建設(shè)統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺的探索

宋毅君, 張　明

(1. 山西大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心, 山西 太原　030006；2. 山西大學(xué) 國有資產(chǎn)管理處, 山西 太原　030006)

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建設(shè)統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺的探索

宋毅君1, 張明2

(1. 山西大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心, 山西 太原030006；2. 山西大學(xué) 國有資產(chǎn)管理處, 山西 太原030006)

在對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)以及存在問題進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,探討了運(yùn)用服務(wù)器虛擬化與桌面虛擬化技術(shù)搭建校級虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺的架構(gòu)及其優(yōu)勢。結(jié)合山西大學(xué)統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè),提出搭建校級虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺需要注意的幾個(gè)關(guān)鍵問題:(1)滿足高并發(fā)要求,以避免啟動(dòng)風(fēng)暴；(2)架構(gòu)要具有可擴(kuò)展性；(3)要支持各種類型端口的外設(shè)；(4)虛擬桌面連接選擇不依賴桌面操作系統(tǒng)內(nèi)部代理程序的方案；(5)能夠支持差異更新。

虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺； 服務(wù)器虛擬化； 桌面虛擬化； 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

當(dāng)前,信息技術(shù)迅猛發(fā)展,并在促進(jìn)教育現(xiàn)代化、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才等方面發(fā)揮著重要作用。高校傳統(tǒng)的以計(jì)算機(jī)為媒介的實(shí)驗(yàn)室由于部署成本高、資源固化、難于共享等問題,已不能滿足新形勢的需要。《國務(wù)院辦公廳關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實(shí)施意見》明確指出:“要建立跨院系、跨學(xué)科、跨專業(yè)交叉培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的新機(jī)制。要強(qiáng)化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐,促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺共享”[1]。近年來,虛擬化技術(shù)的興起為高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室改革提供了新的思路。筆者所在的山西大學(xué)已經(jīng)建立了學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn)室、多媒體教室、圖書館電子閱覽室、數(shù)字語音室、金融工程實(shí)驗(yàn)室等各種數(shù)字化教學(xué)環(huán)境。

對各種分散的數(shù)字化教學(xué)環(huán)境進(jìn)行整合,搭建校級統(tǒng)一的虛擬化教學(xué)環(huán)境,是高校教育信息化發(fā)展的必要過程。本文對統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺的建設(shè)進(jìn)行了分析。這個(gè)平臺的建設(shè)不僅為促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺共享提供技術(shù)支撐,有利于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的培養(yǎng),而且有助于加強(qiáng)高校教學(xué)管理、提高教學(xué)質(zhì)量和科研水平。

1　以計(jì)算機(jī)為媒介的實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)及問題分析

以計(jì)算機(jī)為媒介的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)如圖1所示。這類實(shí)驗(yàn)室有1臺低配置服務(wù)器,教學(xué)軟件安裝在服務(wù)器上,經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)接入實(shí)驗(yàn)室終端,終端由PC機(jī)與還原卡構(gòu)成。每臺服務(wù)器上安裝的教學(xué)軟件由其承擔(dān)的教學(xué)任務(wù)決定。這種傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)[2-8]在實(shí)驗(yàn)教學(xué)及實(shí)驗(yàn)室管理上存在一些缺陷。

圖1　以計(jì)算機(jī)為媒介的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)

(1) 資源固化,利用率低。首先,每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的軟硬件相對固定,只能承擔(dān)固定的教學(xué)任務(wù)。當(dāng)做某個(gè)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生增多時(shí),只能增加實(shí)驗(yàn)室的循環(huán)次數(shù)；而實(shí)驗(yàn)室空閑時(shí)也難以用于其他實(shí)驗(yàn)。其次,一臺服務(wù)器只安裝1個(gè)或幾個(gè)教學(xué)軟件,浪費(fèi)了服務(wù)器資源。另外,硬件配置無法靈活升級,而每種配置都有最大的可擴(kuò)容能力。當(dāng)硬件資源無法滿足教學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的升級時(shí)只能被淘汰。

