FastDDS 通信中间件深度解析

一、FastDDS 概念介绍

1.1 什么是 FastDDS

FastDDS 是由 eProsima 公司开源的 C++ 实现 DDS（Data Distribution Service）中间件，它完整实现了 OMG（Object Management Group）发布的 DDS-RTPS（Real-Time Publish-Subscribe）线协议。FastDDS 是 ROS 2 的默认通信中间件（rmw_fastrtps），广泛应用于机器人、自动驾驶、工业控制等需要高性能实时通信的领域。

1.2 核心架构层次

FastDDS 采用分层架构设计，从下到上依次为：

• 传输层（Transport Layer）：基于 UDP/TCP/Shared Memory 的数据传输，支持组播与单播
• RTPS 层：实现 DDS-RTPS 线协议，定义 Writer/Reader 实体交互规则
• DDS 层：面向用户的 API，封装 Publisher/Subscriber/DataWriter/DataReader
• 应用层：用户业务代码，通过 DomainParticipantFactory 接入

1.3 DDS 核心实体模型

DDS 标准定义了一组层次化的实体：

• DomainParticipantFactory：顶层工厂，创建 DomainParticipant
• DomainParticipant：域参与者，代表一个节点在特定 DDS Domain 中的身份
• Publisher / Subscriber：发布者/订阅者，管理 DataWriter/DataReader 的工厂
• DataWriter / DataReader：数据写入器/读取器，绑定 Topic 与数据类型
• Topic：主题，描述数据类型与名称，是通信双方的"契约"
• TypeSupport：类型支持，注册 IDL 生成的数据类型

二、RTPS 协议详解

2.1 什么是 RTPS

RTPS（Real-Time Publish-Subscribe Protocol for DDS over Interoperable transports）是 OMG 制定的线协议标准（Wire Protocol），它定义了不同 DDS 实现之间在网络上的数据交互格式与规则。简单来说，DDS 标准定义了"做什么"（API、QoS、数据模型），而 RTPS 协议定义了"怎么传"（报文格式、握手流程、状态机）。

2.2 RTPS 核心实体

RTPS 协议在 DDS 实体之下定义了对应的协议层实体：

• Participant（RTPS Participant）：对应 DDS DomainParticipant，代表网络中的一个通信端点容器
• Endpoint：端点，分为 Writer 端点和 Reader 端点
• Writer（RTPS Writer）：对应 DDS DataWriter，负责发送数据
  • StatefulWriter：有状态写入器，跟踪已匹配 Reader 的状态，用于 RELIABLE 通信
  • StatelessWriter：无状态写入器，不跟踪 Reader 状态，用于 BEST_EFFORT 通信
• Reader（RTPS Reader）：对应 DDS DataReader，负责接收数据
  • StatefulReader：有状态读取器，跟踪已匹配 Writer 的状态
  • StatelessReader：无状态读取器，不跟踪 Writer 状态
• CacheChange：缓存变更，代表一次数据写入操作的原子单元
• HistoryCache：历史缓存，存储 CacheChange 的队列，对应 DDS 的 History QoS

2.3 RTPS 报文类型（子消息）

2.4 RTPS 通信三阶段

RTPS 协议将通信过程分为三个核心阶段：

2.5 RTPS 可靠传输机制

RTPS 的可靠传输基于 HEARTBEAT-ACKNACK 握手机制，类似 TCP 的 ACK 但更灵活：

• HEARTBEAT：Writer 周期性或按需发送，携带 firstSN（最早可用序列号）和 lastSN（最新序列号）
• ACKNACK：Reader 回复，携带一个 Bitmap 标识哪些序列号已收到、哪些缺失
• 重传：Writer 根据 ACKNACK 的 Bitmap 重传缺失的 CacheChange
• 心跳周期：可通过 heartbeat_period QoS 配置，平衡实时性与网络开销
• 延迟ACK：Reader 可累积多个数据后统一确认，减少网络开销

