何　凱， 劉　偉

(1. 山東工商學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 山東 煙臺(tái)　264005；2. 山東工商學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院， 山東 煙臺(tái)　264005)

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基于虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

何凱1， 劉偉2

(1. 山東工商學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 山東 煙臺(tái)264005；2. 山東工商學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院， 山東 煙臺(tái)264005)

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室難以滿足網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求，更無(wú)法滿足探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。為解決該問(wèn)題，在分析課程實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)及其對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求的基礎(chǔ)上，提出在實(shí)驗(yàn)機(jī)房引入虛擬機(jī)技術(shù)，利用VMware Server虛擬化軟件搭建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了與之相適應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。虛擬機(jī)的引入豐富了教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)手段，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和能動(dòng)性，取得了較好的教學(xué)效果。

網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 虛擬機(jī)； VMware Server

網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)業(yè)的必修課，旨在提高學(xué)生網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)、配置與管理等方面的綜合能力，培養(yǎng)相關(guān)行業(yè)應(yīng)用型人才[1]。作為一門(mén)實(shí)踐性極強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得尤為重要，不僅能提高學(xué)生的操作技能，而且能讓學(xué)生深入理解課堂講授的概念及原理、解決問(wèn)題的思路及方法，快速掌握不斷更新的網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)技術(shù)。但由于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的多樣性及復(fù)雜性，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室滿足不了該課程對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求，更無(wú)法滿足探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。針對(duì)該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問(wèn)題，我們將虛擬技術(shù)引入傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)機(jī)房，并設(shè)計(jì)了與之相適應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)3年的教學(xué)實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果。

1　實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及環(huán)境要求

1.1實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及環(huán)境要求

網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)課程重點(diǎn)圍繞4個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講述[2]：

(1) 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)，包括子網(wǎng)劃分及VLAN(virtual local area network，虛擬局域網(wǎng))管理；

(2) 以微軟活動(dòng)目錄為例講解網(wǎng)絡(luò)資源管理解決方案及思路；

(3) 簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(simple network manage protocol，SNMP)及其應(yīng)用；

(4) 存儲(chǔ)管理，包括文件系統(tǒng)權(quán)限管理、RAID(redundant array of independent disks，獨(dú)立冗余磁盤(pán)陣列)、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)等。

相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置及環(huán)境要求如表1所示。

表1 課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求

1.2傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的不足

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室一般由多臺(tái)聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)構(gòu)成，多門(mén)課程共享使用。管理員根據(jù)每門(mén)課程要求，統(tǒng)一安裝多操作系統(tǒng)以及相應(yīng)軟件，并采用增霸卡等軟硬件技術(shù)保護(hù)硬盤(pán)[3]，防止實(shí)驗(yàn)環(huán)境被破壞。但對(duì)于網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)課程，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室表現(xiàn)出諸多不足：

(1) 滿足不了計(jì)算機(jī)數(shù)量的要求。實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)數(shù)量往往根據(jù)專(zhuān)業(yè)人數(shù)配置，只能保證每人1臺(tái)計(jì)算機(jī)，但本課程的大部分實(shí)驗(yàn)要求每人控制多臺(tái)計(jì)算機(jī)。數(shù)量不足雖然可以采用分組實(shí)驗(yàn)或分批實(shí)驗(yàn)來(lái)緩解，但分組實(shí)驗(yàn)常導(dǎo)致部分學(xué)生參與度不高[4]，而分批實(shí)驗(yàn)加劇了實(shí)驗(yàn)室緊張程度及實(shí)驗(yàn)安排難度。

(2) 滿足不了實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求。為達(dá)到滿意的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，本課程的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)要求配置比較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如活動(dòng)目錄實(shí)驗(yàn)中，多臺(tái)計(jì)算機(jī)要求使用不同的操作系統(tǒng)以模擬實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法滿足該要求。另外，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室所采用的硬盤(pán)保護(hù)技術(shù)使得操作系統(tǒng)每次重啟或每隔一天就還原為初始狀態(tài)，以保護(hù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，但本課程部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中重啟計(jì)算機(jī)，如建立域環(huán)境、組策略實(shí)驗(yàn)等，如果隔天還原，則本課程的每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果就不能保存，導(dǎo)致下一次實(shí)驗(yàn)均需重復(fù)上一次實(shí)驗(yàn)操作。

(3) 滿足不了探究性實(shí)驗(yàn)的要求。探究性實(shí)驗(yàn)是拓展學(xué)生視野、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要手段[5]，但實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制使得一些探究性實(shí)驗(yàn)無(wú)法安排，如Linux

