[FASTDDS]05-DDS库总览

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架构

• 应用层：用户应用通过fast dds的API实现分布式系统通信
• Fast DDS 层：DDS通信中间件的实现。它允许部署一个或多个DDS域，同一域内的DomainParticipants通过在Domain中的topic来发布/订阅来交换消息。
• RTPS 层：实现实时发布-订阅（RTPS）协议，以实现与DDS应用程序的互操作性。该层充当传输层的抽象层。
• 传输层：DDS的传输层，支持各种传输协议，例如UDP、TCP、SHM

DDS层

DDS层定义了几个关键的通信元素——用户将会在他们的应用中创建这些元素，然后将DDS应用串联起来，并创建一个以数据为中心的通信系统。DDS实体是任何支持服务质量配置（QoS）并实现侦听器的对象。

• Qos:每个实体所定义的行为机制
• Listener:向实体通知应用执行过程中可能的事件的机制

以下为DDS实例的功能和描述：

• domain:用于定义DDS Domain的正整数。每个Domain Participant都被赋予一个DDS Doamin，因此在相同domain的Domain Participant可以进行通信，并且用来隔离不同DDS Domain之间的通信。当创建Domain Participant时，应用开发者必须提供domain的值
• domain participant:包含其他DDS实例的对象，例如发布者、订阅者、话题。它提供创建前面那些它所包含的实体，并且配置它们的行为
• publisher:发布者，通过datawriter以topic发布数据，将数据写入传输层。它包含并负责创建、配置datawriter——一个发布者可以包含一个或多个datawriter
• datawriter:负责发布消息的实体。用户创建该实体时，必须提供一个topic与之对应，通过该datawriter发布数据将会写到与之绑定的topic下。发布成功是通过在datawriter history中写入数据更改来完成的
• DataWriterHisory:这是数据对象的变更列表。当datawriter在指定的topic下发布数据时，将在该数据中创建一个变更记录，这些变更记录将被发送给订阅了该topic的订阅者。
• Subscriber：订阅者通过data reader订阅指定的topic，它是包含并创建和配置data reader的实体——一个订阅者可以包含一个或多个data reader
• DataReader:它是订阅者接收发布信息的实体。用户在创建该实体时，必须提供订阅的topic。一个data reader在data reader history中接收消息作为更改
• DataReaderHistory:它包含DataReader订阅了某个Topic接收的数据对象中的更改
• Topic:绑定发布者data writer和订阅者data reader的实体

RTPS层

RTPS是DDS中传输层的抽象，如上图所示，RTPS有四个实体：

• RTPSDomain:它是DDS域到RTPS协议的扩展
• RTPSParticipant:包含其他RTPS实体的实体，通过它可以配置和创建它所包含的其他实体。
• RTPSWriter:消息的来源。它读取DataWriterHistory中写入的更改，并将其传输到之前匹配的所有RTPSReader
• RTPSReader:消息的接收实体。它将RTPSWriter报告的更改写入DataReaderHistory

传输层

FAST DDS支持UDPv4、UDPv6、TCPv4、TCPv6和SHM等传输协议。默认情况下，DomainParticipant支持UDPv4和SHM传输协议，可以通过配置来支持所有的传输协议。

编程和执行模型

fast dds是基于事件的并发模型。接下来将解释fast dds的多线程模型以及可能的事件。

并发与多线程

Fast DDS实现了一个并发多线程系统。每个DomainParticipant生成一组线程来处理后台任务，如日志记录、消息接收和异步通信。Fast DDS的API是线程安全的，因此你可以从不同的线程无畏地调用同一DomainParticipant上的任何方法。以下是FAST DDS多线程调度工作方式的简要概述:

• Main thread:由应用管理
• Event thread:每个domain participant都有一个事件线程，它处理周期型和触发型的时间信号
• Asynchronous writer thread:这个线程管理所有domain participant的异步写入。即使对于同步写，某些形式的通信也必须在后台启动
• Reception threads:DomainParticipants为每个接收通道生成一个线程，其中通道的概念取决于传输层

事件驱动架构

DDS通过time-event系统响应特定的条件，并以此进行周期性的调度。因为他们大多数都是DDS和RTPS的元数据，因此对于用户大多是不可见的。但是，用户可以通过继承TimedEvent类来自定义周期性的时间事件。

功能特性

FAST DDS具有一些附加功能，用户可以在其应用程序中实现和配置这些功能。

发现协议

发现协议定义了DataWriter和DataReader如何匹配同一topic，并在该topic下通过发布和订阅交换共享数据。FAST DDS的发现机制如下：

• Simple Discovery:默认的发现机制，定义在RTPS标准中，并提供与其他DDS实现的兼容性。此处，DomainParticipants在早期阶段被单独发现，以随后匹配它们实现的DataWriter和DataReader
• Discovery Server:这种发现机制使用集中式发现体系结构，其中服务器充当元数据的hub
• Static Discovery:DomainParticipant之间相互发现的机制，如果远程的DomainParticipant事先已经知道了每个DomainParticipant中包含的实体(DataReader/DataWriter)，则可以跳过这些实体的发现
• Manual Discovery:该机制仅与RTPS层兼容。它允许用户使用其选择的任何外部元信息通道手动匹配和取消RTPS Participant、RTPS Writer和RTPS Reader

安全

FAST DDS可以通过配置在三个级别事先可插拔的安全性通信:

• 远程DoaminParticipant安全验证:DDS:Auth:PKI-DH使用可信的身份验证(CA)和ECDSA数字前面算法执行身份验证。它还使用Diffie-Hellman（ECDH）密钥协商协议建立了共享秘密
• 实体访问控制:DDS:Access:Permissions插件提供DDS Domain和Topic层的Domain Participant访问控制
• 数据加密:DDS:Crypto:AES-GCM-GMAC插件在通过（AES-GCM）中使用高级加密标准（AES）提供经过身份验证的加密

日志

FAST DDS提供扩展的日志系统。Log类是日志系统的入口。它暴露三个宏定义便于日志的使用——EPROSIMA_LOG_INFO、EPROSIMA_LOG_WARNING、EPROSIMA_LOG_ERROR。此外，除了已经可用的类别（INFO_MSG、WARN_MSG和ERROR_MSG）之外，它还允许定义新的类别。它使用正则表达式按类别提供筛选，并控制日志记录系统的详细程度。可以在日志记录部分找到可能的日志记录系统配置的详细信息。

XML配置

Fast DDS提供了通过使用XML配置文件更改其默认设置的可能性。因此，用户不需要更改任何代码或重新构建现有应用程序，就可以修改DDS实体的行为。每个用户API功能都有对应的XML tag。因此，可以通过participant标记构建和配置domain participant配置文件，或者分别使用data_writer和data_reader来配置DataWriter和DataReader。

环境变量

用户可以通过FAST DDS环境变量轻易的定制默认的DDS应用设置。