北斗授時服務（NTP時間同步服務器）讓食品更安全

北斗授時服務（NTP時間同步服務器）讓食品更安全

北斗授時服務（NTP時間同步服務器）讓食品更安全

京準電子科技官微——ahjzsz

摘要：藥食品質量安全追溯系統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資訊的記錄準確可靠，基于網路時間協議(NTP)，結合安全追溯系統的網路結構特點，設計了一種低成本、低負載、較為可靠的時間同步方案，選用衛星（GPS北斗）作為整個系統的時鐘源，構建了中心服務器級、磁區服務器級以及生產、銷售企業或組織級三個級別構成的網路時間同步網路，并可以根據實際情況靈活調整，將時間同步的服務端和客戶端的實作封裝成為單獨的類別庫，采取元件的形式，便于與現有的追溯系統集成，系統各設備間時間同步的精度可以達到數十毫秒，滿足藥品食品安全追溯的要求，

引言

藥品食品質量安全追溯系統要求在產品生產、加工、運輸、銷售的各個環節詳細記錄程序檔案資訊，實作源頭可追溯、流向可跟蹤、資訊可存盤、產品可召回的目標，追溯系統是促進生產資訊透明化，提高食品衛生安全的重要措施，時間資訊在程序檔案的記錄中具有十分重要的作用，整個系統的各種計算機設備之間必須保持精確的時間同步，才能保證對產品的各種相關資訊的記錄存盤準確有效，保證這些記錄作為追溯分析依據的權威性和公信性，

追溯系統基于多種不同的計算機和網路通信設備作業，這些設備主要依靠自身的時鐘振蕩器作業，由于溫濕度變化、電磁干擾、振蕩器老化和生產除錯等原因，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生相當大的影響，同時，在追溯系統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品的標識（條形碼、電子標簽等），以及在現場填報程序檔案資料，這些嵌入式設備多采用電池供電，其時鐘不準確的現象更為突出，經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，無法滿足對產品從生產到流通的全程序進行精確溯源、全面追蹤的要求，

本文在NTP網路時間同步技術的基礎上，結合產品質量安全追溯系統的網路結構特點，設計了一種低成本、低負載、較為可靠的時間同步方案，選用衛星（GPS北斗）作為整個系統的時鐘源，構建了中心服務器級、磁區服務器級以及生產、銷售企業或組織級三個級別構成的網路時間同步，可以根據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，整個網路穩定可靠、精度較高，能充分滿足產品質量追溯的要求，

1、NTP網路時間同步原理

時間同步是指網路各節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，保證各設備的時間資訊基于UTC時間的誤差限定在足夠小的范圍內，

NTP（Network Time Protocol，網路時間協議）由美國德拉瓦大學的David L.Mills 教授于1985 年提出，用于實作互聯網上計算機的精確的時間同步，SNTP(SimpleNetwork Time Protocol)的全稱是“簡單網路時間同步協議”，是一個簡化了的NTP服務器和NTP客戶端策略，不需要實作NTP協議的所有功能，其功能是使網路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路有大范圍的網路延遲和抖動的情況，NTP協議同步系統時鐘有兩種作業模式，一是廣播模式Multicast/Broadcast mode）：此種作業模式適用于高速的局域網內部，服務器在固定周期向多個客戶機主動發出時間資訊，客戶機根據此時間資訊校正系統時鐘；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資訊，根據雙方交換的時間資訊，實作客戶機與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，依次填入資料包到達時的時間戳T2 和包離開時的時間戳T3，然后立即把包回傳給客戶機，客戶機接收到回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，如圖1 所示，

現已知T1、T2、T3、T4 和引數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）

假設發送和回應NTP 包在網路上的延遲時間TQ、TR 相等，則根據方程式（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回應速度無關，客戶機根據時鐘偏移量ΔT 來調整本系統時鐘，以使其時間與服務器時間一致，

2、系統時間同步的設計和實作

時間同步對于產品質量安全追溯系統有著重要的作用，為了使系統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；二是自動實作時間同步，排除人工因素；三是降低系統開銷，適應現有追溯系統的網路條件，同時具備較好的擴充能力；四是盡量屏蔽異質網路和設備之間的差異，系統時間同步的設計方案將逐一討論這些問題，