(2) 資源共享性差。由于軟件授權(quán)或軟件安裝復(fù)雜等原因,各種軟、硬件資源基本都被固化在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源難以共享。另外,教師備課與授課環(huán)境不能共享,教師需要用U盤或通過網(wǎng)絡(luò)拷貝資料,系統(tǒng)容易被病毒侵害,使課件丟失,也容易出現(xiàn)PPT亂碼或不能正常演示動(dòng)畫的問題,影響授課質(zhì)量。

(3) 難以為學(xué)生搭建多機(jī)聯(lián)合的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)平臺。例如用友“U8財(cái)務(wù)系統(tǒng)”的安裝實(shí)驗(yàn),用友U8采用了三層架構(gòu)設(shè)計(jì),需要安裝數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、客戶端，至少3臺計(jì)算機(jī)才能真正理解三層架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和安全架構(gòu)，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室難以大規(guī)模搭建這種多機(jī)聯(lián)合平臺。

(4) 終端故障多,維護(hù)效率低。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室終端PC機(jī)數(shù)量眾多,遇到系統(tǒng)升級打補(bǔ)丁、應(yīng)用程序更新、人為損壞、感染病毒、課件更換等問題,都會導(dǎo)致終端故障,管理員和教師需要花費(fèi)大量的時(shí)間重建教學(xué)環(huán)境，且實(shí)驗(yàn)室任何終端問題都必須在現(xiàn)場處理,維護(hù)工作也必須在機(jī)房沒有上課的時(shí)間進(jìn)行,導(dǎo)致維護(hù)效率低。另外,終端PC機(jī)分多批次采購,配置與型號多樣,需要針對型號和配置建立相應(yīng)的維護(hù)策略,增加了維護(hù)難度。

2　服務(wù)器虛擬化與桌面虛擬化

服務(wù)器虛擬化技術(shù)[2,9-11]實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器硬件設(shè)備與應(yīng)用系統(tǒng)相分離,服務(wù)器物理資源被抽象成邏輯資源,CPU、內(nèi)存、I/O等硬件資源變成可以動(dòng)態(tài)管理的“資源池”。通過服務(wù)器虛擬化,一臺物理服務(wù)器被虛擬成多臺虛擬服務(wù)器,可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)不同的操作系統(tǒng),各個(gè)虛擬服務(wù)器根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行資源的動(dòng)態(tài)分配,從而使服務(wù)器的利用率大大提高,能更靈活地適應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的變化。

服務(wù)器虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)服務(wù)器資源的利用率大大提高,減少物理服務(wù)器數(shù)量,減輕硬件服務(wù)器的運(yùn)維工作量；(2)利用服務(wù)器虛擬化快照、vMotion等高端功能,當(dāng)系統(tǒng)升級出現(xiàn)崩潰或兼容性問題時(shí),可立即恢復(fù)升級前的系統(tǒng)環(huán)境,確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)的延續(xù)；(3)新教學(xué)軟件的部署可通過服務(wù)器虛擬化的Web管理頁面遠(yuǎn)程操作完成,部署時(shí)間短。

桌面虛擬化就是借助虛擬化技術(shù)和分布式技術(shù),將客戶端的操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和用戶數(shù)據(jù)都集中到數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器上,使用戶操作環(huán)境與系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境分離,從而實(shí)現(xiàn)對所有終端桌面的集中監(jiān)控和管理,提高管理效率[12-13]。采用桌面虛擬化后,用戶在任何時(shí)間、任何地方都可以訪問到自己的桌面系統(tǒng)。統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺采用遠(yuǎn)程托管的專用虛擬桌面，每個(gè)用戶在服務(wù)器上有自己一套獨(dú)立的虛擬桌面系統(tǒng),與其他用戶只是共享服務(wù)器硬件資源,而不共享文件目錄和應(yīng)用程序,用戶之間可以很好地隔離,提高了安全性。

遠(yuǎn)程托管的專用虛擬桌面的技術(shù)架構(gòu)如圖2所示,主要部分及分工如下:

