祥保慶，羅萬明，閻保平

1.中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心，北京 100190

2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

面向生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的傳感規(guī)劃服務(wù)的研究與實現(xiàn)

祥保慶1,2，羅萬明1，閻保平1

1.中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心，北京 100190

2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

近年來，傳感技術(shù)的快速發(fā)展為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測奠定了堅實的硬件基礎(chǔ)。在不同的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測傳感系統(tǒng)之間，整合監(jiān)測數(shù)據(jù)在采集、處理、存儲過程以及通信協(xié)議上的差異，實現(xiàn)資源共享成為傳感領(lǐng)域的一個重要問題。傳感規(guī)劃服務(wù) (Sensor Planning Service，SPS) 是由開放地理信息聯(lián)盟(Open Geospatial Consortium，OGC) 提出的一種開放標(biāo)準，主要為用戶規(guī)劃請求并為傳感資源規(guī)劃任務(wù)，從而實現(xiàn)傳感資源共享。本文將 SPS 服務(wù)應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測傳感網(wǎng)，并且設(shè)計相應(yīng)的客戶端和服務(wù)端，驗證了 SPS 服務(wù)應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測傳感網(wǎng)的可行性。

傳感技術(shù)；生態(tài)環(huán)境監(jiān)測；資源共享；開放地理信息聯(lián)盟；任務(wù)規(guī)劃

引言

隨著人們對于生態(tài)環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高，許多地區(qū)都已經(jīng)建立了用于生態(tài)環(huán)境觀測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]。這些生態(tài)環(huán)境監(jiān)測傳感系統(tǒng)利用各種各樣的傳感設(shè)備，在不破壞生態(tài)環(huán)境的前提下，獲取了大量的生態(tài)觀測數(shù)據(jù)。然而由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中的觀測設(shè)備、數(shù)據(jù)處理方式、數(shù)據(jù)格式以及通信協(xié)議等方面的不同，各種來自不同類型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)只能被特定的應(yīng)用訪問，并且不能通過互聯(lián)網(wǎng)直接互聯(lián)到一起，這使得這些傳感器網(wǎng)絡(luò)成為了一個個信息“孤島”[2-3]。Sensor Web 是由美國國家航空航天局的Kevin Delin 于 1997年首次提出，主要描述了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作架構(gòu)。OGC 一直致力于 Sensor Web 的推廣，并制定了一套 Sensor Web 標(biāo)準框架(Sensor Web Enablement，SWE)[4]。SWE 規(guī)范包括下述七種：傳感觀測服務(wù) (Sensor Observation Service，SOS)、傳感規(guī)劃服務(wù) (Sensor Planning Service，SPS)、網(wǎng)絡(luò)通告服務(wù) (Web Notification Service，WNS)、傳感警告服務(wù) (Sensor Alert Service，SAS)、觀測和測量 (Observation & Measurement，O&M)、傳感建模語言 (Sensor Model Language，SensorML)、轉(zhuǎn)換標(biāo)記語言 (Transducer Markup Language，TML)。其中 SPS、SOS、SAS、WNS 是 SWE 的四大功能模型，即四大服務(wù)，O & M、SensorML、TML 是 SWE的信息模型[5]。SOS 直接和傳感器網(wǎng)絡(luò)交互來獲取傳感器觀測數(shù)據(jù)[6]。SPS 連接用戶和傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要負責(zé)對用戶請求進行可行性判定并為傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃任務(wù)。WNS 負責(zé)向用戶發(fā)送觀測請求任務(wù)的觀測結(jié)果和相關(guān)的通知信息[7]。SAS 在特定情況下向用戶提供告警服務(wù)[8]。這些 Web 服務(wù)相互協(xié)作，并結(jié)合O & M、SensorML 和 TML，向外部用戶提供了對傳感器網(wǎng)絡(luò)的訪問接口，使傳感觀測資源得到了有效地共享。

本文主要研究 SWE 框架下的 SPS 服務(wù)規(guī)范。在深入研究 SPS 標(biāo)準的數(shù)據(jù)格式和交互規(guī)范的基礎(chǔ)上，將該服務(wù)規(guī)范應(yīng)用于黑河流域和青海湖自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測傳感網(wǎng)中。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測傳感網(wǎng)已經(jīng)集成了符合 OGC 標(biāo)準的 SOS 服務(wù)[9]，主要用來檢索生態(tài)環(huán)境監(jiān)測傳感網(wǎng)中的元數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)。本文以黑河流域和青海湖自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測傳感網(wǎng)為應(yīng)用示范，研究并設(shè)計 SPS 服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，并以該體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計與實現(xiàn) SPS 服務(wù)，并對該示范應(yīng)用進行驗證和總結(jié)。

