparam.topic.topicName = "HelloWorldTopic";

有了Topic的这个抽象概念，使得Subscriber与Publisher不用物理地址上有任何关联，也屏蔽了硬件和操作系统的差异：同样的代码，其编译产物可以一个跑在x86的Mac系统上，一个跑在ARM架构的Android设备上。

Subscriber通过void HelloWorldSubscriber::SubListener::onNewDataMessage(Subscriber* sub)方法来处理接受到的数据。在示例的实现中，就是将消息体打印出来：

void HelloWorldSubscriber::SubListener::onNewDataMessage(Subscriber* sub)
{
    if(sub->takeNextData((void*)&m_Hello, &m_info))
    {
        if(m_info.sampleKind == ALIVE)
        {
            this->n_samples++;
            // Print your structure data here.
            std::cout << "Message "<<m_Hello.message()<< " "<< m_Hello.index()<< " RECEIVED"<<std::endl;
        }
    }

}

Publisher与Subscriber各自有一些回调，开发者可以利用它们来进行需要的处理：

读者-写者层

读者-写者层是相对于发布者-订阅者层更底层的API。

它提供了更多的控制，但也意味着使用起来会稍微麻烦一些。

两个层次在几个核心概念上存在一一对应的关系，如下表所示：

如果你浏览Fast-RTPS的源码，你会发现其实发布者-订阅者层的实现就是依赖读者-写者层的。

想要很快的熟悉读者-写者层的使用可以浏览下面三个代码示例：

• RTPSTest_registered
• RTPSTest_persistent
• RTPSTest_as_socket

RTPSParticipant，RTPSWriter和RTPSReader都通过RTPSDomain创建。

相对于发布者-订阅层不一样的是，这一层不支持通过XML的形式配置参数。开发者必须通过代码的形式配置所有的参数，例如：

//CREATE PARTICIPANT
RTPSParticipantAttributes PParam;
PParam.builtin.discovery_config.discoveryProtocol = eprosima::fastrtps::rtps::DiscoveryProtocol::SIMPLE;
PParam.builtin.use_WriterLivelinessProtocol = true;
mp_participant = RTPSDomain::createParticipant(PParam);
if(mp_participant==nullptr)
	return false;

//CREATE WRITERHISTORY
HistoryAttributes hatt;
hatt.payloadMaxSize = 255;
hatt.maximumReservedCaches = 50;
mp_history = new WriterHistory(hatt);

//CREATE WRITER
WriterAttributes watt;
watt.endpoint.reliabilityKind = BEST_EFFORT;
mp_writer = RTPSDomain::createRTPSWriter(mp_participant,watt,mp_history,&m_listener);

这里的逻辑主要就是设置参数和创建RTPSParticipant，RTPSWriter对象。并且，RTPSParticipant将被用来注册RTPSWriter：

TopicAttributes Tatt;
Tatt.topicKind = NO_KEY;
Tatt.topicDataType = "string";
Tatt.topicName = "exampleTopic";
ReaderQos Rqos;
return mp_participant->registerReader(mp_reader, Tatt, Rqos);

在RTPS协议中，Reader和Writer将有关Topic的数据保存在其关联的历史记录中。每个数据段都由一个变更表示，对应的实现是CacheChange_t。

更改通过历史记录管理。读者和写者的历史是两种类型：

• eprosima::fastrtps::rtps::WriterHistory;
• eprosima::fastrtps::rtps::ReaderHistory;

对于Writer来说，发送消息是往历史中添加变更：

//Request a change from the history
CacheChange_t* change = writer->new_change([]() -> uint32_t { return 255;}, ALIVE);
//Write serialized data into the change
change->serializedPayload.length = sprintf((char*) change->serializedPayload.data, "My example string %d", 2)+1;
//Insert change back into the history. The Writer takes care of the rest.
history->add_change(change);

