一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的郵件系統設計

摘要：簡(jiǎn)單介紹在多功能電話(huà)上實(shí)現一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)郵件收發(fā)系統的技術(shù)和過(guò)程。在通信方面，系統使用串口通信，通過(guò)Modem用電話(huà)號碼作為收發(fā)者的地址，避免網(wǎng)絡(luò )通信中需要IP地址的問(wèn)題。在架構上，系統分為服務(wù)層和客戶(hù)層：服務(wù)層負責通信鏈路的建立和數據的收發(fā)，客戶(hù)層負責郵件管理和客戶(hù)界面，增加了系統的靈活性。由于Modem的傳輸速率有限，設計好的通信協(xié)議有助于提高郵件的收發(fā)速率，因此結合現有串口通信協(xié)議的特點(diǎn)，設計并實(shí)現TMP協(xié)議。通過(guò)該協(xié)議，郵件收發(fā)系統每秒可以收發(fā)2 KB的郵件數據。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)到點(diǎn)　郵件系統　串口通信　AT指令

引 言


　　大量嵌入式設備已經(jīng)進(jìn)入人們的日常生活和工作中，人們對嵌入式設備的要求越來(lái)越高，功能也越來(lái)越復雜。筆者與一個(gè)嵌入式硬件制造商合作，為其嵌入式電話(huà)產(chǎn)品建立了一個(gè)軟件系統，包括操作系統、驅動(dòng)程序和一系列應用軟件。其中點(diǎn)到點(diǎn)郵件收發(fā)系統是一個(gè)有明顯特色的應用。

　　本系統是一個(gè)基于串口通信的點(diǎn)到點(diǎn)郵件收發(fā)軟件。運行在嵌入式系統上的郵件收發(fā)程序通過(guò)Modem以撥號方式連上遠端的嵌入式系統，然后進(jìn)行郵件發(fā)送工作。系統結構如圖1所示。
　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1Tmail系統結構

　　從用戶(hù)角度看，其發(fā)送流程與普通的電子郵件差不多。用戶(hù)在編輯好郵件以后，在收信人一欄中填入對方的電話(huà)號碼，點(diǎn)擊發(fā)送，系統就會(huì )把郵件發(fā)送給對應電話(huà)號碼的遠端用戶(hù)處，當然遠端也必須接有同樣的嵌入式系統。

　　系統運行在基于A(yíng)RM的S3C2410芯片嵌入式目標板上[1]。操作系統是定制的嵌入式Linux，圖形界面使用Qt/Embedded支持。

1 系統的構架

　　系統主要由數據傳輸、郵件編碼、郵件管理和用戶(hù)界面四部分組成。由于要時(shí)刻監視串口的狀態(tài)，所以系統要一直處于運行狀態(tài)。但由于嵌入式系統的內存資源和計算資源有限，要盡量減少程序運行時(shí)帶給整個(gè)系統的負載，采用了兩層的設計結構，分別叫作服務(wù)層和用戶(hù)層。服務(wù)層負責數據傳輸和郵件編碼，用C語(yǔ)言編寫(xiě)，生成的可執行文件較小，一直處于運行狀態(tài)；用戶(hù)層負責郵件的管理和用戶(hù)界面，用C++配以Qt/Embedded編寫(xiě)，由于有大量的界面元素，所以其可執行文件較大，只有用戶(hù)需要查看和發(fā)送郵件時(shí)才運行。這樣就可以大大減少占用的資源，使整個(gè)系統具有更快的速度。

　　用戶(hù)層與服務(wù)層的通信分兩個(gè)方面：一方面，當用戶(hù)層運行時(shí)通過(guò)信號和共享內存實(shí)現實(shí)時(shí)通信；另一方面，當用戶(hù)層沒(méi)有運行時(shí)，用文件暫存收到的郵件，在用戶(hù)層運行后，再由它通知用戶(hù)。

　　當需要發(fā)送郵件時(shí)，用戶(hù)層先把本地郵件拷貝到共享內存中，然后發(fā)送信號通知服務(wù)層，服務(wù)層接收到信號后，把郵件取出、編碼和發(fā)送。在發(fā)送過(guò)程中，為了讓用戶(hù)看到發(fā)送的進(jìn)度，服務(wù)端把狀態(tài)信息放在共享內存中，然后發(fā)送信號通知用戶(hù)層更新?tīng)顟B(tài)。當接收郵件時(shí)，若用戶(hù)層沒(méi)有運行，則把收到的郵件解碼后暫存到文件中；若用戶(hù)層運行著(zhù)，則服務(wù)層通過(guò)共享內存和信號不斷把接收進(jìn)度傳遞給用戶(hù)層，使其顯示給用戶(hù)，但此時(shí)并不會(huì )把郵件數據傳給用戶(hù)層，因為此時(shí)的郵件數據是經(jīng)過(guò)編碼的，等所有數據都接收結束后，服務(wù)層才會(huì )把郵件解碼成本地郵件，然后再傳送給用戶(hù)層保存、顯示。

