1. 概述
概述
RTPS规范，全称为实时发布/订阅协议DDS互操作规范（The Real-Time Publish-Subscribe Protocol (RTPS) DDS Interoperability Wire Protocol Specification），RTPS在某些场景下也被叫做DDSI-RTPS。该协议产生的原因在于：
- DDS接口（DCPS）规范；
- 不同厂家实现DDS接口规范形成不同的DDS产品；
- 使用不同DDS产品的系统需要集成，即对不同厂家的DDS互操作、互联互通提出了新的需求；
- 提出RTPS规范来定义DDS底层的报文格式、行为等内容。
RTPS规范的内容参见下图，主要分为4个模块：
- 结构模块，定义概念和数据结构；
- 报文模块，定义报文格式；
- 行为模块，定义不同配置下传输的行为，即什么情况下发送什么报文，如何响应接收到的报文；
- 发现模块，综合使用以上三个模块，定义简单发现协议，用于通信实体之间的自动发现与匹配。
结构模块
描述了作为通信参与者的RTPS实体的结构，如下图所示，RTPS实体是被应用程序可见的DDS实体相互通信而使用的协议级端点。
| 概念定义 | 说明 |
|---|---|
| Entity | 实体，包括：参与者以及通信实体（写者、读者）的共用属性，包括：唯一标识； |
| Participant | 参与者，作为通信实体（写者、读者）的父实体，存储协议版本、供应商 ID 以及默认的地址信息； |
| Endpoint | 通信实体，作为写者以及读者的父类抽象，存储两端共有的信息，包括使用的通信地址、可靠性等级一级主题等级； |
| Writer | 写者，用于发送数据，每个写者关联一个 HistoryCache，用于维护发送的数据，并提供接口发送数据； |
| Reader | 读者，用于接收数据，每个读者关联一个 HistoryCache，用于维护接收到的数据列表； |
| HistoryCache | 历史数据缓存队列，提供增、删、查的功能，队列中的元素为 CacheChange； |
| CacheChange | 描述一个样本数据，包括：发送方标识、序列号、所属数据实例以及负载。 |
报文模块
Messages模块描述了在RTPS Writer端点和RTPS Reader端点之间交换的消息的总体结构和逻辑内容。
报文模块的总体结构如下所示：
- Message，RTPS 消息，包含一个消息头（Header）以及 1 个到多个子消息（SubMessage）；
- Header，RTPS 消息头；
- SubMessage，RTPS 子消息，作为不同子消息的抽象结构，包括一个子消息头（SubmessageHeader）以及每种不同子消息包含不同的一个到多个子消息元素（SubmessageElement），子消息根据功能上的不同可以分为三类；
- 可靠型，包括：Heartbeat、AckNack、NackFrag；
- 信息型，包括：InfoDestination、InfoTimeStamp、InfoReply 以及 InfoSource；
- 数据型，包括：Data、Gap、DataFrag；
行为模块
行为模块进一步定义了 Writer/Reader 的接口及其行为，主流开源DDS都基于RTPS协议进行实施，Fast DDS支持直接调用RTPS接口，embeddedRTPS 专注嵌入式场景下的RTPS协议实现，可以“纯RTPS”运行。 行为模块的几种典型的行为：
StatelessWriter 对应 BEST-EFFORT 类型的数据写者；
- IDLE状态，匹配新的远程数据读者后进入IDLE状态；
- PUSHING状态，当有未发送的样本数据时，进入该状态，在该状态下循环发送未发送的样本数据，直到发送完成后进入IDLE状态，仅涉及到DATA以及GAP两类子消息；
StatelessReader 对应 BEST-EFFORT 类型的数据读者；
StatefulWriter 对应 RELIABLE 类型的数据写者；
StatefulReader 对应 RELIABLE 类型的数据读者；
发现模块
发现模块是DDS“纯分布式架构”的基础，每个应用上的DDS实体能够通过纯分布式的方式获取到系统内其他DDS实体的信息，并根据这些信息进行基于主题的按需分发。发现模块定义了两个协议：参与者发现协议（PDP） 和 端点发现协议（EDP）。
- 参与者发现阶段（PDP）：发现网络中其他 DDS 参与者
- 端点发现阶段（EDP）：在已发现的参与者之间，发现彼此拥有的、可能匹配的 DataWriter 和 DataReader
1. 参与者发现协议（PDP）
核心功能
- 创建内置的参与者发现端点（SPDP Writer/Reader）
- 周期性广播本地参与者信息
- 接收并处理远程参与者信息
- 维护参与者代理数据（ParticipantProxyData）
- 触发端点发现过程
工作流程
- 启动阶段：每个 DomainParticipant 启动时，创建一对内置端点（SPDP Writer 和 Reader）
- 广播机制：周期性（默认 3 秒）在预定义的多播地址和端口上发送 SPDPdiscoveredParticipantData 消息
- 消息内容：包含自身 Participant 的 GUID、QoS、定位信息（Locator - IP/Port）等
- 接收与处理：接收其他 Participant 的 SPDP 消息，更新参与者代理数据
- 连接建立：收到新 Participant 公告后，尝试建立与对方 Participant 的通信通道
- 离开检测：通过停止接收公告或收到明确的 dispose 消息检测 Participant 离开
发现模式
- 多播发现：节点加入预定义多播组，无需预知其他节点地址，适用于局域网
- 单播发现：节点需预先配置对端地址，通过点对点通信交换信息，适用于广域网或跨子网场景
2. 端点发现协议（EDP）
核心功能
- 交换 DataWriter 和 DataReader 的信息
- 匹配可能通信的端点
- 确认匹配成功，建立数据传输通道
工作流程
- 信息交换：通过 PDP 建立的通信信道，共享 DataWriter 和 DataReader 的信息
- 匹配条件：主题（Topic）和数据类型必须一致
- 确认机制：通过 heartbeat、acknack 等消息确认数据样本
- 例如：B 的 SEDPbuiltinSubscriptionWriter 发送 heartbeat 给 A 的 SEDPbuiltinSubscriptionReader
- A 收到后，若发现缺少样本，会发送 acknack 告知丢失的样本
- B 发送缺失的样本，更新 heartbeat
- 匹配完成：当双方确认数据一致后，DataWriter 和 DataReader 可以开始发送/接收用户数据
3. 其他 DDS 实现的发现机制
Fast DDS 提供了多种发现机制，以适应不同应用场景：
简单发现（Simple Discovery）
- 默认机制：支持 PDP 和 EDP 的 RTPS 标准
- 兼容性：提供与任何其他 DDS 和 RTPS 实现的兼容性
- 工作方式：使用 SPDP 和 SEDP 协议自动完成发现过程
静态发现（Static Discovery）
- 特点：跳过 EDP 阶段，无需自动发现
- 实现：通过 XML 文件预先配置对端信息
发现服务器（Discovery Server）
- 架构：集中式发现体系结构
- 工作方式：DomainParticipant（称为服务器）充当元流量发现的集线器
- 优势：适用于大规模分布式系统，减少网络广播流量
手动发现（Manual Discovery）
- 特点：禁用 PDP
- 工作方式：用户使用外部元信息信道手动匹配和取消匹配 RTPS 实体
- 适用场景：特殊网络环境或需要高度定制化的系统