基于衛(wèi)星網(wǎng)絡的海事郵件通信系統(tǒng)架構設計

徐 丹

（中國交通通信信息中心，北京 100094）

1 海事郵件通信

1.1 研究背景

遠洋交通運輸是我國國際運輸?shù)闹饕绞?，目前我國注冊的航海船舶?萬艘，其中遠洋商船和漁船近1萬艘。衛(wèi)星通信是遠洋船舶航行時的主要通信手段，主流的衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括全球覆蓋的國際移動衛(wèi)星（Inmarsat）、銥星系統(tǒng)以及各種區(qū)域覆蓋的VSAT 衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。隨著衛(wèi)星通信技術的發(fā)展，各類衛(wèi)星通信系統(tǒng)都支持數(shù)據(jù)通信業(yè)務，盡管寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)已日趨成熟，但仍和互聯(lián)網(wǎng)通信無法比擬，高昂的通信資費和較大的延時，仍然極大地約束了衛(wèi)星通信用戶數(shù)據(jù)業(yè)務的應用，這其中就主要包括電子郵件應用。

電子郵件是遠洋船舶最主要的通信方式。遠洋船舶包括交通運輸商船、漁業(yè)船舶、勘探科考作業(yè)船舶、海事監(jiān)管和搜救救助船舶等。船舶在離靠港、貨物承運和航務等業(yè)務中大量運用電子郵件與外界通信，內(nèi)容更是涉及商業(yè)信息、船舶運行狀況和航海安全應急等方面。以北京海事衛(wèi)星地面站為例，每日船舶海事衛(wèi)星終端收發(fā)郵件近10萬封，每日衛(wèi)星通信流量約5G，在高成本、高延時和低帶寬的衛(wèi)星網(wǎng)絡環(huán)境中，這樣的數(shù)據(jù)流量對郵件傳輸?shù)目煽啃院徒?jīng)濟性要求更高，基于互聯(lián)網(wǎng)開放式的郵件系統(tǒng)顯然不能滿足衛(wèi)星網(wǎng)絡下的船岸郵件通信需求，因此航運業(yè)都在廣泛使用針對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的專業(yè)電子郵件系統(tǒng)進行郵件通信。

1.2 研究意義

目前我國缺少自主研發(fā)的基于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，滿足航運業(yè)船岸郵件軟件產(chǎn)品。全球航運業(yè)用戶多使用的是國外船岸電子郵件系統(tǒng)，如Inmarsat Rydex、AmosConnect 等。該系列軟件雖然可以滿足船岸郵件應用需求，但國外軟件在航運市場中長期處于壟斷地位，軟件授權使用成本高，且缺少技術升級，無法兼容不斷更新?lián)Q代的IT 環(huán)境，郵件服務器端的垃圾、病毒防護能力也不足。同時由于在繁簡體中文編碼方面兼容不夠，使得用戶浪費了流量而收發(fā)了亂碼郵件。因此自主研發(fā)一款基于衛(wèi)星網(wǎng)絡，符合我國航運業(yè)船舶用戶需求的郵件通信軟件意義重大。本文將重點對該系統(tǒng)進行架構設計，以指導相關軟件的研發(fā)和應用。

2 船舶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡結構分析

衛(wèi)星通信一直以來是海事和遠洋運輸業(yè)主要的應急通信手段，衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要包括空間部分、終端部分和陸地接續(xù)等部分組成?？臻g部分主要是通信衛(wèi)星，不同衛(wèi)星系統(tǒng)有不同星體組網(wǎng)構成。根據(jù)衛(wèi)星業(yè)務的不同可劃分為移動衛(wèi)星通信（MSS）和固定衛(wèi)星通信（FSS），根據(jù)遠洋航運業(yè)的通信需求，我們以全球覆蓋的國際移動衛(wèi)星組織（Inmarsat）的第四代海事衛(wèi)星系統(tǒng)為例。終端部分則由海用FleetBroadBand（FBB）系統(tǒng)組成，包括全向天線和FBB 終端，該終端支持寬帶數(shù)據(jù)和語音業(yè)務，最高速率達可432K，是目前航運業(yè)在遠海主要的衛(wèi)星通信終端系統(tǒng)。陸地側部分則由相應洋區(qū)的地面接續(xù)站和互聯(lián)網(wǎng)。如圖1所示。

