Управление потоком в веб-серийном интерфейсе: осваиваем управление последовательной связью

Web Serial API открывает мир возможностей для веб-приложений, обеспечивая прямую связь с аппаратными устройствами через последовательные порты. Это особенно полезно для приложений, взаимодействующих с микроконтроллерами (такими как Arduino или ESP32), научными приборами, промышленным оборудованием и другими встроенными системами. Однако надежное управление последовательной связью, особенно с учетом различных возможностей устройств и сетевых условий, требует пристального внимания к управлению потоком.

Основы последовательной связи

Прежде чем углубляться в управление потоком, давайте вспомним основы последовательной связи:

• Последовательный порт: Физический интерфейс (часто USB-to-Serial), который позволяет устройствам передавать данные по одному биту за раз.
• Скорость передачи: Скорость передачи данных (битов в секунду). Оба устройства должны быть согласованы по этой скорости. Общие скорости передачи включают 9600, 115200 и другие.
• Биты данных: Количество битов, используемых для представления одного символа (обычно 7 или 8).
• Четность: Метод обнаружения ошибок. Может быть Even, Odd или None.
• Стоп-биты: Биты, используемые для обозначения конца символа (обычно 1 или 2).

Web Serial API предоставляет JavaScript-интерфейсы для настройки и управления этими настройками последовательного порта в среде браузера.

Почему необходимо управление потоком?

Механизмы управления потоком необходимы для предотвращения потери данных и обеспечения надежной связи между веб-приложением и подключенным устройством. Проблемы могут возникнуть из-за:

• Переполнения буфера устройства: Устройство может получать данные быстрее, чем может их обработать, что приводит к потере данных.
• Задержки сети: В сценариях, когда веб-приложение связывается с устройством по сети (например, через преобразователь serial-to-network), задержки сети могут вызывать задержки в передаче данных.
• Изменяющиеся скорости обработки: Скорость обработки веб-приложения может варьироваться в зависимости от браузера, машины пользователя и других запущенных скриптов.

Без управления потоком эти проблемы могут привести к повреждению данных или сбоям связи, что значительно повлияет на удобство использования.

Типы управления потоком

Существует два основных типа управления потоком, используемых в последовательной связи:

1. Аппаратное управление потоком (RTS/CTS)

Аппаратное управление потоком использует выделенные аппаратные линии (RTS - Request To Send, и CTS - Clear To Send) для сигнализации о том, когда устройство готово к приему данных.

• RTS (Request To Send): Утверждается передающим устройством, чтобы указать, что у него есть данные для отправки.
• CTS (Clear To Send): Утверждается принимающим устройством, чтобы указать, что оно готово к приему данных.

Передающее устройство отправляет данные только тогда, когда линия CTS утверждена. Это обеспечивает надежный, аппаратный механизм для предотвращения переполнения буфера. В Web Serial API вы включаете аппаратное управление потоком во время настройки порта:

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

            

              
                Copy
              
            
          

Преимущества:

• Высокая надежность.
• Аппаратная реализация обычно быстрее и эффективнее.

Недостатки:

• Требуются выделенные аппаратные линии, которые могут быть недоступны на всех устройствах.
• Может увеличить сложность физического соединения.

Пример: Представьте себе веб-приложение, управляющее станком с ЧПУ. Станок с ЧПУ может иметь ограниченный буфер. Аппаратное управление потоком гарантирует, что веб-приложение отправляет команды только тогда, когда станок с ЧПУ готов к их обработке, предотвращая потерю данных и обеспечивая точную работу.

2. Программное управление потоком (XON/XOFF)

Программное управление потоком использует специальные символы (XON - Transmit On, и XOFF - Transmit Off) для сигнализации о том, когда устройство готово к приему данных. Эти символы передаются внутри самого потока данных.

• XOFF (Transmit Off): Отправляется принимающим устройством, чтобы сообщить передающему устройству о необходимости прекратить отправку данных.
• XON (Transmit On): Отправляется принимающим устройством, чтобы сообщить передающему устройству о необходимости возобновить отправку данных.

