自动驾驶通信中间件ecal源码分析—1. 什么是ecal

Posted 2023-02-05 lyf5231

前面做了一套自动驾驶通信中间件，阅读了ROS 1.0 roscpp和ecal相关源码，接下来将逐步对ecal的核心源码进行简要分析。

1.什么是ecal

ecal是德国大陆开源的一套自动驾驶通信中间件。

The enhanced Communication Abstraction Layer (eCAL) is a middleware that enables scalable, high performance interprocess communication on a single computer node or between different nodes in a computer network. eCAL uses a publish - subscribe pattern to automatically connect different nodes in the network.

eCAL automatically chooses the best available data transport mechanism for each link:

• Shared memory for local communication (incredible fast!)
• UDP for network communication

如上所述，ecal是enhanced communication abstraction layer的首字母缩写，增强的通讯抽象层，是一套扩展性强、高性能的进程间通信中间件，可用于本机或者局域网内机器。ecal会自动去选择最优的通信方式去进行数据传输，例如：

• 对于本机内的进程，其通信方式自动选择为共享内存；
• 对于局域网内的跨机器之间的通信，会使用UDP组播的方式进行数据传输(最新版本支持TCP了)。

最初是没有TCP传输层，下面是添加tcp传输协议的Issue，因为对于大数据量传输，采用UDP的方式，如果丢了某一帧，则整个数据都无法使用。

TCP相对于UDP最大的优势就是可靠性高，因为是面向连接的，但是也有一些缺点：

• TCP是单播，要实现N:N多对多通信的模式会产生非常多的TCP连接，增加网络负担；
• TCP由于是面向连接的协议，单从协议层面比UDP的“传输负担”要大一些，但是因为其面向连接的可靠性传输保证，弥补了这一缺点。

2.ecal支持的功能

• eCAL is fast (1 - 10 GB/s, depends on payload size）

进程间数据传输效率非常高，1——10GB/s(依赖于数据载荷)。

下面是一组测试数据，测试的场景是：同一机器上的进程间(使用共享内存SHM)、一对一的publisher/subscriber在不同数据载荷下的数据传输延时、 数据载荷1kB—512kB时发送200000 samples，数据载荷大于512KB时发送10000 samples，单位为微秒(us)，其中最后一列为Iceoryx的测试结果，Iceoryx是另外一个优秀的进程间通信的中间件，进程间数据传输可以做到真正的零拷贝(true zero-copy)。

Payload Size (kB)	Win10 AMD64 (µs)eCAL SHM	Ubuntu18 AMD64 (µs)eCAL SHM	Ubuntu18 AMD64 (µs)Iceoryx SHM
1	10	4	6
2	10	4	6
4	10	5	6
8	11	5	6
16	12	6	6
32	13	7	8
64	16	10	10
128	21	15	13
256	32	33	19
512	56	50	28
1024	103	154	82
2048	363	392	177
4096	867	877	420
8192	1814	1119	534
16384	3956	2252	1060

从上述测试结果可以看出来，在Ubuntu18上eCAL SHM和Iceoryx SHM的传输效率相当，发送16384KB的数据延时仅有2252us，也就是2毫秒左右。

• eCAL provides both publish-subscribe and server-client patterns

ecal提供了publish-subscribe和server-client通信模式。

• eCAL is brokerless

ecal是没有中间代理商的分布式网络架构。

• eCAL provides a C++ and C interface for easy integration into other languages (like python, csharp or rust)

ecal提供了c++和c的接口，API可以比较容易的进行扩展，目前已经支持python,csharp和rust。

• eCAL can be used in conjunction with Matlab Simulink as eCAL Simulink Toolbox for simulation and prototyping

ecal同时还开发了simulink对应的toolbox

• eCAL has powerful tools for recording, replay and monitoring all your data flows - decentralized

ecal提供了完备的外围工具，例如数据录制、回放、监控。

• eCAL is simple and zero-conf. No complex configuration for communication details and QOS settings are needed

ecal使用起来非常简单，基本不需要配置。不过QOS也是没法设置的。

• eCAL is message protocol agnostic. You choose the message protocol that fits to your needs like Google Protobuf, CapnProto, Flatbuffers…

ecal支持很多种类的数据序列化/反序列化方式，默认是google protobuf，还支持CapnProto和Flatbuffer等

• eCAL uses the standardized recording format HDF5

ecal数据录制的文件格式采用HDF5.

• eCAL integrates gently into your ROS2 environment with the eCAL RMW

ecal目前已经实现了ROS2对应的RMW.

• eCAL runs on a wide variety of operating systems

ecal可跨平台，支持Windows/Linux/QNX/MacOS/FreeBSD等。其外围工具，例如数据录制、回放、监控等GUI软件都是基于QT开发，可轻松跨平台。

3.开源协议

eCAL is licensed under Apache License 2.0. You are free to

• Use eCAL commercially
• Modify eCAL
• Distribute eCAL

eCAL is provided on an “as is” basis without warranties or conditions of any kind.

ecal遵循的是最友好的Apache License 2.0开源协议，所以你可以对ecal进行任意修改、商用等。