P2P網(wǎng)絡(luò)模式下測量設(shè)備溯源系統(tǒng)設(shè)計

鄭曉健，鄭曉蘭，李 彤

（1. 昆明理工大學(xué)津橋?qū)W院 電信與信息工程學(xué)院，云南 昆明 650106；2. 云南省計量測試技術(shù)研究院，云南 昆明 650228；3. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 大數(shù)據(jù)學(xué)院，云南 昆明 650201）

0 引言

企業(yè)控制產(chǎn)品質(zhì)量離不開測量設(shè)備，計量法規(guī)定企事業(yè)單位使用測量設(shè)備進(jìn)行測量檢定，出具的檢定數(shù)據(jù)必須通過溯源評定，并達(dá)到國家或國際的量值統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。為了確保測量設(shè)備給出的數(shù)值準(zhǔn)確可靠，國家嚴(yán)格要求測量設(shè)備要進(jìn)行定期檢定和校準(zhǔn)。由于計量法有強制規(guī)定，企業(yè)、計量檢定和質(zhì)量監(jiān)測機構(gòu)對質(zhì)量有管控需求，使得企事業(yè)單位必須對大量測量設(shè)備進(jìn)行定期檢定、校準(zhǔn)和溯源追蹤。

目前，測量設(shè)備溯源追蹤主要還是由各單位計量檢定人員手工完成，工作量較大，經(jīng)常會由于人為疏忽，造成測量設(shè)備不能按時溯源、檢測周期脫節(jié)、設(shè)備的狀況評估不完整，影響了設(shè)備的正常使用。因此研制測量設(shè)備量值檢定與校準(zhǔn)溯源管理軟件，改善工作現(xiàn)狀，提高檢定及管理的工作效率，對于各企事業(yè)單位有積極的意義。

通過需求分析發(fā)現(xiàn)，除了用戶提出的操作頻度不是很高的溯源設(shè)備綜合聯(lián)查和系統(tǒng)基礎(chǔ)信息要求共享以外，系統(tǒng)各部分的功能相對獨立。另外，用戶對系統(tǒng)擴展性有一定要求，提出要能夠比較方便地添加檢定點，經(jīng)過綜合考慮決定采用對等網(wǎng)絡(luò)（peer to peer，P2P）架構(gòu)[1]，帶來的好處是可以提高系統(tǒng)的健壯性[2]、擴展性、平衡工作負(fù)荷[3-4]。

1 P2P架構(gòu)的分布式應(yīng)用

分布式應(yīng)用系統(tǒng)可以采用P2P架構(gòu)來設(shè)計和實現(xiàn)。P2P網(wǎng)絡(luò)是一種局域網(wǎng)的組網(wǎng)方式[5]。P2P網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點處于對等的地位，每個P2P節(jié)點既向其他節(jié)點提供服務(wù)，也請求其他節(jié)點的服務(wù)[6]，而CS架構(gòu)主要依靠服務(wù)器作為關(guān)鍵性節(jié)點提供系統(tǒng)服務(wù)[7]。P2P的網(wǎng)絡(luò)資源和服務(wù)分布在各 P2P節(jié)點上，P2P節(jié)點間以點對點方式直接互訪，通過相互交換各種消息來提供資源和服務(wù)，協(xié)同完成分布式任務(wù)[6]，P2P網(wǎng)絡(luò)減少了對特定的關(guān)鍵性的節(jié)點的依賴，因此具有較高的可擴展性、健壯性、負(fù)載平衡能力。所以，可以將相應(yīng)的應(yīng)用模塊部署到P2P節(jié)點中，實現(xiàn)以信息資源共享為基礎(chǔ)的分布式應(yīng)用系統(tǒng)。

采用P2P架構(gòu)設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)時須保持P2P網(wǎng)絡(luò)的特征[4-8]：

（1）可擴展性。隨著新 P2P節(jié)點的加入，P2P網(wǎng)絡(luò)的共享資源數(shù)量和服務(wù)能力可能會提升，節(jié)點間的通信路徑會增加，通信能力也會加強，系統(tǒng)性能一般不會降低[3]。

（2）健壯性。設(shè)計時要考慮到P2P節(jié)點在加入和退出時的自由性，即保證節(jié)點加入后可以快速發(fā)揮新節(jié)點的資源的效能，退出后不影響系統(tǒng)性能，避免P2P 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點失效帶來的風(fēng)險。