(1) 桌面終端(包含終端軟件):采用低功耗的瘦終端和顯示器或一體機(jī)方式,在終端上安裝終端軟件實(shí)現(xiàn)虛擬桌面的接入；

(2) 遠(yuǎn)程顯示協(xié)議:目前流行的協(xié)議有RDP、ICA、PCOIP,主要實(shí)現(xiàn)將遠(yuǎn)程虛擬桌面的內(nèi)容映射到終端,同時(shí)將終端的外設(shè)映射到虛擬桌面上供桌面使用；

(3) 服務(wù)器、存儲:為虛擬桌面提供集中的計(jì)算資源、存儲資源；

(4) 虛擬桌面管理器:負(fù)責(zé)桌面會話管理及桌面創(chuàng)建、分配管理等；

(5) 虛擬化平臺:負(fù)責(zé)將硬件資源池化,并將抽象后的邏輯資源組裝成虛擬機(jī)。

圖2　遠(yuǎn)程托管的專用虛擬桌面的技術(shù)架構(gòu)

3　統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺技術(shù)架構(gòu)及優(yōu)勢

3.1統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺的技術(shù)架構(gòu)

山西大學(xué)目前有幾十個(gè)機(jī)房,終端PC機(jī)達(dá)到幾千臺,日常維護(hù)、軟件部署和系統(tǒng)升級的工作量都很大。為了解決這個(gè)問題,同時(shí)也為了適應(yīng)教育信息化的發(fā)展,為學(xué)生搭建創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)環(huán)境,學(xué)校決定建立統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺。

山西大學(xué)統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺采用服務(wù)器虛擬化和桌面虛擬化技術(shù),技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。通過服務(wù)器虛擬化技術(shù),對全校所有安裝教學(xué)軟件的服務(wù)器進(jìn)行有機(jī)整合、統(tǒng)一管理；通過桌面虛擬化,將所有終端桌面和應(yīng)用程序集中到數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器中,支持各種瘦客戶端、平板電腦、筆記本、原有電腦等跨平臺設(shè)備訪問虛擬桌面和進(jìn)行業(yè)務(wù)處理。運(yùn)維人員在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器上就可以對所有桌面進(jìn)行集中管理和監(jiān)控。校級統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺的建設(shè)不僅提高了服務(wù)器資源的利用率,而且提升了實(shí)驗(yàn)室管理效率和整體運(yùn)維能力。

圖3　統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺的技術(shù)架構(gòu)

3.2統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺的優(yōu)勢

(1) 集中管理、統(tǒng)一配置,提升管理效率,降低維護(hù)成本。統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺對學(xué)校分散的PC機(jī)終端進(jìn)行集中管理,統(tǒng)一配置虛擬桌面。所有的數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序都放在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器上,使用者在終端調(diào)用數(shù)據(jù)和程序。IT管理者具有中央管理能力,任何時(shí)間、任何地點(diǎn)在虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺上都可以管理所有終端桌面,對它們進(jìn)行統(tǒng)一配置與維護(hù)。無論是重裝系統(tǒng)、更新軟件甚至是災(zāi)難恢復(fù),管理員通過網(wǎng)絡(luò)在服務(wù)器上安裝調(diào)試更新后,所有的終端桌面都被更新。與傳統(tǒng)分散PC機(jī)模式相比,統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺可以節(jié)約軟件部署時(shí)間、提升管理效率、降低維護(hù)成本。表1是兩種方案的管理效率對比。