圖1 船舶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡結構

為了實現(xiàn)船舶用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務通信，F(xiàn)BB 終端需要連接船舶局域網(wǎng)防火墻和路由器實現(xiàn)船員上網(wǎng)。作為海事通信的主要應用，電子郵件系統(tǒng)則需要部署在船舶通信主機，通過撥號連線FBB終端建立空間端數(shù)據(jù)連接，獲得地面接續(xù)站分配的海事衛(wèi)星網(wǎng)絡IP 地址，從而實現(xiàn)與岸端郵件服務系統(tǒng)通信，并與互聯(lián)網(wǎng)個人郵件進行交互。根據(jù)以上網(wǎng)絡結構分析，盡管衛(wèi)星終端已具備寬帶通信能力，但數(shù)據(jù)報文在空間端傳輸過程中，會受到衛(wèi)星長時延以及上下行鏈路的非對稱性等特點，導致數(shù)據(jù)通信效率和質量受到限制。因此公共的互聯(lián)網(wǎng)郵件軟件在此網(wǎng)絡環(huán)境中經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)報文丟失，郵件亂碼，傳輸超時，數(shù)據(jù)流量成本過大等問題。

3 船岸郵件通信需求分析

船舶郵件通信的需求不僅局限在普通的郵件收發(fā)功能上，更多的是考慮到因衛(wèi)星通信的限制，而對郵件系統(tǒng)提出的特有需求。首先航運用戶為了節(jié)省衛(wèi)星通信的數(shù)據(jù)流量，需要郵件軟件必備數(shù)據(jù)壓縮和解壓功能，即船到岸和岸到船雙向郵件在經(jīng)過衛(wèi)星鏈路之前，都需要進行郵件批量打包壓縮，待經(jīng)過衛(wèi)星鏈路傳輸后，再進行郵件批量解壓縮釋放，從而達到節(jié)約數(shù)據(jù)流量的作用。其次，由于船員個人郵件通信的需求，以及衛(wèi)星通信終端非長時間在線模式，因此需要支持船舶局域網(wǎng)內(nèi)部的SMTP 郵件代理服務，該服務將岸端接收的郵件報文解壓后，進行船員子郵箱賬號的分發(fā)，相反船到岸郵件，則負責收集所有郵件客戶方投遞到郵件代理服務的郵件進行打包壓縮，待通信主機進行衛(wèi)星撥號時機進行匯聚和分發(fā)雙向郵件。對于大型航運企業(yè)，船岸電子郵件還作為船岸信息化數(shù)據(jù)交換的工具，包括自動數(shù)據(jù)航務報、船舶工況等數(shù)據(jù)內(nèi)容都需要根據(jù)一定的時間頻率，特定的數(shù)據(jù)格式，以及對接外部輸入輸出的信息系統(tǒng)進行自動化郵件封裝和投遞。

在郵件安全性方面，需要具備如下功能。首先是黑白名單過濾功能，需要對具體郵箱和域名進行兩級岸端黑白名單設置，在岸端過濾不信任的郵件和發(fā)件人，減少不必要的通信產(chǎn)生。其次，是提供船端交互式郵件接收功能，即允許船舶用戶撥號后僅能選擇查看郵件標題列表，有選擇性的篩選需要下載接收的郵件，提高郵件通信的經(jīng)濟性。郵件備份功能，可以為用戶提供岸到船，船到岸雙向的郵件自定義備份到第三方郵件地址進行歸檔，并確保船舶通信主機遇到故障時進行郵件內(nèi)容恢復。通過以上需求分析，將能夠指導系統(tǒng)架構設計以滿足實際使用需求。