（3）負(fù)載均衡。當(dāng)P2P網(wǎng)絡(luò)負(fù)載發(fā)生變化時每個節(jié)點都可以分擔(dān)任務(wù)[8]。參與任務(wù)分擔(dān)的節(jié)點通過點對點直接通信，按照資源狀況協(xié)同提供服務(wù)能力，使網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載得到平衡。

2 對等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

根據(jù)用戶提出的功能需求，系統(tǒng)主要包括設(shè)備管理、設(shè)備檢定管理、設(shè)備溯源審批管理、系統(tǒng)維護(hù)和信息服務(wù)等功能模塊。由計量規(guī)程知道，測量設(shè)備的生命周期呈現(xiàn)為5種狀態(tài)：新購、待審、溯源監(jiān)控、停用和退出，并構(gòu)成循環(huán)檢定周期，如圖1所示。因此按照規(guī)程設(shè)計的本系統(tǒng)的功能體系，涵蓋了測量設(shè)備溯源管理的全部需求。

圖1 測量設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換Fig.1 Measuring equipment state conversion

（1）設(shè)備管理

設(shè)備管理負(fù)責(zé)將新購設(shè)備納入溯源管理和所有設(shè)備的信息維護(hù)。主要完成設(shè)備信息的建立、查詢、修改等管理。建立設(shè)備信息模塊完成設(shè)備基本信息檔案的建立，設(shè)備基本信息包括設(shè)備號、設(shè)備名稱、出廠編號、購入日期、設(shè)備狀態(tài)等。查詢設(shè)備信息模塊提供對系統(tǒng)中所有設(shè)備的基本信息的單項或組合模式查詢。設(shè)備信息修改模塊完成設(shè)備檔案信息的內(nèi)容維護(hù)。用戶要求可以在多個檢定點進(jìn)行設(shè)備溯源管理，整體上達(dá)到數(shù)據(jù)一致要求。

（2）設(shè)備檢定管理

設(shè)備檢定管理貫穿在設(shè)備的整個生命周期中是溯源管理工作的主要部分，包括四項功能：檢定設(shè)備、審批新設(shè)備、查看到期設(shè)備、查詢檢定歷史。檢定設(shè)備時，通過簡捷的查詢方法快速查到要檢定的設(shè)備，顯示該設(shè)備的所有基本信息，然后查看設(shè)備的所有歷史檢定記錄或停用記錄，根據(jù)檢定結(jié)果給出設(shè)備檢定結(jié)論，建立設(shè)備檢定記錄。新設(shè)備審批時，同樣先要查詢到待審批的設(shè)備，然后根據(jù)檢定結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)給出檢定結(jié)論，建立審批設(shè)備記錄。查看到期設(shè)備時，可以查看到溯源提前期內(nèi)所有設(shè)備，查看設(shè)備待檢情況和具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)。查詢檢定歷史時，可以輸入不同條件查詢設(shè)備檢定記錄，查看該設(shè)備的檢定歷史信息。

（3）設(shè)備溯源審批管理

設(shè)備溯源審批管理包括：溯源審批、設(shè)備監(jiān)控、設(shè)備停用、設(shè)備退出、溯源記錄等模塊。溯源審批時，先查看設(shè)備基本信息和檢定數(shù)據(jù)，給出審批結(jié)論，然后登記審批和溯源信息。設(shè)備監(jiān)控管理目的是建立設(shè)備監(jiān)控記錄，記錄設(shè)備監(jiān)控信息。設(shè)備停用管理和設(shè)備退出要求可以查看系統(tǒng)中設(shè)備停用和退出記錄，進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控。

（4）系統(tǒng)維護(hù)和信息服務(wù)

系統(tǒng)中節(jié)點的共享信息包括測量設(shè)備基本信息、設(shè)置預(yù)報提前期、檢定人員維護(hù)、設(shè)置單位名稱等系統(tǒng)基礎(chǔ)信息，要求保證數(shù)據(jù)一致性。因此，系統(tǒng)維護(hù)和信息服務(wù)節(jié)點的主要功能包括：系統(tǒng)基礎(chǔ)信息管理、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息同步、網(wǎng)絡(luò)用戶訪問權(quán)限管理、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連接信息的同步和狀態(tài)監(jiān)控。