產品質量安全追溯系統一般由多個子系統構成，包括生產子系統、加工子系統、運輸子系統、銷售子系統，以及對用戶權限進行配置管理的子系統等，這些子系統通過網路連結為一個整體進行作業，其中涉及的網路多種多樣，包括以太網、無線WLAN網路、GPRS/CDMA無線網路、藍牙/紅外傳輸網路等，同時子系統運行的計算機軟、硬體環境也存在較大的差異，為適應現有的網路條件，使系統差異較大的網路和設備環境能順利的協同作業，滿足不同的設備進行校時的需要，設計了一個統一的與各子系統相對獨立的時間同步網路，其結構如圖2所示，

整個時間同步網路結構分為三級，依次為中心服務器級、磁區服務器級以及生產、銷售企業或組織級，各個級別包括不同的計算機設備：中心服務器是保存中央資料庫的專門計算機，是依據產品種類或涉及的行業而劃分的特定服務器，例如食品質量溯源中心服務器，在國家或省一級設定，磁區服務器是根據集中填報資料、審查資料的需要而設定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或集體組織的計算機，覆寫產品生產、加工、運輸、銷售的各個環節，包括臺式電腦、掌上電腦、標識讀寫儀等多種型別的設備，中心服務器和磁區服務器之間使用有線的網路環境進行互聯，而磁區服務器和第三級設備之間既可以使用有線的網路環境，也可以使用無線網路進行通信，以充分利用現有的網路設備資源，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，實作與第二級設備的時間同步，第二級設備向第三級設備授時，實作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路傳輸延時不同，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故障時仍能正常作業，整個時間同步網路較為可靠，能穩定地實作整個網路內設備的時間同步，除非大部分的設備同時出現癱瘓，在區域計算機出現意外情況下仍能正常作業，

系統在時間同步時使用NTP協議，其傳輸基于用戶資料報協議（User Datagram Protocol, UDP），要求的資源開銷和網路帶寬很小，能有效地避免擁塞，同時該協議是TCP/IP的應用層協議，支持TCP/IP的網路都可以使用這種方法進行校時，追溯系統涉及多種異質網路和設備絕大多數都對TCP/IP協議提供了很好的支持，因此可以不關心異質網路和設備之間的差別，實作追溯系統內整體的時間的同步，

測驗表明NTP時間同步網路在廣域網范圍內可以達到幾個毫秒的精度，完全可以滿足追溯系統對時間同步精度的要求，目前的產品質量追溯系統的資料庫結構包括中央資料庫和并列資料庫，采用的也不一定都是時間同步網路結構的三級結構，這時也可以直接將三級網路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定、可靠、成本較低的時鐘源，其它設備都通過NTP協議方式與該時鐘源進行時間校準，即可以實作整個系統內的時鐘同步，時間同步網路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路支持TCP/IP協議，即可以構成一個完整的系統時間同步網路，實作新加入設備的時間與原有設備一致，

3、系統時間同步網路的特點

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

2）整個網路的成本較低，僅需要增加作為時鐘源的衛星硬體設備；

3）具有較大的靈活性，可以根據實際追溯系統的結構和現有網路情況調整網路的級別，可以隨時加入或減少連結到網路的設備；

4）系統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，還可以在網路或設備存在故障時起到分流和備用的作用，增強了系統作業的可靠性和穩定性；

5）整個系統的負載較小，一個NTP資料包的位元組數僅為幾十個位元組，且第三級設備校時的頻率是在每30min內進行2次，系統開銷非常小，

4、結論

本文從分析NTP協議入手，結合產品質量追溯系統的結構特點，提出了基于NTP的時間同步辦法，建立了系統時間同步網路，并將時間同步的服務端和客戶端封裝為獨立的類別庫，以實作與各種現有系統的裝配，與現有系統進行集成裝配的應用表明，基于NTP的時間同步網路負載較小，是產品質量安全追溯系統中實作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定可靠地實作系統的時間同步，

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