京準(zhǔn)時鐘科普：安全追溯系統(tǒng)北斗時間同步的重要性

京準(zhǔn)時鐘科普：安全追溯系統(tǒng)北斗時間同步的重要性

摘要：藥食品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)中各計算機設(shè)備間必須保持精確的時間同步，才能保證對藥品食品各種相關(guān)信息的記錄準(zhǔn)確可靠。基于網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)，結(jié)合安全追溯系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了一種低成本、低負載、較為可靠的時間同步方案，選用衛(wèi)星（GPS北斗）作為整個系統(tǒng)的時鐘源，構(gòu)建了中心服務(wù)器級、分區(qū)服務(wù)器級以及生產(chǎn)、銷售企業(yè)或組織級三個級別構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)時間同步網(wǎng)絡(luò)，并可以根據(jù)實際情況靈活調(diào)整。將時間同步的服務(wù)端和客戶端的實現(xiàn)封裝成為單獨的類庫，采取動態(tài)鏈接庫的形式，便于與現(xiàn)有的追溯系統(tǒng)集成。系統(tǒng)各設(shè)備間時間同步的精度可以達到數(shù)十毫秒，滿足藥品食品安全追溯的要求。

引言

藥品食品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)要求在產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、運輸、銷售的各個環(huán)節(jié)詳細記錄過程檔案信息，實現(xiàn)源頭可追溯、流向可跟蹤、信息可存儲、產(chǎn)品可召回的目標(biāo)。追溯系統(tǒng)是促進生產(chǎn)信息透明化，提高食品衛(wèi)生安全的重要措施。時間信息在過程檔案的記錄中具有十分重要的作用，整個系統(tǒng)的各種計算機設(shè)備之間必須保持精確的時間同步，才能保證對產(chǎn)品的各種相關(guān)信息的記錄存儲準(zhǔn)確有效，保證這些記錄作為追溯分析依據(jù)的權(quán)威性和公信性。

追溯系統(tǒng)基于多種不同的計算機和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備工作，這些設(shè)備主要依靠自身的時鐘振蕩器工作，由于溫濕度變化、電磁干擾、振蕩器老化和生產(chǎn)調(diào)試等原因，其時鐘的振蕩頻率和標(biāo)準(zhǔn)頻率之間存在一些誤差，設(shè)備與設(shè)備之間存在著一定的時間誤差，這些誤差乍看似乎微不足道，而在長期積累后會產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。同時，在追溯系統(tǒng)中還較多的使用了包括掌上電腦在內(nèi)的嵌入式設(shè)備來讀取產(chǎn)品的標(biāo)識（條形碼、電子標(biāo)簽等），以及在現(xiàn)場填報過程檔案數(shù)據(jù)。這些嵌入式設(shè)備多采用電池供電，其時鐘不準(zhǔn)確的現(xiàn)象更為突出，經(jīng)常需要進行時間校準(zhǔn)，以保證檔案記錄中的時間與標(biāo)準(zhǔn)時間一致。在目前的追溯系統(tǒng)中，設(shè)備的時間校準(zhǔn)往往取決于使用者的習(xí)慣，手段常為參照自選的標(biāo)準(zhǔn)手工設(shè)定時鐘，這種辦法效率低下、準(zhǔn)確程度較低，無法滿足對產(chǎn)品從生產(chǎn)到流通的全過程進行精確溯源、全面追蹤的要求。

本文在NTP網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了一種低成本、低負載、較為可靠的時間同步方案，選用衛(wèi)星（GPS北斗）作為整個系統(tǒng)的時鐘源，構(gòu)建了中心服務(wù)器級、分區(qū)服務(wù)器級以及生產(chǎn)、銷售企業(yè)或組織級三個級別構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)時間同步，可以根據(jù)實際情況靈活增減級別，并在時鐘源以下的設(shè)備級別加入新的設(shè)備。整個網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠、精度較高，能充分滿足產(chǎn)品質(zhì)量追溯的要求。

1、NTP網(wǎng)絡(luò)時間同步原理

時間同步是指網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點設(shè)備的時鐘時刻和時間間隔與世界標(biāo)準(zhǔn)時間（Universal Time Coordinated, UTC）同步，保證各設(shè)備的時間信息基于UTC時間的誤差限定在足夠小的范圍內(nèi)。

