프론트엔드 웹 시리얼 흐름 제어: 시리얼 통신 관리 마스터하기

Web Serial API는 웹 애플리케이션에 새로운 가능성을 열어주어 시리얼 포트를 통해 하드웨어 장치와 직접 통신할 수 있게 합니다. 이는 마이크로컨트롤러(Arduino 또는 ESP32와 같은), 과학 기기, 산업 장비 및 기타 임베디드 시스템과 상호 작용하는 애플리케이션에 특히 유용합니다. 그러나 시리얼 통신을 안정적으로 관리하려면, 특히 다양한 장치 기능 및 네트워크 환경에서 흐름 제어에 세심한 주의를 기울여야 합니다.

시리얼 통신 기본 사항 이해

흐름 제어를 살펴보기 전에 시리얼 통신의 기본 사항을 요약해 보겠습니다.

• 시리얼 포트: 장치가 데이터를 한 번에 한 비트씩 전송할 수 있도록 하는 물리적 인터페이스(종종 USB-to-Serial)입니다.
• Baud Rate: 데이터가 전송되는 속도(초당 비트 수)입니다. 두 장치가 이 속도에 동의해야 합니다. 일반적인 보드 속도는 9600, 115200 등입니다.
• Data Bits: 단일 문자를 나타내는 데 사용되는 비트 수(일반적으로 7 또는 8)입니다.
• Parity: 오류 감지 방법입니다. 짝수, 홀수 또는 없음이 될 수 있습니다.
• Stop Bits: 문자 끝을 알리는 데 사용되는 비트(일반적으로 1 또는 2)입니다.

Web Serial API는 브라우저 환경 내에서 이러한 시리얼 포트 설정을 구성하고 관리하기 위한 JavaScript 인터페이스를 제공합니다.

흐름 제어가 필요한 이유

흐름 제어 메커니즘은 데이터 손실을 방지하고 웹 애플리케이션과 연결된 장치 간의 안정적인 통신을 보장하는 데 필수적입니다. 다음과 같은 문제로 인해 문제가 발생할 수 있습니다.

• 장치 버퍼 오버플로: 장치가 처리할 수 있는 것보다 빠르게 데이터를 수신하여 데이터 손실을 초래할 수 있습니다.
• 네트워크 지연 시간: 웹 애플리케이션이 네트워크를 통해 장치와 통신하는 시나리오(예: 시리얼-네트워크 변환기)에서 네트워크 지연 시간으로 인해 데이터 전송에 지연이 발생할 수 있습니다.
• 가변 처리 속도: 웹 애플리케이션의 처리 속도는 브라우저, 사용자 시스템 및 기타 실행 중인 스크립트에 따라 달라질 수 있습니다.

흐름 제어가 없으면 이러한 문제로 인해 데이터가 손상되거나 통신 오류가 발생하여 사용자 경험에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

시리얼 흐름 제어 유형

시리얼 통신에 사용되는 흐름 제어에는 두 가지 주요 유형이 있습니다.

1. 하드웨어 흐름 제어 (RTS/CTS)

하드웨어 흐름 제어는 전용 하드웨어 라인(RTS - Request To Send, CTS - Clear To Send)을 사용하여 장치가 데이터를 수신할 준비가 되었음을 알립니다.

• RTS (Request To Send): 전송 장치가 전송할 데이터가 있음을 나타내기 위해 어설션합니다.
• CTS (Clear To Send): 수신 장치가 데이터를 수신할 준비가 되었음을 나타내기 위해 어설션합니다.

전송 장치는 CTS 라인이 어설션될 때만 데이터를 보냅니다. 이는 버퍼 오버플로를 방지하는 안정적인 하드웨어 기반 메커니즘을 제공합니다. Web Serial API에서는 포트 구성 중에 하드웨어 흐름 제어를 활성화합니다.

            
const port = await navigator.serial.requestPort();
await port.open({ baudRate: 115200, flowControl: "hardware" });

            

              
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장점:

• 매우 안정적입니다.
• 하드웨어 수준 구현은 일반적으로 더 빠르고 효율적입니다.

단점:

• 전용 하드웨어 라인이 필요하며, 이는 모든 장치에서 사용 가능하지 않을 수 있습니다.
• 물리적 연결의 복잡성을 증가시킬 수 있습니다.

