DDS通信中间件——DCPS规范(上)

北汇信息POLELINK 2024-09-26 333

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描述

DDS通信中间件——DCPS规范(上)

本篇文章继续和大家分享一下对DDS这套规范的理解。预期本系列文章将包括以下内容陆续更新：

1. DDS规范概述

2. DCPS规范解读

3. DDS-XTypes与IDL解读

4. RTPS规范解读

5. DDS安全规范解读

6. DDS-RPC规范解读

7. DDS-TSN规范解读

8. DDS-XRCE规范解读

DCPS规范分为上下两篇，本篇内容先讲模型概述、接口定义和开发示例，下篇再来讲QoS定义。

1. 概述

DCPS（Data-Centric Publish-Subscribe，以数据为中心的发布/订阅）规范是DDS系列规范最初也是最核心的规范，在某些场合DDS规范指的就是DCPS规范。

2. DCPS-PIM

DCPS的内容总结在下面这张图中，主要分为三大块，这篇文章也将按照导图中的内容依次介绍：

  • • 模型描述，介绍模型中涉及的概念；
  • • 接口描述，分模块定义类并定义接口形式及接口功能描述；
  • • QoS定义，定义22种QoS的功能及其配置方式。  

DDS

2.1. 模型描述

2.1.1. 实体概念

  • 基于主题的发布/订阅模型
  • 系统的数据按照主题来分类； 
  • 发布端发布主题数据； 
  • 订阅端订阅主题数据； 
  • 发布端发布的主题数据后，相同主题的订阅端都能收到。 
  • DCPS实体模型定义了三层实体，如下图所示
  • 域参与者（DomainParticipant） 
  • 这个实体看上去和发布/订阅模型没啥关系，实际上也没啥关系。主要是DDS里面定义域的概念用来隔离通信，相同域内实体互相通信，不同域间隔离；
  • 这是应用参加DDS系统通信的入口实体，创建某个域下的域参与者表示：“我想要参与某个域进行通信（是发布还是订阅后面再告诉你）”。 
  • 发布者（Publisher） 
  • 这个最好理解，应用创建发布者表示：“我需要发布数据（具体发布什么主题数据，后面再告诉你）”；
  • 订阅者（Subscriber）
     
  • 这个也很好理解，应用创建订阅者表示：“我需要订阅数据（具体订阅什么主题数据，后面再告诉你）”；
  • 主题（Topic） 
  • 主题用来描述一类数据，创建主题表示：“我有这么一类数据需要交互”；
  • 定义主题需要什么信息，后面章节详细介绍； 
  • 数据写者（DataWriter） 
  • 数据写者关联一个且仅一个主题实体，用来向全局数据空间写指定主题的数据； 
  • 应用创建数据写者表示：“我需要发布XX主题数据。”
  • 数据读者（DataReader）
  • 数据读者关联一个且仅一个主题实体，用来从全局数据空间读指定主题的数据； 
  • 应用创建数据读者表示：“我需要订阅XX主题数据。”

DDS

2.1.2. 数据描述

DCPS模型中有几个重要的概念来描述系统中传输的数据，如下图所示自顶向下分为三层来描述系统中交互的数据。

概念说明标识
主题最大类，域内唯一的主题名称，并关联1个数据类型。主题名+类型
实例主题数据中key成员相同的数据的集合，即使用key成员进一步区分主题数据，可以理解成“子主题”。InstanceHandle_t
样本每次向DDS发送一次数据产生一个数据样本。序列号

DDS

2.2. 接口描述

2.2.1. 基础模块

基础模块包含了DCPS的接口定义的几个重要的原则：

实体管理（创建/删除/查询）采用工厂模式，父实体为子实体的工厂，层级关系参见2.2.1节；

每个实体会关联一组内部的状态；

状态可以通过实体提供的查询接口查询获取；

状态可以通过监听器由底层回调获取；

状态可以通过“条件-等待”的方式同步阻塞获取；

每个实体都会关联一系列的QoS配置。

2.2.1.1. 实体状态

实体状态表示DDS为用户关心的底层事件所维护的状态，例如数据写者关联成功匹配远程数据读者、检测到数据读者数据样本丢失、检测到主题的类型不兼容等。每个实体会关联一系列的代表该实体“通信状态”的状态对象。实体关联的状态参见下图。状态结构体中包含的数值可以提供更多关于该状态的信息。

