MANET中動態(tài)自適應(yīng)DCF的仿真研究

蔣　華　黃鏡清　王　鑫

(桂林電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院　廣西 桂林 541004)

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MANET中動態(tài)自適應(yīng)DCF的仿真研究

蔣華黃鏡清王鑫

(桂林電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院廣西 桂林 541004)

摘要MANET由于節(jié)點的易接入性和移動性，容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)送沖突嚴(yán)重，或者因鏈路斷開而誤認(rèn)為是沖突，影響網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議的性能。為此設(shè)計一種動態(tài)估計無線網(wǎng)絡(luò)中的活動節(jié)點數(shù)來調(diào)整MAC層的初始競爭窗口的大小，并根據(jù)活動節(jié)點數(shù)及節(jié)點的活動特性調(diào)整競爭窗口尺寸的DCF機(jī)制。通過使用NS2進(jìn)行仿真，實驗結(jié)果驗證了該改進(jìn)的DCF機(jī)制的有效性，并表明相對于標(biāo)準(zhǔn)DCF機(jī)制,在可接受的端到端延遲下，吞吐量得到10%到15%的提升。

關(guān)鍵詞MANETDCF動態(tài)估計活動節(jié)點數(shù)競爭窗口吞吐量時延

ON SIMULATING DYNAMICALLY SELF-ADAPTIVE DCF IN MANET

Jiang huaHuang JingqingWang Xin

(School of Computer Science and Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,Guangxi,China)

AbstractIn MANET, it’s easy to lead to severe collision in data transmission, for the nodes are easily accessed and are mobile. Or, it may be misunderstood as the conflict caused by the breakdown of link. These situations affect the performance of TCP protocol. In light of this problem, we designed a distributed coordination function (DCF) mechanism, it adjusts the size of initial contention window on MAC layer by dynamically estimating the active nodes in wireless network, and adjusts contention window size based on the number of active nodes and the active feature of nodes. Simulation is conducted by using NS2, and the experimental results verify the effectiveness of the improved DCF mechanism, moreover, it is indicated that in contrast to standard DCF mechanism, the throughput gains an increase of 10% to 15% under the acceptable end-to-end delay.

KeywordsMANETDCFDynamic estimationActive nodesContention windowThroughputDelay

0引言

MANET網(wǎng)絡(luò)是由一系列相互通信的無線移動節(jié)點組成的，不需要已有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、訪問點或者網(wǎng)絡(luò)中心控制的互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)[1]。節(jié)點可以很容易地接入到網(wǎng)絡(luò)中，且任意移動，因此網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會快速且不可預(yù)見的變化。另外，因為傳輸范圍的限制，一些節(jié)點相互之間不能夠直接通信，所以采取多跳路由的方式通信[2]。節(jié)點移動和無線多跳的特性，很大程度上影響了MANET的網(wǎng)絡(luò)性能。MANETE網(wǎng)絡(luò)的很多應(yīng)用仍然使用可靠傳輸協(xié)議，很多學(xué)者都提出了各種適合于MANET的改進(jìn)TCP類協(xié)議，而TCP協(xié)議的擁塞控制機(jī)制依賴于數(shù)據(jù)鏈路層的可靠傳輸。目前MANET的數(shù)據(jù)鏈路層使用基于IEEE 802.11的標(biāo)準(zhǔn)MAC協(xié)議中的DCF等機(jī)制。然而IEEE 802.11 MAC協(xié)議最先是應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的，這相對于MANET的節(jié)點頻繁移動和多跳的性能而言，并不能保證網(wǎng)絡(luò)性能維持在較好的程度。所以需要考慮MAC和TCP協(xié)議之間的影響[3,4]，綜合考慮在MANET網(wǎng)絡(luò)特性下的MAC協(xié)議與TCP協(xié)議綜合性能(特別是吞吐量和端到端時延)，設(shè)計一種較好的DCF改進(jìn)機(jī)制。

本文在深入理解IEEE 802.11的DCF機(jī)制的基礎(chǔ)上，設(shè)計和實現(xiàn)了一種適于MANET網(wǎng)絡(luò)多跳和節(jié)點移動特性的能改善網(wǎng)絡(luò)TCP性能的DCF機(jī)制。

