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药食品质量安全追溯系统的网络结构特点及应用

北斗时间同步器（NTP授时服务器）应用安全溯源系统

北斗时间同步器（NTP授时服务器）应用安全溯源系统

摘要：药品和食品质量安全追溯系统中的计算机设备必须保持精确的时间同步，以保证药品和食品各种相关信息的记录准确可靠。基于网络时间协议（NTP），结合安全溯源系统的网络结构特点，设计了一种低成本、低负载、可靠的时间同步方案。网络时间同步网络由服务器级、分区服务器级、生产、销售企业或组织级三个层次组成，可根据实际情况灵活调整。时间同步服务器和客户端的实现以动态链接库的形式封装到单独的类库中，这很容易与现有的追溯系统集成。系统内各设备的时间同步精度可达几十毫秒，满足药品和食品安全追溯要求。

介绍

药品食品质量安全追溯体系要求详细记录产品生产、加工、运输、销售等各个环节的过程档案信息，以实现源头追溯、流程追溯、信息存储、产品召回等目标。追溯体系是促进生产信息透明化、提高食品卫生安全的重要措施。时间信息在过程文件的记录中起着非常重要的作用。需要在整个系统中保持各种计算机设备之间准确的时间同步，以确保准确有效地记录存储各种产品相关信息，并确保这些记录具有可追溯性。分析依据的权威性和可信度。

溯源系统基于各种不同的计算机和网络通信设备工作，这些设备主要依靠自己的时钟振荡器。由于温度和湿度变化、电磁干扰、振荡器老化和生产调试等原因，时钟的振荡频率和标准频率在器件之间存在一定的误差，器件之间存在一定的时间误差。这些误差乍看之下可能微不足道，但长期积累后会产生相当大的影响。同时，在追溯系统中，包括掌上电脑在内的嵌入式设备常用于读取产品标识（条码、电子标签等），现场填写工艺文件数据。这些嵌入式设备大多由电池供电，而他们时钟的不准确则更为突出。往往需要时间校准，以保证文件记录中的时间与标准时间一致。在目前的溯源系统中，设备的时间校准往往取决于用户的习惯，方法往往是参照所选标准手动设置时钟。准确追溯和全过程全面跟踪的要求。

本文基于NTP网络时间同步技术，结合产品质量安全追溯系统的网络结构特点，设计了一种低成本、低负载、相对可靠的时间同步方案，并选择卫星（GPS北斗）作为整个系统的时钟。它构建了一个由三个层次组成的网络时间同步：中央服务器级、分区服务器级、生产、销售企业或组织级。级别可以根据实际情况灵活增加或减少，在时钟源以下的设备级别可以增加新的设备。整个网络稳定可靠，精度高，完全可以满足产品质量追溯的要求。

一、NTP网络时间同步原理

时间同步是指网络中各节点设备的时钟时间和时间间隔与世界标准时间（Time，UTC）同步，保证各设备基于UTC时间的时间信息误差限制在一个足够的范围内。范围小。

NTP（Time，网络时间协议）由美国特拉华大学的David L. Mills教授于1985年提出，用于实现互联网上计算机的精确时间同步。SNTP（Time）的全称是“ Time ”，是一种简化的NTP服务器和NTP客户端策略。它不需要实现NTP协议的所有功能。它的作用是使网络中设备的时钟与标准时钟相匹配。源保持同步。NTP适用于性能差异很大的客户端和服务器，适用于客户端和服务器所在网络存在较大范围的网络延迟和抖动的情况。NTP 协议有两种同步系统时钟的工作模式。一种是广播模式/模式）：这种工作模式适用于高速局域网。服务器定期主动向多个客户端发送时间信息，客户端根据该时间信息校正系统时钟；第二个是客户端/服务器模式。(/模式)，客户端周期性地向定时服务器请求时间信息，并根据双方交换的时间信息同步客户端和NTP服务器之间的时钟。

在客户端/服务器模式下，客户端首先向服务器发送一个 NTP 数据包，其中包含数据包离开客户端时的时间戳 T1。

服务器收到数据包后，填写数据包到达时的时间戳T2和数据包离开时的时间戳T3，然后立即将数据包返回给客户端。客户端收到响应包后，将其填入包中并返回给客户端。客户端可以通过使用四个时间戳和数据包交换的往返延迟（TQ和TR）来计算客户端和服务器之间的时钟偏移ΔT，如图1所示。

现在知道T1、T2、T3、T4和参数TQ、TR，可以得到时钟偏移ΔT的方程如下：

T2=T1+TQ+ΔT (1)

T4=T3+TR-ΔT (2)

假设网络上发送和响应NTP报文的延迟时间TQ和TR相等，根据式（1）和式（2），可得：

由式(3)可以看出，客户端系统时钟偏移ΔT与T1和T2的差值以及T4和T3的差值有关，而与T2和T3的差值无关，即时钟偏移与时钟服务器的响应速度无关。. 客户端根据时钟偏移量ΔT调整自己的系统时钟，使其时间与服务器时间一致。

