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ROS2-DDS底层通信机制简介

ROS2

ROS2基于DDS进行通信，DDS（Data Distribution Service，数据分发服务）是一套通信协议和API标准，针对这一标准开发出了一系列供应商的DDS实现。在DDS规范中有两份基本文档：

  • DDS Specification：描述了以数据为中心的DDS发布-订阅模型。该规范定义了API和通信语义（行为和服务质量），使消息从消息生产者有效地传递到匹配的消费者。
  • DDSI-RTPS：描述了RTPS（Real Time Publish Subscribe Protocol）协议。该协议通过UDP等不可靠的传输，实现最大努力（Best-Effort）和可靠（Reliable）的发布-订阅通信。RTPS是DDS实现的标准协议，它的目的和范围是确保基于不同DDS供应商的应用程序可以实现互操作。

DDS实现通常以DDSI-RTPS为基础，RTPS一般默认运行在UDP之上，但也可使用TCP

DDS网络栈

DDS核心概念

  • Domain：代表一个通信平面，由Domain ID唯一标识，只有在同一个领域内的通信实体才可以通信
  • Domain Participant：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)
  • 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，类似缓存，把订阅的主题数据从DataReader中读出到应用层；
  • 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，通过调用DataReader的相关函数将数据读出来；

域简介

DDS使用域作为网络标识。

域(domain)是DDS中的一个虚拟网络号，用于隔离不同的网络，每个网络中有多个节点参与者（participant），默认情况下每个参与者会开启四个UDP端口，两个用于单播，两个用于组播。domain ID和participant ID通过特定计算方法计算出应使用的这四个UDP端口号，默认组播IP固定为239.255.0.1

核心协议RTPS简介

TCP可靠，但握手、重传、拥塞控制导致了延迟，无法保证实时性

UDP快速，但只发不管，无法保证可靠性

RTPS（Real-Time Publish-Subscribe）在UDP之上通过心跳包（Heartbeat）和确认包（ACK/NACK）来自己管理丢包重传，从而在享受 UDP 高速度的同时，实现可控的可靠性。

RTPS流程

当一个新节点加入网络中通信时，会发生以下过程：

一、参与者发现协议（Participant Discovery Protocol，PDP）

新加入的节点会根据Domain ID计算出组播端口和组播IP地址，然后向组播IP发送一个SPDP（Simple Participant Discovery Protocol）包，告知网络中其他节点它的存在。其中包含该节点的唯一标识符、未来接收单播数据的IP和端口（Locator），以及默认QoS设置。之后节点周期性地发送SPDP包，告知网络中其他节点它仍然存在。

同一Domain的老节点监听到新节点的信息，将其记录到自己的本地参与者路由表中，并根据新节点留下的地址向其单播发送自己的SPDP包，新节点将收到的SPDP包记录到自己的参与者路由表中。

这样，所有节点都知道了网络中其他节点的存在，并且可以通过单播发送数据。

二、端点发现协议（Endpoint Discovery Protocol，EDP）

每个节点在加入网络时，会根据自己的发布者和订阅者信息，向其它参与者IP单播发送SEDP（Simple Endpoint Discovery Protocol）包，告知网络中其他节点：“我创建/订阅名为some_topic的主题，数据类型为some_type,QoS策略是Reliable、...”

若两个节点的主题名、数据类型匹配，QoS策略兼容，则在底层为对方分配专属的网络队列缓冲区（如果在同一台机器上，则可能使用共享内存双向序列）

三、数据传输

新节点融入DDS的数据总线后，底层网络会通过单播或组播将数据推送到匹配的订阅者节点，根据QoS策略的不同，数据传输分为两种模式：

Best-Effort模式

发布端打包数据送出，无重传，速度快但不可靠。

Reliable模式

发布端每隔一段时间发送心跳包（Heartbeat），告知订阅端自己缓冲区内的最大序列号，订阅端收到心跳包后，向发布端发送ACK/NACK包，告知已接收和未接收的数据

四、节点退出

正常退出时会向网络中的其他节点宣告，其它节点清理路由表中该节点的记录，释放资源。若是异常退出，其它节点根据QoS的Liveliness策略，经过一段时间后将其清理。

RTPS安全

DDS-Security是OMG组织制定的DDS安全标准，定义了DDS通信的安全机制，包括身份认证、访问控制、数据加密和数据完整性等。与一般的网络安全类似。

  • 身份认证：确保身份（Domain Participant）的真实性。通常使用PKI（Public Key Infrastructure）和证书管理实现身份验证。在此过程中协商后续通信使用的密钥
  • 访问控制：权威机构签名Permissions.xml文件，检查节点是否允许：加入域、发布/订阅特定主题、使用特定QoS策略等。
  • 数据加密与完整性：使用加密插件对数据进行加密和签名

DDS供应商漏洞参考：

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