劉龍蛟, 黎忠文, 王 強(qiáng)
(1.西華大學(xué) 計(jì)算機(jī)與軟件工程學(xué)院, 四川 成都 610039;
2.成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 四川 成都 610106; 3.西華大學(xué) 理學(xué)院, 四川 成都 610039)
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一種基于P2PSIP的雙向四階Chord模型研究
劉龍蛟1, 黎忠文2, 王強(qiáng)3
(1.西華大學(xué) 計(jì)算機(jī)與軟件工程學(xué)院, 四川 成都610039;
2.成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 四川 成都610106; 3.西華大學(xué) 理學(xué)院, 四川 成都610039)
摘要:基于SIP和P2P系統(tǒng)存在的不足以及P2PSIP系統(tǒng)所具有的優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)了分布式SIP信令控制協(xié)議和P2P網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立的層次化P2PSIP通訊系統(tǒng).在P2P網(wǎng)絡(luò)下,對(duì)雙向查詢算法與四階Chord算法進(jìn)行了定量分析,在此基礎(chǔ)上提出了雙向四階Chord模型,該模型使路由表的密度增加到了3Log44k,并用向量數(shù)組的概念對(duì)雙向查詢算法進(jìn)行了成功的推導(dǎo).模擬實(shí)驗(yàn)表明,以此減少路由指針轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù),使其能夠更快的指向目標(biāo)節(jié)點(diǎn).通過(guò)此分布式的SIP信令控制,可以大大提高P2PSIP系統(tǒng)的實(shí)效性.
關(guān)鍵詞:分布式;P2PSIP;雙向四階;Chord;信令
0引言
近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)通信技術(shù)及因特網(wǎng)的迅猛發(fā)展,人們對(duì)通信業(yè)務(wù)的綜合需求不斷提高,需要構(gòu)建一個(gè)能將語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)融合為一體的網(wǎng)絡(luò).目前,因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)、國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化組織(ITU-T)已經(jīng)制定并且完善了一系列標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,如會(huì)話初始協(xié)議[1](SIP)作為下一代網(wǎng)絡(luò)(Next Generation Network,NGN)的核心協(xié)議,為用戶提供了豐富多彩的業(yè)務(wù).
SIP協(xié)議是建立、修改和終止一個(gè)或者多個(gè)參加者之間多媒體會(huì)話的應(yīng)用層控制協(xié)議,其最初是由IETF的多媒體會(huì)話控制(MMUSIC)工作組在1999年提出的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RFC2543.經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展,又有許多RFC文檔和草案作為核心協(xié)議的補(bǔ)充[2-3].由于SIP網(wǎng)絡(luò)仍采用集中式的C/S(客戶/服務(wù)器)通信模式,其應(yīng)用在迅速增長(zhǎng)的同時(shí),也暴露出了一些缺點(diǎn),如性能瓶頸、不易擴(kuò)展、單點(diǎn)失效、抗毀性不足及自組性等.研究表明,分布式P2P網(wǎng)絡(luò)就是解決以上問(wèn)題最好的一種選擇[4].P2P技術(shù)是近年來(lái)快速發(fā)展的一種分布式計(jì)算技術(shù),其基本思路就是網(wǎng)絡(luò)中不存在中心服務(wù)器.一個(gè)典型的P2P網(wǎng)絡(luò)包括了Chord、Pastry、CAN、Kademlia等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).為了能在P2P網(wǎng)絡(luò)中精確快速地定位目的節(jié)點(diǎn),通常采用經(jīng)典的Chord網(wǎng)絡(luò).近年來(lái),科研人員對(duì)Chord網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了定性研究[6-7],同時(shí),針對(duì)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)存在的不足,對(duì)P2PSIP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究,并取得了一定的成果[8-9].
