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藥食品質量安全追溯系統的網絡結構特點及應用

北(běi)鬥時間同步器（NTP授時服務器）應用安全溯源系統

北(běi)鬥時間同步器（NTP授時服務器）應用安全溯源系統

摘要：藥品和食品質量安全追溯系統中(zhōng)的計算機設備必須保持精确的時間同步，以保證藥品和食品各種相關信息的記錄準确可靠。基于網絡時間協議（NTP），結合安全溯源系統的網絡結構特點，設計了一(yī)種低成本、低負載、可靠的時間同步方案。網絡時間同步網絡由服務器級、分(fēn)區服務器級、生(shēng)産、銷售企業或組織級三個層次組成，可根據實際情況靈活調整。時間同步服務器和客戶端的實現以動态鏈接庫的形式封裝到單獨的類庫中(zhōng)，這很容易與現有的追溯系統集成。系統内各設備的時間同步精度可達幾十毫秒，滿足藥品和食品安全追溯要求。

介紹

藥品食品質量安全追溯體(tǐ)系要求詳細記錄産品生(shēng)産、加工(gōng)、運輸、銷售等各個環節的過程檔案信息，以實現源頭追溯、流程追溯、信息存儲、産品召回等目标。追溯體(tǐ)系是促進生(shēng)産信息透明化、提高食品衛生(shēng)安全的重要措施。時間信息在過程文件的記錄中(zhōng)起着非常重要的作用。需要在整個系統中(zhōng)保持各種計算機設備之間準确的時間同步，以确保準确有效地記錄存儲各種産品相關信息，并确保這些記錄具有可追溯性。分(fēn)析依據的權威性和可信度。

溯源系統基于各種不同的計算機和網絡通信設備工(gōng)作，這些設備主要依靠自己的時鍾振蕩器。由于溫度和濕度變化、電(diàn)磁幹擾、振蕩器老化和生(shēng)産調試等原因，時鍾的振蕩頻(pín)率和标準頻(pín)率在器件之間存在一(yī)定的誤差，器件之間存在一(yī)定的時間誤差。這些誤差乍看之下(xià)可能微不足道，但長期積累後會産生(shēng)相當大(dà)的影響。同時，在追溯系統中(zhōng)，包括掌上電(diàn)腦在内的嵌入式設備常用于讀取産品标識（條碼、電(diàn)子标簽等），現場填寫工(gōng)藝文件數據。這些嵌入式設備大(dà)多由電(diàn)池供電(diàn)，而他們時鍾的不準确則更爲突出。往往需要時間校準，以保證文件記錄中(zhōng)的時間與标準時間一(yī)緻。在目前的溯源系統中(zhōng)，設備的時間校準往往取決于用戶的習慣，方法往往是參照所選标準手動設置時鍾。準确追溯和全過程全面跟蹤的要求。

本文基于NTP網絡時間同步技術，結合産品質量安全追溯系統的網絡結構特點，設計了一(yī)種低成本、低負載、相對可靠的時間同步方案，并選擇衛星（GPS北(běi)鬥）作爲整個系統的時鍾。它構建了一(yī)個由三個層次組成的網絡時間同步：中(zhōng)央服務器級、分(fēn)區服務器級、生(shēng)産、銷售企業或組織級。級别可以根據實際情況靈活增加或減少，在時鍾源以下(xià)的設備級别可以增加新的設備。整個網絡穩定可靠，精度高，完全可以滿足産品質量追溯的要求。

一(yī)、NTP網絡時間同步原理

時間同步是指網絡中(zhōng)各節點設備的時鍾時間和時間間隔與世界标準時間（Time，UTC）同步，保證各設備基于UTC時間的時間信息誤差限制在一(yī)個足夠的範圍内。範圍小(xiǎo)。