而对于Reader来说，新消息会被放入到历史中，读取完了可以将其删除：

void TestReaderRegistered::MyListener::onNewCacheChangeAdded(
        RTPSReader* reader,
        const CacheChange_t* const change)
{
    printf("Received: %s\n", change->serializedPayload.data);
    reader->getHistory()->remove_change((CacheChange_t*)change);
    n_received++;
}

框架会根据消息触发Reader的回调。

持久化

默认情况下，Writer的历史在其生命周期以内可以被Reader访问。这意味着，一旦Writer退出，则其历史就没有了。但如果需要，你可以配置持久化，这使得即便Writer重启了，仍然可以维护早先的历史。

使用持久化功能可以保护端点的状态免受意外故障的影响，因为端点在重新启动后仍会继续通信，就像它们刚从网络断开连接一样。

你可以通过RTPSTest_persistent这个示例来了解如何使用这个功能。

要使用持久化功能，Writer和Reader需要进行以下设置：

• durabilityKind设置为TRANSIENT
• persistence_guid不能是全0
• 为Writer，Reader或者RTPSParticipant设置持久化插件。目前内置的插件是SQLITE3。

下面是一段代码示例：

PropertyPolicy property_policy;
property_policy.properties().emplace_back("dds.persistence.plugin", "builtin.SQLITE3");
property_policy.properties().emplace_back("dds.persistence.sqlite3.filename", "test.db");

//CREATE WRITER
WriterAttributes watt;
watt.endpoint.reliabilityKind = BEST_EFFORT;
watt.endpoint.durabilityKind = TRANSIENT;
watt.endpoint.persistence_guid.guidPrefix.value[11] = 1;
watt.endpoint.persistence_guid.entityId.value[3] = 1;
watt.endpoint.properties = property_policy;

mp_writer = RTPSDomain::createRTPSWriter(mp_participant, watt, mp_history, &m_listener);

durabilityKind参数定义了Writer与新Reader匹配时对于已发送的数据的行为，该参数有三个选项：

• VOLATILE（默认值）：丢掉所有已经发送的数据。
• TRANSIENT_LOCAL：保存最近发送的k条数据。
• TRANSIENT：与TRANSIENT_LOCAL类似，但是还将消息保存到持久化存储中。这就使得即便它的进程异常退出了，其数据不会丢失。

对于读者来说，其配置方法是类似的：

PropertyPolicy property_policy;
property_policy.properties().emplace_back("dds.persistence.plugin", "builtin.SQLITE3");
property_policy.properties().emplace_back("dds.persistence.sqlite3.filename", "test.db");

//CREATE READER
ReaderAttributes ratt;
Locator_t loc(22222);
ratt.endpoint.unicastLocatorList.push_back(loc);
ratt.endpoint.durabilityKind = TRANSIENT;
ratt.endpoint.persistence_guid.guidPrefix.value[11] = 2;
ratt.endpoint.persistence_guid.entityId.value[3] = 1;
ratt.endpoint.properties = property_policy;
mp_reader = RTPSDomain::createRTPSReader(mp_participant, ratt, mp_history, &m_listener);

QoS

使用Fast-RTPS，你有非常多的QoS策略可以配置。

它们主要可以分为下面几类：

• durability：定义了Writer与新Reader匹配时对于已发送的数据的行为，“持久化”一节已经提到过。
• liveliness：定义Publisher的活跃程度。例如：多长时间发布一次公告消息。
• reliability：定义消息的可靠性。它有两个选项：1、BEST_EFFORT，发送消息时，接收者（订阅者）没有到达确认。速度快，但是消息可能会丢失。2、RELIABLE，发送方（发布者）期望接收方（订阅者）进行到达确认。速度较慢，但可以防止数据丢失。
• partition：可以在domain的物理分区上建立逻辑分区。
• deadline：指定消息的更新频率，当新消息的频率降至某个阈值以下时，会发出警报。这对于需要定期更新数据的场景很有用。
• lifespan：指定Publisher发布数据的最大有效期限。当使用寿命到期时，数据将从历史记录中删除。
• disablePositiveAcks：指定是否需要取消确认消息。在不需要严格可靠的通信且带宽受限时，这么做可以减少网络流量。

