eProsima Fast DDS getting started

news2024/9/21 14:44:20

系列文章目录

文章目录

  • 系列文章目录
  • preface
  • **对象与数据结构**
      • ● Publish-Subscriber模块
      • ● RTPS模块
      • **配置Attributes**
  • Discovery
  • 传输控制
  • 前言
  • 0、安装
    • cmake安装相关
    • 源码安装：
      • - A `foonathan_memory_vendor`
      • - C `fastcdr`
      • - D `tinyxml2`
      • - E `asio`
      • - F `openssl`
      • - G `fastrtps`
  • 一、C++ publisher、subscriber应用
    • 什么是DDS
    • DCPS概念模型
    • RTPS
    • C++ 发布者订阅者应用
  • 总结

preface

fast dds官方文档缺乏对DDS整体的介绍，一上来就介绍各种细节，DDS的整体设计意图和用法隐匿与各种细节中，很容易让人一头雾水，不知其所云。该文章对DDS有一个整体的介绍，方便快速了解其概念。

https://www.eprosima.com/docs/fast-rtps/1.9.3/html/index.html

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。

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。

在这里插入图片描述

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。

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。

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。
    在这里插入图片描述

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：
https://github.com/eProsima/Fast-DDS

  • 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。
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。

Discovery

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。公告消息通过约定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：

  1. 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。
  2. 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。
  3. Discovery Server: 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。
  4. 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：

名称描述默认值
Ignore Participant flags在必要的时候，可以选择忽略一些参与者。
例如：另一台主机上的，另一个进程的或者同一个进程的。NO_FILTER
Lease Duration指定远程参与者在多少时间内认为本地参与者还活着。20s
Announcement Period指定参与者的PDP公告消息的周期。3s

more details: https://fast-dds.docs.eprosima.com/en/latest/fastdds/discovery/discovery.html

传输控制

ast-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。

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。

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。

前言

eProsima Fast DDS是DDS规范的C++实现，DDS是由OMG定义的一种协议。eProsima Fast DDS 库提供应用程序编程接口 （API） 和通信协议 部署 以数据为中心的发布者-订阅者 （DCPS） 模型，旨在建立高效可靠的信息在实时系统之间分配。eProsima Fast DDS 在资源处理方面具有可预测性、可扩展性、灵活性和高效性。 为了满足这些要求，它利用了类型化接口和多对多的铰链 分布式网络范式，巧妙地允许将通信的发布者和订阅者端分开。eProsima Fast DDS 包括：

  1. DDS API实现
  2. Fast DDS-Gen，一种用于桥接类型化接口与中间件的生成工具 实现
  3. 底层RTPS有限协议实现

DDS采用的通信模式是多对多的单向数据交换，其中应用 生成数据，将其发布到属于使用数据的应用程序的订阅者的本地缓存。 信息流由QOS策略管理，QOS由交换数据的实体建立。DDS通讯只能发生在DDS Domain内，不能夸Domain。
在这里插入图片描述
RTPS Wire Protocol
在传输层之上的协议，传输层可以是TCP/UDP/IP

0、安装

https://www.eprosima.com/index.php/downloads-all

https://fast-dds.docs.eprosima.com/en/latest/index.html

cmake安装相关

宏做用用法备注
CMAKE_INSTALL_PREFIX指定make intall安装路径cmake … -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=<path/to/install>
CMAKE_C_COMPILER指定C编译器set(CMAKE_C_COMPILER </path/gcc>在project之前
CMAKE_CXX_COMPILER指定C++编译器set(CMAKE_CXX_COMPILER </path/g++>在project之前
指定全局编译选项add_compile_options(-O2 -g)

include

源码安装：

  • A foonathan_memory_vendor, an STL compatible C++ memory allocator library.
  • B fastdds_gen, a Java application that generates source code using the data types defined in an IDL file.
  • C fastcdr, a C++ library that serializes according to the standard CDR serialization mechanism.
  • D tinyxml2
  • E asio
  • F openssl
  • G fastrtps, the core library of eProsima Fast DDS library.

