馬峻巖,劉 琴,孟 強(qiáng)

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 信息工程學(xué)院, 陜西 西安 710064;2.西安飛行自動(dòng)控制研究所, 陜西 西安 710065)

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·信息科學(xué)·

RALMON:一種資源敏感的輕量級(jí)感知節(jié)點(diǎn)軟件運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)框架

馬峻巖1,劉 琴2,孟 強(qiáng)1

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 信息工程學(xué)院, 陜西 西安 710064;2.西安飛行自動(dòng)控制研究所, 陜西 西安 710065)

軟件監(jiān)測(cè)是評(píng)價(jià)軟件行為是否符合預(yù)期的重要手段,也是后期實(shí)施在線調(diào)整和軟件演化的基礎(chǔ)。在有限的資源與長(zhǎng)期軟件運(yùn)行監(jiān)測(cè)需求之間進(jìn)行合理的平衡是感知節(jié)點(diǎn)軟件監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。針對(duì)現(xiàn)有軟件監(jiān)測(cè)工具缺乏對(duì)資源開銷管理的問(wèn)題,提出了一個(gè)名為RALMON感知節(jié)點(diǎn)軟件運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)框架,該框架向用戶提供了一種資源敏感的軟件監(jiān)測(cè)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了在資源高度受限節(jié)點(diǎn)上對(duì)監(jiān)測(cè)資源開銷的精細(xì)控制。在RALMON實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,研究了RALMON的存儲(chǔ)與計(jì)算開銷,最后通過(guò)一個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了RALMON的有效性。

傳感器網(wǎng)絡(luò);感知節(jié)點(diǎn)軟件;資源敏感;運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)

為了獲取物理世界的信息,傳感器網(wǎng)絡(luò)通常被部署在無(wú)人看護(hù)的戶外等環(huán)境較為惡劣的區(qū)域。這種與物理世界緊密偶合的特性,使得感知節(jié)點(diǎn)軟件的功能和行為在很大程度上會(huì)受到其所處部署環(huán)境的影響。然而,部署前對(duì)軟件進(jìn)行的各種測(cè)試僅能對(duì)實(shí)際部署后系統(tǒng)的正確性與各項(xiàng)性能參數(shù)做出一個(gè)大致的評(píng)估,那些部署后出現(xiàn)的問(wèn)題往往無(wú)法在部署前發(fā)現(xiàn)。能否快速有效地對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)與診斷,是保障傳感器網(wǎng)絡(luò)持續(xù)高效運(yùn)行的關(guān)鍵[1]。

軟件運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)收集軟件運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生內(nèi)部狀態(tài)信息,為評(píng)價(jià)軟件是否良好運(yùn)行提供重要依據(jù)。然而,由于感知節(jié)點(diǎn)資源高度受限,現(xiàn)有軟件監(jiān)測(cè)技術(shù)與框架并不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)可分為2類:網(wǎng)絡(luò)級(jí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和節(jié)點(diǎn)級(jí)監(jiān)測(cè)。本文研究的是節(jié)點(diǎn)級(jí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

監(jiān)測(cè)信息與資源開銷之間存在著根本的矛盾,對(duì)于資源高度受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō),需要在足夠的監(jiān)測(cè)信息和有限的系統(tǒng)資源之間尋求一個(gè)合適的平衡點(diǎn)。現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)軟件運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)研究,主要關(guān)注如何在實(shí)施監(jiān)測(cè)的同時(shí),盡可能減少由監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的資源開銷,但用戶無(wú)法對(duì)這些監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的資源開銷進(jìn)行精細(xì)地控制[2-6]。本文提出一種名為RALMON (resource-aware lightweight runtime monitoring)感知節(jié)點(diǎn)軟件運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)框架,該框架使用戶可以在足夠的監(jiān)測(cè)信息和有限的資源開銷之間進(jìn)行有效的權(quán)衡與精細(xì)的控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

RALMON的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,RALMON主要由以下4部分組成:

圖1 RALMON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The architecture of RALMON

1)監(jiān)測(cè)描述語(yǔ)言MDL(monitoring description language)。MDL通過(guò)監(jiān)測(cè)對(duì)象MO(monitoring objects)、ML監(jiān)測(cè)級(jí)別(monitoring levels)和監(jiān)測(cè)方案MS(monitoring schemes)3部分要素,全面刻畫了用戶對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)需求。