2 服務(wù)層的設計與實(shí)現

2.1 串口的初始化

　　在Linux中，串口的設備文件一般為/dev/ttyS0和/dev/ttyS1,分別表示串口1和串口2。首先要用open命令打開(kāi)串口，然后根據具體的應用來(lái)配置串口，比如設置波特率、校驗方法、數據位、停止位和流控制等。

2.2　連接的建立和拆除

　　連接的建立過(guò)程，就如同一般的撥號上網(wǎng)過(guò)程。不同的只是，撥打的電話(huà)號碼不是ISP的號碼，而是收信人的號碼，因此需要在收信人方建立一個(gè)撥號服務(wù)器，使它能夠接通外來(lái)的連接請求。Linux下的pppd軟件可以實(shí)現撥號功能，mgetty可以用作撥號服務(wù)器。用pppd和mgetty來(lái)建立連接太過(guò)奢侈，因為只需建立物理上連通的鏈路，而不需要用PPP協(xié)議建立網(wǎng)絡(luò )層鏈路[2]。

　　本系統是用AT指令來(lái)編寫(xiě)撥號和撥號服務(wù)器代碼的。AT指令是一組對Modem的操作指令，其中絕大多數指令都以AT開(kāi)頭，以/r結尾[3]。用到的AT指令有：

① 初始化指令――AT；
② 撥號指令――ATDT電話(huà)號碼；
③ 應答指令――ATA；
④ 掛斷指令――+++ATH0。

　　工作流程為雙方打開(kāi)串口并初始化后，都向Modem發(fā)送初始化指令(AT),如果返回“OK”,表示成功。成功后，接入方不斷讀取串口(1次/s)等待“RING”字符串。撥號方，通過(guò)撥號指令撥打對方電話(huà)號碼，并讀取串口等待“CONNECT”字符串。此時(shí)，接入方會(huì )在串口讀到“RING”,然后向串口發(fā)送應答指令(ATA)，并讀取串口等待“CONNECT”字符串。此后，如果雙方都讀取到“CONNECT”，表示連接已經(jīng)建立，可以在此鏈路上傳輸數據。等數據傳輸完成后，撥號方用掛斷指令(+++ATH0)拆除連接。程序的流程如圖2所示。
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　圖2建立和拆除連接流程

2.3　數據傳輸協(xié)議

　　現在著(zhù)名的串口協(xié)議主要有XMODEM和ZMODEM。XMODEM協(xié)議是一種使用撥號調制解調器的個(gè)人計算機通信中廣泛使用的異步文件運輸協(xié)議。這種協(xié)議以128字節塊的形式傳輸數據，并且每個(gè)塊都使用一個(gè)校驗和過(guò)程來(lái)進(jìn)行錯誤檢測。如果接收方關(guān)于一個(gè)塊的校驗和與它在發(fā)送方的校驗和相同時(shí)，接收方就向發(fā)送方發(fā)送一個(gè)認可字節。然而，這種對每個(gè)塊都進(jìn)行認可的策略將導致低性能，特別是具有很長(cháng)傳播延遲的衛星連接的情況時(shí)，問(wèn)題更加嚴重[4]。ZMODEM協(xié)議是XMODEM文件傳輸協(xié)議的一種增強形式，它不需要對每個(gè)塊都進(jìn)行認可。事實(shí)上，它只是簡(jiǎn)單地要求對損壞的塊進(jìn)行重發(fā)。它不僅能傳輸更大的數據，而且錯誤率更小。包含一種名為檢查點(diǎn)重啟的特性，如果通信鏈接在數據傳輸過(guò)程中中斷，能從斷點(diǎn)處而不是從開(kāi)始處恢復傳輸[5]。

　　結合XMODEM和ZMODEM優(yōu)點(diǎn)，根據點(diǎn)到點(diǎn)郵件的特性，設計了一個(gè)稱(chēng)之為T(mén)MP（Telephone Mail Protocol）的協(xié)議。