最终目标是安装：https://github.com/eProsima/Fast-DDS
在thirdparty目录下也有第三方依赖
 

- A foonathan_memory_vendor

https://github.com/eProsima/foonathan_memory_vendor
编译该项目时需要下载：https://github.com/foonathan/memory.git。将该项目手动下载并修改foonathan_memory_vendor的CMakeLists.txt文件中的：

externalproject_add(foo_mem-ext
GIT_REPOSITORY https://github.com/foonathan/memory.git
GIT_TAG v0.7-3
TIMEOUT 600
# Avoid the update (git pull) and so the recompilation of foonathan_memory library each time.
UPDATE_COMMAND ""
CMAKE_ARGS
  -DFOONATHAN_MEMORY_BUILD_EXAMPLES=${BUILD_MEMORY_EXAMPLES}
  -DFOONATHAN_MEMORY_BUILD_TESTS=${BUILD_MEMORY_TESTS}
  -DFOONATHAN_MEMORY_BUILD_TOOLS=${BUILD_MEMORY_TOOLS}
  -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/foo_mem_ext_prj_install
  ${extra_cmake_args}
  -Wno-dev
  ${PATCH_COMMAND_STR}
)
修改为：
externalproject_add(foo_mem-ext
SOURCE_DIR <dir/memory-main>
# Avoid the update (git pull) and so the recompilation of foonathan_memory library each time.
UPDATE_COMMAND ""
CMAKE_ARGS
  -DFOONATHAN_MEMORY_BUILD_EXAMPLES=${BUILD_MEMORY_EXAMPLES}
  -DFOONATHAN_MEMORY_BUILD_TESTS=${BUILD_MEMORY_TESTS}
  -DFOONATHAN_MEMORY_BUILD_TOOLS=${BUILD_MEMORY_TOOLS}
  -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}/foo_mem_ext_prj_install
  ${extra_cmake_args}
  -Wno-dev
  ${PATCH_COMMAND_STR}
)

编译命令：

mkdir build && cd build
cmake .. -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=<path/to/install>
make -j8
make install

- C fastcdr

https://github.com/eProsima/Fast-CDR

编译命令：

mkdir build && cd build
cmake .. -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=<path/to/install>
make -j8
make install

- D tinyxml2

https://github.com/leethomason/tinyxml2

编译命令：

mkdir build && cd build
cmake .. -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=<path/to/install>
make -j8
make install

- E asio

Asio是一个用于网络和低级I/O编程的跨平台C++库，它使用现代C++方法为开发人员提供了一个一致的异步模型。
asio只有头文件，不需要编译

https://think-async.com/Asio/
https://think-async.com/Asio/Repository.html
https://github.com/chriskohlhoff/asio/

- F openssl

https://github.com/janbar/openssl-cmake
如果需要动态库则需要将crypto/CMakeLists.txt的add_library(crypto ${LIBSRC} ${OBJECTS_SRC})添加SHARED；ssl/CMakeLists.txt的add_library(ssl ${LIBSRC})添加SHARED

编译命令：

mkdir build && cd build
cmake .. -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=<path/to/install>
make -j8
make install

- G fastrtps

libfastrtps.so是最后一个库，安装完后fastdds就可以使用了。
https://github.com/eProsima/Fast-DDS
在其thirdparty目录下有一些第三方库，部分文件在编译时cmake会自动找到，下面解决编译时报错等问题。

修改CMakeLists.txt，添加include_directories(openssl/include/path asio/include/path)
大约在249行，在eprosima_find_package(fastcdr REQUIRED)之前添加cmake package搜罗路径：

# 将fastcdr, tinyxml2, foonathan_memory的位置添加进find_package的搜罗路径
set(CMAKE_PREFIX_PATH "<installpath/lib/cmake/fastcdr>;<lib/cmake/tinyxml2>;<lib/foonathan_memory/cmake>")
# 根据上面编译时的路径，编译fastrtps是应该找到对应的cmake package了

另外，Asio和Boost.Asio是可同时存在的，虽然它们功能一样但namespace和宏名等有差异，因此是不冲突的，modules/FindAsio.cmake文件line:35中使用的是ASIO_VERSION，boost.asio的宏为BOOST_ASIO_VERSION

由于openssl在安装后没有cmake文件，因此不能通过find_package找到openssl。需要在编译时指定动态库：在target_link_libraries中添加库文件的绝对路径即可
<fastdds_root_dir>/cpp/CMakeLists.txt:line:460后添加target_link_directories(${PROJECT_NAME} PUBLIC <openssl/lib_dir>); line:517添加<xx/lib/libssl.so> <xx/lib/libcrypto.so>注释掉关于OpenSSL的行

 
编译命令：

mkdir build && cd build
cmake .. -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=<path/to/install>
make -j8
make install

一、C++ publisher、subscriber应用

什么是DDS

Data Distribution Service(DDS)是一个以数据为中心的通讯协议，它用于进程之间的通讯。它描述了通讯APIs和通讯双方的通讯语义。
Since it is a Data-Centric Publish Subscribe (DCPS) model, 三个关键点：

