鄭曉健，鄭曉蘭，李 彤

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

0 引言

企業(yè)控制產(chǎn)品質(zhì)量離不開測量設備，計量法規(guī)定企事業(yè)單位使用測量設備進行測量檢定，出具的檢定數(shù)據(jù)必須通過溯源評定，并達到國家或國際的量值統(tǒng)一標準。為了確保測量設備給出的數(shù)值準確可靠，國家嚴格要求測量設備要進行定期檢定和校準。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備進行定期檢定、校準和溯源追蹤。

目前，測量設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，造成測量設備不能按時溯源、檢測周期脫節(jié)、設備的狀況評估不完整，影響了設備的正常使用。因此研制測量設備量值檢定與校準溯源管理軟件，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備綜合聯(lián)查和系統(tǒng)基礎信息要求共享以外，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（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、平衡工作負荷[3-4]。

1 P2P架構(gòu)的分布式應用

分布式應用系統(tǒng)可以采用P2P架構(gòu)來設計和實現(xiàn)。P2P網(wǎng)絡是一種局域網(wǎng)的組網(wǎng)方式[5]。P2P網(wǎng)絡的所有節(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，也請求其他節(jié)點的服務[6]，而CS架構(gòu)主要依靠服務器作為關鍵性節(jié)點提供系統(tǒng)服務[7]。P2P的網(wǎng)絡資源和服務分布在各 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，協(xié)同完成分布式任務[6]，P2P網(wǎng)絡減少了對特定的關鍵性的節(jié)點的依賴，因此具有較高的可擴展性、健壯性、負載平衡能力。所以，可以將相應的應用模塊部署到P2P節(jié)點中，實現(xiàn)以信息資源共享為基礎的分布式應用系統(tǒng)。

采用P2P架構(gòu)設計應用系統(tǒng)時須保持P2P網(wǎng)絡的特征[4-8]：

（1）可擴展性。隨著新 P2P節(jié)點的加入，P2P網(wǎng)絡的共享資源數(shù)量和服務能力可能會提升，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)絡節(jié)點失效帶來的風險。

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

2 對等網(wǎng)絡系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)功能模塊設計

根據(jù)用戶提出的功能需求，系統(tǒng)主要包括設備管理、設備檢定管理、設備溯源審批管理、系統(tǒng)維護和信息服務等功能模塊。由計量規(guī)程知道，測量設備的生命周期呈現(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)程設計的本系統(tǒng)的功能體系，涵蓋了測量設備溯源管理的全部需求。

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

（1）設備管理

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

（2）設備檢定管理

設備檢定管理貫穿在設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：檢定設備、審批新設備、查看到期設備、查詢檢定歷史。檢定設備時，通過簡捷的查詢方法快速查到要檢定的設備，顯示該設備的所有基本信息，然后查看設備的所有歷史檢定記錄或停用記錄，根據(jù)檢定結(jié)果給出設備檢定結(jié)論，建立設備檢定記錄。新設備審批時，同樣先要查詢到待審批的設備，然后根據(jù)檢定結(jié)果和相關數(shù)據(jù)給出檢定結(jié)論，建立審批設備記錄。查看到期設備時，可以查看到溯源提前期內(nèi)所有設備，查看設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備檢定記錄，查看該設備的檢定歷史信息。

（3）設備溯源審批管理

設備溯源審批管理包括：溯源審批、設備監(jiān)控、設備停用、設備退出、溯源記錄等模塊。溯源審批時，先查看設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。設備監(jiān)控管理目的是建立設備監(jiān)控記錄，記錄設備監(jiān)控信息。設備停用管理和設備退出要求可以查看系統(tǒng)中設備停用和退出記錄，進行狀態(tài)監(jiān)控。

（4）系統(tǒng)維護和信息服務

系統(tǒng)中節(jié)點的共享信息包括測量設備基本信息、設置預報提前期、檢定人員維護、設置單位名稱等系統(tǒng)基礎信息，要求保證數(shù)據(jù)一致性。因此，系統(tǒng)維護和信息服務節(jié)點的主要功能包括：系統(tǒng)基礎信息管理、系統(tǒng)網(wǎng)絡信息同步、網(wǎng)絡用戶訪問權限管理、網(wǎng)絡節(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)。用戶單位的設備檢定工作分布在多個場所，并已通過局域網(wǎng)連接。設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)基礎信息，形成一對多關系，要求保證數(shù)據(jù)一致性。如果各節(jié)點都存放系統(tǒng)基礎信息的備份，發(fā)生數(shù)據(jù)變動時要隨時保持數(shù)據(jù)一致性就比較困難，所以宜采用集中式存放和維護，即建立網(wǎng)絡統(tǒng)一的系統(tǒng)維護和信息服務節(jié)點，通過網(wǎng)絡信息的刷新和同步，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)維護和信息服務功能。

系統(tǒng)基礎信息包括測量設備表、單位名稱表、預報提前期表、用戶表、P2P節(jié)點信息表。測量設備表、P2P節(jié)點信息表的信息由P2P節(jié)點收集，并提交系統(tǒng)維護與信息服務節(jié)點更新。單位名稱表、預報提前期表、用戶表由系統(tǒng)維護與信息服務節(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)信息服務節(jié)點發(fā)送請求消息，系統(tǒng)維護和信息服務節(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)維護與信息服務節(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)庫和服務器架構(gòu)，使各子系統(tǒng)節(jié)點間的依賴關系增大，系統(tǒng)可靠性會降低，服務器的工作負荷加大，擴展性不好。

（3）設備檢定數(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，包括：設備檢定表、設備檢定證書表、設備啟用表、設備溯源表、設備停用表、設備退出表、設備狀態(tài)表、系統(tǒng)日志。

2.3 P2P節(jié)點通信設計

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，通過應用層通信協(xié)議解析消息，任務調(diào)度發(fā)送消息給業(yè)務處理模塊完成相應的處理。

（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)維護和信息服務節(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)維護和信息服務節(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)服務節(jié)點發(fā)送離線消息，系統(tǒng)維護和信息服務節(jié)點維護節(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)絡環(huán)境等因素的影響，可能導致網(wǎng)絡連接中斷，因此系統(tǒng)維護和信息服務節(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)維護和信息服務節(jié)點，當系統(tǒng)信息更新時要向所有相關節(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)務處理。各P2P節(jié)點的溯源管理主要在本地進行，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，通過任務調(diào)度，由相關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限為P2P節(jié)點配置業(yè)務模塊，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)維護和信息服務節(jié)點，系統(tǒng)維護和信息服務節(jié)點按照系統(tǒng)設定的用戶訪問權限進行驗證，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)絡結(jié)構(gòu)的測量設備溯源管理系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠滿足企事業(yè)單位管理的測量設備溯源管理的需求。P2P網(wǎng)絡系統(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)在小型分布式應用方面的設計和實現(xiàn)提供經(jīng)驗。下一步準備在更大范圍的企事業(yè)單位推廣應用，并且利用面向領域主題的智能搜索引擎技術[9]，實現(xiàn)測量設備信息的全網(wǎng)絡智能檢索，獲取更多與設備相關的溯源信息，使計量設備檢定工作擁有更全面的數(shù)據(jù)資料。另外，運用區(qū)塊鏈技術解決P2P網(wǎng)絡安全性的問題[10]，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應性。