第二章 Fast-DDS 整体架构与分层框架Fast-DDS整体架构与分层框架介绍，如何进行定制化开发，现有开源软件针对

1.2 整体架构与分层框架

章节状态：已完成
更新时间：2026-05-21

一、生活化通俗类比

类比：快递物流系统

想象你要寄一个包裹从北京到上海：

OMG官方视角（标准规范层）

就像国家邮政局制定的《快递服务标准》
规定：必须有寄件人、收件人、包裹内容、时效承诺
不规定：用什么车运输、走哪条高速、仓库怎么建

Fast-DDS实现视角（工程落地层）

就像顺丰公司的实际运营系统
分拣中心（RTPS层）：统一处理所有包裹的路由
运输车队（Transport层）：公路/航空/铁路多种选择
末端配送（API层）：快递员上门取件/送件

双视角的关系

标准保证：顺丰包裹可以给圆通送（ interoperability 互操作）
实现优化：顺丰用飞机运急件，用货车运普通件（性能优化）

二、专业化标准定义与技术原理

2.1 OMG官方DDS规范分层（概念视角）

graph TB
    subgraph "OMG DDS规范架构"
        direction TB
        
        Layer1["Layer 1: Application Layer<br/>应用层"]
        Layer2["Layer 2: DCPS Layer<br/>以数据为中心的发布订阅层"]
        Layer3["Layer 3: DLRL Layer（可选）<br/>数据本地重构层"]
        Layer4["Layer 4: RTPS Layer<br/>实时发布订阅协议层"]
        Layer5["Layer 5: Transport Layer<br/>传输层"]
        
        Layer1 --> Layer2
        Layer2 --> Layer4
        Layer3 --> Layer2
        Layer4 --> Layer5
    end
    
    style Layer2 fill:#90EE90
    style Layer4 fill:#90EE90

各层职责：

层级	名称	职责	Fast-DDS对应
L1	Application	用户业务逻辑	用户代码
L2	DCPS	Domain/Topic/Participant/Pub/Sub/DW/DR	`fastdds::dds` 命名空间
L3	DLRL	对象到数据的映射（已较少使用）	不支持
L4	RTPS	发现、序列化、可靠传输协议	`fastrtps::rtps` 命名空间
L5	Transport	UDP/TCP/SHM等底层传输	`fastrtps::rtps::transport`

2.2 Fast-DDS工程实现分层（代码视角）

graph TB
    subgraph "Fast-DDS源码架构"
        direction TB
        
        API["API Layer<br/>fastdds/dds/<br/>用户接口层"]
        RTPS["RTPS Core Layer<br/>fastrtps/rtps/<br/>协议核心层"]
        Transport["Transport Layer<br/>rtps/transport/<br/>传输适配层"]
        Utils["Utils Layer<br/>utils/<br/>工具库层"]
        
        API --> RTPS
        RTPS --> Transport
        RTPS --> Utils
    end
    
    style API fill:#e1f5ff
    style RTPS fill:#90EE90
    style Transport fill:#ffe1e1

源码目录映射：

架构层	源码路径	核心类
API Layer	`/home/my/code/opensource/Fast-DDS/include/fastdds/dds/`	`DomainParticipant`, `Publisher`, `Subscriber`, `DataWriter`, `DataReader`, `Topic`
RTPS Core	`/home/my/code/opensource/Fast-DDS/src/cpp/rtps/`	`RTPSParticipant`, `RTPSWriter`, `RTPSReader`, `StatefulReader`, `WriterHistory`, `ReaderHistory`
Transport	`/home/my/code/opensource/Fast-DDS/src/cpp/rtps/transport/`	`TransportInterface`, `UDPv4Transport`, `UDPv6Transport`, `TCPv4Transport`, `SharedMemTransport`
Utils	`/home/my/code/opensource/Fast-DDS/include/fastdds/utils/`	`FixedSizeQueue`, `TimedMutex`, `Semaphore`