三、核心 UML 架构图

3.1 DDS 实体类图

3.2 发布订阅通信时序图

3.3 RTPS 协议交互图

四、FastDDS 核心能力

4.1 能力矩阵

4.2 核心 QoS 策略

五、适用场景

5.1 典型应用场景

• ROS 2 机器人通信：作为 ROS 2 默认中间件，支撑节点间话题、服务、动作通信
• 自动驾驶系统：多传感器数据融合（LiDAR/相机/雷达），要求高吞吐低延迟
• 工业控制系统：PLC、SCADA 系统的实时数据分发，支持 QoS 保障
• 无人机集群：多机协同通信，动态发现新加入的无人机节点
• 军事/航空航天：符合 DDS-Security 标准，支持高安全性通信
• 金融交易系统：低延迟行情分发，支持多播与可靠传输
• 物联网边缘计算：边缘节点与云端的数据同步，支持跨网段通信

5.2 机器人系统中的实际应用

六、相比其他中间件的优缺点

6.1 与主流通信中间件对比

6.2 FastDDS 的优势

6.3 FastDDS 的劣势

七、相比其他 DDS 实现的优缺点

7.1 主流 DDS 实现对比

7.2 FastDDS 相比其他 DDS 的优势

7.3 FastDDS 相比其他 DDS 的劣势

八、最小 FastDDS 通信全流程示例

8.1 项目结构

fastdds-demo/
├── CMakeLists.txt
├── idl/
│   └── HelloWorld.idl          # 数据类型定义
├── publisher/
│   └── publisher.cpp           # 发布者
├── subscriber/
│   └── subscriber.cpp          # 订阅者
└── scripts/
    └── fastddsgen.sh           # IDL 代码生成脚本

8.2 定义 IDL 数据类型

// idl/HelloWorld.idl
struct HelloWorld {
    unsigned long index;
    string message;
};

8.3 生成类型支持代码

# 使用 fastddsgen 工具生成 C++ 代码
fastddsgen idl/HelloWorld.idl

# 生成文件：
#   HelloWorld.h / HelloWorld.cpp        (数据类型)
#   HelloWorldPubSubTypes.h / .cpp       (序列化/反序列化)
#   HelloWorldTypeSupport.h              (类型支持注册)

7.4 发布者完整实现

// publisher/publisher.cpp
#include "HelloWorldPubSubTypes.h"
#include <fastdds/dds/domain/DomainParticipantFactory.hpp>
#include <fastdds/dds/publisher/Publisher.hpp>
#include <fastdds/dds/publisher/DataWriter.hpp>

using namespace eprosima::fastdds::dds;

int main() {
    // ① 创建 DomainParticipant
    DomainParticipantQos participant_qos;
    participant_qos.name("PublisherParticipant");
    DomainParticipant* participant =
        DomainParticipantFactory::get_instance()->create_participant(0, participant_qos);

    // ② 注册数据类型
    TypeSupport type_support(new HelloWorldPubSubType());
    type_support.register_type(participant);

    // ③ 创建 Topic
    Topic* topic = participant->create_topic(
        "HelloWorldTopic",
        "HelloWorld",
        TOPIC_QOS_DEFAULT);

    // ④ 创建 Publisher
    Publisher* publisher = participant->create_publisher(PUBLISHER_QOS_DEFAULT);

    // ⑤ 创建 DataWriter (配置 QoS)
    DataWriterQos writer_qos;
    writer_qos.reliability().kind = RELIABLE_RELIABILITY_QOS;
    writer_qos.durability().kind = TRANSIENT_LOCAL_DURABILITY_QOS;
    writer_qos.history().kind = KEEP_LAST_HISTORY_QOS;
    writer_qos.history().depth = 10;
    DataWriter* writer = publisher->create_datawriter(topic, writer_qos);

    // ⑥ 发布数据
    HelloWorld data;
    for (unsigned long i = 0; i < 100; ++i) {
        data.index(i);
        data.message("Hello from FastDDS #" + std::to_string(i));
        writer->write(&data);
        std::cout « "Published: " « data.message() « std::endl;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
    }