2.2 P2P集中式架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)采用如圖2所示的P2P集中式架構(gòu)。用戶單位的設(shè)備檢定工作分布在多個場所，并已通過局域網(wǎng)連接。設(shè)備溯源管理的功能模塊布置到 P2P節(jié)點中，每個節(jié)點可以根據(jù)需要安排多個功能模塊。P2P集中式架構(gòu)設(shè)計詳情如下。

圖2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System composition structure diagram

（1）由于各節(jié)點的所有檢定環(huán)節(jié)均涉及到系統(tǒng)基礎(chǔ)信息，形成一對多關(guān)系，要求保證數(shù)據(jù)一致性。如果各節(jié)點都存放系統(tǒng)基礎(chǔ)信息的備份，發(fā)生數(shù)據(jù)變動時要隨時保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性就比較困難，所以宜采用集中式存放和維護(hù)，即建立網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一的系統(tǒng)維護(hù)和信息服務(wù)節(jié)點，通過網(wǎng)絡(luò)信息的刷新和同步，保證各子系統(tǒng)之間連接的暢通和信息交換，實現(xiàn)系統(tǒng)維護(hù)和信息服務(wù)功能。

系統(tǒng)基礎(chǔ)信息包括測量設(shè)備表、單位名稱表、預(yù)報提前期表、用戶表、P2P節(jié)點信息表。測量設(shè)備表、P2P節(jié)點信息表的信息由P2P節(jié)點收集，并提交系統(tǒng)維護(hù)與信息服務(wù)節(jié)點更新。單位名稱表、預(yù)報提前期表、用戶表由系統(tǒng)維護(hù)與信息服務(wù)節(jié)點統(tǒng)一建立和管理。P2P節(jié)點信息表保存所有P2P節(jié)點的連接信息，包括：編號、節(jié)點IP地址、業(yè)務(wù)類型、活動狀態(tài)。P2P節(jié)點信息表是為了維系P2P節(jié)點的連接。各P2P節(jié)點對系統(tǒng)基本信息有需求時，可以向系統(tǒng)信息服務(wù)節(jié)點發(fā)送請求消息，系統(tǒng)維護(hù)和信息服務(wù)節(jié)點完成請求的處理后向P2P節(jié)點返回結(jié)果。

（2）各子系統(tǒng)功能相對獨立，檢定業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分布在P2P節(jié)點的數(shù)據(jù)庫中便于處理。盡管系統(tǒng)維護(hù)與信息服務(wù)節(jié)點與各P2P節(jié)點上的子系統(tǒng)有信息交換，溯源管理節(jié)點間有聯(lián)合查詢等需求，但它們彼此間的操作頻度不高。如果采用CS或BS的集中式數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器架構(gòu)，使各子系統(tǒng)節(jié)點間的依賴關(guān)系增大，系統(tǒng)可靠性會降低，服務(wù)器的工作負(fù)荷加大，擴展性不好。

（3）設(shè)備檢定數(shù)據(jù)分散保存在P2P節(jié)點的數(shù)據(jù)庫中，由子系統(tǒng)維護(hù)，包括：設(shè)備檢定表、設(shè)備檢定證書表、設(shè)備啟用表、設(shè)備溯源表、設(shè)備停用表、設(shè)備退出表、設(shè)備狀態(tài)表、系統(tǒng)日志。

2.3 P2P節(jié)點通信設(shè)計

P2P信息通信架構(gòu)[8]如圖3所示，包括：P2P消息收發(fā)、消息解析與任務(wù)調(diào)度、P2P節(jié)點注冊管理、P2P節(jié)點狀態(tài)監(jiān)測、各種業(yè)務(wù)功能等模塊。

（1）P2P節(jié)點消息收發(fā)與解析。P2P節(jié)點之間的通信采用TCP協(xié)議，通過TCP協(xié)議提供的機制保證消息及資源傳輸?shù)目煽啃浴2P節(jié)點監(jiān)聽連接請求端口，有連接請求時創(chuàng)建消息接收線程，建立socket通信連接并接收消息，通過應(yīng)用層通信協(xié)議解析消息，任務(wù)調(diào)度發(fā)送消息給業(yè)務(wù)處理模塊完成相應(yīng)的處理。