目前,構(gòu)建基于P2P的SIP系統(tǒng)框架(P2PSIP)主要有2種方式:第一種對(duì)SIP協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展,用SIP信令來(lái)建立和維護(hù)P2P覆蓋網(wǎng)絡(luò),即P2P-over-SIP[10],將SIP和P2P完全融合在一起,并且放棄了P2P網(wǎng)絡(luò)所使用的私有協(xié)議.對(duì)SIP協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展并修改P2P協(xié)議增加了協(xié)議的復(fù)雜度,并且無(wú)法重用已有的SIP與P2P模塊,在系統(tǒng)規(guī)模較大的P2P-Chord網(wǎng)絡(luò)中,必將產(chǎn)生大量的控制信息.而SIP相對(duì)于P2P被稱為“重型"協(xié)議,是基于文本編碼的協(xié)議,在此方案下勢(shì)必會(huì)占用很大的網(wǎng)絡(luò)帶寬.第二種以分布式P2P覆蓋網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)來(lái)替代SIP的中心服務(wù)器,即SIP-using-P2P[11],該方案屬于真正的分布式無(wú)中心服務(wù)器網(wǎng)絡(luò),將節(jié)點(diǎn)呼叫建立過(guò)程和節(jié)點(diǎn)的信息維護(hù)相分離,使用P2P信息來(lái)維護(hù)P2P覆蓋網(wǎng)絡(luò).從結(jié)構(gòu)上分析,SIP協(xié)議層和P2P協(xié)議層是完全分離的,二者可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn),互不影響,只通過(guò)接口API進(jìn)行交互,并且這種模型還允許在P2P上使用SIP之外的協(xié)議.本研究是在第二種方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,并且將節(jié)點(diǎn)分為超級(jí)節(jié)點(diǎn)(SN)和普通節(jié)點(diǎn)(ON).
1P2PSIP系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在傳統(tǒng)的SIP系統(tǒng)中,SIP實(shí)體發(fā)起呼叫時(shí)需要首先實(shí)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)和用戶的定位,此功能由SIP服務(wù)器實(shí)現(xiàn).本研究將P2P網(wǎng)絡(luò)模塊與SIP模塊結(jié)合為相互獨(dú)立層次化的P2PSIP結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò).而在P2PSIP系統(tǒng)中,由P2P分布式網(wǎng)絡(luò)的超級(jí)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)P2P覆蓋網(wǎng)絡(luò),每個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器的兩重功能.將集中式SIP通信系統(tǒng)中中央服務(wù)器的功能,動(dòng)態(tài)分布到帶了P2PSIP系統(tǒng)的各個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)上,基于分布式P2P網(wǎng)絡(luò)優(yōu)良的資源定位服務(wù),將其與SIP結(jié)合是最理想的選擇.同時(shí),本研究利用P2P-Chord模塊采用DHT方式構(gòu)建系統(tǒng),系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示.
圖1P2PSIP系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊圖
整個(gè)P2PSIP系統(tǒng)設(shè)置分為基礎(chǔ)設(shè)備層、核心模塊層與應(yīng)用控制層.
1.1基礎(chǔ)設(shè)備層
基礎(chǔ)設(shè)備層主要為上層應(yīng)用提供一些基礎(chǔ)的功能設(shè)施,與系統(tǒng)的具體應(yīng)用無(wú)關(guān),可以另外用于其他的應(yīng)用程序之中.這些模塊主要包括:網(wǎng)絡(luò)I/O、內(nèi)存I/O、文件I/O及INI配置文件讀寫(xiě)等.此類模塊均具備跨平臺(tái)操作的特性,以提高系統(tǒng)的可移植性.
1.2核心模塊層
核心模塊層建立在基礎(chǔ)設(shè)備層之上,是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)最主要的功能模塊,包括P2P模塊、SIP信令控制模塊及多媒體流處理模塊.
1.2.1P2P-Chord模塊.
P2P的應(yīng)用層路由網(wǎng)絡(luò)作為其信令控制的Overlay(覆蓋)網(wǎng)絡(luò).采用雙向四階Chord模型,節(jié)點(diǎn)分為超級(jí)節(jié)點(diǎn)(SN)和普通節(jié)點(diǎn)(ON).超級(jí)節(jié)點(diǎn)之間組成一個(gè)基于DHT的P2P網(wǎng)絡(luò),普通節(jié)點(diǎn)僅僅是用戶代理,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)P2P網(wǎng)絡(luò)的分布式覆蓋與維護(hù)接口,包括節(jié)點(diǎn)加入、節(jié)點(diǎn)離開(kāi)及資源搜索等,從而為P2PSIP系統(tǒng)提供資源信息的分布式存儲(chǔ)與定位.
1.2.2SIP信令控制模塊.
SIP通信信令的控制以SIP協(xié)議棧為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn).控制接口主要包括客戶的注冊(cè)與認(rèn)證、呼叫控制、DNS定位及SDP媒體協(xié)商等.SIP以其簡(jiǎn)單、靈活的特性為P2PSIP系統(tǒng)提供呼叫信令控制功能.