表1　管理效率對比表

(2) 資源共享,按需分配,提高資源利用率,改善教學(xué)環(huán)境。在統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺的建設(shè)中,我們利用Vmware vSphere服務(wù)器虛擬化技術(shù),將原有的20臺低配置服務(wù)器端的軟件集中到3臺高配置服務(wù)器上,將服務(wù)器上的物理資源“池化”,閑置資源可動(dòng)態(tài)分配給使用中的虛擬服務(wù)器,使服務(wù)器資源利用率從10%提升到了40%。軟硬件不再被固化到每個(gè)實(shí)驗(yàn)室,而是變成了平臺上可以隨時(shí)共享的資源,師生可以不限時(shí)間、遠(yuǎn)程訪問實(shí)驗(yàn)中心的教學(xué)環(huán)境資源。在該平臺,可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化桌面的隨需部署與管理,為每位教師定制專屬教學(xué)環(huán)境,教師上課時(shí)只要調(diào)用自己的專用桌面就可以看到自己目錄下的所有內(nèi)容,無需攜帶課件,避免了教學(xué)環(huán)境不兼容的問題。利用這個(gè)平臺,可以為學(xué)生靈活搭建各種創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，例如小組軟件開發(fā)實(shí)驗(yàn),學(xué)生根據(jù)各自的小組角色,可以訪問不同的虛擬桌面,為其提供與角色相對應(yīng)的工具或環(huán)境,而且桌面可以較長期保存。

(3) 解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室模式下的軟件沖突問題。客戶端計(jì)算機(jī)往往安裝的軟件比較多,部署新應(yīng)用程序時(shí)可能會造成沖突或故障。而在虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺平臺上,可以創(chuàng)建一臺新的虛擬機(jī),將有沖突的新應(yīng)用部署在新的虛擬機(jī)上,完全避免沖突。

(4) 降低總體成本。首先,傳統(tǒng)PC機(jī)的功耗通常在300 W以上,而終端PC機(jī)的功耗小于15 W,是PC機(jī)功耗的1/20,可以節(jié)省大量的電費(fèi)支出；其次,高可靠的終端設(shè)備降低了故障率和維護(hù)難度,可減少日常人工維護(hù)費(fèi)用；再次,終端使用時(shí)間為6～10年,遠(yuǎn)高于PC機(jī)3～5年的更新周期；最后,通過增加服務(wù)器CPU和內(nèi)存配置就可以提升桌面性能,無需更換終端。

(5) 綠色環(huán)保。由于瘦終端的低功耗、無輻射、無風(fēng)扇、低噪音、體積小,采用瘦終端的實(shí)驗(yàn)中心將更加安靜、整潔、綠色、環(huán)保。

4　建設(shè)統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺的關(guān)鍵問題

4.1以計(jì)算機(jī)為媒介的實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)

高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有以下特點(diǎn),在建設(shè)統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺的軟硬件選型時(shí)應(yīng)給予充分注意。

(1) 同類資源的訪問并發(fā)性高。上課時(shí),所有學(xué)生并發(fā)開機(jī),容易導(dǎo)致啟動(dòng)風(fēng)暴；所有學(xué)生同時(shí)使用同一軟件、做同一個(gè)操作,會集中占用相同資源。

(2) 使用者的流動(dòng)性大。一般企業(yè)里每個(gè)終端的使用者基本固定,高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室則在不同時(shí)間段安排不同的實(shí)驗(yàn)課程,終端對應(yīng)不同的使用者,使用者常常輪換、流動(dòng)性大。

(3) 應(yīng)用場景多樣。隨著高校信息化的推進(jìn),計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室日益成為集機(jī)房教學(xué)、上機(jī)實(shí)踐、上機(jī)考試、培訓(xùn)、自主學(xué)習(xí)與實(shí)踐創(chuàng)新為一體的高適應(yīng)性共享平臺[14],在搭建統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺時(shí)要考慮應(yīng)對專業(yè)教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)等級考試、專業(yè)考試、培訓(xùn)等各種場景。

(4) 教學(xué)、輔助軟件多,操作系統(tǒng)類型復(fù)雜。終端桌面需要安裝各種教學(xué)軟件,并且這些教學(xué)軟件更新頻繁。每個(gè)新學(xué)期,要根據(jù)教學(xué)要求為終端桌面更新教學(xué)軟件。終端桌面除了各種專業(yè)教學(xué)軟件外,還需要安裝機(jī)房管理系統(tǒng)、多媒體教學(xué)系統(tǒng)、上網(wǎng)準(zhǔn)入系統(tǒng)等輔助軟件,這些軟件之間很容易出現(xiàn)兼容性問題。為了讓這些軟件都能正常運(yùn)行,要求實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境平臺支持WinXP、Windows Server(32/64位)、Linux等操作系統(tǒng)。

