基于WebSocket服務(wù)實現(xiàn)Web應(yīng)用訪問本地串口設(shè)備

錢鑫博

摘要：瀏覽器里的Web應(yīng)用和計算機(jī)的串口硬件進(jìn)行通信時，需要針對不同的瀏覽器開發(fā)不同的插件。采用HTML5內(nèi)置的WebSocket技術(shù)和QT開發(fā)框架，通過WebSocket協(xié)議連接本地服務(wù)，并通過本地服務(wù)綁定串口完成全雙工通信的方案，實現(xiàn)了跨瀏覽器的Web應(yīng)用與客戶端計算機(jī)串口通信的技術(shù)，解決了為不同瀏覽器產(chǎn)品及版本開發(fā)多種插件的問題。經(jīng)過測試驗證，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：WebSocket；HTML5技術(shù)；串口通信

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2020）14-62-4

0引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，軟件趨向于網(wǎng)絡(luò)化，很多計算機(jī)上的應(yīng)用都做成了B/S架構(gòu)，客戶端打開瀏覽器就可以進(jìn)行訪問。但是出于安全考慮，瀏覽器與操作系統(tǒng)進(jìn)行了隔離，瀏覽器不允許Web應(yīng)用直接訪問客戶端的硬件，訪問硬件就只能開發(fā)插件。每種瀏覽器各自的API不兼容，Chrome瀏覽器用NPAPI來執(zhí)行一個本地程序獲取硬件，F(xiàn)irefox瀏覽器使用JS-Ctypes技術(shù)實現(xiàn)插件，然后調(diào)用C++代碼等來獲取本地硬件。瀏覽器迭代速度快、接口變化大，開發(fā)插件時常遇到瀏覽器更新導(dǎo)致不能用，客戶體驗非常差，而且每次都開發(fā)對應(yīng)版本的插件費時費力。WebSocket是HTML5規(guī)范中的一個部分，借鑒了Socket思想，為了Web應(yīng)用程序和服務(wù)端全雙工通信而專門制定的一種新的應(yīng)用層協(xié)議。

1 WebSocket協(xié)議及幀結(jié)構(gòu)

WebSocket Protocol是HTML5中一種新的協(xié)議，實現(xiàn)了瀏覽器與服務(wù)器全雙工通信（full-duplex）。在這之前都是客戶端主動請求服務(wù)端，請求一次應(yīng)答一次，很多時候?qū)崿F(xiàn)消息更新都是采用Ajax輪詢，有延遲。有了WebSocket，雙方都可以主動發(fā)給對端，實現(xiàn)真正的推送。WebSocket連接創(chuàng)建后，客戶端和服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，協(xié)議控制的數(shù)據(jù)包頭部較小。在不包含頭部的情況下，服務(wù)端到客戶端的包頭只有2～10 Byte（取決于數(shù)據(jù)包長度），客戶端到服務(wù)端需要加上額外的4 Byte掩碼。而HTTP協(xié)議每次通信都需要攜帶完整的頭部[1]。RFC文檔給出的WebSocket協(xié)議格式，如圖1所示。

WebSocket協(xié)議報文是分幀傳輸，F(xiàn)IN：1 bit，代表是否是尾幀，如果為1，即為最后片段；RSV1，RSV2，RSV3：每個占1 bit，為擴(kuò)展保留的，若建立連接時使用了擴(kuò)展，那么這些位的含義應(yīng)自定義好；opcode：4 bit，定義負(fù)載數(shù)據(jù)（payload data）的類型，如表1所示。

WebSocket有控制幀和數(shù)據(jù)幀2種，opcode最高位為1的都是控制幀，opcode最高位為0的都是數(shù)據(jù)幀。應(yīng)用級的數(shù)據(jù)傳輸幀，有文本幀和二進(jìn)制幀2種。協(xié)議級別的控制報文幀，有關(guān)閉幀、ping幀和pong幀3種。關(guān)閉幀：opcode 0x8，連接任一端想關(guān)閉WebSocket，就發(fā)一個關(guān)閉幀給對端，對端收到該幀，若之前沒有發(fā)過關(guān)閉幀，則必須回復(fù)一個關(guān)閉幀。ping幀和pong幀：用來心跳檢測和判斷對端是否還連接，連接建立后任一端都可以發(fā)送ping幀，收到ping的一端必須回復(fù)pong幀。

masked：1 bit，表示是否進(jìn)行掩碼處理，客戶端發(fā)送給服務(wù)端時為1，服務(wù)端發(fā)送給客戶端時為0。根據(jù)WebSocket的定義，客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)需要進(jìn)行掩碼處理，接收數(shù)據(jù)無需反掩碼操作，服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)無需進(jìn)行掩碼處理，接收數(shù)據(jù)需要反掩碼操作。

payload length：7 bit，如果第2個字節(jié)的后面7 bit的十進(jìn)制值≤125，則直接用7 bit表示數(shù)據(jù)長度；如果該值為126，表示數(shù)據(jù)長度是126～65 535，這時要用3～4 Byte，每個字節(jié)8 bit，即16 bit來表示數(shù)據(jù)長度；如果該值為127，則說明數(shù)據(jù)長度已經(jīng)>65 535，16 bit也已經(jīng)不足以表示數(shù)據(jù)長度了，這時就用3～10 Byte，即64 bit來表示數(shù)據(jù)長度。

masking key：當(dāng)masked為1的時候才存在，用于對需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。

payload data：負(fù)載數(shù)據(jù)，就是要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。如果masked為1，該數(shù)據(jù)會被加密，要通過與masking key的值進(jìn)行異或運算解密才能獲取真正的負(fù)載數(shù)據(jù)。負(fù)載數(shù)據(jù)=擴(kuò)展數(shù)據(jù)+應(yīng)用數(shù)據(jù)。擴(kuò)展數(shù)據(jù)包含在總負(fù)載數(shù)據(jù)長度中，其實就是自定義一個協(xié)議，如果有擴(kuò)展數(shù)據(jù)，擴(kuò)展數(shù)據(jù)就加在應(yīng)用數(shù)據(jù)前面，并且要協(xié)商好擴(kuò)展數(shù)據(jù)長度如何計算。應(yīng)用數(shù)據(jù)是指擴(kuò)展數(shù)據(jù)之后幀的剩余部分。

2方案設(shè)計

2.1本地服務(wù)的結(jié)構(gòu)

本地服務(wù)主要實現(xiàn)WebSocket的服務(wù)端的串口控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。WebSocket服務(wù)端用來處理客戶端的瀏覽器Web應(yīng)用連接，串口控制用來操作計算機(jī)的串口設(shè)備，本地服務(wù)內(nèi)部轉(zhuǎn)接雙方的數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸[2]，本地服務(wù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。