摘要：藥食品質量安全追溯系統(tǒng)中各計算機設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信息的記錄準確可靠?；诰W(wǎng)絡時間協(xié)議(NTP)，結合安全追溯系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構特點，設計了一種低成本、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，構建了中心服務器級、分區(qū)服務器級以及生產(chǎn)、銷售企業(yè)或組織級三個級別構成的網(wǎng)絡時間同步網(wǎng)絡，并可以根據(jù)實際情況靈活調整。將時間同步的服務端和客戶端的實現(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。那么NTP服務器,GPS北斗同步時鐘,時間同步服務器就起到到很大的作用，下面是針對于藥食方面與時間同步的介紹。
 

引言

藥品食品質量安全追溯系統(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。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)品的各種相關信息的記錄存儲準確有效，保證這些記錄作為追溯分析依據(jù)的權威性和公信性。
 

追溯系統(tǒng)基于多種不同的計算機和網(wǎng)絡通信設備工作，這些設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)調試等原因，其時鐘的振蕩頻率和標準頻率之間存在一些誤差，設備與設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的嵌入式設備來讀取產(chǎn)品的標識（條形碼、電子標簽等），以及在現(xiàn)場填報過程檔案數(shù)據(jù)。這些嵌入式設備多采用電池供電，其時鐘不準確的現(xiàn)象更為突出，經(jīng)常需要進行時間校準，以保證檔案記錄中的時間與標準時間一致。在目前的追溯系統(tǒng)中，設備的時間校準往往取決于使用者的習慣，手段常為參照自選的標準手工設定時鐘，這種辦法效率低下、準確程度較低，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)絡時間同步技術的基礎上，結合產(chǎn)品質量安全追溯系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構特點，設計了一種低成本、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，構建了中心服務器級、分區(qū)服務器級以及生產(chǎn)、銷售企業(yè)或組織級三個級別構成的網(wǎng)絡時間同步，可以根據(jù)實際情況靈活增減級別，并在時鐘源以下的設備級別加入新的設備。整個網(wǎng)絡穩(wěn)定可靠、精度較高，能充分滿足產(chǎn)品質量追溯的要求。

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

NTP（Network Time Protocol，網(wǎng)絡時間協(xié)議）由美國德拉瓦大學的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)絡時間同步協(xié)議”，是一個簡化了的NTP服務器和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)絡內設備的時鐘與標準的時鐘源保持同步。NTP對性能差異很大的客戶端及服務器均能適用，且適用于客戶端及服務器所在網(wǎng)絡有大范圍的網(wǎng)絡延遲和抖動的情況。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)內部，服務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/服務器模式（Client/Server mode），客戶機定時向授時服務器請求時間信息，根據(jù)雙方交換的時間信息，實現(xiàn)客戶機與NTP服務器時鐘的同步。

客戶機/服務器模式下客戶機首先向服務器發(fā)送一個NTP包，其中包含了該包離開客戶機時的時間戳T1，當服務器接收到該包時，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器之間的時鐘偏移量ΔT，

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）

假設發(fā)送和響應NTP 包在網(wǎng)絡上的延遲時間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，而與T2、T3 的差值無關，即時鐘偏差量與時鐘服務器的響應速度無關?？蛻魴C根據(jù)時鐘偏移量ΔT 來調整本系統(tǒng)時鐘，以使其時間與服務器時間一致。

時間同步對于產(chǎn)品質量安全追溯系統(tǒng)有著重要的作用，為了使系統(tǒng)內各設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，各設備與該時間源的誤差值應較小；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，適應現(xiàn)有追溯系統(tǒng)的網(wǎng)絡條件，同時具備較好的擴充能力；四是盡量屏蔽異質網(wǎng)絡和設備之間的差異。系統(tǒng)時間同步的設計方案將逐一討論這些問題。
 