NTP（Time，網絡時間協議）由美國特拉華大(dà)學的David L. Mills教授于1985年提出，用于實現互聯網上計算機的精确時間同步。SNTP（Time）的全稱是“ Time ”，是一(yī)種簡化的NTP服務器和NTP客戶端策略。它不需要實現NTP協議的所有功能。它的作用是使網絡中(zhōng)設備的時鍾與标準時鍾相匹配。源保持同步。NTP适用于性能差異很大(dà)的客戶端和服務器，适用于客戶端和服務器所在網絡存在較大(dà)範圍的網絡延遲和抖動的情況。NTP 協議有兩種同步系統時鍾的工(gōng)作模式。一(yī)種是廣播模式/模式）：這種工(gōng)作模式适用于高速局域網。服務器定期主動向多個客戶端發送時間信息，客戶端根據該時間信息校正系統時鍾；第二個是客戶端/服務器模式。(/模式)，客戶端周期性地向定時服務器請求時間信息，并根據雙方交換的時間信息同步客戶端和NTP服務器之間的時鍾。

在客戶端/服務器模式下(xià)，客戶端首先向服務器發送一(yī)個 NTP 數據包，其中(zhōng)包含數據包離(lí)開(kāi)客戶端時的時間戳 T1。

服務器收到數據包後，填寫數據包到達時的時間戳T2和數據包離(lí)開(kāi)時的時間戳T3，然後立即将數據包返回給客戶端。客戶端收到響應包後，将其填入包中(zhōng)并返回給客戶端。客戶端可以通過使用四個時間戳和數據包交換的往返延遲（TQ和TR）來計算客戶端和服務器之間的時鍾偏移ΔT，如圖1所示。

現在知(zhī)道T1、T2、T3、T4和參數TQ、TR，可以得到時鍾偏移ΔT的方程如下(xià)：

T2=T1+TQ+ΔT (1)

T4=T3+TR-ΔT (2)

假設網絡上發送和響應NTP報文的延遲時間TQ和TR相等，根據式（1）和式（2），可得：

由式(3)可以看出，客戶端系統時鍾偏移ΔT與T1和T2的差值以及T4和T3的差值有關，而與T2和T3的差值無關，即時鍾偏移與時鍾服務器的響應速度無關。. 客戶端根據時鍾偏移量ΔT調整自己的系統時鍾，使其時間與服務器時間一(yī)緻。

2.系統時間同步的設計與實現

時間同步在産品質量安全追溯體(tǐ)系中(zhōng)發揮着重要作用。爲了保持系統中(zhōng)各個設備之間的時間同步，需要解決四個問題：首先，盡量選擇一(yī)個非常準确的時間源，以及各個設備與時間源之間的關系。誤差值要小(xiǎo)；二是自動實現時間同步，消除人爲因素；三是降低系統開(kāi)銷，适應現有追溯系統的網絡條件，具有更好的擴展能力；四是盡量屏蔽異構網絡和設備。之間的區别。系統時間同步的設計方案将一(yī)一(yī)讨論這些問題。

産品質量安全追溯系統一(yī)般由多個子系統組成，包括生(shēng)産子系統、加工(gōng)子系統、運輸子系統、銷售子系統、用戶權限配置管理子系統等，這些子系統通過網絡工(gōng)作連接爲一(yī)個整體(tǐ)。涉及的網絡多種多樣，包括以太網、無線WLAN網絡、GPRS/CDMA無線網絡、藍(lán)牙/紅外(wài)傳輸網絡等。同時，各子系統運行的計算機軟硬件環境也大(dà)相徑庭。爲适應現有網絡條件，使系統中(zhōng)差異較大(dà)的網絡和設備環境協同工(gōng)作，滿足不同設備對時間校準的需求，設計了一(yī)個相對獨立于各個子系統的統一(yī)時間同步網絡。其結構如圖2所示。