① 郵件發(fā)送方先發(fā)送一個(gè)郵件信息包（其中包括發(fā)送方的電話(huà)號碼和郵件長(cháng)度），然后等待接收方應答。

② 接收方接收到郵件信息包后，發(fā)送應答包，等待郵件內容包。

③ 發(fā)送方接收到應答包后，開(kāi)始發(fā)送郵件內容，直到郵件發(fā)送完畢或收到重發(fā)包。

④ 接收方接收郵件內容包，并檢查其檢驗和，如有誤則發(fā)送重發(fā)包，否則一直接收。

⑤ 發(fā)送方若收到重發(fā)包，則根據重發(fā)包內容重發(fā)部分郵件；若郵件發(fā)送完畢，還未收到重發(fā)包，則發(fā)送郵件結束確認包，要求接收方確認已正確接收到郵件。

⑥ 接收方接收到郵件結束確認包后，發(fā)送應答包，表示自己已正確接收到郵件。

⑦ 發(fā)送方接收到應答包后斷開(kāi)連接。

⑧ 在此過(guò)程中，等待都有超時(shí)計時(shí)，一旦超時(shí)就會(huì )斷開(kāi)連接；接收方接收到錯誤的包都會(huì )要求重發(fā)，而如果發(fā)送方接收到錯誤的包則會(huì )馬上停止發(fā)送，斷開(kāi)連接。

⑨ 包采用變長(cháng)包，最大長(cháng)度為128字節，結構為
　　　　　　　　
其中：
◇ S為包起始符，取值為0x02，占1字節;
◇ E為包結束符，取值為0x03，占1字節;
◇ 包號本為占4字節的整型，但在傳輸過(guò)程中為了防止與包起始和結束符混淆，把它編成了BCD碼，占8字節；
◇ 包類(lèi)型也編成了BCD碼，占2字節；
◇ 檢驗和是以字節為單位，把包號、包類(lèi)型和數據累加起來(lái)，然后再編成BCD碼，占2字節；
◇ 數據根據包的類(lèi)型不同而不同，最多可以有114字節。

　　由于包的判斷只是依靠包起始符和結束符，包中的其他字段絕對不能與這兩個(gè)字符相同，所以對有些可能產(chǎn)生混淆字符的字段進(jìn)行了編碼。

一共有五種類(lèi)型的數據包：

① 郵件內容包。包類(lèi)型為0x00，數據是編碼的郵件片斷。

② 郵件信息包。包類(lèi)型為0x81，數據是編成BCD碼的發(fā)送方電話(huà)號碼和郵件長(cháng)度。

③ 郵件結束確認包。包類(lèi)型為0x82，無(wú)數據。

④ 應答包。包類(lèi)型為0x83，無(wú)數據。

⑤ 重發(fā)包。包類(lèi)型為0x84，數據是編成BCD碼的新包號和重發(fā)起始位置。

2.4 包的發(fā)送和接收

　　包的發(fā)送和接收就是按照包的格式定義讀寫(xiě)串口。郵件的收發(fā)過(guò)程就是依照TMP協(xié)議收發(fā)包的過(guò)程。

2.5郵件的編碼和解碼

　　本系統要求發(fā)送的郵件是可以帶附件的。在初始化串口時(shí)使用的是7位數據，而附件內容可能是二進(jìn)制數據，這和普通電子郵件碰到的問(wèn)題一樣，要涉及到對郵件的編碼問(wèn)題。在設計該系統前，已經(jīng)實(shí)現了普通電子郵件的客戶(hù)端軟件，所以就把普通電子郵件的編碼方法應用到這里，也就是點(diǎn)到點(diǎn)郵件也用MIME格式來(lái)編碼[6]。

