一種鐘聯(lián)網系統(tǒng)設計

史亞萍　李雙偉　王波　牛蕾　董言治

摘 要：公共時鐘為保證人們正常有序活動起了重要作用。公共用鐘結構復雜，為了有效地對公共用鐘進行管控，提高公共用鐘的精度和維護管理效率，依據(jù)物聯(lián)網技術，提出了一種鐘聯(lián)網系統(tǒng)，構建了包括感知層、傳輸層、組織層和應用層的系統(tǒng)架構，對各層須解決的問題進行了闡述，并對其關鍵技術進行了設計；實現(xiàn)了公共用鐘網絡化的軟硬件設計。經過三年的運行測試，結果證明：鐘聯(lián)網系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定，公共用鐘對時精度高，達到了設計目標。

關鍵詞：公共用鐘；鐘聯(lián)網；系統(tǒng)架構；網絡化設計；管控中心

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）06-00-03

0 引 言

公共時鐘系統(tǒng)能為公眾提供統(tǒng)一的標準時間，是一種重要的城市基礎設備。隨著我國社會和經濟的發(fā)展，以及科技的進步，人們對公共用鐘提出了更高的要求。目前的公共時鐘系統(tǒng)存在如下問題：第一，網絡地域覆蓋面有限，無法在較大地理范圍內實現(xiàn)公共時鐘時間的統(tǒng)一；第二，公共時鐘的運行狀態(tài)不能實時傳遞給廠家等保障單位，無法對公共時鐘的狀態(tài)進行有效監(jiān)測，以及據(jù)此的預先維修和快速維修。

物聯(lián)網技術的提出為解決上述問題提供了很好的技術手段。狹義的物聯(lián)網指連接物品到物品的網絡，實現(xiàn)物品的智能化識別和管理；廣義的物聯(lián)網則可以看作是信息空間與物理空間的融合，將一切事物數(shù)字化、網絡化，在物品之間、物品與人之間、人與現(xiàn)實環(huán)境之間實現(xiàn)高效信息交互方式，并通過新的服務模式使各種信息技術融入社會行為。

為此，借助于物聯(lián)網概念，本文提出了鐘聯(lián)網技術，主要是利用傳感器技術對公共時鐘實現(xiàn)信息的采集，通過互聯(lián)網把公共時鐘、信息處理設備、保障單位及使用單位連接起來，實現(xiàn)公共時鐘的互聯(lián)化、物聯(lián)化、智能化的融合，在網絡平臺上對公共時鐘的運行狀態(tài)進行管控。鐘聯(lián)網（IoV，Internet of Vehicles）是一種基于運營單位、保障單位和公共用鐘協(xié)同的可控、可管、可運營、可信的開放網絡系統(tǒng)，對人和公共用鐘等靜/動態(tài)信息進行感知和認知，最終實現(xiàn)提高公共用鐘可用性，改善城市服務水平，降低運行成本的目的。經過三年的建設，鐘聯(lián)網已經初具規(guī)模，經過三年的運行測試，結果證明：鐘聯(lián)網系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定，公共用鐘的網絡對時精度高，能對公共用鐘進行快速準確的診斷，保障人員調度快速，減少運營和保障成本，快速達到了設計目標。

1 鐘聯(lián)網系統(tǒng)總體設計

鐘聯(lián)網是利用因特網、移動網、局域網、無線網絡、網絡時鐘同步技術、傳感技術和網絡軟件開發(fā)技術，開發(fā)出面向全國的時間統(tǒng)一和運維服務的綜合支撐平臺，開展公共用鐘的運營和維護服務業(yè)務。

鐘聯(lián)網系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 鐘聯(lián)網系統(tǒng)結構圖

鐘聯(lián)網系統(tǒng)由GPS/北斗時鐘接收器、主備時鐘服務器、網絡中心、因特網、移動網、局域網、無線傳感網、運營單位、保障單位以及眾多的公共時鐘組成。其運行的基本過程為：信息服務中心器從導航衛(wèi)星（GPS和北斗）接收標準時間，通過因特網、移動網絡、局域網和無線網絡的互聯(lián)網將時間傳輸給各公共用鐘，公共用鐘利用獲取的標準時間校準自身時間。公共時鐘狀態(tài)信息、運營人員的信息及保障人員的信息，通過網絡傳送到信息服務中心，信息服務中心對這些信息進行保存并分析處理，根據(jù)處理結果協(xié)同運營人員、調度保障人員對公共用鐘進行合理快速的參數(shù)配置、維護、維修和控制。