加入Windows域、MIB(management information base，管理信息庫(kù))擴(kuò)展等，更無(wú)法進(jìn)行一些破壞性實(shí)驗(yàn)，如在線插拔硬盤(pán)以驗(yàn)證各種類(lèi)型的RAID對(duì)數(shù)據(jù)的冗余保護(hù)等。

針對(duì)以上問(wèn)題，我們探索在實(shí)驗(yàn)室中引入虛擬機(jī)技術(shù)，以滿足課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。

2　虛擬機(jī)技術(shù)

虛擬機(jī)技術(shù)利用軟件在單臺(tái)物理機(jī)上模擬出多臺(tái)具有完整硬件系統(tǒng)功能的、相互獨(dú)立的邏輯計(jì)算機(jī)[6-7]，其核心是虛擬機(jī)監(jiān)控程序(virtual monitor monitor，VMM)[7]，它為上層邏輯計(jì)算機(jī)提供一套獨(dú)立于實(shí)際硬件的虛擬硬件，并仲裁它們對(duì)底層硬件的訪問(wèn)。根據(jù)VMM在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中所處的層次不同，虛擬機(jī)技術(shù)常采用2種虛擬化架構(gòu)：寄居架構(gòu)和“裸金屬”架構(gòu)[8]，以滿足不同用戶的需求。2種架構(gòu)如圖1(a)、(b)所示。

圖1　虛擬化架構(gòu)

在寄居架構(gòu)中，VMM運(yùn)行在宿主機(jī)操作系統(tǒng)之上，可將其視為宿主機(jī)操作系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用，常應(yīng)用于多操作系統(tǒng)環(huán)境下的學(xué)習(xí)及測(cè)試，典型的產(chǎn)品有VMware Server及Workstation、Microsoft的Virtual PC等；而在“裸金屬”架構(gòu)中，VMM直接運(yùn)行在硬件之上，可將其視作一個(gè)特殊的操作系統(tǒng)內(nèi)核，常應(yīng)用于大型服務(wù)器的分時(shí)共享，提高其利用率，典型的產(chǎn)品有VMware的ESX Server、Citrix的XEN等。無(wú)論采用何種架構(gòu)，在用戶視角，各臺(tái)邏輯計(jì)算機(jī)均被視作具有完整功能的物理機(jī)，可安裝操作系統(tǒng)、格式化磁盤(pán)、運(yùn)行應(yīng)用程序等。

為便于虛擬機(jī)聯(lián)網(wǎng)，各種虛擬機(jī)產(chǎn)品提供多種形式的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。如VMware提供了Bridge、Host Only以及NAT三種網(wǎng)絡(luò)連接模式[6-7]：Bridge將虛擬機(jī)連接到宿主機(jī)所在的網(wǎng)絡(luò)上，可與其他計(jì)算機(jī)相互訪問(wèn)；Host Only將虛擬機(jī)與宿主機(jī)所在的網(wǎng)絡(luò)隔離開(kāi)，僅位于同一宿主機(jī)的虛擬機(jī)可相互通信；NAT使虛擬機(jī)可借助NAT功能來(lái)通過(guò)宿主機(jī)訪問(wèn)外部網(wǎng)絡(luò)。用戶可根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的網(wǎng)絡(luò)連接模式，滿足不同的聯(lián)網(wǎng)需求。

綜上所述，虛擬機(jī)技術(shù)完全可用于建設(shè)或改進(jìn)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，滿足各類(lèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)復(fù)雜實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求。在采用裸金屬及寄居2種架構(gòu)的虛擬化產(chǎn)品中，前者需要配置高性能服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)等設(shè)備[8-10]，需要較大的投資，適用于新建的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室；而后者無(wú)需增加任何硬件，更適宜對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的快速改造。

在本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們通過(guò)在傳統(tǒng)機(jī)房的計(jì)算機(jī)上安裝免費(fèi)的VMware Server，在每臺(tái)物理機(jī)上模擬出多臺(tái)虛擬機(jī)，以滿足課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求。

3　基于VMware Server的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1虛擬機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境架構(gòu)

VMware Server對(duì)宿主機(jī)的硬件要求不高，目前實(shí)驗(yàn)室常用的計(jì)算機(jī)上，單臺(tái)可模擬出3臺(tái)及以上的虛擬計(jì)算機(jī)。本虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，宿主機(jī)采用Windows XP，安裝VMware Server 2.0.2，創(chuàng)建3臺(tái)虛擬機(jī)(雙核、光驅(qū)、網(wǎng)卡、USB、SCSI硬盤(pán))，采用Bridge方式聯(lián)網(wǎng)，相當(dāng)于機(jī)房計(jì)算機(jī)數(shù)量增加了3倍，同時(shí)準(zhǔn)備好安裝有Windows 2003 Server、Windows、CentOS等操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)鏡像，以便快速搭建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境；運(yùn)行時(shí)，相應(yīng)鏡像放置在增霸卡非保護(hù)區(qū)中，避免宿主機(jī)重啟導(dǎo)致上次實(shí)驗(yàn)結(jié)果丟失。虛擬機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境架構(gòu)如圖2所示。

