ROS2探索（四）DDS与RTPS

引言

朋友们新年好啊，春节假期不讲武德，让人整天想摸鱼，感觉今天才勉强进入工作状态…
前面了解了ROS2的publisher、subscriber以及service，他们在节点中由executor执行且一个进程可以拥有多个节点。ROS2中引入了DDS中间件层（rmw），下面考察一下DDS相关的内容。
本文主要参考DDS-RTPS的2.2版本（？RTPS是啥玩意），详细的协议文档取自OMG官网：http://www.omg.org/spec/DDSI-RTPS/2.2。主要内容分为以下部分：

• DDS与RTPS简介
• RTPS的传输构成
• RTPS的数据格式
• RTPS通信的过程
• RTPS的发现机制

DDS与RTPS简介

DDS指数据分发服务（Data-Distribution Service），是由OMG组织定义的一种以数据为中心的通信模型，支持订阅发布模式（Data-Centric Publish-Subscribe）。DDS的协议标准规定了以下内容：

1. 应用的通信数据模型
2. 应用与DCPS通信中间件的交互的数据格式，其中包括服务质量要求（QoS）
3. 数据如何根据QoS进行收发
4. 应用如何访问通信数据
5. 通信中间件的状态反馈

RTPS表示实时发布-订阅传输协议(Real-Time Publish Subscribe)，该协议已经成为了工业以太网的一个标准（IEC-PAS-62030）。RTPS十分符合DDS模型的要求，于是就被DDS拿去作为它的传输协议了。这里我们就能理解为什么引言里面提到了大量的RTPS。

RTPS的传输构成

RTPS传输由多个Participant实体参与，每个Participant拥有若干Endpoint，Endpoint又分为Reader和Writer两大类型。Endpoint是RTPS最基本的通信单元。在应用程序里用户操作的是DDS实体（DataWriter与DataReader），每个DDS实体对应RTPS的实体，RTPS与DDS实体通过HistoryCache桥梁进行沟通。HistoryCache是一个数组，里面包含若干个CacheChange。当用户要发布某个数据，就把某个CacheChange告诉RTPS实体Writer，Writer把这个CacheChange塞进HistoryCache里然后将CacheChange分发给需要接收数据的Reader们。类似的，Reader的HistoryCache收到CacheChange后用户可以选择从DataReader对应的Reader中读取数据。下图表示了RTPS传输的构成内容：
总结：

• RTPS传输协议由Entity、Participant、Endpoint、Writer、Reader、HistoryCache以及CacheChange组成
• 应用通过DDS层实体来访问对应的RTPS实体，HistoryCache是他们之间的桥梁

RTPS的数据格式

Endpoint是RTPS的通信基本单元，他们之间传输固定格式的Message数据，Message整体格式如下图所示：
可以看到一个Message有一个Header，Header包含RTPS的标识、RTPS协议版本、实现版本以及消息的GUID前缀。这里讲一下GUID前缀字段（guidPrefix），RTPS中每个实体拥有一个全局唯一标识符（GUID），GUID由前缀和实体ID两部分构成，其中前缀就在每个消息的Header中，后面的每个Submessage只需要实体ID（EntityID）即可。

Header后面是Submessage，每个Submessage包含SubmessageHeader和SubmessageElement。SubmessageHeader包含此Submessage的类型，大小端类型以及数据长度等信息。

SubmessageElement表示各种消息的字段，不同的消息类型具有相应的字段，我们不用关心，以后具体实现再看。下面看一下各种Submessage的作用是什么。
Submessage有多种类型，他们具有不同的作用，总结如下表：