1 SPS 服務(wù)標(biāo)準

作為 SWE 框架的重要組成部分，SPS 服務(wù)標(biāo)準完成了自用戶發(fā)出請求至任務(wù)提交結(jié)束等一系列交互過程。SPS 服務(wù)標(biāo)準需要完成的操作包括：提供用戶請求所必須的任務(wù)參數(shù)并負責(zé)對用戶請求進行可行性判定、建立可行的傳感器收集計劃以及向傳感器平臺提交任務(wù)。它為用戶屏蔽了傳感器平臺的底層實現(xiàn)，提供一種標(biāo)準的服務(wù)接口，實現(xiàn)了傳感觀測資源的共享。

SPS規(guī)范定義了一系列標(biāo)準接口，包含功能性操作和信息操作兩類接口。信息操作主要包括：GetCapabilities、DescribeTasking、DescribeResultAccess、GetStatus，這些操作提供用戶收集請求過程中所需要的信息。功能性操作包括：GetFeasibility、Submit、Update、Cancel。這些功能性操作在信息操作的基礎(chǔ)上完成了用戶觀測請求過程的控制[10]。

作為用戶與傳感系統(tǒng)之間的橋梁，SPS 服務(wù)提供的接口完成了請求可行性判定、觀測規(guī)劃、任務(wù)提交等功能，其典型交互流程如圖1所示：

其中，GetCapabilities、DescribeTasking、Submit三個接口操作是 SPS 服務(wù)的核心操作，GetFeasibility、GetStatus、Update、DescribeResultAccess、Cancel 五個接口操作是 SPS 服務(wù)的擴展操作，具體內(nèi)容如下。

1.1 SPS 核心接口

1.1.1 GetCapabilities 接口

GetCapabilities 用于得到服務(wù)自身的信息，用戶將根據(jù)服務(wù)自身的信息確定該服務(wù)對外提供的功能。服務(wù)自身信息包括 SPS 服務(wù)的版本號、標(biāo)識信息、服務(wù)提供者的信息、所支持的操作及操作的參數(shù)描述等[11]。

服務(wù)器收到GetCapabilities 請求后的響應(yīng)為CapabilitiesDocument，CapabilitiesDocument 包含的內(nèi)容主要包括：

(1) ServiceIdenti fication：SPS 服務(wù)身份標(biāo)識；

(2) ServiceProvider：服務(wù)提供方個人信息，包括作者名稱、聯(lián)系方式等個人信息；

(3) OperationsMetadata：元信息文檔，即 SPS 服務(wù)自身功能的相關(guān)描述。主要包括 SPS 服務(wù)支持的操作以及操作需要輸入的參數(shù)；

(4) Content：主要描述觀測現(xiàn)象。每種觀測現(xiàn)象對應(yīng)某個傳感器。

1.1.2 DescribeTasking 接口

DescribeTasking 主要為發(fā)出請求的用戶提供任務(wù)規(guī)劃，是 SPS 服務(wù)相當(dāng)重要的操作。該操作首先解析用戶請求的參數(shù)，然后向傳感器平臺分配規(guī)劃任務(wù)。用戶發(fā)出的 DescribeTasking 請求描述如表2所示。

該接口的響應(yīng)為 DescribeTaskingRequestResponse的結(jié)構(gòu)描述如圖2所示：

1.1.3 Submit 接口

圖1 SPS 服務(wù)典型交互過程Fig.1 The typical interaction process of Sensor Planning Service

表2 Describe Tasking 參數(shù)描述Table 2 Description of Describe Tasking parameters

圖2 Describe Taskingt Response 結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of Describe Tasking Response

Submit 操作用于提交已經(jīng)完成規(guī)劃的 SPS 任務(wù)請求，遵循 SPS 標(biāo)準的規(guī)范，用戶可以在以下兩種方式中選擇提交任務(wù)的方式：1、提供設(shè)備 ID 和相關(guān)的參數(shù)；2、只提供一個經(jīng)過可行性判定的 ID。在Submit 操作后可以根據(jù)響應(yīng)返回結(jié)果對任務(wù)進行查詢狀態(tài)、更新和取消等操作。請求參數(shù)如表3 所示：