2.3 双视角对比

graph LR
    subgraph "OMG规范视角"
        OMG1[Application] --> OMG2[DCPS]
        OMG2 --> OMG3[RTPS]
        OMG3 --> OMG4[Transport]
    end
    
    subgraph "Fast-DDS实现视角"
        FD1[fastdds::dds<br/>DDS API] --> FD2[fastrtps::rtps<br/>RTPS实现]
        FD2 --> FD3[Transport接口<br/>UDP/SHM/TCP]
        FD2 --> FD4[Utils工具库]
    end
    
    OMG2 -.->|对应| FD1
    OMG3 -.->|对应| FD2
    OMG4 -.->|对应| FD3

关键差异：

维度	OMG规范	Fast-DDS实现
目的	保证互操作性	高性能实现
粒度	概念抽象	代码实体
灵活性	标准固定	可扩展（如自定义Transport）
学习路径	理解概念关系	跟踪代码调用链

三、核心模块协作关系

3.1 发布端流程（Pub）

sequenceDiagram
    participant App as 用户应用
    participant DDS as DDS API<br/>DataWriter
    participant RTPS as RTPS Core<br/>RTPSWriter
    participant Transport as Transport<br/>UDP/SHM
    participant Network as 网络/共享内存
    
    App->>DDS: write(data)
    DDS->>DDS: 序列化(Serialize)
    DDS->>RTPS: 创建RTPS消息
    RTPS->>RTPS: 分片(如需要)
    RTPS->>RTPS: 添加可靠性信息(ACKNACK)
    RTPS->>Transport: send()
    Transport->>Network: UDP包/SHM写入
    
    Note over Transport: 当前IDE打开的文件<br/>SharedMemTransportBak.h<br/>就是Transport层实现

3.2 订阅端流程（Sub）

sequenceDiagram
    participant Network as 网络/共享内存
    participant Transport as Transport<br/>UDP/SHM
    participant RTPS as RTPS Core<br/>RTPSReader
    participant DDS as DDS API<br/>DataReader
    participant App as 用户应用
    
    Network->>Transport: 接收数据包
    Transport->>RTPS: 解析RTPS消息
    RTPS->>RTPS: 重组分片/可靠性检查
    RTPS->>DDS: 反序列化数据
    DDS->>DDS: 存入HistoryCache
    DDS->>App: take/read()获取数据
    
    Note over App: 用户通过WaitSet/Listener<br/>接收数据到达通知

3.3 完整Pub-Sub交互流程

sequenceDiagram
    autonumber
    participant PubApp as Pub应用
    participant DW as DataWriter
    participant RTPSW as RTPSWriter
    participant Trans as Transport
    participant Net as 网络/SHM
    participant TransR as Transport
    participant RTPSR as RTPSReader
    participant DR as DataReader
    participant SubApp as Sub应用
    
    Note over PubApp,SubApp: === Discovery阶段 ===
    RTPSW->>Net: 发送Participant Discovery
    Net->>RTPSR: 接收Discovery
    RTPSR->>RTPSW: 回送Discovery响应
    Note over DW,DR: Topic匹配成功
    
    Note over PubApp,SubApp: === 数据传输阶段 ===
    PubApp->>DW: write(data)
    DW->>DW: 序列化
    DW->>RTPSW: 发送数据
    RTPSW->>Trans: send()
    Trans->>Net: UDP/SHM传输
    Net->>TransR: 接收数据
    TransR->>RTPSR: 解析RTPS消息
    RTPSR->>RTPSW: 发送ACK确认（可靠模式）
    RTPSR->>DR: 存入History
    DR->>SubApp: take()获取数据
    
    Note over PubApp,SubApp: === 关闭阶段 ===
    PubApp->>DW: delete DataWriter
    DW->>RTPSW: 发送Unregister
    RTPSW->>Net: 通知下线
    Net->>RTPSR: 接收Unregister
    RTPSR->>DR: 标记Writer离线

