一種基于短波信道特性的軍用電子郵件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李鷹　秦川　田勇

摘要：短波信道是窄帶信道，具有時(shí)變、衰落及帶寬受限等特性，處理短波信道突發(fā)錯(cuò)誤的FEC及交織技術(shù)和實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腁RQ機(jī)制都是通過(guò)犧牲時(shí)效性來(lái)保證的。短波鏈路轉(zhuǎn)換的時(shí)延在幾秒到幾十秒，若直接上互聯(lián)網(wǎng)，需要頻繁收發(fā)鏈路轉(zhuǎn)換的SMTP和POP3協(xié)議，會(huì)在短波網(wǎng)絡(luò)中帶來(lái)很大的協(xié)議開(kāi)銷，難以適用。通過(guò)對(duì)外軍使用的短波電子郵件協(xié)議性能和特點(diǎn)的分析和比較，提出了一種基于短波信道特性的軍用電子郵件系統(tǒng)解決方案，對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成、體系架構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)、接口設(shè)計(jì)、協(xié)議解析和軟件實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：短波通信網(wǎng)絡(luò)；短波郵件系統(tǒng)；無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸

DOIDOI：10.11907/rjdk.151176

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16727800（2015）006010004

作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：李鷹（1965-），男，四川自貢人，碩士，中船重工集團(tuán)第七二二研究所軟件無(wú)線電專業(yè)部高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檐浖x無(wú)線電、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)；秦川（1989-），男，湖北黃岡人，碩士，中船重工集團(tuán)第七二二研究所軟件無(wú)線電專業(yè)部工程師，研究方向?yàn)闊o(wú)線通信技術(shù)；田勇（1989-），男，安徽蕪湖人，碩士，中船重工集團(tuán)第七二二研究所軟件無(wú)線電專業(yè)部工程師，研究方向?yàn)闊o(wú)線通信技術(shù)。

0 引言

隨著軍事通信系統(tǒng)一體化建設(shè)的推進(jìn)，構(gòu)建具有可靠數(shù)據(jù)傳輸功能的短波網(wǎng)絡(luò)日益重要。要在短波網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)電子郵件系統(tǒng)，必須采取一些措施[1]：①采用具有FEC及交織魯棒性好的調(diào)制解調(diào)器；②采用ARQ數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議；③采用ALE和相關(guān)的鏈路自適應(yīng)技術(shù)；④采用優(yōu)先級(jí)控制和流控。此外，還必須專門針對(duì)短波信道條件制定短波電子郵件協(xié)議。

1 短波電子郵件系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1.1 設(shè)備組成

短波電子郵件系統(tǒng)由以下設(shè)備組成（見(jiàn)圖1）：①短波電子郵件用戶終端；②短波調(diào)制解調(diào)設(shè)備；③短波收、發(fā)信機(jī)；④短波天饋設(shè)備；⑤有線電子郵件用戶終端；⑥電子郵件服務(wù)器；⑦以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

1.1.2 軟件組成

短波電子郵件系統(tǒng)由短波電子郵件網(wǎng)關(guān)軟件和多個(gè)短波電子郵件用戶代理軟件組成：①短波電子郵件網(wǎng)關(guān)軟件：在短波網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)之間傳輸電子郵件；②電子郵件用戶代理軟件：完成撰寫、發(fā)送、接收電子郵件，并管理郵箱。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）網(wǎng)絡(luò)模型，將能承載電子郵件系統(tǒng)的短波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行層次劃分，以便描述每層功能和適用協(xié)議。短波數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)層次劃分與OSI模型比較如圖2所示。

短波電子郵件系統(tǒng)必須建立在無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩滩ňW(wǎng)絡(luò)上[1]。要在短波信道上實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸必須在數(shù)據(jù)鏈路層采用帶有ARQ機(jī)制的協(xié)議來(lái)保證。目前外軍使用的北大西洋公約組織STANAG 5066和美軍標(biāo)MILSTD188141B協(xié)議能實(shí)現(xiàn)這種機(jī)制。

STANAG 5066中定義網(wǎng)絡(luò)化、無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)、各層次功能及層間接口見(jiàn)圖3。

STANAG 5066制定了詳細(xì)的協(xié)議，使各層存在清晰的隔離，使“數(shù)據(jù)通信應(yīng)用”能非常有效地在短波調(diào)制解調(diào)器上運(yùn)行。

MILSTD188141B也提供了在數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的ARQ機(jī)制，其功能與STANAG 5066在數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)類似。

短波電子郵件系統(tǒng)從物理層到應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)：在圖3所示的各層中，針對(duì)短波信道特點(diǎn)，究竟那些協(xié)議更能有效地實(shí)現(xiàn)短波電子郵件系統(tǒng)呢？下面將進(jìn)行詳細(xì)的比較和論證。