4 船岸郵件系統(tǒng)架構設計

4.1 功能架構設計

船岸郵件系統(tǒng)主要分為船岸兩側業(yè)務，船側和岸側互相獨立。船岸通信基于衛(wèi)星信道，通信數(shù)據(jù)需要有加密、壓縮和續(xù)傳能力。功能架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能架構圖

岸端系統(tǒng)包括船員服務、船公司服務和衛(wèi)星網(wǎng)絡提供商運營服務。岸端為船舶企業(yè)提供郵件服務配置管理功能，“船公司郵件系統(tǒng)管理員”使用的船岸端業(yè)務管理門戶。該門戶作為船舶郵件云端服務平臺，可以查看所屬企業(yè)的船舶郵箱的進出站郵件，進行船舶郵箱的過濾策略和船舶郵箱配置，監(jiān)控船舶郵件的運行狀態(tài)。岸端為平臺運營商提供系統(tǒng)運維管理門戶，門戶包括全網(wǎng)郵箱開銷戶，郵件全局策略配置和網(wǎng)關配置。岸端為船員個人提供WebMail 便于船員離船，在公網(wǎng)環(huán)境下繼續(xù)收發(fā)船舶郵件處理船員郵件。

船端系統(tǒng)包括郵件服務器，Web 郵件管理模塊。郵件服務器通過衛(wèi)星鏈路，實現(xiàn)與岸端系統(tǒng)通信，并提供壓縮、加密、續(xù)傳功能。船端郵件服務器不僅與岸端郵件通信，還負責為船員提供基于船舶局域網(wǎng)內(nèi)的SMTP/POP3協(xié)議的郵件收發(fā)支持，包括主流的Outlook/Foxmail 工具，同時也支持Webmail。船端郵件服務器還可以在船舶主機發(fā)布Web 服務，提供船舶局域網(wǎng)郵件管理員自助管理船員郵箱、撥號連接衛(wèi)星和船舶郵件出入口管理。船端系統(tǒng)具體功能包括，衛(wèi)星撥號傳輸功能，船舶局域網(wǎng)郵件分發(fā)/收集功能，船員賬號管理功能，自定義郵件交互接收模式，自動郵件傳輸（AME）和策略配置功能。其中有別于公網(wǎng)電子郵件系統(tǒng)的是“郵件交互接收模式”和AME 功能。由于衛(wèi)星用戶接收郵件會產(chǎn)生數(shù)據(jù)流量和資費，因此對接收岸端公網(wǎng)的郵件需要允許船舶用進行甄別有選擇性接收，因此“郵件交互接收模式”是一種“掛起、選擇、提交、下載”四步驟的二次交互模式。是只可以接收郵件標題列表，而不接收正文和附件，由用戶對列表進行甄選，有選擇性的下載郵件，從而減少垃圾郵件或不急需的大郵件流量產(chǎn)生。在技術上，通信協(xié)議需要設計相應步驟的命令，以實現(xiàn)郵件下載的二次交互。“自動郵件傳輸（AME）”是為了滿足船舶航務、工況等業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的自動郵件投遞需求而設計。該功能可以運行用戶自定義郵件發(fā)送時間、發(fā)送頻率，支持外掛郵件拼裝命令或程序，自動組裝郵件，包括正文和附件。指定目的地址，AME 將會自動按策略配置進行郵件投遞。反之，AME 可以接收岸端系統(tǒng)投遞郵件，自動解包郵件和附件存儲在本地，供應用系統(tǒng)讀取文件，減少人工數(shù)據(jù)交換的工作量。船端系統(tǒng)還提供基于桌面應用的“托盤”程序，實現(xiàn)與岸端新郵件出入的消息提醒，和一鍵撥號收發(fā)。

4.2 技術架構設計

經(jīng)過我們對該系統(tǒng)的架構設計，我們認為這個系統(tǒng)其實是架構在衛(wèi)星鏈路兩側的私有協(xié)議的通信系統(tǒng)，僅是在最終用戶輸入輸出方面是采用的POP/SMTP 協(xié)議，即以郵件為輸入輸出形式。因此該系統(tǒng)是三層架構，即兩側為標準的郵件系統(tǒng)，中間層為擴展FTP 協(xié)議的私有數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。如圖3所示。