圖2　虛擬機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境架構(gòu)

3.2網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃類(lèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃類(lèi)實(shí)驗(yàn)包含子網(wǎng)劃分以及VLAN配置與管理2類(lèi)實(shí)驗(yàn)。

(1) 子網(wǎng)劃分實(shí)驗(yàn)。每個(gè)學(xué)生使用1臺(tái)物理主機(jī)，其上3個(gè)虛擬機(jī)中，1臺(tái)安裝Windows Server 2003作為服務(wù)器，另外2臺(tái)安裝Windows或Linux操作系統(tǒng)作為客戶機(jī)。2臺(tái)客戶機(jī)劃分為2個(gè)子網(wǎng)，服務(wù)器啟動(dòng)“路由及遠(yuǎn)程訪問(wèn)”服務(wù)，以互聯(lián)這2個(gè)子網(wǎng)；進(jìn)一步，多個(gè)學(xué)生可通過(guò)配置路由，進(jìn)行更大規(guī)模的子網(wǎng)互聯(lián)。

(2) VLAN配置與管理。使用CISCO的Packet Tracer仿真軟件來(lái)模擬VLAN的配置、管理與測(cè)試[11]。Packet Tracer仿真軟件安裝在一臺(tái)裝有Windows操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)上，由學(xué)生自行規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌缃粨Q機(jī)、PC機(jī)的設(shè)置，以及子網(wǎng)、VLAN的規(guī)劃等，并通過(guò)模擬配置，將分屬不同VLAN的子網(wǎng)連接起來(lái)。

3.3活動(dòng)目錄類(lèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

活動(dòng)目錄類(lèi)實(shí)驗(yàn)包含3項(xiàng)內(nèi)容：域環(huán)境的建立、用戶及組管理，以及組策略管理。

在該類(lèi)實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)學(xué)生使用1臺(tái)物理主機(jī)，其上3個(gè)虛擬機(jī)中，2臺(tái)安裝Windows Server 2003，采用NTFS文件系統(tǒng)，其中1臺(tái)作為域控制器，另1臺(tái)作為文件服務(wù)器以及客戶機(jī)，另外1臺(tái)虛擬機(jī)安裝其他Windows 系統(tǒng)作為客戶機(jī)。

(1) 建立域環(huán)境。在1臺(tái)Windows Server 2003服務(wù)器上添加“域及活動(dòng)目錄”角色，使其成為域控制器，另外2臺(tái)計(jì)算機(jī)加入到域，并通過(guò)域控制器上的“Active Directory用戶和計(jì)算機(jī)”工具查看并管理域中的計(jì)算機(jī)。

(2) 用戶及組管理。在域控制器上創(chuàng)建域用戶及域組后，驗(yàn)證域用戶是否可登錄域中計(jì)算機(jī)，并在文件服務(wù)器上針對(duì)域用戶及域組設(shè)置NTFS文件夾訪問(wèn)權(quán)限(如只讀或可寫(xiě))，驗(yàn)證其對(duì)該文件夾的訪問(wèn)權(quán)限。

(3) 組策略管理。通過(guò)組策略對(duì)象設(shè)置用戶及計(jì)算機(jī)工作環(huán)境，包括用戶菜單設(shè)置、桌面設(shè)置、安全策

略、登錄及注銷(xiāo)腳本、文件夾重定向、軟件發(fā)布、刪除及限制等實(shí)驗(yàn)。

在此類(lèi)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可能需要重啟計(jì)算機(jī)，但對(duì)虛擬機(jī)的重啟并不會(huì)導(dǎo)致物理機(jī)重啟而使得虛擬機(jī)還原到初始狀態(tài)；另外，該類(lèi)實(shí)驗(yàn)至少要安排8個(gè)以上課時(shí)，因此虛擬機(jī)鏡像文件應(yīng)保存在非保護(hù)區(qū)，防止因增霸卡的保護(hù)而使上次實(shí)驗(yàn)結(jié)果丟失。

3.4SNMP類(lèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

SNMP類(lèi)實(shí)驗(yàn)包含2項(xiàng)內(nèi)容：基于NetSNMP工具網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理以及基于MRTG的網(wǎng)絡(luò)流量管理。

