摘要：藥食品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)中各計(jì)算機(jī)設(shè)備間必須保持精確的時(shí)間同步，才能保證對(duì)藥品食品各種相關(guān)信息的記錄準(zhǔn)確可靠?；诰W(wǎng)絡(luò)時(shí)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(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種低成本、低負(fù)載、較為可靠的時(shí)間同步方案，選用衛(wèi)星（GPS北斗）作為整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘源，構(gòu)建了中心服務(wù)器級(jí)、分區(qū)服務(wù)器級(jí)以及生產(chǎn)、銷(xiāo)售企業(yè)或組織級(jí)三個(gè)級(jí)別構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)，并可以根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整。將時(shí)間同步的服務(wù)端和客戶端的實(shí)現(xiàn)封裝成為單獨(dú)的類(lèi)庫(kù)，采取動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)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(shí)間同步的精度可以達(dá)到數(shù)十毫秒，滿足藥品食品安全追溯的要求。那么NTP服務(wù)器,GPS北斗同步時(shí)鐘,時(shí)間同步服務(wù)器就起到到很大的作用，下面是針對(duì)于藥食方面與時(shí)間同步的介紹。
 

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(yùn)輸、銷(xiāo)售的各個(gè)環(huán)節(jié)詳細(xì)記錄過(guò)程檔案信息，實(shí)現(xiàn)源頭可追溯、流向可跟蹤、信息可存儲(chǔ)、產(chǎn)品可召回的目標(biāo)。追溯系統(tǒng)是促進(jìn)生產(chǎn)信息透明化，提高食品衛(wèi)生安全的重要措施。時(shí)間信息在過(guò)程檔案的記錄中具有十分重要的作用，整個(gè)系統(tǒng)的各種計(jì)算機(jī)設(shè)備之間必須保持精確的時(shí)間同步，才能保證對(duì)產(chǎn)品的各種相關(guān)信息的記錄存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)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(shí)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(shí)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(shí)間誤差，這些誤差乍看似乎微不足道，而在長(zhǎng)期積累后會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。同時(shí)，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(lái)讀取產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)（條形碼、電子標(biāo)簽等），以及在現(xiàn)場(chǎng)填報(bào)過(guò)程檔案數(shù)據(jù)。這些嵌入式設(shè)備多采用電池供電，其時(shí)鐘不準(zhǔn)確的現(xiàn)象更為突出，經(jīng)常需要進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，以保證檔案記錄中的時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致。在目前的追溯系統(tǒng)中，設(shè)備的時(shí)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(shí)鐘，這種辦法效率低下、準(zhǔn)確程度較低，無(wú)法滿足對(duì)產(chǎn)品從生產(chǎn)到流通的全過(guò)程進(jìn)行精確溯源、全面追蹤的要求。
 

本文在NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種低成本、低負(fù)載、較為可靠的時(shí)間同步方案，選用衛(wèi)星（GPS北斗）作為整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘源，構(gòu)建了中心服務(wù)器級(jí)、分區(qū)服務(wù)器級(jí)以及生產(chǎn)、銷(xiāo)售企業(yè)或組織級(jí)三個(gè)級(jí)別構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步，可以根據(jù)實(shí)際情況靈活增減級(jí)別，并在時(shí)鐘源以下的設(shè)備級(jí)別加入新的設(shè)備。整個(gè)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。

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

NTP（Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議）由美國(guó)德拉瓦大學(xué)的David L.Mills 教授于1985 年提出，用于實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上計(jì)算機(jī)的精確的時(shí)間同步。SNTP(SimpleNetwork Time Protocol)的全稱是“簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議”，是一個(gè)簡(jiǎn)化了的NTP服務(wù)器和NTP客戶端策略，不需要實(shí)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(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘源保持同步。NTP對(duì)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(dòng)的情況。NTP協(xié)議同步系統(tǒng)時(shí)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(gè)客戶機(jī)主動(dòng)發(fā)出時(shí)間信息，客戶機(jī)根據(jù)此時(shí)間信息校正系統(tǒng)時(shí)鐘；二是客戶機(jī)/服務(wù)器模式（Client/Server mode），客戶機(jī)定時(shí)向授時(shí)服務(wù)器請(qǐng)求時(shí)間信息，根據(jù)雙方交換的時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)客戶機(jī)與NTP服務(wù)器時(shí)鐘的同步。