Web Serial API не поддерживает напрямую управление потоком XON/XOFF через параметры конфигурации. Реализация требует ручной обработки символов XON и XOFF в вашем коде JavaScript.

Преимущества:

• Может использоваться на устройствах без выделенных линий аппаратного управления потоком.
• Более простая настройка оборудования.

Недостатки:

• Менее надежен, чем аппаратное управление потоком, поскольку сами символы XON/XOFF могут быть потеряны или повреждены.
• Может мешать потоку данных, если символы XON/XOFF также используются для других целей.
• Требует более сложной реализации программного обеспечения.

Пример: Рассмотрим датчик, передающий данные в веб-приложение. Если нагрузка на обработку веб-приложения увеличивается, оно может отправить символ XOFF датчику, чтобы временно приостановить передачу данных. Как только нагрузка на обработку уменьшается, веб-приложение отправляет символ XON, чтобы возобновить передачу данных. Это гарантирует, что веб-приложение не пропустит ни одной точки данных из-за перегрузки.

Реализация программного управления потоком с помощью Web Serial API

Поскольку Web Serial API не имеет встроенной поддержки XON/XOFF, вам необходимо реализовать ее вручную. Вот основной подход:

1. Определите символы XON и XOFF: Определите конкретные символы, которые вы будете использовать для XON и XOFF. Часто это управляющие символы ASCII (например, 0x11 для XON, 0x13 для XOFF).
2. Реализуйте буфер данных: Создайте буфер в своем коде JavaScript для хранения входящих данных.
3. Отслеживайте размер буфера: Регулярно проверяйте размер буфера.
4. Отправляйте XOFF, когда буфер приближается к своей емкости: Когда буфер достигает определенного порога, отправьте символ XOFF на устройство, чтобы приостановить передачу.
5. Отправляйте XON, когда в буфере есть место: Когда в буфере достаточно места, отправьте символ XON на устройство, чтобы возобновить передачу.
6. Обрабатывайте символы XON/XOFF во входящем потоке данных: Отфильтруйте символы XON/XOFF из полученных данных перед их обработкой.

Вот упрощенный пример того, как вы можете это реализовать:

            
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();

            

              
                Copy
              
            
          

Важные соображения для XON/XOFF:

• Выбор символов XON/XOFF: Выберите символы, которые вряд ли появятся в обычном потоке данных.
• Обработка ошибок: Реализуйте обработку ошибок для работы с потерянными или поврежденными символами XON/XOFF. Это может включать в себя тайм-ауты и стратегии повторной передачи.
• Сроки: Сроки отправки символов XON/XOFF имеют решающее значение. Отправляйте XOFF до того, как буфер полностью заполнится, и XON, когда будет достаточно места.
• Поддержка устройств: Убедитесь, что устройство, с которым вы общаетесь, действительно поддерживает управление потоком XON/XOFF и использует те же символы XON/XOFF.

Лучшие практики для управления потоком в Web Serial

Вот несколько общих рекомендаций по реализации последовательной связи и управления потоком в веб-приложениях:

• Используйте аппаратное управление потоком, когда оно доступно: Аппаратное управление потоком (RTS/CTS) обычно более надежно и эффективно, чем программное управление потоком (XON/XOFF). Используйте его, когда это возможно.
• Изучите возможности устройства: Внимательно изучите документацию для устройства, с которым вы общаетесь, чтобы понять его возможности и требования к управлению потоком.
• Реализуйте обработку ошибок: Надежная обработка ошибок необходима для работы со сбоями связи, повреждением данных и другими неожиданными событиями.
• Используйте асинхронные операции: Web Serial API является асинхронным, поэтому всегда используйте `async/await` или Promises для обработки операций последовательной связи. Это предотвращает блокировку основного потока и обеспечивает отзывчивый пользовательский интерфейс.
• Тщательно тестируйте: Тщательно протестируйте свою реализацию последовательной связи с различными устройствами, сетевыми условиями и версиями браузера, чтобы обеспечить надежность.
• Учитывайте кодировку данных: Выберите подходящий формат кодировки данных (например, UTF-8, ASCII) и убедитесь, что и веб-приложение, и устройство используют одну и ту же кодировку.
• Корректно обрабатывайте отключения: Реализуйте логику для обнаружения и корректной обработки отключений. Это может включать в себя отображение сообщения об ошибке для пользователя и попытку повторного подключения к устройству.
• Помните о безопасности: Помните о последствиях для безопасности предоставления последовательных портов веб-приложениям. Очищайте любые данные, полученные с устройства, чтобы предотвратить уязвимости межсайтового скриптинга (XSS). Подключайтесь только к доверенным устройствам.