2)MDL代碼生成和交織工具。其主要實(shí)現(xiàn)MDL文件的解析、相關(guān)監(jiān)測(cè)級(jí)別實(shí)例代碼生成、監(jiān)測(cè)調(diào)度器配置信息生成、監(jiān)測(cè)級(jí)別實(shí)例解碼表生成、以及監(jiān)測(cè)代碼到目標(biāo)源代碼的AOP交織。

3)RALMON運(yùn)行時(shí)環(huán)境。運(yùn)行時(shí)環(huán)境主要由監(jiān)測(cè)級(jí)別實(shí)例、監(jiān)測(cè)方案調(diào)度實(shí)例以及監(jiān)測(cè)調(diào)度器3部分組成。監(jiān)測(cè)調(diào)度器主要工作是根據(jù)監(jiān)測(cè)方案和監(jiān)測(cè)資源的使用情況,自適應(yīng)地調(diào)整不同監(jiān)測(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)級(jí)別，并對(duì)相關(guān)快照進(jìn)行壓縮,實(shí)現(xiàn)指定資源開銷下的最佳監(jiān)測(cè)。

4)監(jiān)測(cè)分析工具。在收集到調(diào)度器產(chǎn)生的壓縮快照后,用戶在本地計(jì)算機(jī)上使用MDL代碼生成的監(jiān)測(cè)級(jí)別實(shí)例解碼表和交織工具產(chǎn)生的分析工具對(duì)不同監(jiān)測(cè)級(jí)別的快照進(jìn)行解壓,得到系統(tǒng)運(yùn)行記錄。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文在Contiki[7]操作系統(tǒng)上對(duì)RALMON進(jìn)行了實(shí)現(xiàn),其主要包括MDL、代碼生成和交織工具以及監(jiān)測(cè)調(diào)度器3部分。

2.1 MDL監(jiān)測(cè)需求描述語(yǔ)言

MDL包含監(jiān)測(cè)對(duì)象聲明、監(jiān)測(cè)級(jí)別定義和監(jiān)測(cè)方案描述3部分。

2.1.1 監(jiān)測(cè)對(duì)象聲明 監(jiān)測(cè)對(duì)象被定義是一個(gè)由事件E和一組程序變量V構(gòu)成的二元組(E,V),其含義是每當(dāng)事件E發(fā)生時(shí)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一條日志記錄,其內(nèi)容包括事件發(fā)生的時(shí)間戳和這組程序變量V的快照。監(jiān)測(cè)對(duì)象通過(guò)關(guān)鍵字指定不同類型的事件,關(guān)鍵字后面給出了相關(guān)事件的參數(shù)指明變量所涉及的文件名及函數(shù)名,以及需要記錄的變量名列表。例如,下面代碼中第1行代碼表示要監(jiān)測(cè)tracking.c文件中sampleProc函數(shù)中的mag變量的改變,第2行代碼表示要監(jiān)測(cè)report.c文件中update函數(shù)每次返回前變量x和變量y的值:

1 func-var tracking.c:sampleProc:mag

2 func-footer report.c:update:xy

2.1.2 監(jiān)測(cè)級(jí)別定義 監(jiān)測(cè)級(jí)別是用戶為了減小監(jiān)測(cè)對(duì)象生成記錄而定義的壓縮函數(shù)。用戶可以為每個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象定義一組監(jiān)測(cè)級(jí)別,每一個(gè)監(jiān)測(cè)級(jí)別對(duì)應(yīng)一個(gè)有損壓縮函數(shù)且有唯一的級(jí)別編號(hào),級(jí)別編號(hào)越大其資源開銷也越大。RALMON中規(guī)定對(duì)于同一組監(jiān)測(cè)級(jí)別,監(jiān)測(cè)和資源開銷應(yīng)隨著級(jí)別編號(hào)增加而單調(diào)遞增,并且這些監(jiān)測(cè)級(jí)別應(yīng)構(gòu)成一個(gè)管道,即級(jí)別k的輸出應(yīng)作為級(jí)別k-1的輸入。利用RALMON提供的操作符可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)級(jí)別的定義。RALMON提供的操作符包括:無(wú)壓縮操作符,條件篩選操作符,位掩碼操作符,數(shù)值再映射操作符。例如,下面代碼為mag對(duì)象定義了2個(gè)監(jiān)測(cè)級(jí)別,不同級(jí)別定義之間用空行分隔。級(jí)別2使用log操作符輸出變量mag的原始快照(第2行);級(jí)別1使用filter壓縮符將變量所有不大于200的記錄丟棄,而將剩下的記錄輸出保存(第4行到第5行):