NTP（Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議）由美國德拉瓦大學(xué)的David L.Mills 教授于1985 年提出，用于實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上計算機的精確的時間同步。SNTP(SimpleNetwork Time Protocol)的全稱是“簡單網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議”，是一個簡化了的NTP服務(wù)器和NTP客戶端策略，不需要實現(xiàn)NTP協(xié)議的所有功能，其功能是使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備的時鐘與標(biāo)準(zhǔn)的時鐘源保持同步。NTP對性能差異很大的客戶端及服務(wù)器均能適用，且適用于客戶端及服務(wù)器所在網(wǎng)絡(luò)有大范圍的網(wǎng)絡(luò)延遲和抖動的情況。NTP協(xié)議同步系統(tǒng)時鐘有兩種工作模式。一是廣播模式Multicast/Broadcast mode）：此種工作模式適用于高速的局域網(wǎng)內(nèi)部，服務(wù)器在固定周期向多個客戶機主動發(fā)出時間信息，客戶機根據(jù)此時間信息校正系統(tǒng)時鐘；二是客戶機/服務(wù)器模式（Client/Server mode），客戶機定時向授時服務(wù)器請求時間信息，根據(jù)雙方交換的時間信息，實現(xiàn)客戶機與NTP服務(wù)器時鐘的同步。

客戶機/服務(wù)器模式下客戶機首先向服務(wù)器發(fā)送一個NTP包，其中包含了該包離開客戶機時的時間戳T1，當(dāng)

服務(wù)器接收到該包時，依次填入數(shù)據(jù)包到達時的時間戳T2 和包離開時的時間戳T3，然后立即把包返回給客戶機，客戶機接收到響應(yīng)包時再填入包回到客戶機的時間戳T4，客戶機利用這4個時間戳和包交換的往返延遲（TQ和TR）就能夠計算出客戶機與服務(wù)器之間的時鐘偏移量ΔT，如圖1 所示。

現(xiàn)已知T1、T2、T3、T4 和參數(shù)TQ、TR，可以得出時鐘偏移量ΔT 的方程式有：

T2＝T1＋TQ＋ΔT （1）

T4＝T3＋TR－ΔT （2）

假設(shè)發(fā)送和響應(yīng)NTP 包在網(wǎng)絡(luò)上的延遲時間TQ、TR 相等，則根據(jù)方程式（1）和方程式（2）可以得出：

由方程式（3）可以看出客戶機系統(tǒng)時鐘偏差量ΔT與T1、T2 差值和T4、T3 差值相關(guān)，而與T2、T3 的差值無關(guān)，即時鐘偏差量與時鐘服務(wù)器的響應(yīng)速度無關(guān)。客戶機根據(jù)時鐘偏移量ΔT 來調(diào)整本系統(tǒng)時鐘，以使其時間與服務(wù)器時間一致。

2、系統(tǒng)時間同步的設(shè)計和實現(xiàn)

時間同步對于產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)有著重要的作用，為了使系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備之間保持時間同步，需要解決四個方面的問題：一是盡量選取非常精確的時間源，各設(shè)備與該時間源的誤差值應(yīng)較小；二是自動實現(xiàn)時間同步，排除人工因素；三是降低系統(tǒng)開銷，適應(yīng)現(xiàn)有追溯系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)條件，同時具備較好的擴充能力；四是盡量屏蔽異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之間的差異。系統(tǒng)時間同步的設(shè)計方案將逐一討論這些問題。

產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)一般由多個子系統(tǒng)構(gòu)成，包括生產(chǎn)子系統(tǒng)、加工子系統(tǒng)、運輸子系統(tǒng)、銷售子系統(tǒng)，以及對用戶權(quán)限進行配置管理的子系統(tǒng)等，這些子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接為一個整體進行工作。其中涉及的網(wǎng)絡(luò)多種多樣，包括以太網(wǎng)、無線WLAN網(wǎng)絡(luò)、GPRS/CDMA無線網(wǎng)絡(luò)、藍牙/紅外傳輸網(wǎng)絡(luò)等。同時子系統(tǒng)運行的計算機軟、硬件環(huán)境也存在較大的差異。為適應(yīng)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)條件，使系統(tǒng)差異較大的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備環(huán)境能順利的協(xié)同工作，滿足不同的設(shè)備進行校時的需要，設(shè)計了一個統(tǒng)一的與各子系統(tǒng)相對獨立的時間同步網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