該類(lèi)實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)學(xué)生使用1臺(tái)物理主機(jī)，模擬出2臺(tái)運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)，1臺(tái)作為被監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過(guò)“添加/刪除windows組件”安裝“簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)”，啟動(dòng)“SNMP Service”及“SNMP Trap Service”服務(wù)，并設(shè)置共同體，進(jìn)行權(quán)限控制，另1臺(tái)作為網(wǎng)管工作站，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求安裝相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)管理軟件。

(1) 基于NetSNMP的網(wǎng)絡(luò)管理。NetSNMP是一個(gè)開(kāi)源的SNMP實(shí)現(xiàn)[12]，其提供的命令行工具非常接近于SNMP語(yǔ)義，便于學(xué)生理解和掌握SNMP。實(shí)驗(yàn)時(shí)，網(wǎng)管工作站安裝net-snmp軟件，使用snmpget、snmpgetnext、snmpset、snmpwalk等命令獲取或設(shè)置被監(jiān)控設(shè)備參數(shù)。

(2) 基于MRTG的網(wǎng)絡(luò)流量管理。MRTG是一個(gè)開(kāi)源的、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量的圖形化工具軟件，它通過(guò)SNMP協(xié)議得到設(shè)備的流量信息，并以WEB方式展示給用戶[13]。實(shí)驗(yàn)時(shí)，網(wǎng)管工作站除安裝MRTG軟件外，還需要安裝Perl環(huán)境以及WEB服務(wù)組件(如IIS)。MRTG正確安裝配置后，通過(guò)瀏覽器即可查看被監(jiān)控設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)流量信息。

3.5存儲(chǔ)管理類(lèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)管理類(lèi)實(shí)驗(yàn)主要利用Windows服務(wù)器操作系統(tǒng)中的“磁盤(pán)管理”工具來(lái)學(xué)習(xí)各種類(lèi)型的RAID的創(chuàng)建與管理。

每個(gè)學(xué)生使用1臺(tái)安裝Windows Server 2003的虛擬機(jī)，該虛擬機(jī)除系統(tǒng)盤(pán)外，另增加3塊SCSI硬盤(pán)，在“磁盤(pán)管理”工具中，可以構(gòu)建跨區(qū)卷、帶區(qū)卷、鏡像卷、RAID5等多種類(lèi)型的RAID，并可通過(guò)線刪除虛擬機(jī)硬盤(pán)，以驗(yàn)證各種類(lèi)型的RAID對(duì)數(shù)據(jù)的冗余保護(hù)。

3.6探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用虛擬機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的靈活性，課程可安排一些探究性實(shí)驗(yàn)，如探索Linux加入到Windows域、MIB擴(kuò)展、擴(kuò)展MRTG監(jiān)測(cè)Windows服務(wù)器、調(diào)研其他網(wǎng)絡(luò)管理工具(如Esper、Nagios等[14])、利用SCST架設(shè)iSCSI網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)環(huán)境等[15]。

探究性實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，可使學(xué)生在掌握所學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上拓展視野，跟蹤并理解最新的網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)技術(shù)。

4　結(jié)語(yǔ)

在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室中引入虛擬機(jī)技術(shù)，能有效地滿足網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)課程對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求，除此之外，在課堂教學(xué)和學(xué)生課外實(shí)踐中，也可利用虛擬機(jī)技術(shù)在單臺(tái)物理機(jī)上構(gòu)建簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在課堂上結(jié)合理論講解進(jìn)行實(shí)例演示，在課外安排學(xué)生進(jìn)行一些探究性實(shí)驗(yàn)，三者相結(jié)合，豐富了教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

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Exploration on experimental teaching of network management and maintenance based on virtual machine

He Kai, Liu Wei

(1. School of Computer Science and Technology, Shandong Institute of Business and Technology,Yantai 264005, China; 2. School of Information and Electronic Engineering, Shandong Institute of Business and Technology, Yantai 264005, China)

It’s difficult to meet the experimental requirement of network management and maintenance courses for traditional computer laboratories and can’t meet the needs of inquiry experimental teaching. To solve this issue, the virtual experimental platform with virtual machine technology was proposed based on analysis of experimental characteristics and environmental requirements. The platform was built with VMware Server software, and a series of experimental items were designed for this platform. It enriches the teaching content and methods, and the students’ learning interest and motivation were improved, which has achieved good teaching results.

network management and maintenance; experimental teaching; virtual machine; VMware Server

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.053

2015- 05- 06

煙臺(tái)市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013ZH090); 山東工商學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目(2014-6)

何凱(1973—)，男，湖北潛江，博士，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ).

E-mail：hekaimmc@126.com

G434

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1002-4956(2016)1- 0201- 04