1 mlevels for mag {

2 log mag

3

4 filter mag> 200

5 log mag

6}

2.1.3 監(jiān)測(cè)方案描述 監(jiān)測(cè)方案指定了如何為監(jiān)測(cè)對(duì)象選取合適的監(jiān)測(cè)級(jí)別,從而保證監(jiān)測(cè)資源開銷在預(yù)算之內(nèi)。監(jiān)測(cè)方案包括用戶期望的資源預(yù)算,監(jiān)測(cè)對(duì)象的優(yōu)先級(jí),以及同一監(jiān)測(cè)對(duì)象不同快照之間的優(yōu)先級(jí)策略。當(dāng)給定資源預(yù)算無(wú)法保證所有監(jiān)測(cè)對(duì)象為最高監(jiān)測(cè)級(jí)別時(shí),監(jiān)測(cè)調(diào)度器會(huì)依據(jù)這些策略減少相應(yīng)監(jiān)測(cè)對(duì)象快照的監(jiān)測(cè)級(jí)別。例如,下面的監(jiān)測(cè)方案的實(shí)例中,通過(guò)budget關(guān)鍵字定義用于監(jiān)測(cè)的帶寬預(yù)算不超過(guò)60Bytes/s(第2行),指定mag和eTout監(jiān)測(cè)對(duì)象的優(yōu)先級(jí)分別為1和2(第3行和第4行):

1 mscheme wsn-tracking {

2 budget=60 BPS

3 mag@priority=1

4 eTout@priority=2

5}

2.2 代碼生成和交織工具

代碼生成和交織工具將應(yīng)用程序源代碼和包含了監(jiān)測(cè)對(duì)象、監(jiān)測(cè)級(jí)別以及監(jiān)測(cè)方案的.mdl文件作為輸入,完成代碼生成和應(yīng)用程序插裝工作,主要工作包括:為每個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象分配一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符,用于區(qū)分不同對(duì)象產(chǎn)生的日志記錄;根據(jù).mdl文件中監(jiān)測(cè)對(duì)象的定義對(duì)程序源代碼進(jìn)行插裝,在相應(yīng)位置創(chuàng)建監(jiān)測(cè)對(duì)象快照記錄;根據(jù)監(jiān)測(cè)級(jí)別定義,生成用于壓縮快照記錄的代碼;從監(jiān)測(cè)方案中提取各項(xiàng)參數(shù),生成調(diào)度器的運(yùn)行配置信息;生成監(jiān)測(cè)分析工具需要的監(jiān)測(cè)級(jí)別實(shí)例解碼表。

交織通過(guò)CIL (C intermediate language)[8]完成代碼的插裝。利用CIL可以將C程序轉(zhuǎn)換成一種中間表示形式,通過(guò)對(duì)該中間表示形式的操作,可以實(shí)現(xiàn)代碼的分析與轉(zhuǎn)換,例如在某一變量賦值語(yǔ)句后插入特定代碼。

2.3 監(jiān)測(cè)調(diào)度器

監(jiān)測(cè)調(diào)度器是RALMON中用來(lái)為監(jiān)測(cè)對(duì)象動(dòng)態(tài)選擇監(jiān)測(cè)級(jí)別的組件,其目的是保證系統(tǒng)監(jiān)測(cè)開銷不超過(guò)規(guī)定的資源(帶寬、能量或者存儲(chǔ))預(yù)算。調(diào)度器維護(hù)一個(gè)固定長(zhǎng)度的緩存,新產(chǎn)生的記錄會(huì)被添加到緩存尾部。當(dāng)向緩存中添加一條新記錄時(shí),新記錄的監(jiān)測(cè)級(jí)別被設(shè)置為相應(yīng)監(jiān)測(cè)對(duì)象當(dāng)前的級(jí)別。如果緩存剩余存儲(chǔ)空間不足,則調(diào)度器會(huì)將緩存中優(yōu)先級(jí)最低記錄的監(jiān)測(cè)級(jí)別減少,直到緩存中產(chǎn)生足夠的空間用于保存新的記錄。當(dāng)記錄的監(jiān)測(cè)級(jí)別減至零時(shí),記錄從緩存中刪除。記錄從監(jiān)測(cè)級(jí)別k降低到k-1,只需將k-1級(jí)別對(duì)應(yīng)的壓縮函數(shù)作用于該記錄即可。如果與新記錄相關(guān)的對(duì)象是最低優(yōu)先級(jí)的監(jiān)測(cè)對(duì)象,且該對(duì)象的監(jiān)測(cè)級(jí)別為1,調(diào)度器會(huì)依據(jù)相關(guān)策略來(lái)替換緩存中的記錄。