예: CNC 기계를 제어하는 웹 애플리케이션을 상상해 보십시오. CNC 기계에는 제한된 버퍼가 있을 수 있습니다. 하드웨어 흐름 제어는 웹 애플리케이션이 CNC 기계가 명령을 처리할 준비가 되었을 때만 명령을 보내도록 보장하여 데이터 손실을 방지하고 정확한 작동을 보장합니다.

2. 소프트웨어 흐름 제어 (XON/XOFF)

소프트웨어 흐름 제어는 특수 문자(XON - Transmit On, XOFF - Transmit Off)를 사용하여 장치가 데이터를 수신할 준비가 되었음을 알립니다. 이러한 문자는 데이터 스트림 자체 내에서 전송됩니다.

• XOFF (Transmit Off): 수신 장치가 전송 장치에 데이터 전송을 중지하도록 지시하기 위해 보냅니다.
• XON (Transmit On): 수신 장치가 전송 장치에 데이터 전송을 재개하도록 지시하기 위해 보냅니다.

Web Serial API는 구성 옵션을 통해 XON/XOFF 흐름 제어를 직접 지원하지 않습니다. 이를 구현하려면 JavaScript 코드에서 XON 및 XOFF 문자를 수동으로 처리해야 합니다.

장점:

• 전용 하드웨어 흐름 제어 라인이 없는 장치에서 사용할 수 있습니다.
• 더 간단한 하드웨어 설정입니다.

단점:

• XON/XOFF 문자 자체가 손실되거나 손상될 수 있으므로 하드웨어 흐름 제어보다 덜 안정적입니다.
• XON/XOFF 문자가 다른 용도로도 사용되는 경우 데이터 스트림을 방해할 수 있습니다.
• 더 복잡한 소프트웨어 구현이 필요합니다.

예: 센서가 웹 애플리케이션으로 데이터를 전송하는 경우를 고려해 보십시오. 웹 애플리케이션의 처리 부하가 증가하면 XOFF 문자를 센서로 보내 데이터 전송을 일시적으로 중지할 수 있습니다. 처리 부하가 감소하면 웹 애플리케이션은 XON 문자를 보내 데이터 전송을 재개합니다. 이는 웹 애플리케이션이 과부하로 인해 데이터 포인트를 놓치지 않도록 보장합니다.

Web Serial API를 사용한 소프트웨어 흐름 제어 구현

Web Serial API에는 XON/XOFF 지원이 내장되어 있지 않으므로 수동으로 구현해야 합니다. 다음은 기본적인 접근 방식입니다.

1. XON 및 XOFF 문자 정의: XON 및 XOFF에 사용할 특정 문자를 정의합니다. 이는 종종 ASCII 제어 문자입니다(예: XON의 경우 0x11, XOFF의 경우 0x13).
2. 데이터 버퍼 구현: 들어오는 데이터를 저장하기 위해 JavaScript 코드에 버퍼를 만듭니다.
3. 버퍼 크기 모니터링: 버퍼 크기를 정기적으로 확인합니다.
4. 버퍼가 용량에 가까워지면 XOFF 전송: 버퍼가 특정 임계값에 도달하면 XOFF 문자를 장치로 보내 전송을 일시 중지합니다.
5. 버퍼에 공간이 있으면 XON 전송: 버퍼에 충분한 공간이 있으면 XON 문자를 장치로 보내 전송을 재개합니다.
6. 들어오는 데이터 스트림에서 XON/XOFF 문자 처리: 받은 데이터에서 XON/XOFF 문자를 필터링하여 처리합니다.

다음은 이를 구현하는 방법의 간단한 예입니다.

            
const XON = 0x11;
const XOFF = 0x13;
const BUFFER_SIZE = 1024;
const BUFFER_THRESHOLD = 800;

let dataBuffer = [];
let isTransmitting = true;

async function readSerialData(reader, writer) {
  try {
    while (true) {
      const { value, done } = await reader.read();
      if (done) {
        console.log("Reader done!");
        break;
      }

      // Convert Uint8Array to string
      const receivedString = new TextDecoder().decode(value);

      // Filter out XON/XOFF characters (if present in the received string)
      const filteredString = receivedString.replace(/\u0011/g, '').replace(/\u0013/g, '');

      // Add data to buffer
      dataBuffer.push(filteredString);

