一种钟联网系统设计

史亚萍　李双伟　王波　牛蕾　董言治

摘 要：公共时钟为保证人们正常有序活动起了重要作用。公共用钟结构复杂，为了有效地对公共用钟进行管控，提高公共用钟的精度和维护管理效率，依据物联网技术，提出了一种钟联网系统，构建了包括感知层、传输层、组织层和应用层的系统架构，对各层须解决的问题进行了阐述，并对其关键技术进行了设计；实现了公共用钟网络化的软硬件设计。经过三年的运行测试，结果证明：钟联网系统运行可靠稳定，公共用钟对时精度高，达到了设计目标。

关键词：公共用钟；钟联网；系统架构；网络化设计；管控中心

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）06-00-03

0 引 言

公共时钟系统能为公众提供统一的标准时间，是一种重要的城市基础设备。随着我国社会和经济的发展，以及科技的进步，人们对公共用钟提出了更高的要求。目前的公共时钟系统存在如下问题：第一，网络地域覆盖面有限，无法在较大地理范围内实现公共时钟时间的统一；第二，公共时钟的运行状态不能实时传递给厂家等保障单位，无法对公共时钟的状态进行有效监测，以及据此的预先维修和快速维修。

物联网技术的提出为解决上述问题提供了很好的技术手段。狭义的物联网指连接物品到物品的网络，实现物品的智能化识别和管理；广义的物联网则可以看作是信息空间与物理空间的融合，将一切事物数字化、网络化，在物品之间、物品与人之间、人与现实环境之间实现高效信息交互方式，并通过新的服务模式使各种信息技术融入社会行为。

为此，借助于物联网概念，本文提出了钟联网技术，主要是利用传感器技术对公共时钟实现信息的采集，通过互联网把公共时钟、信息处理设备、保障单位及使用单位连接起来，实现公共时钟的互联化、物联化、智能化的融合，在网络平台上对公共时钟的运行状态进行管控。钟联网（IoV，Internet of Vehicles）是一种基于运营单位、保障单位和公共用钟协同的可控、可管、可运营、可信的开放网络系统，对人和公共用钟等静/动态信息进行感知和认知，最终实现提高公共用钟可用性，改善城市服务水平，降低运行成本的目的。经过三年的建设，钟联网已经初具规模，经过三年的运行测试，结果证明：钟联网系统运行可靠稳定，公共用钟的网络对时精度高，能对公共用钟进行快速准确的诊断，保障人员调度快速，减少运营和保障成本，快速达到了设计目标。

1 钟联网系统总体设计

钟联网是利用因特网、移动网、局域网、无线网络、网络时钟同步技术、传感技术和网络软件开发技术，开发出面向全国的时间统一和运维服务的综合支撑平台，开展公共用钟的运营和维护服务业务。

钟联网系统结构如图1所示。

图1 钟联网系统结构图

钟联网系统由GPS/北斗时钟接收器、主备时钟服务器、网络中心、因特网、移动网、局域网、无线传感网、运营单位、保障单位以及众多的公共时钟组成。其运行的基本过程为：信息服务中心器从导航卫星（GPS和北斗）接收标准时间，通过因特网、移动网络、局域网和无线网络的互联网将时间传输给各公共用钟，公共用钟利用获取的标准时间校准自身时间。公共时钟状态信息、运营人员的信息及保障人员的信息，通过网络传送到信息服务中心，信息服务中心对这些信息进行保存并分析处理，根据处理结果协同运营人员、调度保障人员对公共用钟进行合理快速的参数配置、维护、维修和控制。

钟联网系统具有统一性，包括感知控制层、网络传输层、时间同步层和应用层4部分，如图2所示。

图2 钟联网体系结构模型图

感知控制层主要负责相关数据的采集，并实施信息服务中心要求的控制；网络层负责将采集的数据进行数据传输；时间同步层用来进行对公共用钟对时；应用层包括了众多节点、各种数据的组织管理和应用。

2 钟联网系统各层次设计

2.1 感知层设计

感知控制层中的采集数据来源于保障人员、运营人员、公共用钟和信息服务中心等。一般地，公共用钟有电压、电流、温湿度、时间指示偏差、外观等参数。运营人员有位置，时间安排，公共用钟的运行记录，故障记录保养维护记录，维修要求等参数。保障人员有地理位置、工作空闲情况、交通情况、故障记录、维修情况等参数。信息服务中心有服务请求事件、网络连接状态等参数。