（2）P2P節(jié)點注冊和退出。P2P節(jié)點間的通信需要各節(jié)點的IP地址和端口號等信息，在系統(tǒng)維護(hù)和信息服務(wù)節(jié)點建立節(jié)點目錄表管理節(jié)點信息，它向節(jié)點定期傳送或由節(jié)點請求刷新目錄，保證節(jié)點間的通信。P2P節(jié)點要加入系統(tǒng)，需發(fā)送登陸消息到系統(tǒng)維護(hù)和信息服務(wù)節(jié)點注冊，收到消息后，從消息中獲得登陸節(jié)點的IP地址、端口號、用戶信息、業(yè)務(wù)類型等節(jié)點信息記錄到節(jié)點目錄表。P2P節(jié)點退出時向系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點發(fā)送離線消息，系統(tǒng)維護(hù)和信息服務(wù)節(jié)點維護(hù)節(jié)點目錄表，記錄節(jié)點的變化。

（3）P2P節(jié)點狀態(tài)檢測。由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等因素的影響，可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)連接中斷，因此系統(tǒng)維護(hù)和信息服務(wù)節(jié)點定時向各節(jié)點發(fā)送“心跳檢測消息”，監(jiān)測節(jié)點的在線狀態(tài)，反映節(jié)點的連接情況。

（4）P2P信息同步。在系統(tǒng)維護(hù)和信息服務(wù)節(jié)點，當(dāng)系統(tǒng)信息更新時要向所有相關(guān)節(jié)點發(fā)刷新消息，通知信息有變需要同步。

（5）溯源管理業(yè)務(wù)處理。各P2P節(jié)點的溯源管理主要在本地進(jìn)行，處理的信息分散在節(jié)點上。溯源檢定和審批中需要多節(jié)點聯(lián)查，向相關(guān)P2P節(jié)點發(fā)送聯(lián)查消息，節(jié)點收到并處理聯(lián)查消息后返回結(jié)果，再匯總和分析結(jié)果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

溯源管理系統(tǒng)的類圖如圖4所示。P2P節(jié)點間的通信由通信類完成，接收消息和解析由消息收發(fā)類完成，通過任務(wù)調(diào)度，由相關(guān)溯源管理模塊完成消息處理。P2P節(jié)點的主控類按用戶訪問權(quán)限為P2P節(jié)點配置業(yè)務(wù)模塊，用戶登陸處理流程為：P2P節(jié)點發(fā)送用戶驗證消息給系統(tǒng)維護(hù)和信息服務(wù)節(jié)點，系統(tǒng)維護(hù)和信息服務(wù)節(jié)點按照系統(tǒng)設(shè)定的用戶訪問權(quán)限進(jìn)行驗證，返回驗證結(jié)果，該P2P節(jié)點根據(jù)驗證結(jié)果打開業(yè)務(wù)模塊，如圖5所示。一個P2P節(jié)點可配置多個模塊，從而檢定工作可以在多個的 P2P節(jié)點進(jìn)行。

本系統(tǒng)軟件采用 Microsoft Visual C++6.0、Microsoft Visual Basic6.0、Microsoft Access2010編程實現(xiàn)。

圖5 設(shè)備檢定界面Fig.5 Equipment verification interface

4 結(jié)束語

本文介紹了一種基于 P2P 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的測量設(shè)備溯源管理系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠滿足企事業(yè)單位管理的測量設(shè)備溯源管理的需求。P2P網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性、擴展性和靈活性，工作效率也得到提升。經(jīng)實驗驗證，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可為同類系統(tǒng)在小型分布式應(yīng)用方面的設(shè)計和實現(xiàn)提供經(jīng)驗。下一步準(zhǔn)備在更大范圍的企事業(yè)單位推廣應(yīng)用，并且利用面向領(lǐng)域主題的智能搜索引擎技術(shù)[9]，實現(xiàn)測量設(shè)備信息的全網(wǎng)絡(luò)智能檢索，獲取更多與設(shè)備相關(guān)的溯源信息，使計量設(shè)備檢定工作擁有更全面的數(shù)據(jù)資料。另外，運用區(qū)塊鏈技術(shù)解決P2P網(wǎng)絡(luò)安全性的問題[10]，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。