鐘聯(lián)網系統(tǒng)具有統(tǒng)一性，包括感知控制層、網絡傳輸層、時間同步層和應用層4部分，如圖2所示。

圖2 鐘聯(lián)網體系結構模型圖

感知控制層主要負責相關數(shù)據(jù)的采集，并實施信息服務中心要求的控制；網絡層負責將采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)傳輸；時間同步層用來進行對公共用鐘對時；應用層包括了眾多節(jié)點、各種數(shù)據(jù)的組織管理和應用。

2 鐘聯(lián)網系統(tǒng)各層次設計

2.1 感知層設計

感知控制層中的采集數(shù)據(jù)來源于保障人員、運營人員、公共用鐘和信息服務中心等。一般地，公共用鐘有電壓、電流、溫濕度、時間指示偏差、外觀等參數(shù)。運營人員有位置，時間安排，公共用鐘的運行記錄，故障記錄保養(yǎng)維護記錄，維修要求等參數(shù)。保障人員有地理位置、工作空閑情況、交通情況、故障記錄、維修情況等參數(shù)。信息服務中心有服務請求事件、網絡連接狀態(tài)等參數(shù)。

感知控制層中的控制數(shù)據(jù)主要有：公共用鐘的時間指示和配置等，保障和運營人員的視頻、音頻和郵件等。這些數(shù)據(jù)由任何能連接鐘聯(lián)網的終端設備提供，這些終端可被信息服務中心感知和控制。

公共用鐘的終端設備組成有：內嵌有感知電壓等參數(shù)的傳感器和儀表，感知外觀的外置圖像傳感器，調整時間指示等參數(shù)的控制器，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拍K。公共用鐘與信息服務中心間的數(shù)據(jù)交互通過通信模塊進行。

運營人員的終端主要有臺式機、智能手機等，運營人員通過它們向信息服務中心上報公共用鐘的狀態(tài)，接受保障人員的服務。

保障人員使用移動維修設備，通過智能手機傳遞自身位置、工作狀態(tài)和公共用鐘維修情況，接受中心保障人員的調度和指導。感知層結構模型如圖3所示。

圖3 感知層結構模型圖

2.2 傳輸層設計

鐘聯(lián)網系統(tǒng)有兩點基本要求：一是要便于快速、低成本地構建；二是要適應鐘聯(lián)網規(guī)模的不斷擴大。為了滿足這兩個要求，基于運營商提供的網絡進行鐘聯(lián)網數(shù)據(jù)傳輸成為技術唯一選擇。目前，鐘聯(lián)網可依托的成熟網絡有：互聯(lián)網、移動通訊、局域網、無線傳感網和工業(yè)現(xiàn)場網等。

我國第三代移動（3G）網絡已經成熟，第四代移動（4G）網絡開始推廣，這是鐘聯(lián)網一個重要的網絡基礎。鐘聯(lián)網中的移動維修設備和智能手機，需要通過移動通信網絡與信息服務中心通信。人們可以通過互聯(lián)網采集科學和生產設備信息，并控制這些設備和相關系統(tǒng)。

基于分組傳輸?shù)木钟蚓W在分布式自動化系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應用，它的數(shù)據(jù)傳輸速率比較高，并且網絡便于擴展和逐漸地演變，所覆蓋的地理范圍達幾十公里，且設備位置也可靈活調整和改變，可提高網絡的可靠性、可用性。

雖然目前的網絡技術已十分成熟，但每種網絡通信都存在其自身缺陷，只有綜合利用各種網絡，才能很好地支撐鐘聯(lián)網的服務要求。鐘聯(lián)網傳輸層結構模型如圖4所示。

圖4 傳輸層結構模型圖

在一定地理范圍內的公共用鐘，通過局域網、無線傳感網、企業(yè)網、485網等技術，將采集的數(shù)據(jù)匯聚到網關，網關進行數(shù)據(jù)整合，處理成標準的網絡模式，通過互聯(lián)網與信息服務中心交互。

鐘聯(lián)網的網絡層建立在現(xiàn)有移動通訊網和互聯(lián)網基礎上，感知層通過各種接入設備與移動通訊網和互聯(lián)網相連?；ヂ?lián)網、移動網、局域網和無線網絡通過接入設備相互連接成一體形成鐘聯(lián)網的傳輸層。