DDS

2.2.1.2. 获取实体状态

状态分为两种类型：

  • 简单通信状态 ：除了表明状态是否改变的标识还包含保存当前状态的对应结构体。
  • 读通信状态：读通信状态更像一个事件，除了是否发生以外没有其他声明。只有两个状态是读通信状态：#DATA_AVAILABLE_STATUS 和 #DATA_ON_READERS_STATUS 。

DDS

下面分别描述获取实体简单通信状态有三种方式 :

  • 同步获取实体状态，参见上图最左边图，用户想要获取某个状态的当前值时，主动调用该状态有关的实体方法，获取各实体状态的实体方法参见2.2.1.1中的图；
  • 同步等待并获取实体状态，参见上图中间的图，用户设置等待条件，并调用DDS接口进行阻塞等待，在DDS底层检测到该状态发生变化后，解开阻塞，用户再通过方法1获取该状态；
  • 异步回调实体状态，参见上图右边的图，该方式为通过监听器异步回调状态 ，用户为实体设置相应的监听器（再进行其他的业务逻辑），DDS底层检测到该状态变化时，通过回调监听器的相应方法，用户即可获取该状态的值，各实体状态关联的回调方法参见参见2.2.1.1中的图。

2.2.1.3. 条件-等待

DDS使用条件（ Condition ）以及等待（ WaitSet ）来实现同步等待模型，其中每个条件均有一个触发状态，不同类型的状态的触发条件不一样，可以将一个或者多个条件加入到等待集合中，即允许用户同时等待多个状态的集合中的某个状态触发。条件的类型及其相关的操作参见，使用条件等待的详细例子参见：

说明状态条件（ StatusCondition ）读取条件 （ ReadCondition ）监视条件（ GuardCondition ）
简介该条件用于获取实体状态改变该条件用于获取数据读者的数据状态改变该条件用于手动解开阻塞的条件集合
获取方式每个实体均会关联一个该条件，调用 Entity::get_statuscondition 方法获取由数据读者作为该条件的工厂， DataReader::create_readcondition 、 DataReader::delete_readcondition用户负责状态的生命周期管理 (new/delete)
触发方式StatusCondition::set_enabled_statuses 设置的关心的状态发生改变数据读者底层有该状态所表示的数据样本的时候触发用户通过监视条件的接口手动设置
触发后的动作首先测试发生改变的状态，再调用相应的状态获取方法获取调用数据读者的读取数据方法获取改变的数据 DataReader::read_w_condition DataReader::take_w_condition无

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2.2.1.4. 监听器

DDS通过监听器提供底层状态事件异步回调的机制，每个实体状态在相应的实体监听器中均有相应的回调函数与之对应，实体回调函数与实体状态的对应关系参见 2.2.1.1中的图 。下图显示了DDS中各个监听器的继承关系，即父实体的监听器继承于子类的监听器，这就意味着父实体监听器能够获取所有子实体的状态变化。

DDS

2.2.2. 域模块

在发布订阅模型中，理论上每个计算机上的中间件都需要掌握全局的节点信息，以提供分布式的数据传输服务。但在实际应用中，可能存在需要隔离的情况，例如网络中的节点数量过于庞大，掌握全局信息会付出巨大的代价，或者从属于不同分区的小组之间不希望互相干扰。为了解决隔离的问题，DDS引入了域的概念。每个参与通信的计算机都可以加入一个或多个域，相同域内的节点可以互相通信，不同域之间的节点则不会有数据交互。DDS中使用 DomainId_t 来唯一标识一个域。域参与者实体是DDS的入口，用户创建一个域参与者表示该程序想要在指定的域中交互数据。域模型示意图参见下图，一个应用程序可以在多个域中交互数据。

