P2P网络模式下测量设备溯源系统设计

郑晓健，郑晓兰，李 彤

（1. 昆明理工大学津桥学院 电信与信息工程学院，云南 昆明 650106；2. 云南省计量测试技术研究院，云南 昆明 650228；3. 云南农业大学 大数据学院，云南 昆明 650201）

0 引言

企业控制产品质量离不开测量设备，计量法规定企事业单位使用测量设备进行测量检定，出具的检定数据必须通过溯源评定，并达到国家或国际的量值统一标准。为了确保测量设备给出的数值准确可靠，国家严格要求测量设备要进行定期检定和校准。由于计量法有强制规定，企业、计量检定和质量监测机构对质量有管控需求，使得企事业单位必须对大量测量设备进行定期检定、校准和溯源追踪。

目前，测量设备溯源追踪主要还是由各单位计量检定人员手工完成，工作量较大，经常会由于人为疏忽，造成测量设备不能按时溯源、检测周期脱节、设备的状况评估不完整，影响了设备的正常使用。因此研制测量设备量值检定与校准溯源管理软件，改善工作现状，提高检定及管理的工作效率，对于各企事业单位有积极的意义。

通过需求分析发现，除了用户提出的操作频度不是很高的溯源设备综合联查和系统基础信息要求共享以外，系统各部分的功能相对独立。另外，用户对系统扩展性有一定要求，提出要能够比较方便地添加检定点，经过综合考虑决定采用对等网络（peer to peer，P2P）架构[1]，带来的好处是可以提高系统的健壮性[2]、扩展性、平衡工作负荷[3-4]。

1 P2P架构的分布式应用

分布式应用系统可以采用P2P架构来设计和实现。P2P网络是一种局域网的组网方式[5]。P2P网络的所有节点处于对等的地位，每个P2P节点既向其他节点提供服务，也请求其他节点的服务[6]，而CS架构主要依靠服务器作为关键性节点提供系统服务[7]。P2P的网络资源和服务分布在各 P2P节点上，P2P节点间以点对点方式直接互访，通过相互交换各种消息来提供资源和服务，协同完成分布式任务[6]，P2P网络减少了对特定的关键性的节点的依赖，因此具有较高的可扩展性、健壮性、负载平衡能力。所以，可以将相应的应用模块部署到P2P节点中，实现以信息资源共享为基础的分布式应用系统。

采用P2P架构设计应用系统时须保持P2P网络的特征[4-8]：

（1）可扩展性。随着新 P2P节点的加入，P2P网络的共享资源数量和服务能力可能会提升，节点间的通信路径会增加，通信能力也会加强，系统性能一般不会降低[3]。

（2）健壮性。设计时要考虑到P2P节点在加入和退出时的自由性，即保证节点加入后可以快速发挥新节点的资源的效能，退出后不影响系统性能，避免P2P 网络节点失效带来的风险。

（3）负载均衡。当P2P网络负载发生变化时每个节点都可以分担任务[8]。参与任务分担的节点通过点对点直接通信，按照资源状况协同提供服务能力，使网络的负载得到平衡。

2 对等网络系统设计

2.1 系统功能模块设计

根据用户提出的功能需求，系统主要包括设备管理、设备检定管理、设备溯源审批管理、系统维护和信息服务等功能模块。由计量规程知道，测量设备的生命周期呈现为5种状态：新购、待审、溯源监控、停用和退出，并构成循环检定周期，如图1所示。因此按照规程设计的本系统的功能体系，涵盖了测量设备溯源管理的全部需求。

图1 测量设备状态转换Fig.1 Measuring equipment state conversion

（1）设备管理

设备管理负责将新购设备纳入溯源管理和所有设备的信息维护。主要完成设备信息的建立、查询、修改等管理。建立设备信息模块完成设备基本信息档案的建立，设备基本信息包括设备号、设备名称、出厂编号、购入日期、设备状态等。查询设备信息模块提供对系统中所有设备的基本信息的单项或组合模式查询。设备信息修改模块完成设备档案信息的内容维护。用户要求可以在多个检定点进行设备溯源管理，整体上达到数据一致要求。

（2）设备检定管理

设备检定管理贯穿在设备的整个生命周期中是溯源管理工作的主要部分，包括四项功能：检定设备、审批新设备、查看到期设备、查询检定历史。检定设备时，通过简捷的查询方法快速查到要检定的设备，显示该设备的所有基本信息，然后查看设备的所有历史检定记录或停用记录，根据检定结果给出设备检定结论，建立设备检定记录。新设备审批时，同样先要查询到待审批的设备，然后根据检定结果和相关数据给出检定结论，建立审批设备记录。查看到期设备时，可以查看到溯源提前期内所有设备，查看设备待检情况和具体统计数据。查询检定历史时，可以输入不同条件查询设备检定记录，查看该设备的检定历史信息。

（3）设备溯源审批管理

设备溯源审批管理包括：溯源审批、设备监控、设备停用、设备退出、溯源记录等模块。溯源审批时，先查看设备基本信息和检定数据，给出审批结论，然后登记审批和溯源信息。设备监控管理目的是建立设备监控记录，记录设备监控信息。设备停用管理和设备退出要求可以查看系统中设备停用和退出记录，进行状态监控。

（4）系统维护和信息服务

系统中节点的共享信息包括测量设备基本信息、设置预报提前期、检定人员维护、设置单位名称等系统基础信息，要求保证数据一致性。因此，系统维护和信息服务节点的主要功能包括：系统基础信息管理、系统网络信息同步、网络用户访问权限管理、网络节点连接信息的同步和状态监控。

