今天我们一起来了解一个中间件协议框架DDS，它的全称是Data Distribution Service，是一套通信协议和API标准，提供了以数据为中心的连接服务，基于发布者-订阅者模型，提供了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。强调以数据为中心，提供丰富的QoS服务质量策略，以保障数据进行实时、高效、灵活地分发，可满足各种分布式实时通信应用需求。

标准提供商

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。它的使命是开发技术标准，为数以千计的垂直行业提供真实的价值。OMG一直致力于将其由最终用户、供应商、政府机构、大学和研究机构组成的国际成员聚集在一起，随着多年来技术的变化来开发和修订这些标准，其中包括统一建模语言SYSML和UML，还有中间件标准CORBA等，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.

4个数据通信时代

有了DDS协议后，我们可以大致把数据通信方式划分为4个时代：
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（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。
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分布式系统通信痛点解决

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。
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有了DDS后，就有统一的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。

此外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。
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DDS 的应用

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：
在这里插入图片描述对于汽车行业来说，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。
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。
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DDS标准核心规范

在DDS规范中，有以下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。
IDL 定义了IDL，一种用于以独立于编程语言的方式定义数据类型和接口的语言。这不属于DDS标准，但DDS依赖于它。

DDS的通信模型DCPS，如下图：
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Domain：代表一个通信平面，由Domain ID唯一标识，只有在同一个域内的通信实体才可以通信；可以只划分1个Domain，也可以按照交互规则或其他规则，定义多个Domain；
Topic：是数据的抽象概念，由TopicName标识，关联相应数据的数据类型(DataType)，把所涉及的所有Topic集合在一起，这样就形成一个虚拟的全局数据空间“Global Data Space”，这里弱化了节点的概念；
DataWriter：数据写入者，类似缓存，把需要发布的Topic数据从应用层写入到DataWriter中；
DataReader：数据读取者，同样可以理解为一种缓存，从订阅者得到Topic数据，随之传给应用层；
QoS：服务质量(Quality of Service)，这是DDS的亮点，通过定义灵活的QoS规则，包括可靠性、系统健康(活跃度)甚至安全性，也可以共享数据。DDS在发送它所需要的信息方面很聪明。如果消息不能总是到达它们预期的目的地，那么中间件将在需要的地方实现可靠性。当系统发生变化时，中间件动态地计算出向何处发送哪些数据，并智能地通知参与者这些变化。如果总数据量很大，DDS会智能地过滤并只发送每个端点真正需要的数据。当更新需要快速时，DDS发送多播消息来一次更新许多远程应用程序。随着数据格式的发展，DDS跟踪系统各个部分使用的版本，并自动转换。对于安全性至关重要的应用程序，DDS控制访问、强制数据流路径并实时加密数据。

发布者（publisher）设置发布的主题（topic），数据读者(subscriber)订阅感兴趣的主题。publisher作为发布者角色，至少包含一个DataWriter，并负责创建，删除和管理datawriter。同样，subscriber作为订阅者，至少与一个datareader关联，并负责发布数据，数据发布者通过调用datawriter的write函数发布数据，但数据不会立刻被送出，实际的消息产生是通过publisher和Qos综合控制的。datareader负责订阅数据，订阅方式可采用异步方式（listener），同步方式和非阻塞三种。

DDS的通信协议RTPS建立在传输层之上，可以支持共享内存：
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RTPS协议的主要特点包括:

性能和服务质量属性，使得实时应用程序能够在标准IP网络上进行最佳努力和可靠的发布-订阅通信；
容错，允许创建没有单点故障的网络；
可扩展性，允许协议通过新的服务进行扩展和增强，而不会破坏向后兼容性和互操作性；
即插即用连接，使新的应用程序和服务自动发现，应用程序可以随时加入和离开网络，而不需要重新配置；
可配置性，允许每个数据传递能够平衡可靠性和及时性的要求；
模块化，允许简单设备实现协议的子集，同时仍然参与网络；
可扩展性，使系统有可能扩展到非常大的网络；
类型安全，以防止应用程序编程错误而危及到系统中其他远程节点。

RTPS协议由PIM(Platform Independent Model，平台独立模型)和一组PSM(Platform-Specific Model，平台特定模型)描述。
PIM包含四个模块：结构，消息，行为和发现。结构(Structure)模块定义通信端点。消息(Messages)模块定义这些端点可以交换的消息集合。行为(Behavior)模块定义合法交互集(消息交换)以及它们如何影响通信端点的状态。发现(Discovery)模块定义如何自动发现和配置实体。如图：
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PSM负责提供PIM与UDP(或者说底层平台)之间的映射，主要包括各种消息格式。

总结

DDS是一种网络中间件，可以简化网络编程；它实现了一个超越基本发布-订阅模式的机制，用于在节点之间发送和接收数据、事件和命令。产生信息的节点（发布者）创建“主题”（例如，温度、位置、压力）并发布“样本”。 DDS 将样本交付给声明对该主题感兴趣的订阅者。主要好处是使用 DDS 进行通信的应用程序是分离的，很少需要花费设计时间来处理它们的相互交互。特别是，应用程序永远不需要有关其他参与应用程序的信息，包括它们的存在或位置（支持去中心化）；DDS 透明地处理消息传递，无需用户应用程序的干预。提供了一个数据空间的方式，属于同一数据空间，访问数据就像通过api来访问内存一样。
后续会再来一起看下DDS的实现，Fast DDS，欢迎关注。

参考资料：
https://paul.pub/dds-and-fastrtps/