李鹰　秦川　田勇

摘要：短波信道是窄带信道，具有时变、衰落及带宽受限等特性，处理短波信道突发错误的FEC及交织技术和实现无差错数据传输的ARQ机制都是通过牺牲时效性来保证的。短波链路转换的时延在几秒到几十秒，若直接上互联网，需要频繁收发链路转换的SMTP和POP3协议，会在短波网络中带来很大的协议开销，难以适用。通过对外军使用的短波电子邮件协议性能和特点的分析和比较，提出了一种基于短波信道特性的军用电子邮件系统解决方案，对系统构成、体系架构、层次结构、接口设计、协议解析和软件实现等方面进行了论述。

关键词：短波通信网络；短波邮件系统；无差错数据传输

DOIDOI：10.11907/rjdk.151176

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：16727800（2015）006010004

作者简介作者简介：李鹰（1965-），男，四川自贡人，硕士，中船重工集团第七二二研究所软件无线电专业部高级工程师，研究方向为软件定义无线电、无线通信网络；秦川（1989-），男，湖北黄冈人，硕士，中船重工集团第七二二研究所软件无线电专业部工程师，研究方向为无线通信技术；田勇（1989-），男，安徽芜湖人，硕士，中船重工集团第七二二研究所软件无线电专业部工程师，研究方向为无线通信技术。

0 引言

随着军事通信系统一体化建设的推进，构建具有可靠数据传输功能的短波网络日益重要。要在短波网络上实现电子邮件系统，必须采取一些措施[1]：①采用具有FEC及交织鲁棒性好的调制解调器；②采用ARQ数据链路协议；③采用ALE和相关的链路自适应技术；④采用优先级控制和流控。此外，还必须专门针对短波信道条件制定短波电子邮件协议。

1 短波电子邮件系统分析

1.1 系统构成

1.1.1 设备组成

短波电子邮件系统由以下设备组成（见图1）：①短波电子邮件用户终端；②短波调制解调设备；③短波收、发信机；④短波天馈设备；⑤有线电子邮件用户终端；⑥电子邮件服务器；⑦以太网网络设备。

1.1.2 软件组成

短波电子邮件系统由短波电子邮件网关软件和多个短波电子邮件用户代理软件组成：①短波电子邮件网关软件：在短波网络与有线网络之间传输电子邮件；②电子邮件用户代理软件：完成撰写、发送、接收电子邮件，并管理邮箱。

1.2 系统架构

参考国际标准化组织（ISO）的开放系统互联（OSI）网络模型，将能承载电子邮件系统的短波网络进行层次划分，以便描述每层功能和适用协议。短波数据通信网络层次划分与OSI模型比较如图2所示。

短波电子邮件系统必须建立在无差错数据传输的短波网络上[1]。要在短波信道上实现无差错数据传输必须在数据链路层采用带有ARQ机制的协议来保证。目前外军使用的北大西洋公约组织STANAG 5066和美军标MILSTD188141B协议能实现这种机制。

STANAG 5066中定义网络化、无差错的数据通信网络层次结构、各层次功能及层间接口见图3。

STANAG 5066制定了详细的协议，使各层存在清晰的隔离，使“数据通信应用”能非常有效地在短波调制解调器上运行。

MILSTD188141B也提供了在数据链路层进行数据传输服务的ARQ机制，其功能与STANAG 5066在数据链路层提供的服务类似。

短波电子邮件系统从物理层到应用层实现：在图3所示的各层中，针对短波信道特点，究竟那些协议更能有效地实现短波电子邮件系统呢？下面将进行详细的比较和论证。

1.3 各层协议比较

1.3.1 短波调制解调器子层

MILSTD188110B采用与MILSTD188110A和FEDSTD1052同样的波形，是美军及其盟军的野战短波数据通信标准。北约的STANAG 4539也参照和采纳了MILSTD188110B的多音波形，并包括信道高速波形（32009600bps）。

MILSTD188141B的附录C和北约的STANAG 4538详细描述了用于3G ARQ协议的突发波形。

1.3.2 数据链路层协议

STANAG 5066包括了一个具有选择性重传机制的ARQ协议，用于北约开发的短波电子邮件系统。这个协议与具有“自适应速率”及“交织”功能的调制解调器协同工作，将获得最好的ARQ性能。MILSTD188110B的波形也具有这个特性。

MILSTD188141B附录C和STANAG 4538包含了完整的3G ARQ协议，包括传输管理（TM）协议、低速数据链路协议（LDL）和高速数据链路协议（HDL）。这些协议与同一个规范中的突发波形结合使用。