1.3應(yīng)用控制層
應(yīng)用控制層在以上2大功能模塊的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的通信系統(tǒng).利用P2P-Chord模塊實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的定位與注冊(cè).利用分布式SIP信令控制協(xié)議實(shí)現(xiàn)用戶的呼叫建立過(guò)程,實(shí)現(xiàn)多媒體流傳輸?shù)膶?shí)效性.
2雙向四階Chord模型
2.1雙向二階和雙向三階Chord算法
針對(duì)目前P2P網(wǎng)絡(luò)中多媒體應(yīng)用的時(shí)效性要求,為了提高系統(tǒng)的整體性能,本研究從P2P-Chord模塊入手,首先對(duì)Chord的查詢過(guò)程進(jìn)行定性的觀察分析.
1)通過(guò)哈希函數(shù)如SHA-1給每個(gè)節(jié)點(diǎn)與資源關(guān)鍵字分配m位的標(biāo)識(shí)值.以2 m,3 m為模.節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)值在Chord環(huán)上按順時(shí)針?lè)较驈男〉酱笈帕?資源標(biāo)識(shí)值k被分配到節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)值等于k或者緊隨k的首個(gè)節(jié)點(diǎn)上.
2)對(duì)需要查詢的資源關(guān)鍵字k求hash(k),得到資源標(biāo)識(shí)值.
3)比較hash(k)與本節(jié)點(diǎn)的finger table是否存在目的節(jié)點(diǎn).如果是,則直接查找.
4)如果不是,在本節(jié)點(diǎn)的finger table中找到最接近目的節(jié)點(diǎn)的合適節(jié)點(diǎn)地址.
5)把查詢轉(zhuǎn)發(fā)給該節(jié)點(diǎn),繼續(xù)上述3)、4)步驟,直到完成.
在Chord查詢過(guò)程中,“2)”~“4)”步均是在本節(jié)點(diǎn)上完成的,時(shí)間復(fù)雜度為恒定值,對(duì)于現(xiàn)在的設(shè)備來(lái)說(shuō)這些開(kāi)銷微不足道.而第“5)”步涉及到信息的轉(zhuǎn)發(fā).目前,P2P網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分布于全球各地,節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)延遲非常大,節(jié)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)發(fā)延遲就是通訊系統(tǒng)中Chord的最大性能瓶頸.因網(wǎng)絡(luò)帶寬匱乏的狀況是無(wú)法改變的現(xiàn)實(shí),所以要通過(guò)減少節(jié)點(diǎn)延遲以提高系統(tǒng)性能.
2.2四階Chord算法
提高通訊系統(tǒng)中Chord路由性能的關(guān)鍵在于減少轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù).對(duì)此,本研究提出一種四階Chord算法使路由表的指針更加密集,能夠更快速定位到目標(biāo)節(jié)點(diǎn).四階Chord路由表結(jié)構(gòu)如表1所示.
表1 四階Chord路由表
在表1中,每個(gè)序號(hào)表示了路由表中的三項(xiàng).這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)所維護(hù)的存儲(chǔ)空間復(fù)雜度由傳統(tǒng)Chord中的O(Log2N)與O(Log3N)增加到了O(3Log4N),并且四階Chord保證了目的節(jié)點(diǎn)定位的時(shí)間復(fù)雜度為O(Log4N).
2.3雙向Chord
為了提高查找效率,本研究使用雙向查找算法,并且定義另外一張逆時(shí)針?lè)较虻穆酚杀?,即Anti finger表.這樣每次在某個(gè)節(jié)點(diǎn)上檢索下一跳路由時(shí),就可以同時(shí)從順時(shí)針和逆時(shí)針2個(gè)方向進(jìn)行查找,這使得每一次進(jìn)行路由選擇時(shí),可以選擇出一條性能相對(duì)優(yōu)良的路徑.雙向路由表中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的全部路由表的定義如表2所示.
表2 雙向finger表結(jié)構(gòu)
(1)
向量的求模運(yùn)算定義如下,
(2)
(3)
向量的模運(yùn)算表示2個(gè)節(jié)點(diǎn)間的邏輯距離,可以理解為從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所要經(jīng)過(guò)的跳數(shù).