3.4 关键类关系图

classDiagram
    class DomainParticipant {
        +create_publisher()
        +create_subscriber()
        +create_topic()
    }
    
    class Publisher {
        +create_datawriter()
    }
    
    class DataWriter {
        +write()
        +wait_for_acknowledgments()
    }
    
    class Subscriber {
        +create_datareader()
    }
    
    class DataReader {
        +take()
        +read()
    }
    
    class RTPSParticipant {
        +create_writer()
        +create_reader()
    }
    
    class RTPSWriter {
        +send()
        +process_acknack()
    }
    
    class RTPSReader {
        +receive()
        +send_acknack()
    }
    
    class TransportInterface {
        <<interface>>
        +send()
        +receive()
    }
    
    class UDPv4Transport {
        +send() UDP实现
    }
    
    class SharedMemTransport {
        +send() 共享内存实现
    }
    
    DomainParticipant --> Publisher
    DomainParticipant --> Subscriber
    Publisher --> DataWriter
    Subscriber --> DataReader
    DataWriter --> RTPSWriter
    DataReader --> RTPSReader
    RTPSWriter --> RTPSParticipant
    RTPSReader --> RTPSParticipant
    RTPSWriter --> TransportInterface
    RTPSReader --> TransportInterface
    TransportInterface <|-- UDPv4Transport
    TransportInterface <|-- SharedMemTransport

3.5 Fast-DDS可定制扩展点一览

除了 TransportInterface，Fast-DDS 框架还有以下可定制点：

定制点	接口/基类	用途	源码路径
传输层	`TransportInterface`	自定义网络传输（如RDMA、CAN总线）	`include/fastdds/rtps/transport/TransportInterface.hpp`
数据类型	`TopicDataType`	自定义序列化/反序列化	`include/fastdds/dds/topic/TopicDataType.hpp`
内容过滤	`IContentFilter` + `IContentFilterFactory`	订阅端数据过滤	`include/fastdds/dds/topic/IContentFilter.hpp`
监听器	`DomainParticipantListener` `PublisherListener` `DataWriterListener` `SubscriberListener` `DataReaderListener`	异步事件回调	`include/fastdds/dds/domain/DomainParticipantListener.hpp` `include/fastdds/dds/publisher/DataWriterListener.hpp` `include/fastdds/dds/subscriber/DataReaderListener.hpp`
内存池	`IPayloadPool`	自定义内存分配策略	`include/fastdds/rtps/history/IPayloadPool.hpp`
安全插件	`Authentication` `AccessControl` `Cryptography`	DDS-Security实现	`include/fastdds/rtps/security/`
发现协议	`PDP` (Participant Discovery Protocol)	自定义发现机制	`src/cpp/rtps/builtin/discovery/participant/`

开源案例与代码路径：

定制点	官方示例路径	关键文件	说明
传输层	`examples/cpp/delivery_mechanisms/`	-	展示SHM/UDP配置切换
	`src/cpp/rtps/transport/shared_mem/`	`SharedMemTransport.h`	共享内存传输实现（当前IDE打开）
	`src/cpp/rtps/transport/`	`UDPv4Transport.h` `TCPv4Transport.h`	UDP/TCP传输实现
内容过滤	`examples/cpp/content_filter/`	`CustomContentFilter.hpp` `CustomContentFilterFactory.hpp`	自定义过滤器示例：按index范围过滤
内存池	`examples/cpp/custom_payload_pool/`	`CustomPayloadPool.hpp`	自定义内存池示例：简单new/delete管理
安全插件	`examples/cpp/security/`	`secure_publisher_profile.xml` `secure_subscriber_profile.xml`	DDS-Security配置示例
监听器	`examples/cpp/hello_world/`	`ListenerSubscriberApp.cpp`	Listener模式回调示例
	`examples/cpp/hello_world/`	`WaitsetSubscriberApp.cpp`	WaitSet模式同步等待示例