DDS

2.2.2.1. 域参与者工厂

域参与者实体的工厂为全局单例的域参与者工厂( DomainParticipantFactory )，域参与者工厂的主要功能参见下表。

功能接口
单例管理
 		DomainParticipantFactory::get_instance
DomainParticipantFactory::finalize_instance
作为域参与者的工厂
 		DomainParticipantFactory::create_participant
DomainParticipantFactory::delete_participant
DomainParticipantFactory::lookup_participant
DomainParticipantFactory::get_default_participant_qos
DomainParticipantFactory::set_default_participant_qos
自身QoS管理
 		DomainParticipantFactory::set_qos
DomainParticipantFactory::get_qos

（向左滑动）

 

 

2.2.2.2. 域参与者

域参与者( DomainParticipant )，主要接口的功能参见下表，此外，域参与者内部还实现发现协议、根据线程模型配置初始化线程、创建定时器、申请并创建网络传输需要的资源，并监听对应的网络端口，负责处理网络报文等，域参与者所需的资源较多，内部逻辑复杂，因而在一个应用中应尽可能的减少域参与者的创建。

功能接口
实体功能
 		DomainParticipant::enable
DomainParticipant::set_listener
DomainParticipant::get_listener
DomainParticipant::set_qos
DomainParticipant::get_qos
DomainParticipant::get_instance_handle
DomainParticipant::get_status_changes
DomainParticipant::get_statuscondition
作为实体工厂
 		DomainParticipant::delete_contained_entities
DomainParticipant::contains_entity
作为主题实体工厂
 		DomainParticipant::create_topic
DomainParticipant::delete_topic
DomainParticipant::get_default_topic_qos
DomainParticipant::set_default_topic_qos
DomainParticipant::lookup_topicdescription
DomainParticipant::find_topic
DomainParticipant::create_contentfilteredtopic
DomainParticipant::delete_contentfilteredtopic
作为发布者实体工厂
 		DomainParticipant::create_publisher
DomainParticipant::delete_publisher
DomainParticipant::get_default_publisher_qos
DomainParticipant::set_default_publisher_qos
DomainParticipant::get_publishers
作为订阅者实体工厂
 		DomainParticipant::create_subscriber
DomainParticipant::delete_subscriber
DomainParticipant::get_default_subscriber_qos
DomainParticipant::set_default_subscriber_qos
DomainParticipant::get_subscribers
内置实体管理DomainParticipant::get_builtin_subscriber
通信管理
 		DomainParticipant::ignore_participant
DomainParticipant::ignore_publication
DomainParticipant::ignore_subscription
域信息查询
 		DomainParticipant::get_domain_id
DomainParticipant::get_discovered_participants
DomainParticipant::get_discovered_participant_data
DomainParticipant::get_discovered_topics
DomainParticipant::get_discovered_topic_data
存活性管理DomainParticipant::assert_liveliness


2.2.3. 主题模块

功能接口
实体功能
 		Topic::enable
Topic::set_listener
Topic::get_listener
Topic::get_instance_handle
Topic::get_status_changes
Topic::get_statuscondition
Topic::set_qos
Topic::get_qos
获取主题信息
 		Topic::get_type_name
Topic::get_name

2.2.4. 发布模块

2.2.4.1. 发布者

功能接口
实体功能
 		Publisher::enable
Publisher::set_listener
Publisher::get_listener
Publisher::get_instance_handle
Publisher::get_status_changes
Publisher::get_statuscondition
Publisher::get_participant
Publisher::set_qos
Publisher::get_qos
作为数据写者的工厂
 		Publisher::create_datawriter
Publisher::delete_datawriter
Publisher::lookup_datawriter
Publisher::delete_contained_entities
Publisher::set_default_datawriter_qos
Publisher::get_default_datawriter_qos
Publisher::copy_from_topic_qos
数据发布控制Publisher::begin_coherent_changes
Publisher::end_coherent_changes
Publisher::wait_for_acknowledgments
Publisher::suspend_publications
Publisher::resume_publications

2.2.4.2. 数据写者

数据写者主要的功能描述参见下表，数据写者提供强类型安全的接口，该接口由DDS编译器根据IDL中定义的类型自动生成，其中类型无关的接口参见 DataWriter 、类型相关的接口参见 ExampleDataWriter 接口说明，典型的发布过程如下 。

