分布式实时通信——DDS技术

本是古典何须时尚 2022-12-03 15:57 210阅读 0赞

近期，在汽车通信圈讨论较火的话题中，DDS绝对排得上号。而对于面向服务的通信协议，DDS与SOME/IP各自的优劣？DDS能否替换SOME/IP等问题也随之而来。孰优孰劣，今天暂且不探讨这些问题，我们先来了解下什么是DDS？

## **DDS简介** ##

**DDS定义：**Data Distribution Service 数据分发服务，是新一代分布式实时通信中间件协议，采用发布/订阅体系架构，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。

DDS最早应用在美国海军系统，用于解决军舰系统复杂网络环境中大量软件升级的兼容性问题。在汽车领域，2018年Adaptive AUTOSAR引用了DDS，作为可选择的通信方式之一。目前国内已有主机厂开始研究，主要针对自动驾驶相关需求，工具方面，在汽车电子领域常用的工具厂商也在开发这部分内容。不仅是汽车领域引入DDS，在机器人开发领域，最新升级的ROS2也引入了DDS中间件来传递信息。

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AP Development Workflow

(图片来源AUTOSAR\_EXP\_Introduction)

## **DDS规范** ##

DDS规范是由OMG（Object Management Group）对象管理组织发布的。OMG组织是一个国际性、开放性、非盈利性技术标准联盟，由供应商、终端用户、学术机构、政府机构推动，已经有31年的历史；OMG工作组针对各种技术和行业制定企业集成标准，并开发可为数千个垂直行业提供现实价值的技术标准。

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OMG制定的标准

(图片来源OMG官网：https://www.omg.org/index.htm)

DDS的相关标准包括核心协议(DDSI-RTPS，DDS-XTypes，DDS-Security，Interface Definition Language (IDL)…)，API(DDS C++ API，DDS Java API)，拓展协议(DDS-RPC，DDS-XML…)等13份协议集合。

在分布式系统中，DDS位于操作系统和应用程序之间，支持多种编程语言以及多种底层协议。这便是我们常说的跨平台。

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DDS中间件

(图片来源DDS-The Proven Data Connectivity Standard for IoT)

## **DDS发布订阅模型DCPS** ##

讲具体协议之前，我们先熟悉下几个专有名词：

*  **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；如果考虑车内通信，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；
 *  **Domain Participant：**代表域内通信的应用程序的本地成员身份，简单来说，就是说明同一数据域内的通信成员；
 *  **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)，如果把车内所涉及的所有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”，进一步弱化了节点的概念，所以域参与者已经不是节点的概念了；
 *  **DataWriter：**数据写入者，类似缓存，把需要发布的主题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，从订阅者得到主题数据，随之传给应用层；
 *  **Publisher：**发布者，发布主题数据，至少与1个DataWriter关联，通过调用DataWriter的相关函数将数据发出去；
 *  **Subscriber：**订阅者，订阅主题数据，至少与1个DataReader关联。当数据到达时，应用程序可能忙于执行其他操作或应用程序只是等待该消息时，这样就会存在两种情况，同步访问和异步通知。

接下来，我们看一下DDS的通信模型。

根据前面介绍，我们清楚了DDS是一个以数据为中心的中间件协议和API标准，意为用户只关心自己想要的数据，数据通过Topic进行标识，这样发布者根据主题发布数据，订阅者根据自己感兴趣的主题订阅数据。这便是DDS的核心，以数据为中心的发布-订阅模型DCPS（Data-Centric Publish-Subscribe）

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如果是熟悉的以服务为中心的SOME/IP中间件，我们需要做的是把数据打包成服务，之后服务的消费方向服务提供方通过SD订阅服务中的事件组，当数据发生变化后，相应的事件报文便会发到总线上。相比之下，DDS确实很直接，直接与数据沟通。

## **QoS服务质量** ##

DDS的另一重要的知识点是支持QoS(Quality of Service)，目前共支持22种QoS策略，每种策略都可以应用在不同的角色上，而针对同一角色，可单独使用一种QoS，也可以组合使用多种QoS策略。试想一下，QoS应该如何应用呢？具体能起到什么作用？

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**RELIABILITY (可靠性)**

参数定义：

Kind = RELIABLE ，如果当网络发生错误， DataReader可能无法收到DataWriter的样本数据时，会对样本数据进行重发，保证DataReader能够收到数据；

Kind = BEST\_EFFORT，如果当网络发生错误， DataWriter不会重新发送丢失的样本数据，这样，无法保证DataReader能够收到数据；

如果在DataWriter上应用此QoS策略，设置Kind = RELIABLE，这样保证了DataWriter发布的数据都能被DataReader收到。

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**LIFESPAN (生命周期)**

参数定义：

该QoS的作用是避免交付“过期”的数据，参数为时间duration，默认为无穷大，表示数据样本永远不会失效；如果duration设置为有限数值，同时发送方和接收方的时钟同步，通过在发送端的源时间戳添加定义的duration字段，这样接收方根据时间戳信息计算出数据是否已失效，如果失效了，可以直接删除数据。

以上是对DDS的介绍。总结起来，DDS更针对的是数据本身，去建立各种机制。DDS目前已经广泛应用于国防、民航、工业控制等领域，成为分布式实时系统中数据发布/订阅的标准解决方案。想了解更多关于DDS的内容，请持续关注我们呦！

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