DDS中间件设计

OpenDDS、FastDDS数据分发服务中间件设计

软件架构

• 应用层
• DDS层
• RTPS层
• 传输层

软件层次

FastDDS整体架构如下，这里可以看到DDS和RTPS的关系。另外缺少一部分IDL（统一描述语言），其应该是Pub、Sub的反序列化、序列化工具。

在RTPS层，主角是Writer&Reader，其接口复杂和灵活。DDS层，主角是Publisher&Subscriber。

执行模型

FastDDS中每个节点（也叫 DomainParticipant）具有：

• 一个 主程序线程（用户持有）
• 一个 事件和周期性任务的线程
• 一个 异步发送线程，用于用户完成写入数据后，异步得完成网络通信
• 多个 接收线程，每个reception channel，取决于传输层的实现方式

网络传输

在传输上，Fast-RTPS支持以下五种传输方式：

• UDPv4
• UDPv6
• TCPv4
• TCPv6
• SHM（共享内存）

当 Participant 创建时，会自动的配置两个传输通道：

• SHM：使用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

RTPS的通信SHM实现

在同一Host中，RTPS会采用更高效的SHM（shared memory）方式在participant间共享信息。这里有三个实现版本：

1. 共享内存传输 Shared Memory Transport （基本本版）
2. 数据共享交付 Data Sharing Delivery
3. 零拷贝 ZERO-COPY communication

上面的图中可见，通过减低Writer、Reader中对消息的备份减少内存的copy。可预见的，越高共享的内存实现越依赖通信同步机制。最终的zero copy方案直接预设A、B节点能实现完美的读写交错。

实际的自动驾驶场景，zero copy是十分必要的。

下图描述的是FastRTPS中的节点使用zero copy的实现。

底层实现原理

低延时、高吞吐量

• UDP传输
• 共享内存技术、零拷贝等技术

稳定性

• 主从负载均衡原理

下面是FastDDS的负载均衡原理的工作流程：

1. 主节点选举：在FastDDS中，一个节点被选为主节点，它负责协调数据传输以及任务的分发。主节点的选举可能基于配置文件、节点优先级或其他条件。
2. 从节点注册：通过与主节点建立连接，从节点向主节点注册自己的存在。从节点可以提供资源（例如CPU、内存）的信息，以便主节点进行任务分配时考虑。
3. 任务分配：当主节点收到发布者的消息后，它会根据当前系统的状态和从节点的资源情况，确定将数据发送给哪些从节点。
4. 数据传输：主节点将数据分发给各个从节点，并确保数据的可靠传输。每个从节点负责接收并处理它们所分配到的数据。
5. 状态监控和更新：主节点定期监控各个从节点的状态，包括资源利用率、延迟等。根据这些状态信息，主节点可以动态地重新分配任务，实现动态的负载均衡。
6. 故障处理和容错：如果主节点发生故障或失去连接，FastDDS系统会根据事先定义的容错策略重新选择一个新的主节点。这样能够保证系统的连续性和可靠性。

参考文献

了解FastDDS、FastRTPS 的底层实现原理 - 知乎 (zhihu.com)

1. Getting Started — Fast DDS 2.12.0 documentation (eprosima.com)

【linux】图文并茂|彻底搞懂零拷贝（Zero-Copy）技术 - 知乎 (zhihu.com)