功能接口
实体功能
 		DataWriter::enable
DataWriter::set_listener
DataWriter::get_listener
DataWriter::get_instance_handle
DataWriter::get_status_changes
DataWriter::get_statuscondition
DataWriter::set_qos
DataWriter::get_qos
数据发送
 		ExampleDataWriter::write
ExampleDataWriter::write_w_timestamp
ExampleDataWriter::write_w_dst
数据实例管理
 		ExampleDataWriter::register_instance
ExampleDataWriter::register_instance_w_timestamp
ExampleDataWriter::unregister_instance
ExampleDataWriter::unregister_instance_w_timestamp
ExampleDataWriter::dispose
ExampleDataWriter::dispose_w_timestamp
ExampleDataWriter::get_key_value
ExampleDataWriter::lookup_instance
实体状态查询
 		DataWriter::get_liveliness_lost_status
DataWriter::get_offered_deadline_missed_status
DataWriter::get_offered_incompatible_qos_status
DataWriter::get_publication_matched_status
数据写者信息查询
 		DataWriter::get_topic
DataWriter::get_publisher
匹配对端信息查询
 		DataWriter::get_matched_subscriptions
DataWriter::get_matched_subscription_data
存活性管理DataWriter::assert_liveliness
其他
 		DataWriter::wait_for_acknowledgments
DataWriter::flush

（向左滑动）

 

 

2.2.5. 订阅模块

2.2.5.1. 订阅者

功能接口
实体功能
 		Subscriber::enable
Subscriber::set_listener
Subscriber::get_listener
Subscriber::get_instance_handle
Subscriber::get_status_changes
Subscriber::get_statuscondition
Subscriber::get_participant
Subscriber::set_qos
Subscriber::get_qos
作为数据读者的工厂Subscriber::create_datareader
Subscriber::delete_datareader
Subscriber::lookup_datareader
Subscriber::delete_contained_entities
Subscriber::set_default_datareader_qos
Subscriber::get_default_datareader_qos
Subscriber::copy_from_topic_qos
数据获取方式Subscriber::begin_access
Subscriber::end_access
Subscriber::get_datareaders
Subscriber::notify_datareaders

（向左滑动）

 

 

2.2.5.2. 数据读者

数据读者的类型无关功能描述参见下表，数据读者提供强类型安全的接口，该接口由DDS编译器根据IDL中定义的类型自动生成，其中类型无关的接口参见DataReader 、类型相关的接口参见 ExampleDataReader 接口说明。

功能接口
实体功能
 		DataReader::enable
DataReader::set_listener
DataReader::get_listener
DataReader::get_instance_handle
DataReader::get_status_changes
DataReader::get_statuscondition
DataReader::set_qos
DataReader::get_qos
实体状态查询DataReader::get_sample_lost_status
DataReader::get_sample_rejected_status
DataReader::get_subscription_matched_status
DataReader::get_liveliness_changed_status
DataReader::get_requested_deadline_missed_status
DataReader::get_requested_incompatible_qos_status
数据读者信息查询DataReader::get_topicdescription
DataReader::get_subscriber
匹配对端信息查询DataReader::get_matched_publications
DataReader::get_matched_publication_data
读取状态管理DataReader::create_readcondition
DataReader::create_querycondition
DataReader::delete_readcondition
DataReader::delete_contained_entities
其他DataReader::wait_for_historical_data

（向左滑动）

 


 

 

2.2.5.3. 获取主题数据

当数据样本到达订阅端时，DDS底层会根据主题匹配信息分发给不同的数据读者去处理，当完成处理（资源限制等QoS配置）时，数据读者将把该数据样本存储在底层的队列中，并通知用户，再等待用户通过接口来取出该数据样本，DDS通知用户数据到达的方式有两种：异步监听方式以及同步等待方式，用户通过数据读者的读取数据接口访问底层队列中的数据样本，这些接口的摘要信息参见下表，详细信息参见相应的接口说明。用户可以通过多种方式访问底层存储的队列数据：