圖3 技術架構

衛(wèi)星鏈路兩側通信采用基于FTP 框架協(xié)議擴展，即擴展了船端FTP Client 和岸端FTP Server 傳輸中的鑒權、命令加密等命令。系統(tǒng)調(diào)度采用Java MQ 消息隊列組件進行架構，F(xiàn)TP Server接收完成需要根據(jù)文件解壓后，將數(shù)據(jù)報文投入到消息隊列MQ中間件中，插入隊列服務。船端和岸端服務系統(tǒng)采用開放式的java 架構，岸端系統(tǒng)采用標準的企業(yè)級Web 應用架構實現(xiàn)，支持多線程處理，支持關系型數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存取訪問和查詢。船端系統(tǒng)則采用輕量級Web 架構實現(xiàn)，用于船端系統(tǒng)跨平臺部署，便于嵌入船載一體機設備，同時基于XML 和文件系統(tǒng)進行郵件數(shù)據(jù)的解析和存儲，簡化組織架構、人員、權限、菜單等管理模塊。在船端同時引入標準的POP3 Server、SMTP Server 支持主流Email 收發(fā)工具，也支持船端船員使用瀏覽器訪問WebMail。

關于斷點續(xù)傳和郵件壓縮，是該系統(tǒng)中間通信層的需要解決的核心問題。常見的壓縮算法包括rar、zip 和7zip，經(jīng)過壓縮測試比對，7zip 算法壓縮比例和效率較高，因此系統(tǒng)壓縮層采用java 的7zip 算法壓縮工具庫實現(xiàn)。以一次岸到船郵件投遞業(yè)務為例，岸端系統(tǒng)將待發(fā)送船端的郵件進行打包壓縮，用戶在船端選擇連接撥號后，船端FTP Client 與岸端FTP Server 建立連接，通過自定義LOGIN 命令進行鑒權，鑒權完成自動調(diào)用download 命令從岸端獲取待下載文件，為了支持斷點續(xù)傳，船端FTPServer 在下載過程中寫入字節(jié)加載進度日志，文件下載完成發(fā)送文件下載完成標識，調(diào)用解壓處理模塊進行解壓業(yè)務分發(fā)。解壓模塊解壓文件后將郵件文件按用戶目錄保存mailbox 目錄，POP3 Server 通過mailbox 目錄獲取用戶郵件。相反，SMTP Server 接收用戶發(fā)送郵件，將郵件文件寫入待發(fā)送目錄。接收完成上傳待發(fā)送文件（支持斷點續(xù)傳），發(fā)送完成刪除待上傳原始文件。

5 結束語

由于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的時延和帶寬的特點，互聯(lián)網(wǎng)應用無法滿足衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的應用場景。因此在基于窄帶寬和高延時的衛(wèi)星網(wǎng)絡環(huán)境下，研制私有協(xié)議進行數(shù)據(jù)壓縮傳輸和交換的應用系統(tǒng)具有實際意義。船岸郵件通信系統(tǒng)是典型的衛(wèi)星通信軟件，在海事航海領域具有廣泛的應用。但在架構系統(tǒng)時要考慮幾方面因素，首先通信層要具有容錯性，包括數(shù)據(jù)包交互、連接超時和重試等的容錯。其次要最大化利用衛(wèi)星通信兩側應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)本地計算和存儲，以減少傳輸數(shù)據(jù)的流量。同時，建議在互聯(lián)網(wǎng)與衛(wèi)星通信接續(xù)處，架設防火墻和郵件網(wǎng)關等網(wǎng)絡安全產(chǎn)品以隔離互聯(lián)網(wǎng)無效數(shù)據(jù)的入侵，確保衛(wèi)星通信鏈路的數(shù)據(jù)安全性和經(jīng)濟性。最后，建議在船端（衛(wèi)星終端側）應用需要設計一鍵恢復、增量更新和遠程診斷的功能，以便在應急通信環(huán)境中支持用戶快速使用通信軟件。