在实现中，QoS包含了一系列的类，它们继承自QoSPolicy父类：

之所以提供如此多的选择，是因为不同的系统对于消息的质量有不同的要求。

在实际系统中，并非每个端点都需要本地存储所有数据。DDS在发送信息方面很聪明，如果消息不一定总是到达预期的目的地，则中间件将保证需要的可靠性。当系统发生更改时，Fast-RTPS会动态地找出将哪些数据发送到何处，并智能地将更改通知参与者。如果总数据量巨大，则DDS会智能过滤并仅发送每个端点真正需要的数据。当需要快速更新时，DDS发送多播消息以一次更新许多远程应用程序。当数据格式变更时，DDS会跟踪系统各个部分使用的版本并自动进行转换。对于安全性至关重要的应用程序，DDS控制访问，强制执行数据流路径并实时加密数据。

当系统要满足：以极高的速度，在动态，苛刻且不可预测的环境工作时，DDS的真正威力就会显现。

实操测试

文章的最后，我们通过实际运行程序来进行一些实验。虽然Fast-RTPS支持非常多的操作系统，但在Ubuntu系统上验证可能是最方便的。

Fast-RTPS是面向分布式系统的，这意味着在一个系统上验证它的功能意义不大。但另一方面我们大部分人并没有同时拥有多个设备。

在这种情况下，我们可以借助docker，它可以在同一个系统上运行多个独立的虚拟系统。然后我们就可以在这些独立的系统上进行测试了，这样就模拟了分布式的环境。

Fast-RTPS提供了包含依赖环境的Docker容器，我们只要下载和运行这些容器，就可以拥有多个独立的系统了。

不过，在这运行下面这些示例之前，你需要配置好docker环境。关于docker的基本使用已经超过了本文的范畴，你可以浏览这个链接：Install Docker Engine on Ubuntu。

Fast-RTPS需要的文件可以到官网下载：https://eprosima.com/index.php/downloads-all。

点击上面这个链接，然后输入个人信息就可以进入下载页面了。你可以选择最新版本的Docker和Fast-RTPS包进行下载：

考虑到国内的网络状况，下载的速度可能非常慢。我下载需要的文件耗费的好几个小时，为了节省你的时间，我已经将下载好的文件放在了这里：

• eProsima_FastRTPS-1.9.3-Linux.tgz：包含了FastRTPS的源码和编译命令，用来在Ubuntu系统上安装环境。
• ubuntu-fast-rtps v1.9.3.tar：已经预装了Fast-RTPS环境，可以在上面运行Fast-RTPS的程序，用来进行测试。

在Ubuntu系统中，先将eProsima_FastRTPS-1.9.3-Linux.tgz解压缩，为了编译它，还需要安装一些依赖，相关命令如下：

sudo apt install cmake g++
sudo apt install libasio-dev libtinyxml2-dev
mkdir fast-rtps
tar -xvf eProsima_FastRTPS-1.9.3-Linux.tgz -C fast-rtps/
cd fast-rtps/
chmod a+x install.sh
sudo ./install.sh

在这之后你就可以转到/fast-rtps/src/fastrtps/examples/目录下编译示例了。不过这个目录下的CMakeList.txt似乎存在问题，我在这个文件的开头增加了下面一行才完成编译：

SET(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -std=c++11 -pthread")

编译完成之后，我们并非是在Ubuntu系统上运行程序，而是将这些可执行文件放到docker容器中，以分布式的环境来运行它们。

所以需要启动docker容器：

$ docker load -i ubuntu-fast-rtps.tar
$ docker run -it ubuntu-fast-rtps:v1.9.3

你可以通过docker run -it ...同时启动多个docker容器以进行测试（每个容器对应一个通信的参与者。当然，你需要同时打开多个shell窗口）。

例如我启动了两个docker容器：

CONTAINER ID        IMAGE                     COMMAND             CREATED             STATUS              PORTS               NAMES
2125504ee62f        ubuntu-fast-rtps:v1.9.3   "/bin/bash"         5 minutes ago       Up 5 minutes                            mystifying_jennings
b17517fefecd        ubuntu-fast-rtps:v1.9.3   "/bin/bash"         23 minutes ago      Up 23 minutes                           stoic_leavitt