客戶機(jī)/服務(wù)器模式下客戶機(jī)首先向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)NTP包，其中包含了該包離開(kāi)客戶機(jī)時(shí)的時(shí)間戳T1，當(dāng)服務(wù)器接收到該包時(shí)，依次填入數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)的時(shí)間戳T2 和包離開(kāi)時(shí)的時(shí)間戳T3，然后立即把包返回給客戶機(jī)，客戶機(jī)接收到響應(yīng)包時(shí)再填入包回到客戶機(jī)的時(shí)間戳T4，客戶機(jī)利用這4個(gè)時(shí)間戳和包交換的往返延遲（TQ和TR）就能夠計(jì)算出客戶機(jī)與服務(wù)器之間的時(shí)鐘偏移量ΔT，

現(xiàn)已知T1、T2、T3、T4 和參數(shù)TQ、TR，可以得出時(shí)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(shí)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(jī)系統(tǒng)時(shí)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(wú)關(guān)，即時(shí)鐘偏差量與時(shí)鐘服務(wù)器的響應(yīng)速度無(wú)關(guān)。客戶機(jī)根據(jù)時(shí)鐘偏移量ΔT 來(lái)調(diào)整本系統(tǒng)時(shí)鐘，以使其時(shí)間與服務(wù)器時(shí)間一致。

時(shí)間同步對(duì)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(shí)間同步，需要解決四個(gè)方面的問(wèn)題：一是盡量選取非常精確的時(shí)間源，各設(shè)備與該時(shí)間源的誤差值應(yīng)較小；二是自動(dòng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，排除人工因素；三是降低系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，適應(yīng)現(xiàn)有追溯系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)條件，同時(shí)具備較好的擴(kuò)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(shí)間同步的設(shè)計(jì)方案將逐一討論這些問(wèn)題。
 

產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)一般由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，包括生產(chǎn)子系統(tǒng)、加工子系統(tǒng)、運(yùn)輸子系統(tǒng)、銷(xiāo)售子系統(tǒng)，以及對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行配置管理的子系統(tǒng)等，這些子系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連結(jié)為一個(gè)整體進(jìn)行工作。其中涉及的網(wǎng)絡(luò)多種多樣，包括以太網(wǎng)、無(wú)線WLAN網(wǎng)絡(luò)、GPRS/CDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙/紅外傳輸網(wǎng)絡(luò)等。同時(shí)子系統(tǒng)運(yùn)行的計(jì)算機(jī)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(jìn)行校時(shí)的需要，設(shè)計(jì)了一個(gè)統(tǒng)一的與各子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

 