Submit 接口要求的參數(shù)由用戶填寫，由 SPS 接收并進行參數(shù)值的有效性檢測。

Submit 操作的響應(yīng) SubmitRequestResponse 包含以下內(nèi)容：

(1) taskID：傳感任務(wù)標(biāo)識，用戶可以根據(jù)該標(biāo)識查詢、取消或者更新該任務(wù)；

(2) Status：狀態(tài)。如確認、拒絕、等待、請求不完整等狀態(tài)；

(3) Description：包括字符串或者指向其它服務(wù)的引用，描述任務(wù)信息；

(4) estimatedToC：任務(wù)預(yù)判的完成時間；

(5) Alternative：任務(wù)執(zhí)行的備用選擇。

1.2 SPS 的擴展接口

1.2.1 Get Feasibility 接口

對任務(wù)進行可行性判定。根據(jù)用戶發(fā)出的觀測請求和 SPS 感知的傳感信息(傳感設(shè)備、傳感器 Web 服務(wù)和相關(guān)算法)。GetFeasibility 請求參數(shù)如表4 所示：

Get Feasibility 的響應(yīng)為 Get Feasibility Request Response，主要包含以下信息：

(1) ID：可行性結(jié)果標(biāo)識；

(2) Feasibility：可行性結(jié)果，如可行、不可行、請求不完整等；

(3) Description：描述判定結(jié)果；

(4) Alternative：可行性判定未予通過的備選方案。

1.2.2 GetStatus 接口

該接口用于獲取任務(wù)提交后的狀態(tài)。該接口所需的參數(shù) taskID，通過用戶提交 Submit 后的返回值得到。Task 的狀態(tài)包括：待執(zhí)行、未知、操作中、取消、已完成、延遲。

1.2.3 Update 接口

該接口用于任務(wù)更新。通過 taskID 選擇之前提交的任務(wù)，并且添加想要修改的參數(shù)。Update 請求能否成功主要取決于該任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)，只有處于待執(zhí)行和延遲的任務(wù)可以被更新。

表3 Submit 請求參數(shù)Table 3 The request parameters of Submit

表4 Get Feasibility 請求參數(shù)Table 4 The request parameters of Get Feasibility

1.2.4 Describe Result Access 接口

Describe Result Access 接口為用戶提供資源檢索服務(wù)，用戶可以通過 taskID 或 sensorID 來檢索某個任務(wù)或某個傳感器相關(guān)的觀測數(shù)據(jù)。該接口的返回結(jié)果包含指向其他 OGC Web 服務(wù)的引用。

1.2.5 Cancel 接口

該接口通過 taskID 來取消選定任務(wù)，該任務(wù)應(yīng)該處于已經(jīng)提交尚未被執(zhí)行的狀態(tài)。

2 SPS 服務(wù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 背景介紹

黑河流域生態(tài)水文傳感器網(wǎng)絡(luò)是在我國西北地區(qū)黑河流域上游八寶河流域和中游盈科灌區(qū)，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為紐帶，建立的自動化、智能化、時空協(xié)同的、各觀測節(jié)點遠程可控的生態(tài)水文傳感器綜合觀測網(wǎng)絡(luò)，用以全面提高黑河流域水文過程的綜合觀測能力和觀測自動化水平[12]。傳感器網(wǎng)絡(luò)中目前有 55 套定制開發(fā)的適合于高寒地區(qū)野外部署、接口靈活且支持 IPv6 協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，搭載空氣溫濕度傳感器和風(fēng)速傳感器等傳感器，對黑河中游和上游的生態(tài)水文進行觀察[13]。青海湖區(qū)域是我國重要的生態(tài)保護基地，青海湖國家級自然保護區(qū)是以野生水鳥及其棲息地保護為主要保護任務(wù)的保護區(qū)。自 2005年以來，為開展野生水鳥保護和行為研究，以及疫病預(yù)警和防治，中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心與保護區(qū)管理局合作，共同建設(shè)了青海湖野外網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)[14]。

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在黑河流域和青海湖保護區(qū)生態(tài)水文傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，遵循 OGC 相關(guān)規(guī)范，建立以生態(tài)環(huán)境監(jiān)測為應(yīng)用示范的面向生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的 Sensor Web 平臺。此平臺目前已經(jīng)集成了遵循 OGC 規(guī)范的數(shù)據(jù)觀測服務(wù) (Sensor Observation Service，SOS) 和 Web 處理服務(wù)(Web ProcessingService，WPS)。本文在研究 SPS 服務(wù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，將 SPS 服務(wù)集成到生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)傳感資源的規(guī)劃。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 總體設(shè)計