2.4雙向四階Chord算法
在傳統(tǒng)的Chord算法中,存在著查找跳數(shù)過(guò)多,效率低的性能瓶頸.因此,本研究進(jìn)一步改進(jìn)Chord的雙向查找算法,并把Chord算法的路由表改為四階,算法的具體步驟為:
1)如果關(guān)鍵字k存儲(chǔ)于本節(jié)點(diǎn),則返回本節(jié)點(diǎn)地址,查詢成功.
2)沿著順時(shí)針?lè)较虿樵?,如果k位于Q的hash值和Q.successor的hash值之間,即當(dāng)Q 3)沿著逆時(shí)針?lè)较虿樵?,如果關(guān)鍵字k介于Q節(jié)點(diǎn)的hash值與Q節(jié)點(diǎn)沿逆時(shí)針?lè)较虻那膀?qū)節(jié)點(diǎn)的hash值之間,即Q.Antifinger[1].node≤k≤Q時(shí),則查詢方向?yàn)槟鏁r(shí)針.查找成功,返回本地節(jié)點(diǎn).否則轉(zhuǎn)下一步. 4)查詢關(guān)鍵字的hash值為k,從finger表中獲得不同的2個(gè)節(jié)點(diǎn)Q1與Q2,在finger表中Q2位于Q1之后.Q1滿足, (4) 從Anti finger表中獲得不同的2個(gè)節(jié)點(diǎn)Q3與Q4,在路由表中Q4位于Q3之后.且Q3滿足, (5) 定義向量數(shù)組, (6) 向量的方向數(shù)組, Dir=[1,0,0,1] (7) 方向數(shù)組表示節(jié)點(diǎn)Q與關(guān)鍵字k的方位關(guān)系.Dir[i]=1時(shí),表示k在Q節(jié)點(diǎn)的順時(shí)針?lè)较?Dir[i]=0時(shí)表示k在Q節(jié)點(diǎn)的逆時(shí)針?lè)较? 查詢數(shù)組B中的最小元素,如果B[i]是數(shù)組的最小元素,則Q[i]為其下一跳的路由節(jié)點(diǎn).若Dir[i]=1,則下一跳的查詢方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?,否則,下一跳查詢方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?之后轉(zhuǎn)(1)直到查詢到目的節(jié)點(diǎn). 如圖2所示,N2節(jié)點(diǎn)在表3中用雙向四階Chord算法查詢定位資源關(guān)鍵字k=47的目的節(jié)點(diǎn)的過(guò)程為: N2分析自身的路由表,fingertable找到N37、N59節(jié)點(diǎn),Antifingertable找到N56、N45節(jié)點(diǎn).其中,N45距離k=47最近,把查詢信息轉(zhuǎn)給N45,并且查詢方向?yàn)轫槙r(shí)針.N45節(jié)點(diǎn)查詢自己的路由表,發(fā)現(xiàn)k=47位于本節(jié)點(diǎn)與本節(jié)點(diǎn)的后繼N52之間,因此,其把查詢信息轉(zhuǎn)發(fā)給N52,發(fā)現(xiàn)k=47存儲(chǔ)于本地,查詢成功.查找過(guò)程總共轉(zhuǎn)發(fā)2次. 圖2 雙向四階Chord查找過(guò)程 3P2PSIP系統(tǒng)的工作流程 本研究的系統(tǒng)架構(gòu)中包含2種角色的節(jié)點(diǎn):普通節(jié)點(diǎn)(ON)和超級(jí)節(jié)點(diǎn)(SN),根據(jù)能力的不同,將不同的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分,不同能力的節(jié)點(diǎn)被賦予不同的任務(wù).超級(jí)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成Chord環(huán),普通節(jié)點(diǎn)僅僅只是連接到這些超級(jí)節(jié)點(diǎn),充當(dāng)用戶端.任何節(jié)點(diǎn)根據(jù)它們的性能高低,既可以成為超級(jí)結(jié)點(diǎn)也可以成為普通節(jié)點(diǎn).決定其成為超級(jí)節(jié)點(diǎn)或者普通節(jié)點(diǎn)均實(shí)現(xiàn)于本地區(qū)域內(nèi). 在P2PSIP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,普通節(jié)點(diǎn)并不能擔(dān)當(dāng)SIP服務(wù)器的角色,要加入P2PSIP網(wǎng)絡(luò)必須向超級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行注冊(cè).任何節(jié)點(diǎn)之間若需要進(jìn)行會(huì)話通訊,則首先必須完成用戶節(jié)點(diǎn)的定位.而通過(guò)本研究所提出的雙向四階Chord算法進(jìn)行定位,提高了通訊目的節(jié)點(diǎn)的查詢定位效率,縮短了通信延遲.同時(shí),為了提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性和可拓展性,P2PSIP分布式網(wǎng)絡(luò)具有超級(jí)節(jié)點(diǎn)(SN)的自動(dòng)加入或離開(kāi)的功能. 4實(shí)驗(yàn)仿真 通過(guò)分析P2PSIP系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)與實(shí)際需求,在仿真實(shí)驗(yàn)中,本研究對(duì)分布式DHT建立每個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由表,均采用NS2分析軟件[12]對(duì)雙向二階Chord算法、雙向三階算法以及雙向四階算法進(jìn)行模擬仿真, 并對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 比較3種算法各自的優(yōu)缺點(diǎn). 4.1平均查找路徑長(zhǎng)度 查找路徑長(zhǎng)度是指對(duì)某個(gè)資源關(guān)鍵字k進(jìn)行查詢時(shí)所經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)數(shù),即跳數(shù).