整個(gè)時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為三級(jí)，依次為中心服務(wù)器級(jí)、分區(qū)服務(wù)器級(jí)以及生產(chǎn)、銷(xiāo)售企業(yè)或組織級(jí)。各個(gè)級(jí)別包括不同的計(jì)算機(jī)設(shè)備：中心服務(wù)器是保存中央數(shù)據(jù)庫(kù)的專門(mén)計(jì)算機(jī)，是依據(jù)產(chǎn)品種類(lèi)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(guó)家或省一級(jí)設(shè)置。分區(qū)服務(wù)器是根據(jù)集中填報(bào)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(jí)設(shè)備之間的計(jì)算機(jī)。最后一級(jí)是實(shí)際供應(yīng)鏈中的企業(yè)或集體組織的計(jì)算機(jī)，覆蓋產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、銷(xiāo)售的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括臺(tái)式電腦、掌上電腦、標(biāo)識(shí)讀寫(xiě)儀等多種類(lèi)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(jìn)行互聯(lián)，而分區(qū)服務(wù)器和第三級(jí)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，以充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源。第一級(jí)設(shè)備（中心服務(wù)器）從標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘源獲取準(zhǔn)確的時(shí)間，向第二級(jí)設(shè)備授時(shí)，實(shí)現(xiàn)與第二級(jí)設(shè)備的時(shí)間同步，第二級(jí)設(shè)備向第三級(jí)設(shè)備授時(shí)，實(shí)現(xiàn)與第三級(jí)設(shè)備的時(shí)間同步。同時(shí)，第二級(jí)設(shè)備除了會(huì)向第一級(jí)設(shè)備請(qǐng)求校時(shí)外，還可以彼此之間進(jìn)行校時(shí)，由于不同的通路其網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)不同，通過(guò)從多種通路分別請(qǐng)求校時(shí)，大大保證了系統(tǒng)的可靠性和校時(shí)的準(zhǔn)確性。同理，第三級(jí)設(shè)備向多個(gè)第二級(jí)設(shè)備請(qǐng)求校時(shí)，一方面可以獲取更精準(zhǔn)的時(shí)間，另一方面也可以在某一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)仍能正常工作。整個(gè)時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)較為可靠，能穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備的時(shí)間同步，除非大部分的設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)癱瘓，在局部計(jì)算機(jī)出現(xiàn)意外情況下仍能正常工作。
 

系統(tǒng)在時(shí)間同步時(shí)使用NTP協(xié)議，其傳輸基于用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol, UDP），要求的資源開(kāi)銷(xiāo)和網(wǎng)絡(luò)帶寬很小，能有效地避免擁塞。同時(shí)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(jìn)行校時(shí)。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(duì)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(shí)現(xiàn)追溯系統(tǒng)內(nèi)整體的時(shí)間的同步。
 

測(cè)試表明NTP時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)在廣域網(wǎng)范圍內(nèi)可以達(dá)到幾個(gè)毫秒的精度，完全可以滿足追溯系統(tǒng)對(duì)時(shí)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(kù)結(jié)構(gòu)包括中央數(shù)據(jù)庫(kù)和并列數(shù)據(jù)庫(kù)，采用的也不一定都是時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三級(jí)結(jié)構(gòu)，這時(shí)也可以直接將三級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)縮減為二級(jí)甚至一級(jí)使用，或者擴(kuò)充至更多級(jí)別，只要保證選用一個(gè)穩(wěn)定、可靠、成本較低的時(shí)鐘源，其它設(shè)備都通過(guò)NTP協(xié)議方式與該時(shí)鐘源進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，即可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的時(shí)鐘同步。時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三級(jí)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上有較大的彈性，除了上述的可以減增級(jí)別外，還可以在時(shí)鐘源以下的設(shè)備級(jí)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(gè)完整的系統(tǒng)時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)新加入設(shè)備的時(shí)間與原有設(shè)備一致。

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

2）整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的成本較低，僅需要增加作為時(shí)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(shí)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(jí)別，可以隨時(shí)加入或減少連結(jié)到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備；

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

5）整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載較小，一個(gè)NTP數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)僅為幾十個(gè)字節(jié)，且第三級(jí)設(shè)備校時(shí)的頻率是在每30min內(nèi)進(jìn)行2次，系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)非常小。

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(diǎn)，提出了基于NTP的時(shí)間同步辦法，建立了系統(tǒng)時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)，并將時(shí)間同步的服務(wù)端和客戶端封裝為獨(dú)立的類(lèi)庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)與各種現(xiàn)有系統(tǒng)的裝配。與現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行集成裝配的應(yīng)用表明，基于NTP的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小，是產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的有效辦法。本文主要探討的是一個(gè)時(shí)間源的情況下整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行校時(shí)的辦法，實(shí)際情況下的可能存在多個(gè)不同的時(shí)間源，需要進(jìn)一步研究在這種情況如何穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)間同步。