第三方开源方案：

方案	项目/公司	定制点	链接
Zenoh-FastDDS	eclipse-zenoh	TransportInterface	github.com/eclipse-zen…
CycloneDDS	Eclipse	完整DDS实现对比	github.com/eclipse-cyc…
Fast-DDS-Gen	eProsima	TopicDataType代码生成	github.com/eProsima/Fa…

定制扩展示例代码片段：

1. 自定义ContentFilter（来自examples/cpp/content_filter/）

// CustomContentFilter.hpp
class CustomContentFilter : public eprosima::fastdds::dds::IContentFilter
{
    bool evaluate(
        const SerializedPayload& payload,
        const FilterSampleInfo& sample_info,
        const GUID_t& reader_guid) const override
    {
        // 反序列化index字段
        uint32_t index = deserialize_index(payload);
        // 自定义过滤逻辑：只接收index在[low_mark_, high_mark_]范围外的数据
        return (index < low_mark_ || index > high_mark_);
    }
};

2. 自定义PayloadPool（来自examples/cpp/custom_payload_pool/）

// CustomPayloadPool.hpp
class CustomPayloadPool : public eprosima::fastdds::rtps::IPayloadPool
{
    bool get_payload(unsigned int size, SerializedPayload_t& payload) override
    {
        // 自定义内存分配策略（示例使用简单new）
        payload.data = new unsigned char[size];
        payload.payload_owner = this;  // 标记自己为owner
        return true;
    }
    
    bool release_payload(SerializedPayload_t& payload) override
    {
        // 自定义内存释放
        delete[] payload.data;
        return true;
    }
};

3. 自定义Transport继承链（来自源码）

TransportInterface (抽象接口)
    ├── UDPTransportInterface
    │       ├── UDPv4Transport
    │       └── UDPv6Transport
    ├── TCPTransportInterface
    │       ├── TCPv4Transport
    │       └── TCPv6Transport
    └── SharedMemTransport (直接继承)

知名开源项目集成Fast-DDS的扩展案例：

项目	领域	Fast-DDS使用方式	扩展/定制内容	相关代码路径
ROS2 (rmw_fastrtps)	机器人中间件	默认DDS中间件	QoS策略映射、XML配置扩展、传输层配置	github.com/ros2/rmw_fa… `rmw_fastrtps_shared_cpp/src/`
PX4 Autopilot	无人机飞控	microRTPS Bridge	uORB消息到DDS的桥接、自定义IDL生成	github.com/PX4/PX4-Aut… `msg/`目录IDL文件 `src/modules/micrortps_bridge/`
Autoware	自动驾驶	ROS2+Fast-DDS	激光雷达/摄像头数据零拷贝传输、QoS调优	github.com/autowarefou…
Gazebo Simulator	仿真器	ROS2+Fast-DDS	传感器仿真数据传输、大消息分片	github.com/gazebosim/g…

ROS2 (rmw_fastrtps) 扩展点定制详解：

ROS2的Fast-DDS中间件实现是最典型的扩展案例：

定制内容	实现方式	代码位置	学习价值
QoS到DDS QoS映射	`rmw_qos_profile_t` → `DataWriterQos/DataReaderQos`	`rmw_fastrtps_shared_cpp/src/qos.cpp`	学习如何桥接不同QoS模型
传输层配置	通过`FASTDDS_BUILTIN_TRANSPORTS`环境变量	`rmw_fastrtps_shared_cpp/src/custom_participant_info.cpp`	动态切换UDP/SHM/TCP
XML配置文件	`DEFAULT_FASTDDS_PROFILES.xml`加载	ROS2文档：docs.ros.org/en/rolling/…	学习高级配置方式

PX4 microRTPS Bridge 扩展点定制详解：

PX4飞控通过microRTPS Bridge将内部uORB消息系统与Fast-DDS打通：

定制内容	实现方式	代码位置	学习价值
IDL代码生成	uORB msg → IDL → Fast-DDS代码	`msg/tools/uorb_to_idl.py` `msg/templates/urtps/`	学习自定义代码生成
TopicDataType定制	为每个uORB消息生成序列化代码	`src/modules/micrortps_bridge/micrortps_client/`	学习TopicDataType实现
传输层优化	针对飞控资源受限优化	使用micro XRCE-DDS（Fast-DDS的轻量版）	嵌入式DDS优化