整個時間同步網絡結構分(fēn)爲三個層次，分(fēn)别是中(zhōng)央服務器層、分(fēn)區服務器層、生(shēng)産銷售企業或組織層。每一(yī)層包括不同的計算機設備：中(zhōng)央服務器是保存中(zhōng)央數據庫的專用計算機，是根據所涉及的産品或行業類型劃分(fēn)的特定服務器，如食品質量追溯中(zhōng)央服務器網絡對時設計，設置爲國家級或省級。分(fēn)區服務器是中(zhōng)央服務器和三級設備之間的一(yī)台計算機，根據集中(zhōng)填寫數據和審核數據的需要而設置。最後一(yī)層是實際供應鏈中(zhōng)企業或集體(tǐ)組織的計算機，涵蓋産品生(shēng)産、加工(gōng)、運輸、銷售的各個環節，包括台式電(diàn)腦、掌上電(diàn)腦、識别閱讀器等各類設備。中(zhōng)央服務器與分(fēn)區服務器之間采用有線網絡環境互連，分(fēn)區服務器與三級設備之間可采用有線網絡環境或無線網絡進行通信，充分(fēn)利用現有網絡設備資(zī)源。. 一(yī)級設備（中(zhōng)央服務器）從标準時鍾源獲取準确的時間，并将時間提供給二級設備，實現與二級設備的時間同步。先進設備的時間同步。同時，除了向一(yī)級設備請求時間校正外(wài)，二級設備也可以相互進行時間校正。由于不同通道的網絡傳輸延遲不同，通過向各個通道請求時間校正，可以得到很大(dà)的保證。提高了系統的可靠性和時間校準的準确性。同理，當一(yī)個三級設備向多個二級設備請求時間校正時，一(yī)方面可以獲得更準确的時間，另一(yī)方面在某個設備出現故障時仍能正常工(gōng)作。整個時間同步網絡相對可靠，可以穩定地實現全網設備的時間同步。除非大(dà)部分(fēn)設備同時癱瘓，否則在本地計算機發生(shēng)事故時仍能正常工(gōng)作。

系統采用NTP協議進行時間同步，其傳輸基于用戶數據報協議（User，UDP），對資(zī)源開(kāi)銷和網絡帶寬要求極低，可有效避免擁塞。同時，該協議是 TCP/IP 的應用層協議，任何支持 TCP/IP 的網絡都可以使用這種方法進行時間校準。追溯系統大(dà)多涉及各種異構的網絡和設備，其中(zhōng)大(dà)部分(fēn)都對TCP/IP協議提供了良好的支持。因此，可以忽略異構網絡和設備之間的差異，實現溯源系統中(zhōng)的整體(tǐ)時間同步。

測試表明，NTP時間同步網絡在廣域網中(zhōng)可以達到幾毫秒的精度，完全可以滿足溯源系統的時間同步精度要求。目前産品質量追溯系統的數據庫結構包括中(zhōng)央數據庫和并行數據庫，不一(yī)定采用時間同步網絡結構的三級結構。，或者擴展到更多層次，隻要選擇穩定、可靠、低成本的時鍾源，其他設備通過NTP協議與時鍾源進行時間校準，就可以實現整個系統的時鍾同步。時間同步網絡結構的三層結構在設計上具有更大(dà)的靈活性。

三、系統時間同步網絡的特點

1）以衛星時間作爲一(yī)級服務器的标準時鍾源，使用NTP網口/串口獲取衛星時間，誤差以毫秒爲單位，準确可靠；

2）全網成本低，隻需要增加衛星硬件設備作爲時鍾源；

3）具有更大(dà)的靈活性，可根據實際追溯體(tǐ)系結構和現有網絡狀況調整網絡層級，随時增減聯網設備；

4）系統以多對多的方式運行，一(yī)台服務器對應多台客戶端，一(yī)台客戶端也可以對應多台服務器。當設備發生(shēng)故障時，起到分(fēn)流和備份的作用網絡對時設計，增強了系統的可靠性和穩定性；

5）整個系統負載小(xiǎo)，一(yī)個NTP數據包的字節數隻有幾十個字節，三級設備時間校準的頻(pín)率每30分(fēn)鍾進行兩次，系統開(kāi)銷很大(dà)小(xiǎo)的。

4。結論

本文從對NTP協議的分(fēn)析入手，結合産品質量追溯系統的結構特點，提出一(yī)種基于NTP的時間同步方法，建立系統時間同步網絡，将時間同步服務器和客戶端封裝成獨立的類庫。能夠與各種現有系統進行組裝。與現有系統集成組裝的應用表明，基于NTP的時間同步網絡負載小(xiǎo)，是産品質量安全追溯系統中(zhōng)實現時間同步的有效方法。本文主要讨論了在單一(yī)時間源的情況下(xià)整個系統的時間校準方法。實際情況可能有很多不同的時間源。

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