1. 提供样本深拷贝以及零拷贝（仅提供数据样本在底层队列中的指针或者引用）两种方式；

2. 指定最大获取数量；

3. 访问处于指定状态的样本，样本状态由 SampleStateKind 、 ViewStateKind 、 InstanceStateKind 三个状态定义；

4. 按照数据实例访问，包括指定数据实例以及按数据实例顺序；

5. 按照样本的顺序依次访问；

6. 读取/取出两种访问方法，其中读取操作不从底层队列中删除，而取出操作则从底层维护的样本中删除。

分类接口说明
读取系列ExampleDataReader::read方式1 & 方式2 & 方式3
ExampleDataReader::read_next_sample方式5
ExampleDataReader::read_instance方式1 & 方式2 & 方式3 & 方式4
ExampleDataReader::read_next_instance方式1 & 方式2 & 方式3 & 方式4
ExampleDataReader::read_w_condition同 ExampleDataReader::read
ExampleDataReader::read_next_instance_w_condition同 ExampleDataReader::read_next_instance
取出系列ExampleDataReader::take方式1 & 方式2 & 方式3
ExampleDataReader::take_next_sample方式5
ExampleDataReader::take_instance方式1 & 方式2 & 方式3 & 方式4
ExampleDataReader::take_next_instance方式1 & 方式2 & 方式3 & 方式4
ExampleDataReader::take_w_condition同 ExampleDataReader::take
ExampleDataReader::take_next_instance_w_condition同 ExampleDataReader::take_next_instance
归还空间ExampleDataReader::return_loan配合实现零拷贝

（向左滑动）

 

 

2.3. QoS定义

下一期再继续分享。

3. PSM-IDL

因为上面定义的是平台/技术无关的模型，在这一章OMG用IDL给出了DCPS的一种定义，所谓PIM就是只规定形式和行为，具体数据结构在PSM中给出，这是OMG DDS规范的一般套路，打个比方，在PIM中会定义 InstanceHandle_t 这个结构的含义是用来唯一标识实体或者数据实例，但是不会规定如何来实现，在PSM中会定义 InstanceHandle_t 就是8个字节或者16个字节。

4. 开发流程

DDS

5. 代码示例

5.1. 发布端

#include "DomainParticipantFactory.h"
#include "DomainParticipant.h"
#include "DefaultQos.h"
#include "Publisher.h"
#include "DataWriter.h"
#include "Topic.h"
#include "Foo.h"
#include "FooDataWriter.h"
#include "FooTypeSupport.h"
#include "ZRSleep.h"
#include 
int main()
{
    // 域
    DomainId_t domainId = 11;
    DomainParticipantFactory *factory = DomainParticipantFactory::get_instance();
    // 域参与者
    DomainParticipant *participant = factory->create_participant(
        domainId, 
        DOMAINPARTICIPANT_QOS_DEFAULT, 
        NULL, STATUS_MASK_NONE);
    if (NULL == participant)
    {
        printf("create participant failed.\n");
        return -1;
    }
    // 注册类型
    const Char* type_name = FooTypeSupport::get_instance()->get_type_name();
    if (type_name == NULL)
    {
        return -1;
    }
    ReturnCode_t rtn = FooTypeSupport::get_instance()->register_type(participant, type_name);
    if (rtn != RETCODE_OK)
    {
        printf("register type failed.\n");
        return -1;
    }
    // 创建主题
    Topic *topic = participant->create_topic("example", type_name, TOPIC_QOS_DEFAULT, NULL, STATUS_MASK_NONE);
    if (topic == NULL)
    {
        printf("create topic failed.\n");
        return -1;
    }
    // 创建发布端
    Publisher *publisher = participant->create_publisher(
        PUBLISHER_QOS_DEFAULT, 
        NULL, STATUS_MASK_NONE);
    if (publisher == NULL)
    {
        printf("create publisher failed.\n");
        return -1;
    }
    // 创建数据写者
    DataWriterQos writer_qos;
    publisher->get_default_datawriter_qos(writer_qos);
    writer_qos.history.depth = 5;
    DataWriter *writer = publisher->create_datawriter(
        topic, writer_qos, NULL, STATUS_MASK_NONE);
    FooDataWriter *_writer = dynamic_cast(writer);
    if (writer == NULL)
    {
        printf("create datawriter failed.\n");
        return -1;
    }
    // 创建数据样本
    Foo sample;
    while (true)
    {
        // 在此处修改数据样本的值
        