      // Check buffer size
      if (dataBuffer.join('').length > BUFFER_THRESHOLD && isTransmitting) {
        console.log("Sending XOFF");
        const encoder = new TextEncoder();
        await writer.write(encoder.encode(String.fromCharCode(XOFF)));
        isTransmitting = false;
      }

      // Process data (example: log to console)
      console.log("Received:", filteredString);

      // Example: Clear the buffer and resume transmission after processing
      if (dataBuffer.join('').length < BUFFER_THRESHOLD / 2 && !isTransmitting) {
        console.log("Sending XON");
        const encoder = new TextEncoder();
        await writer.write(encoder.encode(String.fromCharCode(XON)));
        isTransmitting = true;
        dataBuffer = []; // Clear the buffer after processing
      }
    }
  } catch (error) {
    console.error("Serial read error:", error);
  } finally {
    reader.releaseLock();
  }
}

async function writeSerialData(writer, data) {
  const encoder = new TextEncoder();
  await writer.write(encoder.encode(data));
  await writer.close();
}

async function openSerialPort() {
  try {
    const port = await navigator.serial.requestPort();
    await port.open({ baudRate: 115200 });

    const reader = port.readable.getReader();
    const writer = port.writable.getWriter();

    readSerialData(reader, writer);

  } catch (error) {
    console.error("Serial port error:", error);
  }
}

// Example usage:
openSerialPort();

            

              
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XON/XOFF에 대한 중요 고려 사항:

• XON/XOFF 문자 선택: 일반 데이터 스트림에 나타날 가능성이 없는 문자를 선택합니다.
• 오류 처리: 손실되거나 손상된 XON/XOFF 문자를 처리하기 위한 오류 처리를 구현합니다. 여기에는 시간 초과 및 재전송 전략이 포함될 수 있습니다.
• 타이밍: XON/XOFF 문자를 보내는 타이밍이 중요합니다. 버퍼가 완전히 채워지기 전에 XOFF를 보내고 충분한 공간이 있을 때 XON을 보냅니다.
• 장치 지원: 통신하는 장치가 실제로 XON/XOFF 흐름 제어를 지원하고 동일한 XON/XOFF 문자를 사용하는지 확인합니다.

Web Serial 흐름 제어를 위한 모범 사례

다음은 웹 애플리케이션에서 시리얼 통신 및 흐름 제어를 구현하기 위한 몇 가지 일반적인 모범 사례입니다.

• 사용 가능한 경우 하드웨어 흐름 제어 사용: 하드웨어 흐름 제어(RTS/CTS)는 일반적으로 소프트웨어 흐름 제어(XON/XOFF)보다 더 안정적이고 효율적입니다. 가능하면 언제든지 사용하십시오.
• 장치 기능 이해: 통신하는 장치에 대한 문서를 주의 깊게 검토하여 흐름 제어 기능 및 요구 사항을 이해합니다.
• 오류 처리 구현: 통신 오류, 데이터 손상 및 기타 예기치 않은 이벤트를 처리하는 데 강력한 오류 처리가 필수적입니다.
• 비동기 작업 사용: Web Serial API는 비동기적이므로 항상 `async/await` 또는 Promise를 사용하여 시리얼 통신 작업을 처리합니다. 이렇게 하면 기본 스레드가 차단되는 것을 방지하고 응답성이 뛰어난 사용자 인터페이스를 보장할 수 있습니다.
• 철저한 테스트: 다양한 장치, 네트워크 조건 및 브라우저 버전으로 시리얼 통신 구현을 철저히 테스트하여 안정성을 보장합니다.
• 데이터 인코딩 고려: 적절한 데이터 인코딩 형식(예: UTF-8, ASCII)을 선택하고 웹 애플리케이션과 장치가 동일한 인코딩을 사용하는지 확인합니다.
• 연결 끊김을 정상적으로 처리: 연결 끊김을 감지하고 정상적으로 처리하기 위한 로직을 구현합니다. 여기에는 사용자에게 오류 메시지를 표시하고 장치에 다시 연결을 시도하는 것이 포함될 수 있습니다.
• 보안에 유의: 시리얼 포트를 웹 애플리케이션에 노출하는 보안 영향을 인지하십시오. 장치에서 수신한 데이터를 삭제하여 교차 사이트 스크립팅(XSS) 취약점을 방지합니다. 신뢰할 수 있는 장치에만 연결합니다.