1.3.3 传输层协议

传输控制协议TCP是默认的Internet电子邮件传输层协议。TCP可以保证端对端消息的完整性，并在客户端的计算机上执行。电子邮件网关可放置在短波网络的边界处，去截获端到端的TCP握手消息，从而消除一些短波网络链路层开销。

另一个选择是，在短波网络内不用上述传输层的TCP协议，而是通过数据链路层协议完成消息完整性任务。

1.3.4 电子邮件协议

简单邮件传输协议SMTP是Internet的标准。虽然SMTP在Internet上已经得到广泛的应用，但标准的SMTP不支持命令流水线操作，即SMTP固有的一条命令对应一条回应机制，在高延迟网络中将时间都花费在等待每个命令的回应上了。显然，频繁的链路回转对于具有长延时链路回转时间的短波网络是不适用的。

有两种短波电子邮件传输协议均是为减少SMTP链路回转次数而制定的，一个是STANAG 5066附件F描述的HMTP66，另一个是MILSTD188141B 附录E描述的HMTP141。表1是SMTP与HMTP协议的链路回转次数比较。

POP3与HFPOP3协议的链路回转次数比较如表2所示。

采用前述不同的链路层协议及邮件协议，在短波信道上实现电子邮件传输的性能比较[1]如图4所示。

通过以上几种协议比较得出结论：①任何电子邮件服务器软件，只要遵循SMPT扩展协议的命令流水线规则（RFC 2197或RFC 1854）均能实现互操作。MILSTD188141B的HMTP协议明确要求与RFC 1854兼容。而STANAG 5066的附件F描述的HMTP虽然没有明确要求与RFC 1854兼容，但实际上已经暗含了对RFC 1854的兼容性；②从本质上来说，电子邮件客户端软件与一个具有命令流水线处理能力的服务器一起工作时，只要能正确处理响应，就可以将流水线命令扩展到任意程度；③为了保证互操作性，如果与一个不支持命令流水线操作的服务器一起工作时，电子邮件客户端必须遵循标准的SMTP操作。如果客户端还未确定服务器是否支持流水线操作前就向其发送一批SMTP命令时，可能会导致消息被送出两次；④在Internet标准中，限制流水线操作，将会导致通向Internet基础架构障碍，从而降低系统性能；⑤Internet的传输控制协议TCP显然也能用于短波无线网络，尽管TCP在短波链路上的性能不佳；⑥在信道条件预先不可知的情况下，3G ARQ协议比STANAG 5066协议在吞吐量和SNR两方面性能更好；⑦5066 ARQ协议实现了比3G ARQ更高速度的调制解调器，并能在一个会话期间双向传递客户端数据。但5066 ARQ更适应于高SNR的信道，而3G ARQ则更适应于低SNR的信道。

两种短波电子邮件协议只有细微的不同，具有更高性能的HMTP66更适用。HMTP141需要修订才能支持全部的SMTP命令流水线操作（完全兼容RFC 2197）。因此，最终的结论是：短波电子邮件系统在信道条件较恶劣的环境下使用时，应采用3G ARQ协议以获得更高的性能和增加系统的鲁棒性。

2 军用短波电子邮件系统实现

军用短波电子邮件系统的实现，需要各通信设备层及工作子层的消息传递和互操作，这些相关层包括：①无线电台及频率管理设备；②自动链路建立设备；③信息安全设备；④数据调制解调器波形；⑤数据链路层协议；⑥传输层协议；⑦短波电子邮件协议。前述①-④条由短波调制解调设备实现，⑤-⑦条则需要应用层软件实现。

2.1 网络层与STANAG 5066 SIS层之间的接口对应

表3展现了短波电子邮件系统与STANAG 5066协议栈的接口关系，客户端与网络层的接口协议是TCP/IP协议，每一个客户端的应用程序都对应一个唯一的TCP/IP端口号和一个唯一的SAP ID。表3列出了STANAG 5066客户端应用程序和与之关联的SAP ID。

2.2 短波电子邮件协议

短波电子邮件协议采用HMTP66，并要求所有的HMTP客户端数据传输均应遵循下列的服务选择：①传输模式采用ARQ；②传输确认采用NODE CONFIRM 或 CLIENT CONFIRM；③D_PDU传输采用IN ORDER DELIVERY。

