C++中间件DDS介绍

C++ DDS 库简介

DDS（Data Distribution Service） 是一种用于实时分布式系统通信的中间件标准，由 OMG（Object Management Group） 提出。它是一种发布/订阅（Publish/Subscribe）模式的数据通信框架，广泛应用于嵌入式系统、物联网、航空航天、机器人等领域。

C++ DDS 库是实现 DDS 标准的库，常见的实现包括：

RTI Connext DDS（Real-Time Innovations 提供）
OpenDDS（开源实现）
Eclipse Cyclone DDS（开源实现）
Fast DDS (以前称为 FastRTPS)（由 eProsima 开发）

这些库提供了丰富的 API，用于创建发布者、订阅者、定义数据类型和 QoS（Quality of Service）等功能。

DDS 的核心概念

DomainParticipant：表示 DDS 系统的入口点，属于特定的域。
Publisher/Subscriber：分别用于发布和订阅数据。
Topic：数据通信的主题，定义通信数据的类型。
DataWriter/DataReader：负责数据的写入与读取。
QoS：定义数据传输的质量服务属性。

一个简单的 C++ DDS 代码示例

以下是使用 RTI Connext DDS 的一个简单例子，展示如何发布和订阅一个简单的消息数据类型。请确保你已安装 RTI Connext DDS 或其他 DDS 实现，并正确配置开发环境。

1. 定义数据类型（IDL 文件）

idl 复制代码

module HelloWorld {
    struct Msg {
        long id;
        string message;
    };
};

IDL (Interface Definition Language) 文件用于定义消息的数据结构，DDS 会通过工具生成相应的 C++ 类型。

2. 发布者（Publisher）代码

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include "HelloWorld/Msg.hpp" // 自动生成的头文件
#include "ndds/ndds_cpp.h"   // RTI Connext DDS 的核心头文件

int main() {
    // 1. 创建 DomainParticipant
    DDSDomainParticipant *participant = DDSTheParticipantFactory->create_participant(
        0, DDS_PARTICIPANT_QOS_DEFAULT, nullptr, DDS_STATUS_MASK_NONE);

    if (participant == nullptr) {
        std::cerr << "创建 DomainParticipant 失败！" << std::endl;
        return -1;
    }

    // 2. 注册数据类型
    const char *type_name = HelloWorld::MsgTypeSupport::get_type_name();
    if (HelloWorld::MsgTypeSupport::register_type(participant, type_name) != DDS_RETCODE_OK) {
        std::cerr << "注册数据类型失败！" << std::endl;
        return -1;
    }

    // 3. 创建 Topic
    DDSTopic *topic = participant->create_topic(
        "HelloWorldTopic", type_name, DDS_TOPIC_QOS_DEFAULT, nullptr, DDS_STATUS_MASK_NONE);

    if (topic == nullptr) {
        std::cerr << "创建 Topic 失败！" << std::endl;
        return -1;
    }

    // 4. 创建 Publisher 和 DataWriter
    DDSPublisher *publisher = participant->create_publisher(
        DDS_PUBLISHER_QOS_DEFAULT, nullptr, DDS_STATUS_MASK_NONE);

    if (publisher == nullptr) {
        std::cerr << "创建 Publisher 失败！" << std::endl;
        return -1;
    }

    DDSDataWriter *writer = publisher->create_datawriter(
        topic, DDS_DATAWRITER_QOS_DEFAULT, nullptr, DDS_STATUS_MASK_NONE);

    if (writer == nullptr) {
        std::cerr << "创建 DataWriter 失败！" << std::endl;
        return -1;
    }

    HelloWorld::MsgDataWriter *msg_writer = HelloWorld::MsgDataWriter::narrow(writer);
    if (msg_writer == nullptr) {
        std::cerr << "narrow DataWriter 失败！" << std::endl;
        return -1;
    }

    // 5. 发布数据
    HelloWorld::Msg msg;
    msg.id = 1;
    msg.message = DDS_String_dup("Hello, DDS!");

    if (msg_writer->write(msg, DDS_HANDLE_NIL) != DDS_RETCODE_OK) {
        std::cerr << "写入数据失败！" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "消息已发布: " << msg.message << std::endl;
    }

    // 清理资源
    participant->delete_contained_entities();
    DDSTheParticipantFactory->delete_participant(participant);

    return 0;
}

3. 订阅者（Subscriber）代码

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include "HelloWorld/Msg.hpp"
#include "ndds/ndds_cpp.h"

class MsgListener : public DDSDataReaderListener {
public:
    void on_data_available(DDSDataReader *reader) override {
        HelloWorld::MsgDataReader *msg_reader = HelloWorld::MsgDataReader::narrow(reader);
        if (msg_reader == nullptr) return;