整個時間同步網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為三級，依次為中心服務(wù)器級、分區(qū)服務(wù)器級以及生產(chǎn)、銷售企業(yè)或組織級。各個級別包括不同的計算機設(shè)備：中心服務(wù)器是保存中央數(shù)據(jù)庫的專門計算機，是依據(jù)產(chǎn)品種類或涉及的行業(yè)而劃分的特定服務(wù)器，例如食品質(zhì)量溯源中心服務(wù)器，在國家或省一級設(shè)置。分區(qū)服務(wù)器是根據(jù)集中填報數(shù)據(jù)、審查數(shù)據(jù)的需要而設(shè)置的介于中心服務(wù)器和第三級設(shè)備之間的計算機。最后一級是實際供應(yīng)鏈中的企業(yè)或集體組織的計算機，覆蓋產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、運輸、銷售的各個環(huán)節(jié)，包括臺式電腦、掌上電腦、標(biāo)識讀寫儀等多種類型的設(shè)備。中心服務(wù)器和分區(qū)服務(wù)器之間使用有線的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進行互聯(lián)，而分區(qū)服務(wù)器和第三級設(shè)備之間既可以使用有線的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，也可以使用無線網(wǎng)絡(luò)進行通信，以充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源。第一級設(shè)備（中心服務(wù)器）從標(biāo)準(zhǔn)的時鐘源獲取準(zhǔn)確的時間，向第二級設(shè)備授時，實現(xiàn)與第二級設(shè)備的時間同步，第二級設(shè)備向第三級設(shè)備授時，實現(xiàn)與第三級設(shè)備的時間同步。同時，第二級設(shè)備除了會向第一級設(shè)備請求校時外，還可以彼此之間進行校時，由于不同的通路其網(wǎng)絡(luò)傳輸延時不同，通過從多種通路分別請求校時，大大保證了系統(tǒng)的可靠性和校時的準(zhǔn)確性。同理，第三級設(shè)備向多個第二級設(shè)備請求校時，一方面可以獲取更精準(zhǔn)的時間，另一方面也可以在某一個設(shè)備出現(xiàn)故障時仍能正常工作。整個時間同步網(wǎng)絡(luò)較為可靠，能穩(wěn)定地實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備的時間同步，除非大部分的設(shè)備同時出現(xiàn)癱瘓，在局部計算機出現(xiàn)意外情況下仍能正常工作。

系統(tǒng)在時間同步時使用NTP協(xié)議，其傳輸基于用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol, UDP），要求的資源開銷和網(wǎng)絡(luò)帶寬很小，能有效地避免擁塞。同時該協(xié)議是TCP/IP的應(yīng)用層協(xié)議，支持TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)都可以使用這種方法進行校時。追溯系統(tǒng)涉及多種異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備絕大多數(shù)都對TCP/IP協(xié)議提供了很好的支持，因此可以不關(guān)心異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之間的差別，實現(xiàn)追溯系統(tǒng)內(nèi)整體的時間的同步。

測試表明NTP時間同步網(wǎng)絡(luò)在廣域網(wǎng)范圍內(nèi)可以達到幾個毫秒的精度，完全可以滿足追溯系統(tǒng)對時間同步精度的要求。目前的產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)包括中央數(shù)據(jù)庫和并列數(shù)據(jù)庫，采用的也不一定都是時間同步網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三級結(jié)構(gòu)，這時也可以直接將三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)縮減為二級甚至一級使用，或者擴充至更多級別，只要保證選用一個穩(wěn)定、可靠、成本較低的時鐘源，其它設(shè)備都通過NTP協(xié)議方式與該時鐘源進行時間校準(zhǔn)，即可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)內(nèi)的時鐘同步。時間同步網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三級結(jié)構(gòu)在設(shè)計上有較大的彈性，除了上述的可以減增級別外，還可以在時鐘源以下的設(shè)備級別加入新的設(shè)備，只要該設(shè)備及其連接的網(wǎng)絡(luò)支持TCP/IP協(xié)議，即可以構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)時間同步網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)新加入設(shè)備的時間與原有設(shè)備一致。

3、系統(tǒng)時間同步網(wǎng)絡(luò)的特點

1）以衛(wèi)星時間作為第一級服務(wù)器的標(biāo)準(zhǔn)時鐘源，使用NTP網(wǎng)口/串口方式獲取衛(wèi)星時間，其誤差在毫秒級，準(zhǔn)確可靠；

2）整個網(wǎng)絡(luò)的成本較低，僅需要增加作為時鐘源的衛(wèi)星硬件設(shè)備；

3）具有較大的靈活性，可以根據(jù)實際追溯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)情況調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的級別，可以隨時加入或減少連結(jié)到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備；

4）系統(tǒng)運行采取的是多對多的模式，一個服務(wù)器對應(yīng)于多個客戶端，一個客戶端也可以對應(yīng)多個服務(wù)器，存在多條通路，不僅可以減少一個服務(wù)器的負荷，還可以在網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備存在故障時起到分流和備用的作用，增強了系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性；

5）整個系統(tǒng)的負載較小，一個NTP數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)僅為幾十個字節(jié)，且第三級設(shè)備校時的頻率是在每30min內(nèi)進行2次，系統(tǒng)開銷非常小。

4、結(jié)論

本文從分析NTP協(xié)議入手，結(jié)合產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，提出了基于NTP的時間同步辦法，建立了系統(tǒng)時間同步網(wǎng)絡(luò)，并將時間同步的服務(wù)端和客戶端封裝為獨立的類庫，以實現(xiàn)與各種現(xiàn)有系統(tǒng)的裝配。與現(xiàn)有系統(tǒng)進行集成裝配的應(yīng)用表明，基于NTP的時間同步網(wǎng)絡(luò)負載較小，是產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)中實現(xiàn)時間同步的有效辦法。本文主要探討的是一個時間源的情況下整個系統(tǒng)進行校時的辦法，實際情況下的可能存在多個不同的時間源，需要進一步研究在這種情況如何穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)的時間同步。