(5) 在教學(xué)中會用到大量外設(shè)，例如教學(xué)中會用到白板、光驅(qū)、加密鑰等。

4.2建設(shè)統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺應(yīng)注意的問題

根據(jù)高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn),在搭建校級統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺時(shí)需要注意以下問題。

(1) 在架構(gòu)設(shè)計(jì)中,為了滿足計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高并發(fā)要求,避免啟動(dòng)風(fēng)暴等問題,存儲部分設(shè)計(jì)要重點(diǎn)考慮iops、吞吐量等技術(shù)參數(shù),在整個(gè)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，后端存儲采用全閃存儲,服務(wù)器采用閃存卡和SAS硬盤相結(jié)合的方式。

(2) 整個(gè)架構(gòu)要具有可擴(kuò)展性。統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺采用分步建設(shè)、逐步替換原有實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的方式,這就要求架構(gòu)具有只通過增加存儲、服務(wù)器就可擴(kuò)展整個(gè)后臺平臺的能力。在后端存儲中采用橫向擴(kuò)展的SAN；服務(wù)器虛擬化采用vmware sphere；桌面虛擬化采用基于KVM的桌面虛擬化系統(tǒng)。

(3) 平臺在支持各種操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,還要支持各種類型端口的外設(shè),滿足教學(xué)的需要。

(4) 在客戶端建立虛擬桌面連接方案中,選擇不依賴桌面操作系統(tǒng)內(nèi)部代理程序方案。桌面操作系統(tǒng)內(nèi)部代理程序方案非常脆弱，AD故障、DNS故障、網(wǎng)絡(luò)故障、程序沖突、誤刪文件等都可能影響正常工作,而且故障診斷定位非常困難；而不依賴桌面操作系統(tǒng)的內(nèi)部代理程序,用戶對OS的任意操作都不會影響連接,讓用戶享有完整的桌面體驗(yàn)。目前,采用這個(gè)方案的有云巔iConn、噢易桌面云等。

(5) 桌面虛擬化平臺要能夠支持差異更新。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的軟件更新頻度高、虛擬桌面數(shù)量多,只有通過差異更新才可以大大提高虛擬機(jī)的部署速度。

5　結(jié)語

統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺不僅可以提高實(shí)驗(yàn)室的共享度、減少實(shí)驗(yàn)室的重復(fù)建設(shè)、降低實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)成本,而且可以實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保和低碳節(jié)能的規(guī)劃目標(biāo)。隨著高校教育改革和教育信息化的推進(jìn),搭建校級統(tǒng)一虛擬化教學(xué)環(huán)境平臺將成為高校信息化建設(shè)的熱點(diǎn)之一。

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Exploration of platform construction of unified virtualization teaching environment

Song Yijun1, Zhang Ming2

(1. Modern Education Technology Center ,Shanxi University, Taiyuan 030006, China；2. Capital & Equipment Office ,Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

On the basis of the analysis of the structure of traditional laboratory and the existing problems, the architecture and advantages of virtualization teaching environment platform are discussed by using server virtualization and desktop virtualization technology. Combined with the construction of the experiment center of unified virtualization teaching environment in Shanxi university, this article puts forward several key problems needed to be aware in the platform construction of virtualization teaching environment as follows: (1) The requirement of high concurrency should be met to avoid boot storm; (2) The architecture must be scalable; (3) Various types of peripherals should be supported; (4) Virtual desktop connection chooses the solution which doesn’t rely on the internal agent of desktop operating system; and (5) Differential update should be supported.

virtualization teaching environment platform; server virtualization; desktop virtualization; laboratory construction

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.032

2015- 11- 20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60873128)

宋毅君(1977—),男,山西長治,碩士,實(shí)驗(yàn)師,山西大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心副主任,主要研究方向?yàn)榻逃畔⒒⒔y(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí).

E-mail：songyj@sxu.edu.cn

TP393.09

A

1002-4956(2016)4- 0115- 04