表中可以看出，通过AckNack、Heartbeat以及NackFrag可以实现可靠传输，接下来看一下数据的通信过程。

RTPS通信的过程

这张图描述了user（比如一个ROS2发布者和订阅者）之间通信的大致过程：

图中的步骤描述如下

1. 用户调用DDS中间件DataWriter实体，执行write操作
2. DataWriter通知RTPS实体Writer创建一个CacheChange
3. DataWriter调用add_change将该Cachechange放到Writer的HistoryCache中
4. 用户操作结束
5. RTPS的Writer将CacheChange发送给RTPS Reader，使用的消息是上一章节的Data类型，并且发送HeartBeat给Reader用来获取Reader接收状态
6. RTPS reader收到Data消息后，将CacheChange塞到HistoryCache里面
7. DDS通知用户有新的Cachechange，ROS2里面用DDS的WaitSet接口，然后用户使用take操作来获取数据
8. DDS DataReader从HistoryCache访问CacheChange
9. RTPS Reader发送AckNack表明确认收到消息，这和用户的take操作是独立的，可能同时也可能先发生
10. Writer（stateful）记录下确收的CacheChange
11. reader这一方的用户调用return_loan操作，表明用户不再使用之前take的该消息
12. DDS DataReader调用remove_change操作将该CacheChange从Reader的HistoryCache中移除
13. DDS DataWriter根据is_acked_by_all判断CacheChange是否被所有期望接收的Reader确收，如果是的话就将该序号的CacheChange从Writer的HistoryCache中删除，HistoryCache的保留数量由QoS的DURABILITY确定

Writer在上面的例子中采用的StatefulWriter，实际中还有StatelessWriter，这需要根据具体的网络规模、硬件资源等进行选择。

RTPS的发现机制

DDS的另一个特征就是支持自动发现，协议规定了两种发现协议：

• Participant发现协议（PDP）
• Endpoint发现协议（EDP）
  协议要求必须实现基本的两种基本发现协议：SPDP和SEDP，他们适合中小型网络场景。
  RTPS预留了内置DataReaders和DataWriters以及相应的话题和QoS配置，内置话题包括：“DCPSParticipant,” “DCPSSubscription,” “DCPSPublication”和“DCPSTopic”。内置DataWriters用来向网络广播其本地的DDS Participant、Entities以及相关QoS配置；内置的DataReaders则收集远端发来的这些信息并区分那些Entities。

SPDP

SPDP对每个Participant预留两个内置Endpoint：SPDPbuiltinParticipantWriter 和 SPDPbuiltinParticipantReader。
SPDPbuiltinParticipantWriter是一个尽力交付的 StatelessWriter，不进行可靠传输且不维护Reader的接收状态。它周期性地向预先配置好的一系列locators（目标地址）交换其HistoryCache里的SPDPdiscoveredParticipantData数据。locators可以是多播或者单播地址。SPDPdiscoveredParticipantData的定义见下图：
SPDPbuiltinParticipantWriter不断发布自己当前发现了的Participant，然后将自己发现的信息和其他人交换，这样每个Participant逐渐就都知道对方了。
上面提到SPDPbuiltinParticipantWriter往预先配置好的locators（网络地址）分享信息，这些locators其实是一些SPDP保留的熟知端口，根据平台不同定义成了两个宏：SPDP_WELL_KNOWN_UNICAST_PORT和SPDP_WELL_KNOWN_MULTICAST_PORT。

SEDP

一旦通过SPDP发现了另一个Participant，那么就认为对方Participant存在内置Endpoint并与对方的内置Endpoint进行配对即可，SEDP的内置Endpoint配对应当采用的可靠传输了。
SEDP预留的内置Endpoint和数据类型如上图所示，其中TopicWriter和TopicReader是可选的。

移除

SPDPdiscoveredParticipantData中包含leaseDuration字段，这个字段表示一个Participant在这个时间周期内发布一次SPDPdiscoveredParticipantData则认为这个Participant还是或者的，如果超过leaseDuration没发送SPDPdiscoveredParticipantData则认为这个Participant已经下线，相关的资源以及Endpoint可以被释放掉。

总结

以上总结了DDS的传输协议，介绍了RTPS构成、消息、传输以及发现机制，对ROS2中如何与DDS中间件交互应该有了大致的轮廓。后面再深入看一下ROS2具体的eProsimaDDS实现。