1.3 各層協(xié)議比較

1.3.1 短波調(diào)制解調(diào)器子層

MILSTD188110B采用與MILSTD188110A和FEDSTD1052同樣的波形，是美軍及其盟軍的野戰(zhàn)短波數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)。北約的STANAG 4539也參照和采納了MILSTD188110B的多音波形，并包括信道高速波形（32009600bps）。

MILSTD188141B的附錄C和北約的STANAG 4538詳細(xì)描述了用于3G ARQ協(xié)議的突發(fā)波形。

1.3.2 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

STANAG 5066包括了一個(gè)具有選擇性重傳機(jī)制的ARQ協(xié)議，用于北約開(kāi)發(fā)的短波電子郵件系統(tǒng)。這個(gè)協(xié)議與具有“自適應(yīng)速率”及“交織”功能的調(diào)制解調(diào)器協(xié)同工作，將獲得最好的ARQ性能。MILSTD188110B的波形也具有這個(gè)特性。

MILSTD188141B附錄C和STANAG 4538包含了完整的3G ARQ協(xié)議，包括傳輸管理（TM）協(xié)議、低速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議（LDL）和高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議（HDL）。這些協(xié)議與同一個(gè)規(guī)范中的突發(fā)波形結(jié)合使用。

1.3.3 傳輸層協(xié)議

傳輸控制協(xié)議TCP是默認(rèn)的Internet電子郵件傳輸層協(xié)議。TCP可以保證端對(duì)端消息的完整性，并在客戶端的計(jì)算機(jī)上執(zhí)行。電子郵件網(wǎng)關(guān)可放置在短波網(wǎng)絡(luò)的邊界處，去截獲端到端的TCP握手消息，從而消除一些短波網(wǎng)絡(luò)鏈路層開(kāi)銷。

另一個(gè)選擇是，在短波網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不用上述傳輸層的TCP協(xié)議，而是通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議完成消息完整性任務(wù)。

1.3.4 電子郵件協(xié)議

簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議SMTP是Internet的標(biāo)準(zhǔn)。雖然SMTP在Internet上已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但標(biāo)準(zhǔn)的SMTP不支持命令流水線操作，即SMTP固有的一條命令對(duì)應(yīng)一條回應(yīng)機(jī)制，在高延遲網(wǎng)絡(luò)中將時(shí)間都花費(fèi)在等待每個(gè)命令的回應(yīng)上了。顯然，頻繁的鏈路回轉(zhuǎn)對(duì)于具有長(zhǎng)延時(shí)鏈路回轉(zhuǎn)時(shí)間的短波網(wǎng)絡(luò)是不適用的。

有兩種短波電子郵件傳輸協(xié)議均是為減少SMTP鏈路回轉(zhuǎn)次數(shù)而制定的，一個(gè)是STANAG 5066附件F描述的HMTP66，另一個(gè)是MILSTD188141B 附錄E描述的HMTP141。表1是SMTP與HMTP協(xié)議的鏈路回轉(zhuǎn)次數(shù)比較。

POP3與HFPOP3協(xié)議的鏈路回轉(zhuǎn)次數(shù)比較如表2所示。

采用前述不同的鏈路層協(xié)議及郵件協(xié)議，在短波信道上實(shí)現(xiàn)電子郵件傳輸?shù)男阅鼙容^[1]如圖4所示。

通過(guò)以上幾種協(xié)議比較得出結(jié)論：①任何電子郵件服務(wù)器軟件，只要遵循SMPT擴(kuò)展協(xié)議的命令流水線規(guī)則（RFC 2197或RFC 1854）均能實(shí)現(xiàn)互操作。MILSTD188141B的HMTP協(xié)議明確要求與RFC 1854兼容。而STANAG 5066的附件F描述的HMTP雖然沒(méi)有明確要求與RFC 1854兼容，但實(shí)際上已經(jīng)暗含了對(duì)RFC 1854的兼容性；②從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，電子郵件客戶端軟件與一個(gè)具有命令流水線處理能力的服務(wù)器一起工作時(shí)，只要能正確處理響應(yīng)，就可以將流水線命令擴(kuò)展到任意程度；③為了保證互操作性，如果與一個(gè)不支持命令流水線操作的服務(wù)器一起工作時(shí)，電子郵件客戶端必須遵循標(biāo)準(zhǔn)的SMTP操作。如果客戶端還未確定服務(wù)器是否支持流水線操作前就向其發(fā)送一批SMTP命令時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致消息被送出兩次；④在Internet標(biāo)準(zhǔn)中，限制流水線操作，將會(huì)導(dǎo)致通向Internet基礎(chǔ)架構(gòu)障礙，從而降低系統(tǒng)性能；⑤Internet的傳輸控制協(xié)議TCP顯然也能用于短波無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，盡管TCP在短波鏈路上的性能不佳；⑥在信道條件預(yù)先不可知的情況下，3G ARQ協(xié)議比STANAG 5066協(xié)議在吞吐量和SNR兩方面性能更好；⑦5066 ARQ協(xié)議實(shí)現(xiàn)了比3G ARQ更高速度的調(diào)制解調(diào)器，并能在一個(gè)會(huì)話期間雙向傳遞客戶端數(shù)據(jù)。但5066 ARQ更適應(yīng)于高SNR的信道，而3G ARQ則更適應(yīng)于低SNR的信道。