Глобальные соображения

При разработке веб-приложений, взаимодействующих с аппаратными устройствами через последовательные порты, крайне важно учитывать следующие глобальные факторы:

• Интернационализация (i18n): Разрабатывайте свое приложение для поддержки различных языков и наборов символов. Используйте кодировку Unicode (UTF-8) для передачи и отображения данных.
• Локализация (l10n): Адаптируйте свое приложение к различным региональным настройкам, таким как форматы даты и времени, форматы чисел и символы валют.
• Часовые пояса: Помните о часовых поясах при работе с временными метками или планировании задач. Используйте UTC (Coordinated Universal Time) для хранения временных меток внутри и преобразуйте их в местный часовой пояс пользователя для отображения.
• Доступность оборудования: Учитывайте доступность конкретных аппаратных компонентов в разных регионах. Если ваше приложение зависит от определенного адаптера serial-to-USB, убедитесь, что он легко доступен на целевом рынке.
• Соответствие нормативным требованиям: Помните о любых нормативных требованиях, касающихся конфиденциальности данных, безопасности или совместимости оборудования в разных странах.
• Культурная чувствительность: Разрабатывайте свой пользовательский интерфейс и документацию с учетом культурной чувствительности. Избегайте использования изображений, символов или языка, которые могут быть оскорбительными или неуместными в определенных культурах.

Например, медицинское устройство, передающее данные о пациентах через последовательное соединение в веб-приложение, должно соответствовать правилам HIPAA в Соединенных Штатах и ​​GDPR в Европе. Данные, отображаемые в веб-приложении, должны быть локализованы на предпочитаемый пользователем язык и соответствовать местным правилам конфиденциальности данных.

Устранение распространенных проблем

Вот некоторые распространенные проблемы, с которыми вы можете столкнуться при работе с Web Serial API и управлением потоком, а также потенциальные решения:

• Потеря данных: Убедитесь, что вы используете соответствующее управление потоком и что скорость передачи правильно настроена как в веб-приложении, так и на устройстве. Проверьте наличие переполнения буфера.
• Ошибки связи: Убедитесь, что настройки последовательного порта (скорость передачи, биты данных, четность, стоп-биты) правильно настроены с обеих сторон. Проверьте наличие проблем с проводкой или неисправных кабелей.
• Совместимость с браузерами: Хотя Web Serial API широко поддерживается в современных браузерах, таких как Chrome и Edge, убедитесь, что ваше приложение корректно обрабатывает случаи, когда API недоступен. Предоставьте альтернативные решения или информативные сообщения об ошибках.
• Проблемы с разрешениями: Пользователю необходимо явно предоставить разрешение веб-приложению на доступ к последовательному порту. Предоставьте пользователю четкие инструкции о том, как предоставить разрешения.
• Проблемы с драйверами: Убедитесь, что необходимые драйверы установлены для адаптера serial-to-USB в системе пользователя.

Заключение

Освоение последовательной связи и управления потоком с помощью Web Serial API имеет решающее значение для создания надежных и устойчивых веб-приложений, взаимодействующих с аппаратными устройствами. Понимая основы последовательной связи, различные типы управления потоком и лучшие практики, вы можете создавать мощные приложения, использующие весь потенциал Web Serial API. Не забывайте учитывать глобальные факторы и проводить тщательное тестирование, чтобы ваше приложение бесперебойно работало для пользователей по всему миру. Использование аппаратного управления потоком, когда это возможно, и реализация надежной обработки ошибок и программного управления потоком XON/XOFF, когда это необходимо, значительно повысит надежность и удобство использования ваших веб-серийных приложений.