글로벌 고려 사항

시리얼 포트를 통해 하드웨어 장치와 상호 작용하는 웹 애플리케이션을 개발할 때 다음 글로벌 요소를 고려하는 것이 중요합니다.

• 국제화(i18n): 다양한 언어 및 문자 집합을 지원하도록 애플리케이션을 설계합니다. 데이터 전송 및 표시에 유니코드 인코딩(UTF-8)을 사용합니다.
• 지역화(l10n): 날짜 및 시간 형식, 숫자 형식, 통화 기호와 같은 다양한 지역 설정에 맞게 애플리케이션을 조정합니다.
• 시간대: 타임스탬프를 처리하거나 작업을 예약할 때 시간대를 유의하십시오. 타임스탬프를 내부적으로 저장할 때는 UTC(Coordinated Universal Time)를 사용하고 표시할 때는 사용자 현지 시간대로 변환합니다.
• 하드웨어 가용성: 다양한 지역에서 특정 하드웨어 구성 요소의 가용성을 고려합니다. 애플리케이션이 특정 시리얼-USB 어댑터에 의존하는 경우 대상 시장에서 쉽게 구할 수 있는지 확인합니다.
• 규정 준수: 다양한 국가에서 데이터 개인 정보 보호, 보안 또는 하드웨어 호환성과 관련된 규정 요구 사항을 인지하십시오.
• 문화적 감수성: 사용자 인터페이스 및 문서를 문화적 감수성을 염두에 두고 디자인합니다. 특정 문화권에서 불쾌하거나 부적절할 수 있는 이미지, 기호 또는 언어는 사용하지 마십시오.

예를 들어, 시리얼 연결을 통해 환자 데이터를 웹 애플리케이션으로 전송하는 의료 기기는 미국에서는 HIPAA 규정, 유럽에서는 GDPR을 준수해야 합니다. 웹 애플리케이션에 표시되는 데이터는 사용자 기본 설정 언어로 지역화되어야 하며 현지 데이터 개인 정보 보호 규정을 준수해야 합니다.

일반적인 문제 해결

다음은 Web Serial API 및 흐름 제어 작업을 수행할 때 발생할 수 있는 몇 가지 일반적인 문제와 잠재적인 해결 방법입니다.

• 데이터 손실: 적절한 흐름 제어를 사용하고 웹 애플리케이션과 장치 모두에서 보드 속도가 올바르게 구성되었는지 확인합니다. 버퍼 오버플로를 확인합니다.
• 통신 오류: 시리얼 포트 설정(보드 속도, 데이터 비트, 패리티, 스톱 비트)이 양쪽에서 올바르게 구성되었는지 확인합니다. 배선 문제 또는 케이블 결함을 확인합니다.
• 브라우저 호환성: Web Serial API는 Chrome 및 Edge와 같은 최신 브라우저에서 널리 지원되지만 API를 사용할 수 없는 경우 애플리케이션이 정상적으로 처리되는지 확인합니다. 대체 솔루션 또는 유용한 오류 메시지를 제공합니다.
• 권한 문제: 사용자는 웹 애플리케이션이 시리얼 포트에 액세스할 수 있도록 명시적으로 권한을 부여해야 합니다. 사용자에게 권한을 부여하는 방법에 대한 명확한 지침을 제공합니다.
• 드라이버 문제: 사용자 시스템에 시리얼-USB 어댑터에 필요한 드라이버가 설치되어 있는지 확인합니다.

결론

Web Serial API를 사용하여 시리얼 통신 및 흐름 제어를 마스터하는 것은 하드웨어 장치와 상호 작용하는 안정적이고 강력한 웹 애플리케이션을 구축하는 데 매우 중요합니다. 시리얼 통신의 기본 사항, 다양한 유형의 흐름 제어 및 모범 사례를 이해하면 Web Serial API의 모든 잠재력을 활용하는 강력한 애플리케이션을 만들 수 있습니다. 글로벌 요소를 고려하고 철저한 테스트를 구현하여 애플리케이션이 전 세계 사용자를 위해 원활하게 작동하는지 확인하십시오. 가능하면 하드웨어 흐름 제어를 사용하고 필요한 경우 강력한 오류 처리 및 XON/XOFF 소프트웨어 흐름 제어를 구현하면 웹 시리얼 애플리케이션의 안정성과 사용자 경험이 크게 향상됩니다.