兩種短波電子郵件協(xié)議只有細(xì)微的不同，具有更高性能的HMTP66更適用。HMTP141需要修訂才能支持全部的SMTP命令流水線操作（完全兼容RFC 2197）。因此，最終的結(jié)論是：短波電子郵件系統(tǒng)在信道條件較惡劣的環(huán)境下使用時(shí)，應(yīng)采用3G ARQ協(xié)議以獲得更高的性能和增加系統(tǒng)的魯棒性。

2 軍用短波電子郵件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

軍用短波電子郵件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，需要各通信設(shè)備層及工作子層的消息傳遞和互操作，這些相關(guān)層包括：①無(wú)線電臺(tái)及頻率管理設(shè)備；②自動(dòng)鏈路建立設(shè)備；③信息安全設(shè)備；④數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器波形；⑤數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議；⑥傳輸層協(xié)議；⑦短波電子郵件協(xié)議。前述①-④條由短波調(diào)制解調(diào)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，⑤-⑦條則需要應(yīng)用層軟件實(shí)現(xiàn)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)層與STANAG 5066 SIS層之間的接口對(duì)應(yīng)

表3展現(xiàn)了短波電子郵件系統(tǒng)與STANAG 5066協(xié)議棧的接口關(guān)系，客戶端與網(wǎng)絡(luò)層的接口協(xié)議是TCP/IP協(xié)議，每一個(gè)客戶端的應(yīng)用程序都對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的TCP/IP端口號(hào)和一個(gè)唯一的SAP ID。表3列出了STANAG 5066客戶端應(yīng)用程序和與之關(guān)聯(lián)的SAP ID。

2.2 短波電子郵件協(xié)議

短波電子郵件協(xié)議采用HMTP66，并要求所有的HMTP客戶端數(shù)據(jù)傳輸均應(yīng)遵循下列的服務(wù)選擇：①傳輸模式采用ARQ；②傳輸確認(rèn)采用NODE CONFIRM 或 CLIENT CONFIRM；③D_PDU傳輸采用IN ORDER DELIVERY。

2.3 短波POP3協(xié)議

短波POP3協(xié)議綜合了RFC1939和RFC2449的一些特點(diǎn)，使其在短波信道上更有效率。這些特點(diǎn)包括：PIPELINING，POP3擴(kuò)展機(jī)制（RFC2449）及8BITMIME，要求所有的短波POP3客戶端使用下列服務(wù)選擇：①傳輸模式采用ARQ；②傳輸確認(rèn)可采用NODE CONFIRM 或 CLIENT CONFIRM；③D_PDU傳輸采用IN ORDER DELIVER。

2.4 報(bào)文格式設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)的電子郵件報(bào)文分報(bào)首、報(bào)體兩個(gè)部分，TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)給出了電子郵件報(bào)首格式，報(bào)體格式由郵件發(fā)送者填寫。TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)還給出了每個(gè)報(bào)首區(qū)域的語(yǔ)義解釋。設(shè)計(jì)短波電子郵件的報(bào)文格式應(yīng)遵循以下原則：①格式要容易處理；②報(bào)首格式簡(jiǎn)潔，并可兼容多種系統(tǒng)；③報(bào)文必須是可讀性文本，避免標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制表示的選擇問(wèn)題和標(biāo)準(zhǔn)表示與本地計(jì)算機(jī)表示之間轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。據(jù)此，采用TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電子郵件報(bào)文格式。

2.5 短波電子郵件工作流程

在短波網(wǎng)絡(luò)中，使用短波電子郵件系統(tǒng)的專有協(xié)議，再通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將短波網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)短波無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，在短波郵件系統(tǒng)中采用HMTP協(xié)議發(fā)送郵件，接收郵件則采用HFPOP3協(xié)議。

短波無(wú)線用戶和有線用戶對(duì)應(yīng)的分層結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.5.1 發(fā)郵件流程