        HelloWorld::MsgSeq data_seq;
        DDS_SampleInfoSeq info_seq;
        DDS_ReturnCode_t retcode = msg_reader->take(
            data_seq, info_seq, DDS_LENGTH_UNLIMITED,
            DDS_ANY_SAMPLE_STATE, DDS_ANY_VIEW_STATE, DDS_ANY_INSTANCE_STATE);

        if (retcode == DDS_RETCODE_OK) {
            for (int i = 0; i < data_seq.length(); ++i) {
                if (info_seq[i].valid_data) {
                    std::cout << "接收到消息: id=" << data_seq[i].id
                              << ", message=" << data_seq[i].message << std::endl;
                }
            }
            msg_reader->return_loan(data_seq, info_seq);
        }
    }
};

int main() {
    DDSDomainParticipant *participant = DDSTheParticipantFactory->create_participant(
        0, DDS_PARTICIPANT_QOS_DEFAULT, nullptr, DDS_STATUS_MASK_NONE);

    if (participant == nullptr) {
        std::cerr << "创建 DomainParticipant 失败！" << std::endl;
        return -1;
    }

    const char *type_name = HelloWorld::MsgTypeSupport::get_type_name();
    if (HelloWorld::MsgTypeSupport::register_type(participant, type_name) != DDS_RETCODE_OK) {
        std::cerr << "注册数据类型失败！" << std::endl;
        return -1;
    }

    DDSTopic *topic = participant->create_topic(
        "HelloWorldTopic", type_name, DDS_TOPIC_QOS_DEFAULT, nullptr, DDS_STATUS_MASK_NONE);

    if (topic == nullptr) {
        std::cerr << "创建 Topic 失败！" << std::endl;
        return -1;
    }

    DDSSubscriber *subscriber = participant->create_subscriber(
        DDS_SUBSCRIBER_QOS_DEFAULT, nullptr, DDS_STATUS_MASK_NONE);

    if (subscriber == nullptr) {
        std::cerr << "创建 Subscriber 失败！" << std::endl;
        return -1;
    }

    DDSDataReader *reader = subscriber->create_datareader(
        topic, DDS_DATAREADER_QOS_DEFAULT, new MsgListener(), DDS_STATUS_MASK_ALL);

    if (reader == nullptr) {
        std::cerr << "创建 DataReader 失败！" << std::endl;
        return -1;
    }

    std::cout << "等待接收消息..." << std::endl;
    while (true) {
        DDS_Duration_t sleep_time = {1, 0};
        NDDSUtility::sleep(sleep_time);
    }

    participant->delete_contained_entities();
    DDSTheParticipantFactory->delete_participant(participant);

    return 0;
}

DDS和MQTT的区别

DDS（Data Distribution Service） 和 MQTT（Message Queuing Telemetry Transport） 是两种用于分布式系统通信的协议或标准，它们在设计目标、特性和应用场景上有显著的区别。以下从多个方面对比它们：

1. 核心概念与设计目标

DDS

是一种 实时分布式系统通信中间件标准 ，由 OMG（Object Management Group） 制定。
提供 数据中心式的发布/订阅（Publish/Subscribe）模型 ，并且支持 点对点通信。
设计目标是为 低延迟、高吞吐量、实时性和可靠性 的系统提供支持，主要用于嵌入式系统、工业自动化、国防、航空航天、机器人、汽车等场景。
强调 数据优先（Data-Centric） ，通过 Topic 直接共享数据，并支持复杂的 QoS（Quality of Service） 配置。

MQTT

是一种轻量级的 消息队列协议 ，由 IBM 提出，后成为 OASIS 标准。
提供 发布/订阅（Publish/Subscribe）模型 ，但以 消息传输 为核心。
设计目标是为 低带宽、高延迟、不可靠网络（如物联网设备）提供简单可靠的通信方式，广泛应用于物联网 (IoT)、智能家居、移动应用等场景。
强调 消息优先（Message-Centric） ，通过 Broker 中转消息，设备之间并不直接通信。

2. 架构对比

DDS

分布式架构 ：DDS 是去中心化的（Brokerless），无需中央服务器。所有参与者（如发布者、订阅者）可以直接通信。
数据中心化 ：基于 Topic 共享数据，支持复杂的数据类型和强大的 QoS 配置。
灵活性：支持动态发现（Dynamic Discovery），系统中的节点可以动态加入或离开。