感知控制层中的控制数据主要有：公共用钟的时间指示和配置等，保障和运营人员的视频、音频和邮件等。这些数据由任何能连接钟联网的终端设备提供，这些终端可被信息服务中心感知和控制。

公共用钟的终端设备组成有：内嵌有感知电压等参数的传感器和仪表，感知外观的外置图像传感器，调整时间指示等参数的控制器，保证数据传输的通信模块。公共用钟与信息服务中心间的数据交互通过通信模块进行。

运营人员的终端主要有台式机、智能手机等，运营人员通过它们向信息服务中心上报公共用钟的状态，接受保障人员的服务。

保障人员使用移动维修设备，通过智能手机传递自身位置、工作状态和公共用钟维修情况，接受中心保障人员的调度和指导。感知层结构模型如图3所示。

图3 感知层结构模型图

2.2 传输层设计

钟联网系统有两点基本要求：一是要便于快速、低成本地构建；二是要适应钟联网规模的不断扩大。为了满足这两个要求，基于运营商提供的网络进行钟联网数据传输成为技术唯一选择。目前，钟联网可依托的成熟网络有：互联网、移动通讯、局域网、无线传感网和工业现场网等。

我国第三代移动（3G）网络已经成熟，第四代移动（4G）网络开始推广，这是钟联网一个重要的网络基础。钟联网中的移动维修设备和智能手机，需要通过移动通信网络与信息服务中心通信。人们可以通过互联网采集科学和生产设备信息，并控制这些设备和相关系统。

基于分组传输的局域网在分布式自动化系统中得到了日益广泛的应用，它的数据传输速率比较高，并且网络便于扩展和逐渐地演变，所覆盖的地理范围达几十公里，且设备位置也可灵活调整和改变，可提高网络的可靠性、可用性。

虽然目前的网络技术已十分成熟，但每种网络通信都存在其自身缺陷，只有综合利用各种网络，才能很好地支撑钟联网的服务要求。钟联网传输层结构模型如图4所示。

图4 传输层结构模型图

在一定地理范围内的公共用钟，通过局域网、无线传感网、企业网、485网等技术，将采集的数据汇聚到网关，网关进行数据整合，处理成标准的网络模式，通过互联网与信息服务中心交互。

钟联网的网络层建立在现有移动通讯网和互联网基础上，感知层通过各种接入设备与移动通讯网和互联网相连。互联网、移动网、局域网和无线网络通过接入设备相互连接成一体形成钟联网的传输层。

如此设计的钟联网传输层，具有适应现有网络的能力强、通信协议可直接应用和网络节点扩展性强等优点。

2.3 同步层设计

保证网内的公共用钟时间统一，是钟联网最重要的功能，这就涉及到公共用钟如何与信息服务中心进行时间同步的问题，所谓时钟同步是指时钟时间的相对偏移和偏差小于某一规定值。

时钟同步协议规范是一种交流规则，关系着钟联网时钟信息的沟通，需要寻求一个能被普遍接受的标准，建立一个统一的时钟同步协议，有两个基本方法：依托已有的同步协议；形成新的同步协议。本文的原则是：对已有协议进行分析，若能满足钟联网时钟要求，就采用已有协议，以降低钟联网建设成本；若不能满足要求，则在已有协议的优点上，提出改进的同步协议。

目前，双向报文交换是时钟校正技术的基础。其思想是：所有需要同步的从节点向服务节点发送同步请求，等待服务节点回应当前时钟；从节点收到一个回应信号后，用该时钟信号进行计算；利用计算结果校正自身时钟。

双向时钟同步方式如图5所示。其中，T1是从节发送请求报文时节点的时钟读数；T2是服务节点接收到从节点请求报文时服务节点的时钟读数；T3是服务节点返回请求报文时服务节点的时钟读数；T4是从节点接收到服务节点返回报文时的从节点时钟读数。