2.系统时间同步的设计与实现

时间同步在产品质量安全追溯体系中发挥着重要作用。为了保持系统中各个设备之间的时间同步，需要解决四个问题：首先，尽量选择一个非常准确的时间源，以及各个设备与时间源之间的关系。误差值要小；二是自动实现时间同步，消除人为因素；三是降低系统开销，适应现有追溯系统的网络条件，具有更好的扩展能力；四是尽量屏蔽异构网络和设备。之间的区别。系统时间同步的设计方案将一一讨论这些问题。

产品质量安全追溯系统一般由多个子系统组成，包括生产子系统、加工子系统、运输子系统、销售子系统、用户权限配置管理子系统等，这些子系统通过网络工作连接为一个整体。涉及的网络多种多样，包括以太网、无线WLAN网络、GPRS/CDMA无线网络、蓝牙/红外传输网络等。同时，各子系统运行的计算机软硬件环境也大相径庭。为适应现有网络条件，使系统中差异较大的网络和设备环境协同工作，满足不同设备对时间校准的需求，设计了一个相对独立于各个子系统的统一时间同步网络。其结构如图2所示。

整个时间同步网络结构分为三个层次，分别是中央服务器层、分区服务器层、生产销售企业或组织层。每一层包括不同的计算机设备：中央服务器是保存中央数据库的专用计算机，是根据所涉及的产品或行业类型划分的特定服务器，如食品质量追溯中央服务器网络对时设计，设置为国家级或省级。分区服务器是中央服务器和三级设备之间的一台计算机，根据集中填写数据和审核数据的需要而设置。最后一层是实际供应链中企业或集体组织的计算机，涵盖产品生产、加工、运输、销售的各个环节，包括台式电脑、掌上电脑、识别阅读器等各类设备。中央服务器与分区服务器之间采用有线网络环境互连，分区服务器与三级设备之间可采用有线网络环境或无线网络进行通信，充分利用现有网络设备资源。. 一级设备（中央服务器）从标准时钟源获取准确的时间，并将时间提供给二级设备，实现与二级设备的时间同步。先进设备的时间同步。同时，除了向一级设备请求时间校正外，二级设备也可以相互进行时间校正。由于不同通道的网络传输延迟不同，通过向各个通道请求时间校正，可以得到很大的保证。提高了系统的可靠性和时间校准的准确性。同理，当一个三级设备向多个二级设备请求时间校正时，一方面可以获得更准确的时间，另一方面在某个设备出现故障时仍能正常工作。整个时间同步网络相对可靠，可以稳定地实现全网设备的时间同步。除非大部分设备同时瘫痪，否则在本地计算机发生事故时仍能正常工作。

系统采用NTP协议进行时间同步，其传输基于用户数据报协议（User，UDP），对资源开销和网络带宽要求极低，可有效避免拥塞。同时，该协议是 TCP/IP 的应用层协议，任何支持 TCP/IP 的网络都可以使用这种方法进行时间校准。追溯系统大多涉及各种异构的网络和设备，其中大部分都对TCP/IP协议提供了良好的支持。因此，可以忽略异构网络和设备之间的差异，实现溯源系统中的整体时间同步。

测试表明，NTP时间同步网络在广域网中可以达到几毫秒的精度，完全可以满足溯源系统的时间同步精度要求。目前产品质量追溯系统的数据库结构包括中央数据库和并行数据库，不一定采用时间同步网络结构的三级结构。，或者扩展到更多层次，只要选择稳定、可靠、低成本的时钟源，其他设备通过NTP协议与时钟源进行时间校准，就可以实现整个系统的时钟同步。时间同步网络结构的三层结构在设计上具有更大的灵活性。

三、系统时间同步网络的特点

1）以卫星时间作为一级服务器的标准时钟源，使用NTP网口/串口获取卫星时间，误差以毫秒为单位，准确可靠；

2）全网成本低，只需要增加卫星硬件设备作为时钟源；

3）具有更大的灵活性，可根据实际追溯体系结构和现有网络状况调整网络层级，随时增减联网设备；

4）系统以多对多的方式运行，一台服务器对应多台客户端，一台客户端也可以对应多台服务器。当设备发生故障时，起到分流和备份的作用网络对时设计，增强了系统的可靠性和稳定性；

5）整个系统负载小，一个NTP数据包的字节数只有几十个字节，三级设备时间校准的频率每30分钟进行两次，系统开销很大小的。

4。结论

本文从对NTP协议的分析入手，结合产品质量追溯系统的结构特点，提出一种基于NTP的时间同步方法，建立系统时间同步网络，将时间同步服务器和客户端封装成独立的类库。能够与各种现有系统进行组装。与现有系统集成组装的应用表明，基于NTP的时间同步网络负载小，是产品质量安全追溯系统中实现时间同步的有效方法。本文主要讨论了在单一时间源的情况下整个系统的时间校准方法。实际情况可能有很多不同的时间源。

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