MQTT

中心化架构 ：MQTT 依赖于一个 Broker（中间服务器），所有消息都通过 Broker 转发。
消息传输 ：基于 Topic 组织消息，消息是无状态的，数据类型简单（通常是字符串或 JSON）。
设备简单性：客户端实现非常轻量，适用于低功耗设备。

3. QoS（服务质量）支持

DDS

DDS 提供了 22 种 QoS 策略 ，可以对实时性、可靠性、资源管理、延迟、传输顺序等进行精细控制。例如：
- Deadline：设置数据传输的时间期限。
- Latency Budget：定义通信的延迟预算。
- Reliability：支持可靠传输（可靠模式）或最佳传输（不保证消息到达）。
- Durability：支持数据的持久化，确保新订阅者可以获得历史数据。
DDS 的 QoS 机制非常灵活，适用于复杂场景。

MQTT

MQTT 提供了 3 种简单的 QoS 等级：
1. QoS 0：消息最多发送一次，不保证到达。
2. QoS 1：消息至少发送一次，可能重复。
3. QoS 2：消息保证仅发送一次，且不会重复（最可靠）。
QoS 机制相对简单，主要适用于低复杂度的 IoT 场景。

4. 性能对比

DDS

由于 DDS 是去中心化的，通信路径更短，通常具有 低延迟、高吞吐量 的特性。
支持 实时性 和 高可靠性，适合对延迟、抖动敏感的场景（如无人机控制、工业机器人）。
性能依赖于网络和硬件环境，在高性能网络中表现极为出色。

MQTT

MQTT 由于采用中心化架构，通信性能受 Broker 服务器 的影响。
适合 低带宽网络 和 高延迟环境，但在实时性要求高的场景中表现不如 DDS。
消耗资源少，非常适合低功耗设备。

5. 使用场景

DDS

工业自动化：实时监控和控制（如工厂设备间通信）。
航空航天：飞行器传感器数据共享、控制系统。
机器人：机器人操作系统（如 ROS 2 的通信层基于 DDS）。
汽车：自动驾驶汽车的传感器融合、车辆间通信。
国防领域：分布式作战系统、军事仿真。

MQTT

物联网 (IoT)：智能家居、智能农业、环境监测。
移动应用：即时消息、状态更新。
远程监控：设备状态上传、警报通知。
能源管理：智能电网监测。
智能交通：传感器数据上传、车辆定位。

6. 易用性与学习曲线

DDS

DDS 功能强大，但 API 和配置相对复杂，学习曲线较陡。
开发和调试 DDS 应用需要对 QoS 策略和分布式系统有较深入的了解。
多数 DDS 实现（如 RTI Connext DDS）提供大量工具和文档，但仍需要较高的专业技能。

MQTT

MQTT 设计简单，易于上手，开发和部署快速。
客户端实现轻量，适合嵌入式和低功耗设备。
由于依赖 Broker，部署和管理集中化。

7. 开源实现

DDS

常见的 DDS 实现包括：
- RTI Connext DDS（商业版，功能强大）
- OpenDDS（开源，Apache 2.0 许可证）
- Eclipse Cyclone DDS（开源，Eclipse 基金会维护）
- Fast-DDS（以前称为 FastRTPS，开源，eProsima 提供）
这些实现通常支持多种编程语言（C++、Java、Python 等）。

MQTT

常见的 MQTT Broker：
- Mosquitto（开源，轻量级）
- EMQX（开源，高性能，支持分布式部署）
- HiveMQ（商业版，支持企业级功能）
- VerneMQ（开源，支持大规模连接）
MQTT 客户端库也非常丰富，几乎支持所有主流语言。

8. 总结对比

特性	DDS	MQTT
架构	去中心化（Brokerless）	中心化（需要 Broker）
实时性	高实时性，低延迟	针对低带宽、高延迟环境
QoS	复杂且灵活（22 种 QoS 策略）	简单（3 种 QoS 等级）
适用场景	工业自动化、航空航天、机器人等	IoT、智能家居、移动应用等
学习曲线	较陡，需要较高专业技能	简单，快速上手
性能	高吞吐量、低延迟	适合低功耗和高延迟网络

总结

如果你的项目需要 实时性、高可靠性、复杂 QoS ，并且运行在高性能网络中，例如工业自动化或机器人控制，DDS 是更好的选择。
如果你的项目需要 轻量、低功耗、简单消息传递 ，运行在低带宽或不可靠的网络中，例如物联网设备或智能家居，MQTT 是更适合的选择。