3 客戶(hù)層的設計與實(shí)現

3.1 本地郵件的格式

　　本地郵件是指起草的、已發(fā)的或收到的存放在各信件箱中的郵件。

　　本地郵件可以有兩種存放方式：①按照MIME編碼，把編碼后的郵件放在郵箱中。②按照郵件的組成部分存放在郵箱中。第①種方式的好處是，郵件在發(fā)送前和接收后不需要編碼，另外也不需要備份附件文件，可以加快郵件發(fā)送和接收速度。但它有兩個(gè)最大的缺點(diǎn)，一是因為附件都會(huì )編入郵件中，需要大量的存儲空間；二是每次顯示郵件時(shí)，都需要把郵件解碼，保存時(shí)還要編碼，需要大量的計算資源。這兩點(diǎn)對于資源有限的嵌入式系統來(lái)說(shuō)都是很大的問(wèn)題。所以這里選擇了第②種方式。
本地郵件是以文本方式存放在文件中的。本地郵件由發(fā)件人、收件人、抄送人、已發(fā)送人、時(shí)間、標題、正文、回復地址和附件九部分組成。在文件中，除正文外其余八部分都各占1行。其中，抄送人和已發(fā)送人可以有多個(gè)，之間用分號隔開(kāi)，附件部分的每個(gè)附件都有附件名和實(shí)際文件名組成。這兩個(gè)文件名間用斜杠隔開(kāi)，而不同的附件用分號隔開(kāi)。另外，正文放在郵件的最后，與上面八部分之間有一個(gè)空行格開(kāi)，正文所占行數以正文內容而定。一個(gè)本地郵件如下所示：

Date：2004-08-14
To:67165848
From: 67165762
Cc:67161234;67164321
Sent:67165848;67161234
Subject:peer to peer mailer Test
InReplyTo:67165762
Attachments:logo.png/20040814085700;face.png/200408145701

This is a Tmailer Test!
Hello World!

3.2 郵件箱文件的組織形式

一共有四個(gè)郵件箱，它們分別是：
① 草稿箱(draftbox)――存放起草了但尚未準備發(fā)送的郵件。
② 發(fā)件箱(sendbox)――存放起草完成，可以發(fā)送的郵件。
③ 已發(fā)郵件箱(sentbox)――存放已發(fā)送出去的郵件。
④ 收件箱(inbox)――存放收到的郵件。

　　每個(gè)郵件箱由兩個(gè)文件組成：郵件內容文件和郵件索引文件。如草稿箱就有草稿郵件內容文件draftbox和草稿郵件索引文件draftbox.index。

　　郵件內容文件存放的是該郵件箱中的所有郵件，格式如本地郵件所示。郵件索引文件存放的是每個(gè)郵件的基本信息(在顯示郵件列表時(shí)要用的信息)及該郵件在內容文件中存放的信息。一個(gè)郵件的索引結構如下所示：
typedef struct {
chardate[40];// 起草、收到或發(fā)出的日期
charfrom[64];// 發(fā)件人或收件人
charsubject[140];// 標題
longsize;
// 郵件的大小(在內容文件中所占的字節數)
longposInFile;// 在內容文件中的偏移
intflag;// bit0 = 已讀; bit1 = 是否有附件
}mail_summery_t;

　　由于索引文件較小，當顯示某一郵箱的郵件列表時(shí)，可以一次性把整個(gè)索引文件內容裝入索引數組中，因此郵件列表的顯示可以不用讀取郵件內容文件，完全取決于索引文件的內容。添加郵件時(shí)，在內容文件末尾添加郵件內容，在索引數組中添加一個(gè)索引記錄；修改郵件時(shí)，不管原郵件在內容文件中的數據，在內容文件末尾添加郵件內容，修改該郵件索引記錄；刪除郵件時(shí)，只需刪除索引記錄即可。

　　索引文件的使用有兩大好處：一是在顯示郵件列表時(shí)不用從較大的內容文件中提取想要顯示的信息；二是方便了郵件的訪(fǎng)問(wèn)?？梢詫?shí)現郵件的隨機訪(fǎng)問(wèn)，如果沒(méi)有索引文件，在每次修改和刪除郵件時(shí)，都需要移動(dòng)大量的數據?，F在，雖然會(huì )造成存儲空間的浪費，但這可以提高速度，對于資源有限的嵌入式系統很重要。此外，通過(guò)定時(shí)判斷郵件內容文件的利用率可以壓縮內容文件的大小，盡量減少空間的浪費。

3.3 附件的管理

　　在郵件中，附件較之郵件其他信息很大，所以郵件管理中附件的管理十分重要。

① 用戶(hù)在起草郵件并粘貼附件時(shí)要把附件文件備份出來(lái)，否則如果用戶(hù)不小心把附件文件刪除后再發(fā)送郵件，就不能發(fā)送該附件了。所以要特別開(kāi)辟出一個(gè)文件夾來(lái)存放備份的附件。

② 用戶(hù)收到郵件并郵件解碼后，把其所帶的附件保存到特定的文件夾。

③ 用戶(hù)在刪除郵件時(shí)，也要刪除備份的附件，否則浪費空間。

④ 由于附件文件名有可能相同，所以備份附件時(shí)要使用惟一文件名。產(chǎn)生惟一文件名的方法是取當前時(shí)間字符串加上一個(gè)隨機值字符串。