运行docker run -it ...之后会直接进入docker的shell中，你可以在根目录创建fastrtps目录用来存放测试程序。

然后在Ubuntu系统上将编译出的示例程序拷贝到docker中：

sudo docker cp ./ b17517fefecd:/fastrtps
sudo docker cp ./ 2125504ee62f:/fastrtps

在这之后就可以转到docker容器的shell中运行测试程序了。

例如，在两个docker上运行HelloWorld的示例：

• 下面是Publisher程序：

root@b17517fefecd:/fastrtps/HelloWorldExample# ./HelloWorldExample publisher
Publisher running 10 samples.
Publisher matched
Message: HelloWorld with index: 1 SENT
Message: HelloWorld with index: 2 SENT
Message: HelloWorld with index: 3 SENT
Message: HelloWorld with index: 4 SENT
Message: HelloWorld with index: 5 SENT
Message: HelloWorld with index: 6 SENT
Message: HelloWorld with index: 7 SENT
Message: HelloWorld with index: 8 SENT
Message: HelloWorld with index: 9 SENT
Message: HelloWorld with index: 10 SENT

• 下面是Subscriber程序：

root@2125504ee62f:/fastrtps/HelloWorldExample# ./HelloWorldExample subscriber
Starting 
Subscriber running. Please press enter to stop the Subscriber
Subscriber matched
Message HelloWorld 1 RECEIVED
Message HelloWorld 2 RECEIVED
Message HelloWorld 3 RECEIVED
Message HelloWorld 4 RECEIVED
Message HelloWorld 5 RECEIVED
Message HelloWorld 6 RECEIVED
Message HelloWorld 7 RECEIVED
Message HelloWorld 8 RECEIVED
Message HelloWorld 9 RECEIVED
Message HelloWorld 10 RECEIVED
Subscriber unmatched

接下来是Benchmark程序：

• Benchmark subscriber端：

root@b17517fefecd:/fastrtps/Benchmark# ./Benchmark subscriber
Subscriber running...
Subscriber matched
Publisher matched
Subscriber unmatched
Publisher unmatched

• Benchmark publisher端：

root@2125504ee62f:/fastrtps/Benchmark# ./Benchmark publisher
Publisher running...
Subscriber matched
Publisher matched. Test starts...
RESULTS after 10000 milliseconds:
COUNT: 53951
SAMPLES: 0,771,668,548,582,716,700,706,408,440,592,636,738,698,648,574,706,776,690,584,638,556,750,740,640,584,572,542,526,560,552,528,608,504,630,478,598,708,620,528,660,718,578,646,702,528,652,528,450,508,566,544,516,616,652,584,532,434,542,678,752,696,412,544,654,766,736,612,496,470,662,580,566,634,674,568,532,546,528,552,552,528,490,508,598,620,672,506,468,654,

在运行的过程中，你可以感受到借助Fast-RTPS，不同系统上的参与者是多么快速的发现了对方并完成了通信的。 当然，你可以运行更多的用例，或者修改代码进行你想要的测试。

参考资料与推荐读物

• What is DDS?
• Where Can I Get DDS?
• PDF: What can DDS do for You?
• Data Distribution Services Performance Evaluation Framework
• Using DDS with TSN and Adaptive AUTOSAR
• Object Management Group: Data Distribution Service™
• DDS Interoperability Wire Protocol
• eProsima Fast RTPS Documentation
• RTPS Introduction
• eProsima Fast RTPS: PubSub Hello World
• Github: Fast-RTPS
• DDS in a Nutshell
• Data Distribution Service
• What’s the difference between DDS and SOME/IP?