為了便于開發(fā)維護和保持較好的可擴展性，本文將 SPS 服務(wù)劃分為4層，其架構(gòu)圖如圖3所示。第一層是接口層，該層主要負責(zé)提供 SPS 服務(wù)對外的接口，接口層將會對用戶請求的參數(shù)解析，參數(shù)解析完成以后將會被按照 SPS 規(guī)范進行封裝并傳遞給業(yè)務(wù)層。第二層是業(yè)務(wù)層，本層檢查用戶請求的合法性，主要檢查SPS服務(wù)中各個接口請求都要求的公共參數(shù)和請求內(nèi)容是否為合法的 xml 格式，沒有通過驗證的請求將會被SPS服務(wù)返回異常信息，通過合法性驗證的請求將按照請求的具體類型轉(zhuǎn)發(fā)給下一層的服務(wù)層。第三層是服務(wù)層，服務(wù)層針對各個服務(wù)的要求，對請求的參數(shù)進行進一步檢查，通過本層檢查的請求將會被轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)持久層，針對數(shù)據(jù)持久層返回的結(jié)果，該層按照SPS規(guī)范將結(jié)果進行封裝，封裝完的結(jié)果將會返回給業(yè)務(wù)層。最后一層是數(shù)據(jù)持久層，持久層主要完成對傳感器、傳感任務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)的增刪改查。

圖3 SPS 服務(wù)架構(gòu)Fig.3 The architecture of Sensor Planning Service

2.2.2 處理流程

按照上述總體設(shè)計，SPS 的核心接口操作和擴展接口操作在處理用戶請求時，均將按照一致的處理流程完成一系列操作。下面主要介紹 DescribeTasking 接口的邏輯設(shè)計，其它接口的邏輯設(shè)計與該流程相似。

如圖4所示，由于用戶是以 xml 格式發(fā)送請求的，所以 SPS 服務(wù)在每個具體的接口操作中對請求數(shù)據(jù)進行了三次檢查。用戶發(fā)送的任務(wù)描述請求 DescribeTasking以xml文檔的格式發(fā)送到SPS 服務(wù)，在接口層 SPS 服務(wù)首先對該請求進行第一次解析，按照 OGC 規(guī)范要求的數(shù)據(jù)格式對請求進行封裝，封裝失敗將會返回失敗信息通知用戶。封裝完成的請求以標(biāo)準的 OGC 格式進行向下傳遞，SPS 服務(wù)將檢查請求的參數(shù)和版本，在本文中，請求參數(shù)設(shè)置為“SPS”，由于最新的 OGC 規(guī)范中 SPS 服務(wù)的版本已經(jīng)為2.0，本文也將版本號設(shè)置為2.0。通過版本和參數(shù)驗證的請求，將被服務(wù)層接口調(diào)用，BasicSensorPlannerOperator 服務(wù)首先檢查請求是否有額外需求，目前默認該請求不允許有額外的請求，從請求的 procedure 參數(shù)中獲取任務(wù) ID，繼而去數(shù)據(jù)庫中讀取相應(yīng)的信息。成功獲取到的任務(wù)描述信息將同樣以 xml 格式的形式返回給用戶。

2.3 應(yīng)用實現(xiàn)

2.3.1 開發(fā)環(huán)境

本文研究 SPS 服務(wù)規(guī)范最終的目的是集成到生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中，由于 java 語言跨平臺，一次編譯，到處執(zhí)行的優(yōu)點，本系統(tǒng)將通過主要是使用 java 語言來實現(xiàn)。同時，為了節(jié)約開發(fā)成本，采用了 SpringMVC 框架來將服務(wù)的對外接口和內(nèi)部實現(xiàn)解耦。PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫是對象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)類型非常豐富，可靠性高，特別適合用來存儲生態(tài)觀測系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，采用 PostgreSQL數(shù)據(jù)庫存儲 SPS 服務(wù)的數(shù)據(jù)為進一步的系統(tǒng)集成提供了便利。為了減少數(shù)據(jù)庫的開發(fā)成本，采用了hibernate 框架完成數(shù)據(jù)持久化的工作。Tomcat 服務(wù)器是輕量級的 java web 服務(wù)器，能夠滿足本文研究的需要。

2.3.2 應(yīng)用示范與測試

由于本文研究的SPS服務(wù)屬于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，為了方便對于該服務(wù)進行測試，在完成SPS 服務(wù)的服務(wù)端開發(fā)的同時，設(shè)計了前端的測試頁面。在服務(wù)端，主要采取 Tomcat 服務(wù)器部署 SPS 服務(wù)，tomcat 服務(wù)器部署在 win7 系統(tǒng)下，前端主要使用 HTML 和 JavaScript 語言編寫。打包的SPS服務(wù)可以部署在 linux下，從而得到良好的跨平臺特性。