    // ⑦ 清理资源
    publisher->delete_datawriter(writer);
    participant->delete_publisher(publisher);
    participant->delete_topic(topic);
    DomainParticipantFactory::get_instance()->delete_participant(participant);
    return 0;
}

7.5 订阅者完整实现

// subscriber/subscriber.cpp
#include "HelloWorldPubSubTypes.h"
#include <fastdds/dds/subscriber/Subscriber.hpp>
#include <fastdds/dds/subscriber/DataReader.hpp>
#include <fastdds/dds/subscriber/SampleInfo.hpp>

using namespace eprosima::fastdds::dds;

// 自定义监听器
class HelloWorldListener : public DataReaderListener {
public:
    void on_data_available(DataReader* reader) override {
        SampleInfo info;
        HelloWorld data;
        while (reader->take_next_sample(&data, &info) == RETCODE_OK) {
            if (info.valid_data) {
                std::cout « "Received: index=" « data.index()
                          « ", message=" « data.message() « std::endl;
            }
        }
    }
};

int main() {
    // ① 创建 DomainParticipant
    DomainParticipant* participant =
        DomainParticipantFactory::get_instance()->create_participant(0, PARTICIPANT_QOS_DEFAULT);

    // ② 注册数据类型
    TypeSupport type_support(new HelloWorldPubSubType());
    type_support.register_type(participant);

    // ③ 创建 Topic
    Topic* topic = participant->create_topic(
        "HelloWorldTopic", "HelloWorld", TOPIC_QOS_DEFAULT);

    // ④ 创建 Subscriber
    Subscriber* subscriber = participant->create_subscriber(SUBSCRIBER_QOS_DEFAULT);

    // ⑤ 创建 DataReader (QoS 必须与 Writer 兼容)
    DataReaderQos reader_qos;
    reader_qos.reliability().kind = RELIABLE_RELIABILITY_QOS;
    reader_qos.durability().kind = TRANSIENT_LOCAL_DURABILITY_QOS;
    reader_qos.history().kind = KEEP_LAST_HISTORY_QOS;
    reader_qos.history().depth = 10;

    HelloWorldListener listener;
    DataReader* reader = subscriber->create_datareader(
        topic, reader_qos, &listener);

    // ⑥ 等待数据 (运行 60 秒后退出)
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(60));

    // ⑦ 清理资源
    subscriber->delete_datareader(reader);
    participant->delete_subscriber(subscriber);
    participant->delete_topic(topic);
    DomainParticipantFactory::get_instance()->delete_participant(participant);
    return 0;
}

7.6 CMakeLists.txt 构建配置

cmake_minimum_required(VERSION 3.16)
project(FastDDSDemo)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 14)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)

# 查找 FastDDS
find_package(fastcdr REQUIRED)
find_package(fastrtps REQUIRED)

# IDL 生成的源文件
set(IDL_SOURCES
    idl/HelloWorld.cxx
    idl/HelloWorldPubSubTypes.cxx
)

# 发布者
add_executable(publisher
    publisher/publisher.cpp
    ${IDL_SOURCES}
)
target_link_libraries(publisher fastrtps fastcdr)

# 订阅者
add_executable(subscriber
    subscriber/subscriber.cpp
    ${IDL_SOURCES}
)
target_link_libraries(subscriber fastrtps fastcdr)

7.7 运行流程

# 终端 1：启动订阅者
./subscriber

# 终端 2：启动发布者
./publisher

# 输出示例：
# Published: Hello from FastDDS #0
# Received: index=0, message=Hello from FastDDS #0
# Published: Hello from FastDDS #1
# Received: index=1, message=Hello from FastDDS #1

八、总结

8.1 FastDDS 核心优势总结

8.2 选型建议

8.3 结语

FastDDS 作为 ROS 2 的默认通信中间件，在机器人、自动驾驶、工业控制等领域展现出强大的生命力。其基于 DDS 标准的设计保证了互操作性，丰富的 QoS 策略满足了各种复杂场景的需求，共享内存零拷贝技术提供了极致的性能。对于需要高性能、高可靠、可扩展通信的分布式系统，FastDDS 是一个值得深入学习和使用的优秀中间件。