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：

90f5f2e01a7eb35461d48b9e3cc19fab_640_wx_fmt=png&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.png

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：

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。	20 s
Announcement Period	指定参与者的PDP公告消息的周期。	3s

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_DllAPIstaticboolregisterType(
        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)
{
    case1:
        {
            HelloWorldPublishermypub;
            if(mypub.init())
            {
                mypub.run(count,sleep);
            }
            break;
        }
    case2:
        {
            HelloWorldSubscribermysub;
            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：

boolHelloWorldPublisher::init()
{
    m_Hello.index(0);
    m_Hello.message("HelloWorld");
    ParticipantAttributesPParam;
    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);
<span class="k">if</span><span class="p">(</span><span class="n">mp_participant</span><span class="o">==</span><span class="nb">nullptr</span><span class="p">)</span>
    <span class="k">return</span> <span class="nb">false</span><span class="p">;</span>
<span class="c1">//REGISTER THE TYPE</span>
<span class="n">Domain</span><span class="o">::</span><span class="n">registerType</span><span class="p">(</span><span class="n">mp_participant</span><span class="p">,</span><span class="o">&amp;</span><span class="n">m_type</span><span class="p">);</span>
<span class="c1">//CREATE THE PUBLISHER</span>
<span class="n">PublisherAttributes</span> <span class="n">Wparam</span><span class="p">;</span>
<span class="n">Wparam</span><span class="p">.</span><span class="n">topic</span><span class="p">.</span><span class="n">topicKind</span> <span class="o">=</span> <span class="n">NO_KEY</span><span class="p">;</span>
<span class="n">Wparam</span><span class="p">.</span><span class="n">topic</span><span class="p">.</span><span class="n">topicDataType</span> <span class="o">=</span> <span class="s">"HelloWorld"</span><span class="p">;</span>
<span class="n">Wparam</span><span class="p">.</span><span class="n">topic</span><span class="p">.</span><span class="n">topicName</span> <span class="o">=</span> <span class="s">"HelloWorldTopic"</span><span class="p">;</span>
<span class="n">Wparam</span><span class="p">.</span><span class="n">topic</span><span class="p">.</span><span class="n">historyQos</span><span class="p">.</span><span class="n">kind</span> <span class="o">=</span> <span class="n">KEEP_LAST_HISTORY_QOS</span><span class="p">;</span>
<span class="n">Wparam</span><span class="p">.</span><span class="n">topic</span><span class="p">.</span><span class="n">historyQos</span><span class="p">.</span><span class="n">depth</span> <span class="o">=</span> <span class="mi">30</span><span class="p">;</span>
<span class="n">Wparam</span><span class="p">.</span><span class="n">topic</span><span class="p">.</span><span class="n">resourceLimitsQos</span><span class="p">.</span><span class="n">max_samples</span> <span class="o">=</span> <span class="mi">50</span><span class="p">;</span>
<span class="n">Wparam</span><span class="p">.</span><span class="n">topic</span><span class="p">.</span><span class="n">resourceLimitsQos</span><span class="p">.</span><span class="n">allocated_samples</span> <span class="o">=</span> <span class="mi">20</span><span class="p">;</span>
<span class="n">Wparam</span><span class="p">.</span><span class="n">times</span><span class="p">.</span><span class="n">heartbeatPeriod</span><span class="p">.</span><span class="n">seconds</span> <span class="o">=</span> <span class="mi">2</span><span class="p">;</span>
<span class="n">Wparam</span><span class="p">.</span><span class="n">times</span><span class="p">.</span><span class="n">heartbeatPeriod</span><span class="p">.</span><span class="n">nanosec</span> <span class="o">=</span> <span class="mi">200</span><span class="o">*</span><span class="mi">1000</span><span class="o">*</span><span class="mi">1000</span><span class="p">;</span>
<span class="n">Wparam</span><span class="p">.</span><span class="n">qos</span><span class="p">.</span><span class="n">m_reliability</span><span class="p">.</span><span class="n">kind</span> <span class="o">=</span> <span class="n">RELIABLE_RELIABILITY_QOS</span><span class="p">;</span>
<span class="n">mp_publisher</span> <span class="o">=</span> <span class="n">Domain</span><span class="o">::</span><span class="n">createPublisher</span><span class="p">(</span><span class="n">mp_participant</span><span class="p">,</span><span class="n">Wparam</span><span class="p">,(</span><span class="n">PublisherListener</span><span class="o">*</span><span class="p">)</span><span class="o">&amp;</span><span class="n">m_listener</span><span class="p">);</span>
<span class="k">if</span><span class="p">(</span><span class="n">mp_publisher</span> <span class="o">==</span> <span class="nb">nullptr</span><span class="p">)</span>
    <span class="k">return</span> <span class="nb">false</span><span class="p">;</span>
<span class="k">return</span> <span class="nb">true</span><span class="p">;</span>
}