如此設計的鐘聯(lián)網傳輸層，具有適應現(xiàn)有網絡的能力強、通信協(xié)議可直接應用和網絡節(jié)點擴展性強等優(yōu)點。

2.3 同步層設計

保證網內的公共用鐘時間統(tǒng)一，是鐘聯(lián)網最重要的功能，這就涉及到公共用鐘如何與信息服務中心進行時間同步的問題，所謂時鐘同步是指時鐘時間的相對偏移和偏差小于某一規(guī)定值。

時鐘同步協(xié)議規(guī)范是一種交流規(guī)則，關系著鐘聯(lián)網時鐘信息的溝通，需要尋求一個能被普遍接受的標準，建立一個統(tǒng)一的時鐘同步協(xié)議，有兩個基本方法：依托已有的同步協(xié)議；形成新的同步協(xié)議。本文的原則是：對已有協(xié)議進行分析，若能滿足鐘聯(lián)網時鐘要求，就采用已有協(xié)議，以降低鐘聯(lián)網建設成本；若不能滿足要求，則在已有協(xié)議的優(yōu)點上，提出改進的同步協(xié)議。

目前，雙向報文交換是時鐘校正技術的基礎。其思想是：所有需要同步的從節(jié)點向服務節(jié)點發(fā)送同步請求，等待服務節(jié)點回應當前時鐘；從節(jié)點收到一個回應信號后，用該時鐘信號進行計算；利用計算結果校正自身時鐘。

雙向時鐘同步方式如圖5所示。其中，T1是從節(jié)發(fā)送請求報文時節(jié)點的時鐘讀數(shù)；T2是服務節(jié)點接收到從節(jié)點請求報文時服務節(jié)點的時鐘讀數(shù)；T3是服務節(jié)點返回請求報文時服務節(jié)點的時鐘讀數(shù)；T4是從節(jié)點接收到服務節(jié)點返回報文時的從節(jié)點時鐘讀數(shù)。

圖5 雙向報文授時方式

用如下公式可計算從節(jié)點與服務節(jié)點之間的時鐘偏移量和報文傳送延遲：

θ=1/2[（T2-T1）+（T3-T4）] （1）

δ=（T4-T1）+（T3-T2） （2）

其中，T1-T2統(tǒng)稱為時間戳，δ是傳輸延遲，θ是服務節(jié)點和從節(jié)點之間時鐘偏移量估計。知道了θ值就知道了當前的服務節(jié)點時鐘，從節(jié)點可根據(jù)θ值修正自身本地時鐘。

基于雙向報文交換的協(xié)議有：互聯(lián)網中的NTP（Network Time Protocol）協(xié)議，局域網中的PTP協(xié)議，無線傳感網中的TPSN協(xié)議等。工業(yè)現(xiàn)場網，如CAN網絡沒有現(xiàn)成的同步協(xié)議，需依據(jù)雙向報文交換原理，自定義同步協(xié)議。

NTP協(xié)議是個優(yōu)秀的時鐘同步協(xié)議，機制嚴格有效，算法簡單實用，占用的網絡和計算資源也更少，但只適用于物理鏈路相對穩(wěn)定的網絡系統(tǒng)，不支持非對稱網絡，未克服裝有路由器的帶有不確定性的網絡定時。因此客戶機在求取了θ后，對θ做進一步處理，以期減少同步誤差。這些處理算法主要包括[4]：

（1）濾波算法：該算法的功能是確認數(shù)據(jù)包的有效性和從給定時間服務器的時鐘樣本中選取最佳樣本。常用的算法是最小時延算法，即認為δ越小的時鐘樣本得到的同步誤差越小。

（2）選擇算法：該算法是在若干時間參考源中選取最佳的若干參考源。常用的有Intersection算法，即通過交集運算求出包括正確時鐘的最大服務器集合，淘汰錯誤的時間服務器。

（3）聚類算法：該算法對一組指定時間服務器提供的時間信息利用加權平均算法進行分析綜合，得出當前時間信息。

（4）D-S算法：利用D-S理論，對校時偏差的可信度進行判斷。

由于公共用鐘處在不同的網絡環(huán)境中，其與信息服務中心間的時鐘同步需網關轉換。同步層結構模型如圖6所示。

圖6 同步層結構模型圖

2.4 應用層設計

應用層提供多種不同類型服務，包括人機交互、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)存儲、分析診斷、視頻音頻郵件處理、人員調度、故障告警、網絡安全和節(jié)點的組織管理等功能。