產(chǎn)品質量安全追溯系統(tǒng)一般由多個子系統(tǒng)構成，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)，以及對用戶權限進行配置管理的子系統(tǒng)等，這些子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡連結為一個整體進行工作。其中涉及的網(wǎng)絡多種多樣，包括以太網(wǎng)、無線WLAN網(wǎng)絡、GPRS/CDMA無線網(wǎng)絡、藍牙/紅外傳輸網(wǎng)絡等。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。為適應現(xiàn)有的網(wǎng)絡條件，使系統(tǒng)差異較大的網(wǎng)絡和設備環(huán)境能順利的協(xié)同工作，滿足不同的設備進行校時的需要，設計了一個統(tǒng)一的與各子系統(tǒng)相對獨立的時間同步網(wǎng)絡，其結構如圖2所示。

 

整個時間同步網(wǎng)絡結構分為三級，依次為中心服務器級、分區(qū)服務器級以及生產(chǎn)、銷售企業(yè)或組織級。各個級別包括不同的計算機設備：中心服務器是保存中央數(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)而劃分的特定服務器，例如食品質量溯源中心服務器，在國家或省一級設置。分區(qū)服務器是根據(jù)集中填報數(shù)據(jù)、審查數(shù)據(jù)的需要而設置的介于中心服務器和第三級設備之間的計算機。最后一級是實際供應鏈中的企業(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、標識讀寫儀等多種類型的設備。中心服務器和分區(qū)服務器之間使用有線的網(wǎng)絡環(huán)境進行互聯(lián)，而分區(qū)服務器和第三級設備之間既可以使用有線的網(wǎng)絡環(huán)境，也可以使用無線網(wǎng)絡進行通信，以充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡設備資源。第一級設備（中心服務器）從標準的時鐘源獲取準確的時間，向第二級設備授時，實現(xiàn)與第二級設備的時間同步，第二級設備向第三級設備授時，實現(xiàn)與第三級設備的時間同步。同時，第二級設備除了會向第一級設備請求校時外，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確性。同理，第三級設備向多個第二級設備請求校時，一方面可以獲取更精準的時間，另一方面也可以在某一個設備出現(xiàn)故障時仍能正常工作。整個時間同步網(wǎng)絡較為可靠，能穩(wěn)定地實現(xiàn)整個網(wǎng)絡內設備的時間同步，除非大部分的設備同時出現(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)絡帶寬很小，能有效地避免擁塞。同時該協(xié)議是TCP/IP的應用層協(xié)議，支持TCP/IP的網(wǎng)絡都可以使用這種方法進行校時。追溯系統(tǒng)涉及多種異質網(wǎng)絡和設備絕大多數(shù)都對TCP/IP協(xié)議提供了很好的支持，因此可以不關心異質網(wǎng)絡和設備之間的差別，實現(xiàn)追溯系統(tǒng)內整體的時間的同步。
 

測試表明NTP時間同步網(wǎng)絡在廣域網(wǎng)范圍內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)品質量追溯系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結構包括中央數(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)絡結構的三級結構，這時也可以直接將三級網(wǎng)絡結構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，其它設備都通過NTP協(xié)議方式與該時鐘源進行時間校準，即可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)內的時鐘同步。時間同步網(wǎng)絡結構的三級結構在設計上有較大的彈性，除了上述的可以減增級別外，還可以在時鐘源以下的設備級別加入新的設備，只要該設備及其連接的網(wǎng)絡支持TCP/IP協(xié)議，即可以構成一個完整的系統(tǒng)時間同步網(wǎng)絡，實現(xiàn)新加入設備的時間與原有設備一致。

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

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

3）具有較大的靈活性，可以根據(jù)實際追溯系統(tǒng)的結構和現(xiàn)有網(wǎng)絡情況調整網(wǎng)絡的級別，可以隨時加入或減少連結到網(wǎng)絡的設備；

4）系統(tǒng)運行采取的是多對多的模式，一個服務器對應于多個客戶端，一個客戶端也可以對應多個服務器，存在多條通路，不僅可以減少一個服務器的負荷，還可以在網(wǎng)絡或設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)，且第三級設備校時的頻率是在每30min內進行2次，系統(tǒng)開銷非常小。

本文從分析NTP協(xié)議入手，結合產(chǎn)品質量追溯系統(tǒng)的結構特點，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，并將時間同步的服務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)進行集成裝配的應用表明，基于NTP的時間同步網(wǎng)絡負載較小，是產(chǎn)品質量安全追溯系統(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。