图5 双向报文授时方式

用如下公式可计算从节点与服务节点之间的时钟偏移量和报文传送延迟：

θ=1/2[（T2-T1）+（T3-T4）] （1）

δ=（T4-T1）+（T3-T2） （2）

其中，T1-T2统称为时间戳，δ是传输延迟，θ是服务节点和从节点之间时钟偏移量估计。知道了θ值就知道了当前的服务节点时钟，从节点可根据θ值修正自身本地时钟。

基于双向报文交换的协议有：互联网中的NTP（Network Time Protocol）协议，局域网中的PTP协议，无线传感网中的TPSN协议等。工业现场网，如CAN网络没有现成的同步协议，需依据双向报文交换原理，自定义同步协议。

NTP协议是个优秀的时钟同步协议，机制严格有效，算法简单实用，占用的网络和计算资源也更少，但只适用于物理链路相对稳定的网络系统，不支持非对称网络，未克服装有路由器的带有不确定性的网络定时。因此客户机在求取了θ后，对θ做进一步处理，以期减少同步误差。这些处理算法主要包括[4]：

（1）滤波算法：该算法的功能是确认数据包的有效性和从给定时间服务器的时钟样本中选取最佳样本。常用的算法是最小时延算法，即认为δ越小的时钟样本得到的同步误差越小。

（2）选择算法：该算法是在若干时间参考源中选取最佳的若干参考源。常用的有Intersection算法，即通过交集运算求出包括正确时钟的最大服务器集合，淘汰错误的时间服务器。

（3）聚类算法：该算法对一组指定时间服务器提供的时间信息利用加权平均算法进行分析综合，得出当前时间信息。

（4）D-S算法：利用D-S理论，对校时偏差的可信度进行判断。

由于公共用钟处在不同的网络环境中，其与信息服务中心间的时钟同步需网关转换。同步层结构模型如图6所示。

图6 同步层结构模型图

2.4 应用层设计

应用层提供多种不同类型服务，包括人机交互、参数配置、数据存储、分析诊断、视频音频邮件处理、人员调度、故障告警、网络安全和节点的组织管理等功能。

由于钟联网的开放性，在实际应用中，钟联网可能会受到各种恶意节点的攻击。基于公共用钟的重要性，如何保证钟联网的信息安全是个重要问题。钟联网能否安全运行成了钟联网能否投入运营的关键。因此应用层加入了信息安全管理机制。

钟联网安全问题体现为两方面：网络外部恶意节点攻击和网络内部的妥协节点攻击。网络外部恶意节点主要是黑客或敌意人员的侵入等，对于网络外部的恶意节点，可以采用权限管理和加密的方案；网络内部攻击点包括人员的误操作、信息服务中心时间不准等，对于网络内部妥协节点的攻击，可采用冗余安全方法。

权限管理是信息系统中常用方法，加密方法的有效性已在实践中得到了证明[9]。本文采用AES算法与RSA算法的加密算法，AES的密钥数据为128 b，RSA的密钥数据为1 024 b，由密钥的生成算法构成。

冗余安全方法也称为2s+l思想，即通过提供冗余报文使网内节点能够容忍因妥协节点提供的错误的信息报文。如公共用钟与信息服务中心间的时间同步，信息服务中心设置多个时间源，公共用钟接受至少2s+1个时间源的时钟信息，在这些时间源中最多有s个恶意节点；那么公共用钟的时钟取这2s+1个时间源的中间值，就可以获得正确的时钟信息。

应用层结构模型可设计为如图7所示。

图7 应用层结构模型图

3 结 语

公共用钟是种重要的基础设备，人们需要对公共用钟进行有效地管控，以提高公共用钟的精度和维护管理效率。本文利用因特网、移动网、局域网、无线网络、网络时钟同步技术、嵌入式控制和网络软件开发技术，开发出一种钟联网系统，在钟联网体系结构、时间监控、数据中心架构及应用等方面取得了开创性成果，满足公共用钟领域的高标准、高可靠性、高智能化的需求，并依托工程的应用效果，进行相关技术成果的推广应用，开展钟联网系统的运营和维护服务业务。

经过3年的运行，测试结果表明：钟联网对时的典型精度小于500 ms，安全性好，运行稳定可靠性高，扩展性强，便于管控，能满足应用要求。

参考文献

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