如圖5所示，用戶提交任務(wù)，請求觀測 sensor_ID為 http://www.52north.org/sensor/cite/1 的觀測數(shù)據(jù)。提交 submit 操作完成后，SPS服務(wù)返回生成為該任務(wù)生成的ID為 http://www.52north.org/sensor/cite/1/87bd100c-4729-46e3-a1e0-a99e67c2ed0d，根據(jù)sps 服務(wù)生成的任務(wù) ID 查看任務(wù)狀態(tài)，sps 服務(wù)返回的任務(wù)狀態(tài)圖6所示。

圖4 DescribeTasking 邏輯流程Fig.4 The logic procedure of DescribeTasking

在圖6中，可以看到返回的狀態(tài)信息，＜ns:task＞參數(shù)指定了該狀態(tài)信息屬于 ID 為 http://www.52north.org/sensor/cite/1/87bd100c-4729-46e3-a1e0-a99e67c2ed0d 的任務(wù)，＜ns:percentCompletion＞ 的值為90，說明該任務(wù)完成的進度為 90%，＜ns:taskStatus＞為 InExecution 表明該任務(wù)正在執(zhí)行當(dāng)中，尚未完成。

經(jīng)測試，Submit 接口與其他六個接口均能按照預(yù)期設(shè)計實現(xiàn)相應(yīng)功能，SPS 服務(wù)能夠正常運行?？梢?，SPS 服務(wù)能夠完成傳感資源任務(wù)規(guī)劃階段的各個功能。基于 xml 格式的數(shù)據(jù)格式解決了不同傳感資源的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異，使用 java 語言封裝的 SPS 服務(wù)可以靈活地集成與傳感觀測系統(tǒng)當(dāng)中，實現(xiàn)在不同平臺下的可移植性。

3 總結(jié)

圖5 用戶提交任務(wù)請求Fig.5 User submit task request

圖6 客戶端查詢某個任務(wù)的狀態(tài)Fig.6 Client retrieve the status of some task

本文通過對OGC標(biāo)準框架 SWE中SPS規(guī)范的研究，將其應(yīng)用到生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中，實現(xiàn)了跨平臺下的傳感觀測資源規(guī)劃，從而提高了傳感觀測資源的可用性。在下一步的工作中，還需要對SPS服務(wù)進行進一步的規(guī)范和優(yōu)化，比如XML數(shù)據(jù)格式雖然易于傳輸，但不利于大量數(shù)據(jù)情況下的用戶閱讀。如何高效地與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的其它服務(wù)如SPS服務(wù)、WPS服務(wù)和WNS服務(wù)協(xié)同工作需要進一步明確交互接口和處理的邏輯優(yōu)化。

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The Study and Implementation of Sensor Planning Service for Ecological Environment Monitoring

Xiang Baoqing1,2,Luo Wanming1,Yan Baoping1

1.Computer Network Information Center,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China
2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

In recent years,the rapid development of sensor technology has laid a solid foundation for ecological environment monitoring.It is important to pay more attention on the integration of the collection,processing and storage of data as well as communication protocol between different ecological environment monitor systems,so as to realize resource sharing.Sensor Planning Service (SPS) is an open standard proposed by the Open Geospatial Consortium (OGC),and mainly for the user request andplanning sensing resources to realize the sensing task planning and resource sharing.In this paper,the SPS service is applied to the ecological environment monitor sensor network.With our corresponding client and server,we tested the feasibility of applying SPS services to the ecological environment monitor sensor network.

sensor technology; ecological environment monitoring; resource sharing; Open Geospatial Consortium;tasking planning

10.11871/j.issn.1674-9480.2017.02.006

2017年1月10日

祥保慶：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心，碩士研究生，主要研究方向為生態(tài)環(huán)境觀測傳感網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的理論與方法。

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羅萬明：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心，副研究員，博士，主要研究方向為生態(tài)環(huán)境觀測傳感網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的理論與方法。

E-mail:lwm@cnic.cn

閻保平：中國科學(xué)院計算網(wǎng)絡(luò)信息中心，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為大規(guī)模數(shù)據(jù)共享技術(shù)、數(shù)據(jù)網(wǎng)格、下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、e-Science 應(yīng)用。

E-mail:ybp@cnic.cn