由于鐘聯(lián)網的開放性，在實際應用中，鐘聯(lián)網可能會受到各種惡意節(jié)點的攻擊。基于公共用鐘的重要性，如何保證鐘聯(lián)網的信息安全是個重要問題。鐘聯(lián)網能否安全運行成了鐘聯(lián)網能否投入運營的關鍵。因此應用層加入了信息安全管理機制。

鐘聯(lián)網安全問題體現(xiàn)為兩方面：網絡外部惡意節(jié)點攻擊和網絡內部的妥協(xié)節(jié)點攻擊。網絡外部惡意節(jié)點主要是黑客或敵意人員的侵入等，對于網絡外部的惡意節(jié)點，可以采用權限管理和加密的方案；網絡內部攻擊點包括人員的誤操作、信息服務中心時間不準等，對于網絡內部妥協(xié)節(jié)點的攻擊，可采用冗余安全方法。

權限管理是信息系統(tǒng)中常用方法，加密方法的有效性已在實踐中得到了證明[9]。本文采用AES算法與RSA算法的加密算法，AES的密鑰數(shù)據(jù)為128 b，RSA的密鑰數(shù)據(jù)為1 024 b，由密鑰的生成算法構成。

冗余安全方法也稱為2s+l思想，即通過提供冗余報文使網內節(jié)點能夠容忍因妥協(xié)節(jié)點提供的錯誤的信息報文。如公共用鐘與信息服務中心間的時間同步，信息服務中心設置多個時間源，公共用鐘接受至少2s+1個時間源的時鐘信息，在這些時間源中最多有s個惡意節(jié)點；那么公共用鐘的時鐘取這2s+1個時間源的中間值，就可以獲得正確的時鐘信息。

應用層結構模型可設計為如圖7所示。

圖7 應用層結構模型圖

3 結 語

公共用鐘是種重要的基礎設備，人們需要對公共用鐘進行有效地管控，以提高公共用鐘的精度和維護管理效率。本文利用因特網、移動網、局域網、無線網絡、網絡時鐘同步技術、嵌入式控制和網絡軟件開發(fā)技術，開發(fā)出一種鐘聯(lián)網系統(tǒng)，在鐘聯(lián)網體系結構、時間監(jiān)控、數(shù)據(jù)中心架構及應用等方面取得了開創(chuàng)性成果，滿足公共用鐘領域的高標準、高可靠性、高智能化的需求，并依托工程的應用效果，進行相關技術成果的推廣應用，開展鐘聯(lián)網系統(tǒng)的運營和維護服務業(yè)務。

經過3年的運行，測試結果表明：鐘聯(lián)網對時的典型精度小于500 ms，安全性好，運行穩(wěn)定可靠性高，擴展性強，便于管控，能滿足應用要求。

參考文獻

[1]胡向東.物聯(lián)網研究與發(fā)展綜述[J].數(shù)字通信，2010，37（2）：17-21.

[2] 袁葉，李偉華.支持物聯(lián)網的三大技術[J].物聯(lián)網技術，2011，1（1）：70-71.

[3]張毅，蘭麗慧.物聯(lián)網傳感模塊的通信接口研究與應用實現(xiàn)[J].電子技術應用，2013，39（2）：70-73.

[4]沈蘇彬，范曲立，宗平，等.物聯(lián)網的體系結構與相關技術研究[J].南京郵電大學學報（自然科學版），2009，29（6）：1-11.

[5]赦文江，武捷.物聯(lián)網技術安全問題探析[J].信息網絡安全，2010（1）：49-50.

[6]張建成，宋麗華，鹿全禮，等.云計算方案分析研究[J].計算機技術與發(fā)展，2012，22（1）：165-171.

[7]黃沛芳.基于NTP的高精度時鐘同步系統(tǒng)實現(xiàn)[J].電子技術應用，2009（7）：121-124.

[8]邱芬，陳孝良，馬龍華，等.PTP精密時鐘同步原理分析[J].微計算機應用，2009，30（10）：18-22.

[9]李鳳保，蔣義援，潘澤友.無線傳感器網絡時鐘同步技術綜述[J].儀器儀表學報， 2006，27（z1）：355-357.