3.4 郵件的抄送

　　本系統也實(shí)現了郵件的抄送功能，即一份郵件可以發(fā)給多個(gè)收信人。用戶(hù)層程序把郵件內容及收信人列表(收件人＋抄送人－已發(fā)送人)傳送給服務(wù)層，服務(wù)層程序根據收信人列表逐個(gè)發(fā)送郵件，并記錄發(fā)送成功的收信人。在給所有收信人都發(fā)送過(guò)后(當然不一定每個(gè)都成功發(fā)送)，返回一個(gè)已發(fā)送成功的收件人列表給客戶(hù)層，客戶(hù)層把這個(gè)列表添加到本地郵件的sent字段中。當郵件的所有收信人，包括收件人和抄送人都收到郵件后，就認為該郵件發(fā)送完畢，把它移入已發(fā)送郵件箱。

3.5 界面的設計和實(shí)現

Tmailer主要有六個(gè)界面：
① 主菜單對話(huà)框。Tmailer運行后就是該界面。界面上有六個(gè)按鈕，分別用于起草郵件，進(jìn)入4個(gè)郵件箱和退出程序。

② 郵件編輯對話(huà)框。用于編輯郵件，主要有收件人、抄送人、標題和正文4個(gè)編輯框。

③ 郵件查看對話(huà)框。用于查看收到的郵件，不能編輯。這個(gè)對話(huà)框上有兩個(gè)特殊按鈕，“轉發(fā)”按鈕和“回復”按鈕。當點(diǎn)擊“回復”按鈕時(shí)，Tmailer先會(huì )起草一篇新郵件，然后把當前郵件的InReplyTo填寫(xiě)到新郵件的收件人欄中，把當前的正文稍作修改填寫(xiě)到新郵件的正文中，然后就可以編輯和發(fā)送該新郵件了。當點(diǎn)擊“轉發(fā)”按鈕時(shí)，Tmailer也會(huì )先起草一篇新郵件，把當前的正文稍作修改填寫(xiě)到新郵件的正文中，把當前附件粘貼到新郵件中，然后只要填上收件人就可以轉發(fā)郵件了。

④ 郵件箱對話(huà)框。用于顯示郵件列表和管理郵件。4個(gè)郵件箱共用該界面，不同的郵箱只是個(gè)別按鈕有所不同。當選中郵件按下回車(chē)鍵后，程序會(huì )根據當前所在的郵件箱選擇用郵件編輯對話(huà)框或郵件查看對話(huà)框顯示選中郵件。對于有附件的郵件，在每個(gè)郵件前都有一個(gè)標記標識。在收件箱中，未打開(kāi)郵件會(huì )以粗體顯示，打開(kāi)后就以正常字體顯示。

⑤ 附件編輯對話(huà)框：用于編輯(粘貼和刪除)附件，在郵件編輯對話(huà)框中點(diǎn)擊“附件“按鈕可以打開(kāi)該對話(huà)框。

⑥ 附件查看對話(huà)框。用于查看和保存接收郵件的附件。如果查看的附件是圖像文件，Tmailer會(huì )通過(guò)Qt/Embedded的程序間通信機制把圖像信息傳遞給圖像顯示程序，讓它來(lái)顯示圖像。

結語(yǔ)

　　本文介紹了一個(gè)在嵌入式系統上點(diǎn)到點(diǎn)郵件系統的設計和實(shí)現，重點(diǎn)講述了如何在計算、存儲資源有限的特殊環(huán)境下，來(lái)設計一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)通信軟件；如何運用AT指令操作Modem；對具體的應用如何來(lái)有效地設計串口的通信協(xié)議和如何對郵件進(jìn)行合理有效的管理。本系統已經(jīng)成功地運行在一款多功能電話(huà)上，將來(lái)通過(guò)擴展還可以增強群發(fā)、定時(shí)發(fā)送等功能。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　參考文獻
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5 Matt Welsh. Linux權威指南. 第3版. 北京：中國電力出版社, 2000
金震江：碩士研究生，主要研究方向為嵌入式系統。呂強：教授，主要研究方向為計算機操作系統、分布式計算、計算語(yǔ)言學(xué)等。褚亞銘：碩士研究生，主要研究方向為嵌入式操作系統。楊季文：教授，主要研究方向為計算機中文信息處理技術(shù)、計算機操作系統。