2.3 短波POP3协议

短波POP3协议综合了RFC1939和RFC2449的一些特点，使其在短波信道上更有效率。这些特点包括：PIPELINING，POP3扩展机制（RFC2449）及8BITMIME，要求所有的短波POP3客户端使用下列服务选择：①传输模式采用ARQ；②传输确认可采用NODE CONFIRM 或 CLIENT CONFIRM；③D_PDU传输采用IN ORDER DELIVER。

2.4 报文格式设计

标准的电子邮件报文分报首、报体两个部分，TCP/IP标准给出了电子邮件报首格式，报体格式由邮件发送者填写。TCP/IP标准还给出了每个报首区域的语义解释。设计短波电子邮件的报文格式应遵循以下原则：①格式要容易处理；②报首格式简洁，并可兼容多种系统；③报文必须是可读性文本，避免标准二进制表示的选择问题和标准表示与本地计算机表示之间转换的问题。据此，采用TCP/IP标准规定的电子邮件报文格式。

2.5 短波电子邮件工作流程

在短波网络中，使用短波电子邮件系统的专有协议，再通过网关节点将短波网络和有线网络节点连接起来，实现短波无线网络和有线网络的互联，在短波邮件系统中采用HMTP协议发送邮件，接收邮件则采用HFPOP3协议。

短波无线用户和有线用户对应的分层结构如图5所示。

2.5.1 发邮件流程

短波电子邮件系统发邮件流程如下：①短波无线用户向短波业务网关发送建链请求；②短波业务网关完成无线链路的建立后向短波无线用户返回应答，同时建立与有线端服务器的TCP连接；③有线端邮件服务器返回响应，并通过原路返回短波无线用户客户端；④短波无线用户客户端以HMTP协议格式发送邮件到短波业务网关；⑤短波业务网关完成邮件报文信头和信体的解析，并发送给邮件服务器；邮件服务器收到后，将响应发送回网关；⑥短波业务网关把邮件服务器的响应以HMTP协议格式发送回无线用户客户端；⑦无线用户客户端收到响应后，发起拆链请求；⑧短波业务网关收到拆链请求，申请释放短波链路；⑨短波业务网关向邮件服务器发送拆链请求，断开TCP连接。

2.5.2 收邮件流程

短波电子邮件系统收邮件流程如下：①短波无线用户向短波业务网关发送建链请求；②短波业务网关完成无线链路的建立后向短波无线用户返回应答，同时建立有线端服务器TCP连接；③有线端邮件服务器返回响应，并通过原路返回短波无线用户客户端；④短波客户端发送获取邮件请求到网关，网关再转发到邮件服务器；⑤邮件服务器将申请接收的信件发送到短波业务网关；⑥短波业务网关将邮件以HFPOP3协议格式发送回短波用户客户端；⑦客户端完成解析并存入本地用户信箱；⑧短波客户端发送拆链请求；⑨短波业务网关收到拆链请求后，申请释放短波链路；⑩短波业务网关向邮件服务器发送拆链请求，断开TCP连接。

3 结语

短波信道是受限窄带信道，要在短波网络上实现电子邮件系统，必须改善受限信道条件，才能实现无差错数据传输，从而确保短波电子邮件系统顺利运作，但这些改善措施是以牺牲数据传输时效为代价的。

互联网上为宽带网络设计的SMTP和POP3协议，由于需要频繁链路转换很难应用于短波数据业务，因此必须采用专门针对短波信道条件制定的电子邮件协议。通过对短波电子邮件系统从物理层到应用层的各种技术协议分析和比较，提出了以下协议用于短波电子邮件系统实现：

（1）短波电子邮件系统与STANAG 5066协议栈的接口关系：客户端与网络层的接口协议是TCP/IP协议，每一个客户端的应用程序都对应一个唯一的TCP/IP端口号和一个唯一的SAP ID。

（2）短波电子邮件系统发邮件协议采用HMTP66，该协议有效地减少了链路回转次数。与SMTP的8次回转、HMTP141B的6次回转相比，HMTP66仅有2次回转，因此在短波信道上，HMTP66的性能是最优的。

（3）短波电子邮件系统接收邮件协议采用HFPOP3协议，HFPOP3协议综合了RFC1939和RFC2449的一些特点，使其在短波信道上更有效率。这些特点包括：PIPELINING、POP3扩展机制（RFC2449）及8BITMIME。此外，HFPOP3协议比POP3协议回转次数更少，POP3协议是8次回转，而HFPOP3协议仅有2次。

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责任编辑（责任编辑：杜能钢）