  1. 发布实体：生成数据并定义其格式、属性等
  2. 接收实体：数据接接收方
  3. 配置实体：定义信息类型，作为topics传输，创建publishersubscriber和QOS属性，确保实体的正确表现

DDS 使用 QoS 来定义 DDS 实体的行为特征。QoS 由单独的 QoS 策略组成

DCPS概念模型

在DCPS模型中，为通信应用系统的开发定义了四个基本要素。

  • 发布者。它是 DCPS 实体，负责创建和配置它实现的 DataWriter。 DataWriter 是负责消息实际发布的实体。 每个主题都将有一个分配的主题，在该主题下发布消息。
  • 订阅者。 它是DCPS实体，负责接收在其订阅的主题下发布的数据。 它提供一个或多个 DataReader 对象，这些对象负责传达新数据的可用性 到应用程序。
  • 主题。 它是绑定发布者和订阅者的实体。 它在 DDS 域中是唯一的。 通过 TopicDescription，它允许出版物和订阅的数据类型的统一性。
  • 域

在这里插入图片描述

RTPS

RPTS 协议，开发为 支持DDS应用，是一个发布-订阅通信中间件 通过尽力而为的传输，例如 UDP/IP。此外，Fast DDS 还支持 TCP 和 共享内存 （SHM） 传输。
它旨在支持单播和组播通信。
在 RTPS 的顶部，继承自 DDS，可以找到域，它定义了一个单独的通信平面。 多个域可以独立地同时共存。 域包含任意数量的 RTPSParticipants，即能够发送和接收数据的元素。 为此，RTPSParticipants 使用其终结点：
RTPSWriter：能够发送数据的端点。
RTPSReader：能够接收数据的端点。
在这里插入图片描述

C++ 发布者订阅者应用

DDS是以数据为中心的通讯中间件，它实现了DCPS模型。该模型基于发布者、订阅者模式。这些实体通过主题进行通信，主题是绑定两个 DDS 实体的元素。发布者在主题下产生信息，订阅者通过相同的主题接收信息。

  1. 创建应用程序空间
  2. 依赖库
    Fast DDS 和 Fast CDR
    如果是二进制安装，头文件在/usr/include/fastrtps/ 和/usr/include/fastcdr/;库文件在/usr/lib/
  3. 配置CMake工程
cmake_minimum_required(VERSION 3.20)

project(DDSHelloWorld)

# Find requirements
if(NOT fastcdr_FOUND)
    find_package(fastcdr 2 REQUIRED)
endif()

if(NOT fastrtps_FOUND)
    find_package(fastrtps 2.12 REQUIRED)
endif()

# Set C++11
include(CheckCXXCompilerFlag)
if(CMAKE_COMPILER_IS_GNUCXX OR CMAKE_COMPILER_IS_CLANG OR
        CMAKE_CXX_COMPILER_ID MATCHES "Clang")
    check_cxx_compiler_flag(-std=c++11 SUPPORTS_CXX11)
    if(SUPPORTS_CXX11)
        add_compile_options(-std=c++11)
    else()
        message(FATAL_ERROR "Compiler doesn't support C++11")
    endif()
endif()

message(STATUS "Configuring HelloWorld publisher/subscriber example...")
file(GLOB DDS_HELLOWORLD_SOURCES_CXX "src/*.cxx")
  1. build the topic data type
    eProsima Fast DDS-Gen是一个生成源码的Java应用，它使用Interface Description Language(IDL)文件定义的数据类型。它有两个功能：
    1. 为topic生成C++定义
    2. 用topic数据生成功能案例
cd src && touch HelloWorld.idl

HelloWorld.idl文件中定义的 topic C++定义

struct HelloWorld
{
    unsigned long index;
    string message;
};

然后通过eProsima Fast DDS-Gen工具生成C++11代码：

<path/to/Fast DDS-Gen>/scripts/fastddsgen HelloWorld.idl

这将生成：
在这里插入图片描述

总结

https://fast-dds.docs.eprosima.com/en/latest/02-formalia/titlepage.html

https://paul.pub/dds-and-fastrtps/

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加油&#xff0c;新时代打工&#xff01; 组件官网&#xff1a;https://element.eleme.cn/#/zh-CN/component/date-picker 先上效果图&#xff0c;如下&#xff1a; 第一种实现方式 <div class"app-container"><el-formref"submitForm":model&q…
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