3 實(shí)例分析

通過(guò)將RALMON應(yīng)用于一個(gè)目標(biāo)跟蹤程序的實(shí)例,對(duì)RALMON設(shè)計(jì)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)選擇TelosB作為傳感器節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái),節(jié)點(diǎn)運(yùn)行Contiki操作系統(tǒng)。

3.1 目標(biāo)跟蹤應(yīng)用的監(jiān)測(cè)描述

本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)化的單目標(biāo)跟蹤應(yīng)用,實(shí)驗(yàn)中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性地廣播,跟蹤節(jié)點(diǎn)利用這些廣播對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。跟蹤節(jié)點(diǎn)將檢測(cè)到的目標(biāo)信息發(fā)送給動(dòng)態(tài)選舉出的一個(gè)中心節(jié)點(diǎn),中心節(jié)點(diǎn)對(duì)發(fā)來(lái)的跟蹤信息進(jìn)行融合并將融合得到的目標(biāo)位置上報(bào)基站。

表1 目標(biāo)跟蹤應(yīng)用監(jiān)測(cè)對(duì)象Tab.1 Monitoring objects in target tracking application

監(jiān)測(cè)描述中包含了4個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象如表1所示,包括跟蹤節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變量mstate,目標(biāo)檢測(cè)函數(shù)中的傳感器讀數(shù)局部變量mag,選舉定時(shí)器回調(diào)函數(shù)eTout調(diào)用,位置計(jì)算中追蹤點(diǎn)tpleader快照(包含總消息數(shù),傳感器讀數(shù)平均值,融合目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值)。監(jiān)測(cè)方案中指定帶寬預(yù)算為4 Byte/s。

3.2 存儲(chǔ)開銷分析

本文使用msp430-gcc交叉編譯器對(duì)RALMON的RAM和ROM存儲(chǔ)開銷進(jìn)行了研究。編譯器版本號(hào)為3.2,編譯時(shí)開啟-Os優(yōu)化選項(xiàng)。

RAM比源基準(zhǔn)應(yīng)用程序增加了210Byte。RALMON的RAM開銷和3部分相關(guān):RALMON框架,監(jiān)測(cè)緩存以及監(jiān)測(cè)對(duì)象。其中,RALMON框架開銷占70Byte的RAM,由于采用了雙緩存技術(shù)當(dāng)選用50Byte緩存時(shí)需要消耗100Byte的RAM,最后每個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象大約需要消耗10Byte的RAM。

ROM比源基準(zhǔn)應(yīng)用程序增加了4 298Byte。RALMON的ROM開銷和3部分相關(guān):RALMON框架,監(jiān)測(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)級(jí)別代碼,每個(gè)記錄點(diǎn)的插裝代碼。其中,RALMON框架占2 608Byte,監(jiān)測(cè)級(jí)別代碼和具體級(jí)別的定義相關(guān),2字節(jié)整型變量每個(gè)記錄點(diǎn)插裝代碼約占40Byte的ROM開銷。

本應(yīng)用實(shí)例中RALMON的RAM開銷約占節(jié)點(diǎn)總存儲(chǔ)能力的2%(TelosB的RAM總?cè)萘繛?0kb),ROM開銷約占節(jié)點(diǎn)總存儲(chǔ)能力的8%(TelosB的ROM總?cè)萘繛?8kb),應(yīng)用實(shí)例數(shù)據(jù)表明RALMON適用于存儲(chǔ)受限的傳感器節(jié)點(diǎn)。

3.3 運(yùn)行時(shí)開銷分析

實(shí)驗(yàn)使用具有指令級(jí)精度的COOJA模擬器進(jìn)行RALMON運(yùn)行時(shí)開銷的分析。為了消除其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,實(shí)驗(yàn)僅考慮了一個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)的情況。實(shí)驗(yàn)總共持續(xù)300s,目標(biāo)在第50s出現(xiàn)并保持靜止,第250s時(shí)目標(biāo)消失。表2給出不同緩存情況下調(diào)度開銷平均指令周期數(shù)和RALMON的總開銷占比。可以看出調(diào)度開銷隨緩存不同而變化,較小的緩存相對(duì)開銷較大,其主要原因是調(diào)度器需要做出更多的調(diào)整以獲得足夠的空間保存新產(chǎn)生的記錄。此外,RALMON產(chǎn)生的額外運(yùn)行開銷占總開銷比例均小于1%,因此RALMON在運(yùn)行時(shí)方面的開銷適用于現(xiàn)有的傳感器節(jié)點(diǎn)。