雙向二階、雙向三階及雙向四階Chord算法的路徑跳數(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)如圖3所示. 圖3平均路徑長(zhǎng)度比較 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加,3種算法的平均路徑跳數(shù)均有所增加,雙向四階Chord算法的平均查找路徑,較之原來(lái)2種算法的增長(zhǎng)趨勢(shì)更為平穩(wěn)、更加緩慢.這表明雙向四階Chord算法在查詢目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)所經(jīng)過(guò)的跳數(shù)比原來(lái)2種算法要小,對(duì)查詢效率有很大的提高. 4.2平均查找延時(shí) 平均查找延時(shí)是指定位平均網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)所需要的時(shí)間.雙向二階、雙向三階及雙向四階Chord算法在平均查找時(shí)延上的差異如圖4所示. 圖4平均查找延時(shí) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加,3種算法的查找時(shí)延均有所增長(zhǎng),但雙向四階Chord算法比傳統(tǒng)的2種算法在查找時(shí)延上均有很大的降低. 5結(jié)語(yǔ) 本研究所提出的P2PSIP系統(tǒng)在信令控制和媒體流傳輸兩個(gè)方面均采用應(yīng)用層P2P分布式覆蓋網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)的自組織性、抗毀性及高擴(kuò)展性等性能較高.在P2P-Chord網(wǎng)絡(luò)中,雙向四階Chord算法在減少查找延時(shí)和查找路徑兩方面都有很大的提高.由于Chord階數(shù)的升高所導(dǎo)致路由表的增長(zhǎng)所帶來(lái)的開(kāi)銷,但就目前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及基于本研究所做的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明,這樣的開(kāi)銷是可以被忽略的. 參考文獻(xiàn): [1]穆棟.P2P-SIP通信系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2011. 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Two-way Fourth-order Chord Model Based on P2PSIP LIULongjiao1,LIZhongwen2,WANGQiang3 (1.School of Computer and Software Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China;2.School of Information Science and Engineering, Chengdu university, Chengdu 610106, China;3.School of Science, Xihua University, Chengdu 610039, China) Abstract:Based on the deficiency of SIP and P2P system and the advantages of P2PSIP system,the paper designs a hierarchical P2PSIP communication system with a distributed SIP signaling control protocol and P2P network which are independent of each other.Under the P2P network,quantitative analysis is done on the bidirectional query algorithm and four-order Chord algorithm.On this basis,the paper proposes that the bidirectional fourth-order Chord model.The model makes the density of the routing table increase to 3Log44k.Meanwhile,based on vector array,the bidirectional query algorithm is derived successfully.Simulation results show that,the model can reduce routing pointer forwarding frequency and make it point faster to the target node.Through this distributed SIP signaling control,the effectiveness of P2PSIP system is enhanced greatly. Key words:distributed;P2PSIP;two-way fourth-order;Chord;signaling 中圖分類號(hào):TP393.02 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 作者簡(jiǎn)介:劉龍蛟(1985 — ), 男, 碩士研究生, 從事無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)研究. 基金項(xiàng)目:四川省科技廳科技支撐計(jì)劃(2014SZ0107、 2015GZ0333)資助項(xiàng)目. 收稿日期:2016-01-05. 文章編號(hào):1004-5422(2016)01-0053-05