1相關(guān)工作

MANET面臨的一大挑戰(zhàn)是對于共享信道的MAC協(xié)議的設(shè)計。傳統(tǒng)的IEEE 802.11 MAC協(xié)議基于無線局域網(wǎng)設(shè)計，現(xiàn)在MANET網(wǎng)絡(luò)的背景下使用，需改進(jìn)以適應(yīng)MANET網(wǎng)絡(luò)的特性。由于MANET網(wǎng)絡(luò)沒有訪問點，DCF機(jī)制的應(yīng)用受到青睞。該領(lǐng)域的研究主要集中在退避算法、DCF機(jī)制,跨層分析研究等方面。文獻(xiàn)[5,6]利用了DCF機(jī)制來提高TCP的性能，但都是基于MAC層的反饋信息來直接對TCP的擁塞策略來進(jìn)行改進(jìn)，不是對MANET中DCF機(jī)制的改進(jìn)，提供了跨層設(shè)計的思路。文獻(xiàn)[7]提出一種設(shè)定閾值的方法來決定MANET網(wǎng)絡(luò)在競爭信道使用的退避策略。擁塞嚴(yán)重時，使用指數(shù)增長競爭窗口，之后采取線性增大競爭窗口的策略，成功傳輸一次數(shù)據(jù)后，采用線性減小的方法，而不是直接使用最小競爭窗口值。文獻(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)吞吐量、包傳遞速率和端到端時延等指標(biāo)進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[8]提出根據(jù)動態(tài)估計無線網(wǎng)絡(luò)中活動節(jié)點數(shù)調(diào)整MAC層的初始競爭窗口的方法。每個節(jié)點每隔一段時間統(tǒng)計與其通信的鄰居節(jié)點作為活動節(jié)點，然后根據(jù)活動節(jié)點數(shù)調(diào)整初始競爭窗口到近似最優(yōu)值。該DCF機(jī)制能較好估計活動節(jié)點數(shù)，降低信道競爭時間，提高信道的利用率和網(wǎng)絡(luò)的吞吐率，但沒有考慮節(jié)點移動特性對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。文獻(xiàn)[9]研究了MAC和TCP協(xié)議之間的相互作用，認(rèn)為節(jié)點數(shù)和節(jié)點移動特性影響TCP的性能。提出根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)和節(jié)點的移動速率和移動方向動態(tài)調(diào)整競爭窗口最大值，并說明調(diào)整競爭窗口尺寸能提高傳輸協(xié)議TCP性能指標(biāo)。

本文設(shè)計出一種根據(jù)動態(tài)調(diào)整MAC層的初始競爭窗口大小和競爭窗口的最大限制值的方法。將該方法運用到DCF機(jī)制中的RTS/CTS，分析MANET網(wǎng)絡(luò)的性能。實驗結(jié)果驗證了該改進(jìn)的DCF機(jī)制有效性，并表明相對于標(biāo)準(zhǔn)DCF機(jī)制在吞吐量、端到端時延等TCP性能方面有所改善。

2解決方案

IEEE 802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)給出了無線網(wǎng)絡(luò)的物理層和MAC層協(xié)議規(guī)范。本文針對MAC層協(xié)議的DCF機(jī)制的RTS/CTS訪問方法進(jìn)行改進(jìn)。

2.1動態(tài)調(diào)整初始競爭窗口

MANET網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點的沖突概率除了依賴于競爭窗口的大小，與網(wǎng)絡(luò)中的活動節(jié)點數(shù)也相關(guān)?；顒庸?jié)點數(shù)即正在發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點數(shù)。MAC協(xié)議中，每一個節(jié)點都可以與其鄰居節(jié)點直接相互通信，并從發(fā)送的幀數(shù)據(jù)中獲取到重要的鏈路信息(源/目地址、NAV值等)。本文采用動態(tài)估算網(wǎng)絡(luò)中的活動節(jié)點的方法。讓每個節(jié)點都保存有一張記錄其處于活動狀態(tài)的鄰居節(jié)點及與鄰居節(jié)點最后通信時間的列表。若在一定的時間間隔ATO(Active TimeOut)內(nèi)節(jié)點沒有收到鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)，則判定該鄰居節(jié)點不再是活動節(jié)點，將其從列表中刪除。關(guān)鍵是確定ATO的值，ATO的值應(yīng)該隨活動節(jié)點數(shù)的變化而變化，因為一個活動節(jié)點越多，沖突的概率就越大，導(dǎo)致節(jié)點連續(xù)成功傳輸兩個數(shù)據(jù)幀的時間間隔就越大。而當(dāng)數(shù)據(jù)幀的大小不變時，對于相同數(shù)量的活動節(jié)點，介質(zhì)訪問延遲的大小是固定的，可以提前計算出該延遲的大小[10]：