四、推荐材料学习

4.1 架构理解资源

类型	资源	说明
官方文档	Fast-DDS架构概述	fast-dds.docs.eprosima.com/en/latest/f…
视频	B站-ROS2 DDS架构解析	搜索"ROS2 DDS架构"
论文	RTPS Protocol Specification	OMG官方文档第8章架构部分
AI辅助	用ChatGPT解释类图	将上述Mermaid图粘贴询问

4.2 源码阅读工具

工具	用途	命令/链接
VS Code + Clangd	代码跳转	安装Clangd插件，自动索引
Sourcetrail	可视化代码关系	github.com/CoatiSoftwa…
clang-check	静态分析	`clang-check -analyze src.cpp`
Doxygen	生成文档	`doxygen doxyfile.in`

五、数据源标注

5.1 架构相关源码路径

路径	说明
`/home/my/code/opensource/Fast-DDS/include/fastdds/dds/domain/DomainParticipant.hpp`	DDS API入口
`/home/my/code/opensource/Fast-DDS/include/fastdds/dds/publisher/DataWriter.hpp`	DataWriter接口
`/home/my/code/opensource/Fast-DDS/include/fastdds/dds/subscriber/DataReader.hpp`	DataReader接口
`/home/my/code/opensource/Fast-DDS/src/cpp/rtps/participant/RTPSParticipant.cpp`	RTPS核心实现
`/home/my/code/opensource/Fast-DDS/src/cpp/rtps/writer/RTPSWriter.cpp`	RTPSWriter实现
`/home/my/code/opensource/Fast-DDS/src/cpp/rtps/reader/RTPSReader.cpp`	RTPSReader实现
`/home/my/code/opensource/Fast-DDS/src/cpp/rtps/transport/`	Transport层实现
`/home/my/code/opensource/Fast-DDS/src/cpp/rtps/transport/shared_mem/SharedMemTransport.h`	共享内存传输（当前IDE打开）

5.2 官方规范章节

文档	章节	内容
DDS Spec	2.2	DCPS架构概述
RTPS Spec	8.1	RTPS架构概述
RTPS Spec	8.2	RTPS实体关系

5.3 示例代码参考

示例	文件	说明
hello_world	`PublisherApp.cpp`	发布端完整流程
hello_world	`WaitsetSubscriberApp.cpp`	订阅端WaitSet模式
hello_world	`ListenerSubscriberApp.cpp`	订阅端Listener模式

六、本节小结

核心要点：

OMG规范定义概念分层（DCPS→RTPS→Transport），保证互操作性
Fast-DDS实现将概念映射为代码实体（fastdds::dds→fastrtps::rtps→transport）
双视角学习：先理解规范概念，再跟踪代码实现
Pub-Sub流程：Discovery→数据传输→关闭，双向都有完整生命周期
当前IDE文件 SharedMemTransportBak.h 属于Transport层实现

七、学习检查清单与解答

检查项	解答要点
OMG规范有几层？	5层：Application→DCPS→DLRL(可选)→RTPS→Transport
Fast-DDS代码有几层？	4层：API→RTPS Core→Transport→Utils
DataWriter.write()的调用链？	DataWriter → RTPSWriter → Transport::send() → 网络/SHM
DataReader.take()的调用链？	网络/SHM → Transport::receive() → RTPSReader → DataReader → 用户应用
为什么要分层？	解耦：上层关注业务，下层关注传输；可替换：可自定义Transport
Discovery的作用？	自动发现Domain内的Participant，匹配Topic，建立连接

本章内容按五件套规范编写：生活化类比 → 专业定义 → Mermaid图例 → 推荐材料 → 数据源标注