短波電子郵件系統(tǒng)發(fā)郵件流程如下：①短波無(wú)線用戶向短波業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)發(fā)送建鏈請(qǐng)求；②短波業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)完成無(wú)線鏈路的建立后向短波無(wú)線用戶返回應(yīng)答，同時(shí)建立與有線端服務(wù)器的TCP連接；③有線端郵件服務(wù)器返回響應(yīng)，并通過(guò)原路返回短波無(wú)線用戶客戶端；④短波無(wú)線用戶客戶端以HMTP協(xié)議格式發(fā)送郵件到短波業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)；⑤短波業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)完成郵件報(bào)文信頭和信體的解析，并發(fā)送給郵件服務(wù)器；郵件服務(wù)器收到后，將響應(yīng)發(fā)送回網(wǎng)關(guān)；⑥短波業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)把郵件服務(wù)器的響應(yīng)以HMTP協(xié)議格式發(fā)送回?zé)o線用戶客戶端；⑦無(wú)線用戶客戶端收到響應(yīng)后，發(fā)起拆鏈請(qǐng)求；⑧短波業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)收到拆鏈請(qǐng)求，申請(qǐng)釋放短波鏈路；⑨短波業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)向郵件服務(wù)器發(fā)送拆鏈請(qǐng)求，斷開(kāi)TCP連接。

2.5.2 收郵件流程

短波電子郵件系統(tǒng)收郵件流程如下：①短波無(wú)線用戶向短波業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)發(fā)送建鏈請(qǐng)求；②短波業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)完成無(wú)線鏈路的建立后向短波無(wú)線用戶返回應(yīng)答，同時(shí)建立有線端服務(wù)器TCP連接；③有線端郵件服務(wù)器返回響應(yīng)，并通過(guò)原路返回短波無(wú)線用戶客戶端；④短波客戶端發(fā)送獲取郵件請(qǐng)求到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再轉(zhuǎn)發(fā)到郵件服務(wù)器；⑤郵件服務(wù)器將申請(qǐng)接收的信件發(fā)送到短波業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)；⑥短波業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)將郵件以HFPOP3協(xié)議格式發(fā)送回短波用戶客戶端；⑦客戶端完成解析并存入本地用戶信箱；⑧短波客戶端發(fā)送拆鏈請(qǐng)求；⑨短波業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)收到拆鏈請(qǐng)求后，申請(qǐng)釋放短波鏈路；⑩短波業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)向郵件服務(wù)器發(fā)送拆鏈請(qǐng)求，斷開(kāi)TCP連接。

3 結(jié)語(yǔ)

短波信道是受限窄帶信道，要在短波網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)電子郵件系統(tǒng)，必須改善受限信道條件，才能實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸，從而確保短波電子郵件系統(tǒng)順利運(yùn)作，但這些改善措施是以犧牲數(shù)據(jù)傳輸時(shí)效為代價(jià)的。

互聯(lián)網(wǎng)上為寬帶網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的SMTP和POP3協(xié)議，由于需要頻繁鏈路轉(zhuǎn)換很難應(yīng)用于短波數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此必須采用專門針對(duì)短波信道條件制定的電子郵件協(xié)議。通過(guò)對(duì)短波電子郵件系統(tǒng)從物理層到應(yīng)用層的各種技術(shù)協(xié)議分析和比較，提出了以下協(xié)議用于短波電子郵件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：

（1）短波電子郵件系統(tǒng)與STANAG 5066協(xié)議棧的接口關(guān)系：客戶端與網(wǎng)絡(luò)層的接口協(xié)議是TCP/IP協(xié)議，每一個(gè)客戶端的應(yīng)用程序都對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的TCP/IP端口號(hào)和一個(gè)唯一的SAP ID。

（2）短波電子郵件系統(tǒng)發(fā)郵件協(xié)議采用HMTP66，該協(xié)議有效地減少了鏈路回轉(zhuǎn)次數(shù)。與SMTP的8次回轉(zhuǎn)、HMTP141B的6次回轉(zhuǎn)相比，HMTP66僅有2次回轉(zhuǎn)，因此在短波信道上，HMTP66的性能是最優(yōu)的。

（3）短波電子郵件系統(tǒng)接收郵件協(xié)議采用HFPOP3協(xié)議，HFPOP3協(xié)議綜合了RFC1939和RFC2449的一些特點(diǎn)，使其在短波信道上更有效率。這些特點(diǎn)包括：PIPELINING、POP3擴(kuò)展機(jī)制（RFC2449）及8BITMIME。此外，HFPOP3協(xié)議比POP3協(xié)議回轉(zhuǎn)次數(shù)更少，POP3協(xié)議是8次回轉(zhuǎn)，而HFPOP3協(xié)議僅有2次。

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[13] 劉慶剛. 短波多址接入?yún)f(xié)議在信道誤碼下的性能研究[J] . 通信技術(shù)，2015（1）：6165.

責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：杜能鋼）