2.2 P2P集中式架构设计

本系统采用如图2所示的P2P集中式架构。用户单位的设备检定工作分布在多个场所，并已通过局域网连接。设备溯源管理的功能模块布置到 P2P节点中，每个节点可以根据需要安排多个功能模块。P2P集中式架构设计详情如下。

图2 系统组成结构图Fig.2 System composition structure diagram

（1）由于各节点的所有检定环节均涉及到系统基础信息，形成一对多关系，要求保证数据一致性。如果各节点都存放系统基础信息的备份，发生数据变动时要随时保持数据一致性就比较困难，所以宜采用集中式存放和维护，即建立网络统一的系统维护和信息服务节点，通过网络信息的刷新和同步，保证各子系统之间连接的畅通和信息交换，实现系统维护和信息服务功能。

系统基础信息包括测量设备表、单位名称表、预报提前期表、用户表、P2P节点信息表。测量设备表、P2P节点信息表的信息由P2P节点收集，并提交系统维护与信息服务节点更新。单位名称表、预报提前期表、用户表由系统维护与信息服务节点统一建立和管理。P2P节点信息表保存所有P2P节点的连接信息，包括：编号、节点IP地址、业务类型、活动状态。P2P节点信息表是为了维系P2P节点的连接。各P2P节点对系统基本信息有需求时，可以向系统信息服务节点发送请求消息，系统维护和信息服务节点完成请求的处理后向P2P节点返回结果。

（2）各子系统功能相对独立，检定业务数据分布在P2P节点的数据库中便于处理。尽管系统维护与信息服务节点与各P2P节点上的子系统有信息交换，溯源管理节点间有联合查询等需求，但它们彼此间的操作频度不高。如果采用CS或BS的集中式数据库和服务器架构，使各子系统节点间的依赖关系增大，系统可靠性会降低，服务器的工作负荷加大，扩展性不好。

（3）设备检定数据分散保存在P2P节点的数据库中，由子系统维护，包括：设备检定表、设备检定证书表、设备启用表、设备溯源表、设备停用表、设备退出表、设备状态表、系统日志。

2.3 P2P节点通信设计

P2P信息通信架构[8]如图3所示，包括：P2P消息收发、消息解析与任务调度、P2P节点注册管理、P2P节点状态监测、各种业务功能等模块。

（1）P2P节点消息收发与解析。P2P节点之间的通信采用TCP协议，通过TCP协议提供的机制保证消息及资源传输的可靠性。P2P节点监听连接请求端口，有连接请求时创建消息接收线程，建立socket通信连接并接收消息，通过应用层通信协议解析消息，任务调度发送消息给业务处理模块完成相应的处理。

（2）P2P节点注册和退出。P2P节点间的通信需要各节点的IP地址和端口号等信息，在系统维护和信息服务节点建立节点目录表管理节点信息，它向节点定期传送或由节点请求刷新目录，保证节点间的通信。P2P节点要加入系统，需发送登陆消息到系统维护和信息服务节点注册，收到消息后，从消息中获得登陆节点的IP地址、端口号、用户信息、业务类型等节点信息记录到节点目录表。P2P节点退出时向系统服务节点发送离线消息，系统维护和信息服务节点维护节点目录表，记录节点的变化。

（3）P2P节点状态检测。由于网络环境等因素的影响，可能导致网络连接中断，因此系统维护和信息服务节点定时向各节点发送“心跳检测消息”，监测节点的在线状态，反映节点的连接情况。

（4）P2P信息同步。在系统维护和信息服务节点，当系统信息更新时要向所有相关节点发刷新消息，通知信息有变需要同步。

（5）溯源管理业务处理。各P2P节点的溯源管理主要在本地进行，处理的信息分散在节点上。溯源检定和审批中需要多节点联查，向相关P2P节点发送联查消息，节点收到并处理联查消息后返回结果，再汇总和分析结果。

3 系统软件设计与实现

溯源管理系统的类图如图4所示。P2P节点间的通信由通信类完成，接收消息和解析由消息收发类完成，通过任务调度，由相关溯源管理模块完成消息处理。P2P节点的主控类按用户访问权限为P2P节点配置业务模块，用户登陆处理流程为：P2P节点发送用户验证消息给系统维护和信息服务节点，系统维护和信息服务节点按照系统设定的用户访问权限进行验证，返回验证结果，该P2P节点根据验证结果打开业务模块，如图5所示。一个P2P节点可配置多个模块，从而检定工作可以在多个的 P2P节点进行。

本系统软件采用 Microsoft Visual C++6.0、Microsoft Visual Basic6.0、Microsoft Access2010编程实现。

图5 设备检定界面Fig.5 Equipment verification interface

4 结束语

本文介绍了一种基于 P2P 网络结构的测量设备溯源管理系统，系统能够满足企事业单位管理的测量设备溯源管理的需求。P2P网络系统提高了系统的可靠性、扩展性和灵活性，工作效率也得到提升。经实验验证，系统运行稳定，可为同类系统在小型分布式应用方面的设计和实现提供经验。下一步准备在更大范围的企事业单位推广应用，并且利用面向领域主题的智能搜索引擎技术[9]，实现测量设备信息的全网络智能检索，获取更多与设备相关的溯源信息，使计量设备检定工作拥有更全面的数据资料。另外，运用区块链技术解决P2P网络安全性的问题[10]，提高系统的稳定性和适应性。