表2 不同緩存下RALMON開銷Tab.2 Runtime overhead of RALMON over buffer sizes

3.4 精度和帶寬使用分析

對(duì)于狀態(tài)監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō),監(jiān)測(cè)級(jí)別越高則監(jiān)測(cè)越精確。圖2和圖3分別給出緩存為12Byte和24Byte時(shí),4個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象監(jiān)測(cè)級(jí)別隨時(shí)間變化的情況?？梢钥闯?在50s附近,監(jiān)測(cè)對(duì)象mag的監(jiān)測(cè)級(jí)別因高優(yōu)先級(jí)監(jiān)測(cè)對(duì)象記錄(mstate,eTout等)產(chǎn)生而降低。此外,緩存較大時(shí),高優(yōu)先級(jí)監(jiān)測(cè)對(duì)象記錄的監(jiān)測(cè)級(jí)別更高,這是因?yàn)殡S著緩存的增加調(diào)度器在調(diào)整記錄監(jiān)測(cè)級(jí)別時(shí)可以有更多的選擇。因此較大的緩存會(huì)產(chǎn)生更加精確的觀測(cè)結(jié)果,但在相同帶寬約束下較大的緩存會(huì)產(chǎn)生更長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)延遲。

圖2 緩存為12 Bytes監(jiān)測(cè)級(jí)別的調(diào)整Fig.2 Adjustment of monitoring levels for 12 Bytes buffer

圖3 緩存為24Bytes監(jiān)測(cè)級(jí)別的調(diào)整Fig.3 Adjustment of monitoring levels for 24 Bytes buffer

程序的原始帶寬為5.53Byte/s,帶寬預(yù)算為4Byte/s情況下,在緩存為48Byte、24Byte和12Byte時(shí), 經(jīng)RALMON調(diào)控后的帶寬分別為3.5Byte/s,3.24Byte/s和3.94Byte/s。因此,實(shí)驗(yàn)表明RALMON可以通過(guò)調(diào)整不同優(yōu)先級(jí)監(jiān)測(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)級(jí)別,將監(jiān)測(cè)資源開銷有效地控制在預(yù)算之內(nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種RALMON軟件框架,該框架在用戶為系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)定資源使用上限后,會(huì)在給定資源預(yù)算內(nèi)提供系統(tǒng)狀態(tài)最佳監(jiān)測(cè)。本文通過(guò)實(shí)例研究表明RALMON具有較小的存儲(chǔ)和運(yùn)行時(shí)開銷,且可以根據(jù)用戶設(shè)定的監(jiān)測(cè)方案自動(dòng)調(diào)整不同監(jiān)測(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)級(jí)別,達(dá)到對(duì)資源預(yù)算和監(jiān)測(cè)的管理與控制。

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[8] NECULA G C, NECULA G C, MCPEAK S, et al. CIL: Intermediate language and tools for analysis and transformation of C programs[C]//Proceedings of the 11th International Conference on Compiler Construction, Heidelberg: Springer, 2002, 2304:209-265.

(編 輯曹大剛)

RALMON: A resource-aware lightweight runtime monitoring framework for sensor node software

MA Jun-yan1, LIU Qin2, MENG Qiang1

(1.School of Information Engineering, Chang′an University, Xi′an 710064, China; 2.Xi′an Flight Automatic Control Research Institute, Xi′an 710065， China)

Software monitoring is an important means to evaluate whether software behaves as expected, which is also the foundation for further online adjustment and software run evolution. A reasonable balance between limited resources and requirement of long-term software monitoring is the key for software monitoring of sensor nodes. To address the limitations of resource management support in existing software monitoring tools, a framework named RALMON (Resource-Aware Lightweight runtime MONitoring) is proposed for sensor node software runtime monitoring. The framework provides users with a resource-sensitive software monitoring mechanism to achieve fine control of the monitoring overhead on highly resource-constrained devices. On the basis of RALMON implementation, storage and runtime overheads of RALMON are investigated. The feasibility of RALMON is shown through the case study of a representative application.

sensor networks; sensor node software; resource-aware; runtime monitoring

2014-03-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61402050，61303041);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2013G1241113)

馬峻巖，男，陜西西安人，從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)化嵌入式計(jì)算方面的研究。

TP311

：ADOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2015-03-010