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：

boolHelloWorldPublisher::publish(boolwaitForListener)
{
    if(m_listener.firstConnected||!waitForListener||m_listener.n_matched>0)
    {
        m_Hello.index(m_Hello.index()+1);
        mp_publisher->write((void*)&m_Hello);
        returntrue;
    }
    returnfalse;
}

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：

boolHelloWorldSubscriber::init()
{
    ParticipantAttributesPParam;
    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)
        returnfalse;
<span class="c1">//REGISTER THE TYPE</span>
<span class="n">Domain</span><span class="o">::</span><span class="n">registerType</span><span class="p">(</span><span class="n">mp_participant</span><span class="p">,</span><span class="o">&amp;</span><span class="n">m_type</span><span class="p">);</span>
<span class="c1">//CREATE THE SUBSCRIBER</span>
<span class="n">SubscriberAttributes</span> <span class="n">Rparam</span><span class="p">;</span>
<span class="n">Rparam</span><span class="p">.</span><span class="n">topic</span><span class="p">.</span><span class="n">topicKind</span> <span class="o">=</span> <span class="n">NO_KEY</span><span class="p">;</span>
<span class="n">Rparam</span><span class="p">.</span><span class="n">topic</span><span class="p">.</span><span class="n">topicDataType</span> <span class="o">=</span> <span class="s">"HelloWorld"</span><span class="p">;</span>
<span class="n">Rparam</span><span class="p">.</span><span class="n">topic</span><span class="p">.</span><span class="n">topicName</span> <span class="o">=</span> <span class="s">"HelloWorldTopic"</span><span class="p">;</span>
<span class="n">Rparam</span><span class="p">.</span><span class="n">topic</span><span class="p">.</span><span class="n">historyQos</span><span class="p">.</span><span class="n">kind</span> <span class="o">=</span> <span class="n">KEEP_LAST_HISTORY_QOS</span><span class="p">;</span>
<span class="n">Rparam</span><span class="p">.</span><span class="n">topic</span><span class="p">.</span><span class="n">historyQos</span><span class="p">.</span><span class="n">depth</span> <span class="o">=</span> <span class="mi">30</span><span class="p">;</span>
<span class="n">Rparam</span><span class="p">.</span><span class="n">topic</span><span class="p">.</span><span class="n">resourceLimitsQos</span><span class="p">.</span><span class="n">max_samples</span> <span class="o">=</span> <span class="mi">50</span><span class="p">;</span>
<span class="n">Rparam</span><span class="p">.</span><span class="n">topic</span><span class="p">.</span><span class="n">resourceLimitsQos</span><span class="p">.</span><span class="n">allocated_samples</span> <span class="o">=</span> <span class="mi">20</span><span class="p">;</span>
<span class="n">Rparam</span><span class="p">.</span><span class="n">qos</span><span class="p">.</span><span class="n">m_reliability</span><span class="p">.</span><span class="n">kind</span> <span class="o">=</span> <span class="n">RELIABLE_RELIABILITY_QOS</span><span class="p">;</span>
<span class="n">Rparam</span><span class="p">.</span><span class="n">qos</span><span class="p">.</span><span class="n">m_durability</span><span class="p">.</span><span class="n">kind</span> <span class="o">=</span> <span class="n">TRANSIENT_LOCAL_DURABILITY_QOS</span><span class="p">;</span>
<span class="n">mp_subscriber</span> <span class="o">=</span> <span class="n">Domain</span><span class="o">::</span><span class="n">createSubscriber</span><span class="p">(</span><span class="n">mp_participant</span><span class="p">,</span><span class="n">Rparam</span><span class="p">,(</span><span class="n">SubscriberListener</span><span class="o">*</span><span class="p">)</span><span class="o">&amp;</span><span class="n">m_listener</span><span class="p">);</span>
<span class="k">if</span><span class="p">(</span><span class="n">mp_subscriber</span> <span class="o">==</span> <span class="nb">nullptr</span><span class="p">)</span>
    <span class="k">return</span> <span class="nb">false</span><span class="p">;</span>
<span class="k">return</span> <span class="nb">true</span><span class="p">;</span>
}

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：

voidHelloWorldSubscriber::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：

回调	Publisher	Subscriber
onNewDataMessage	-	√
onSubscriptionMatched	-	√
on_requested_deadline_missed	-	√
on_liveliness_changed	-	√
onPublicationMatched	√	-
on_offered_deadline_missed	√	-
on_liveliness_lost	√	-

DDS与FastRTPS（二）

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