        // 发布数据样本
        _writer->write(sample, HANDLE_NIL_NATIVE);
        ZRSleep(1000);
    }
    return 0;
}

（向左滑动）

 

 

5.2. 订阅端

#include "DomainParticipantFactory.h"
#include "DomainParticipant.h"
#include "DefaultQos.h"
#include "Subscriber.h"
#include "DataReader.h"
#include "Topic.h"
#include "DataReaderListener.h"
#include "Foo.h"
#include "FooDataReader.h"
#include "FooTypeSupport.h"
#include "ZRSleep.h"
#include 
// 继承DataReaderListener
class Mylistener : public DataReaderListener
{
    // 回调函数
    void on_data_available(DataReader *the_reader)
    {
        printf("received data.\n");
        FooDataReader *foo_reader = dynamic_cast(the_reader);
        if (foo_reader == NULL)
        {
            printf("cast reader failed.\n");
            return;
        }
        FooSeq data_values;
        SampleInfoSeq sample_infos;
        ReturnCode_t rtn;
        rtn = foo_reader->take(data_values, 
            sample_infos, 
            MAX_INT32_VALUE, 
            ANY_SAMPLE_STATE, 
            ANY_VIEW_STATE, 
            ANY_INSTANCE_STATE);
        if (RETCODE_ERROR == rtn)
        {
            printf("take failed.\n");
            return;
        }
        if (RETCODE_NO_DATA == rtn)
        {
            printf("no data.\n");
            return;
        }
        for (int i = 0; i < sample_infos.length(); i++)        
        {
            if (sample_infos[i].valid_data)
            {
                FooPrintData(&data_values[i]);
            }
        }
        foo_reader->return_loan(data_values, sample_infos);
    }
};
int main()
{
    // 域
    DomainId_t domainId = 11;
    DomainParticipantFactory *factory = DomainParticipantFactory::get_instance();
    // 域参与者
    DomainParticipant *participant = factory->create_participant(
        domainId, 
        DOMAINPARTICIPANT_QOS_DEFAULT, 
        NULL, STATUS_MASK_NONE);
    if (NULL == participant)
    {
        printf("create participant failed.\n");
        return -1;
    }
    // 注册类型
    const Char* type_name = FooTypeSupport::get_instance()->get_type_name();
    if (NULL == type_name)
    {
        return -1;
    }
    ReturnCode_t rtn = FooTypeSupport::get_instance()->register_type(participant, type_name);
    if (RETCODE_OK != rtn)
    {
        printf("register type failed.\n");
        return -1;
    }
    // 创建主题
    Topic *topic = participant->create_topic("example", type_name, TOPIC_QOS_DEFAULT, NULL, STATUS_MASK_NONE);
    if (NULL == topic)
    {
        printf("create topic failed.\n");
        return -1;
    }
    // 创建订阅端
    Subscriber *subscriber = participant->create_subscriber(
        SUBSCRIBER_QOS_DEFAULT, 
        NULL, STATUS_MASK_NONE);
    if (NULL == subscriber)
    {
        printf("create subscriber failed.\n");
        return -1;
    }
    // 监听器
    Mylistener *listener = new Mylistener;
    // 创建数据读者
    DataReaderQos reader_qos;
    subscriber->get_default_datareader_qos(reader_qos);
    reader_qos.history.depth = 5;
    DataReader *reader = subscriber->create_datareader(
        topic, reader_qos, listener, STATUS_MASK_ALL);
    FooDataReader *_reader = dynamic_cast(reader);
    if (NULL == reader)
    {
        printf("create datareader failed.\n");
        return -1;
    }
    while (true)
    {
        ZRSleep(1000);
    }
    return 0;
}

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