(1)

其中，τ表示一個節(jié)點在某一時間的傳輸速率；σ表示一個空slot間隔。

Ts=DIFS+RTS+σ+SIFS+CTS+σ+SIFS

(2)

TC=DIFS+RTS+σ+SIFS+CTS

(3)

通過分析式(1)-式(3)，并根據(jù)本文提供的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的各項參數(shù)(見第3節(jié))，如圖1可以看出介質(zhì)訪問延遲與節(jié)點數(shù)目大致呈8倍線性關(guān)系。故可以給出ATO隨活動節(jié)點數(shù)變化的簡便公式[8]：

ATO = k×n(n≥1)

(4)

圖1　介質(zhì)訪問延遲-節(jié)點數(shù)目

其中，n為網(wǎng)絡(luò)中的活動節(jié)點數(shù)，k為常量。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)中的各項參數(shù)，我們分別取ATO為1到10倍的介質(zhì)訪問延遲，通過仿真結(jié)果分析，當(dāng)ATO為5~6倍介質(zhì)訪問延遲時，吞吐量效果最好(本文取k=48，即ATO為6倍D)。

確定ATO時間間隔后，考慮根據(jù)估算到的活動節(jié)點數(shù)來調(diào)整初始競爭窗口的大小。標(biāo)準(zhǔn)DCF機(jī)制中初始競爭窗口大小是固定的，隨著網(wǎng)絡(luò)站點數(shù)量增加，沖突概率會大大增加，導(dǎo)致退避頻繁，最終是網(wǎng)絡(luò)在時延、吞吐量及公平性等性能上顯著下降。并且考慮到活動節(jié)點的移動特性會對網(wǎng)絡(luò)連接造成較大影響，而導(dǎo)致丟包，但在MAC層這種丟包的情況會被認(rèn)為是數(shù)據(jù)沖突導(dǎo)致的，所以為了削弱節(jié)點移動性對退避窗口的影響，在本設(shè)計的DCF改進(jìn)機(jī)制中，節(jié)點每監(jiān)聽到一個數(shù)據(jù)幀之后，更新并查詢其ATO表，估算網(wǎng)絡(luò)中的活動節(jié)點數(shù)且結(jié)合節(jié)點移特性調(diào)節(jié)機(jī)制，動態(tài)調(diào)整初始競爭窗口為:

(5)

其中，σ為傳播延遲。F(n,W,α)表示移動特性對初始競爭窗口的調(diào)節(jié)機(jī)制。該機(jī)制函數(shù)在下個部分作詳細(xì)說明。

2.2動態(tài)調(diào)整競爭窗口尺寸

本文根據(jù)估算到的活動節(jié)點數(shù)和移動特性在原有退避算法的最大值的基礎(chǔ)上來適當(dāng)增大窗口選擇范圍。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點增加時，網(wǎng)絡(luò)性能會降低。因為多個節(jié)點在一個較小的時間間隔內(nèi)選擇相同的時間長度可能性較大。所以CWmax與節(jié)點數(shù)目n存在一定的正比關(guān)系。當(dāng)節(jié)點數(shù)到達(dá)一定數(shù)目時，對TCP性能的影響趨于穩(wěn)定，故取log(n)來調(diào)整窗口尺寸[9]。

另外節(jié)點的移動易導(dǎo)致鏈路連接的中斷，從而導(dǎo)致TCP包的丟失，TCP誤判為擁塞導(dǎo)致丟包，降低網(wǎng)絡(luò)性能。所以根據(jù)移動性來調(diào)整退避的窗口大小[9]。節(jié)點移動速度的度量：

(6)

節(jié)點移動方向的度量：

(7)

注意，當(dāng)W=0時，G(W,α)=1。

其中，W表示移動節(jié)點的速度；α表示兩個節(jié)點的連線與該節(jié)點的移動方向的角度。

通常丟包率增大會導(dǎo)致退避間隔增大，但如果是因為節(jié)點移動導(dǎo)致的丟包，則不應(yīng)該讓退避間隔增大，節(jié)點移動速度與移動方向這兩個因素是移動導(dǎo)致丟包的標(biāo)志，所以需取其倒數(shù)，降低其對退避時間間隔的影響。

綜合考慮，以下給出CWmax的計算公式：

(8)

其中，CWmax0表示802.11 MAC協(xié)議設(shè)定的最大窗口值，一般為1024。

綜上所述，本節(jié)設(shè)計的窗口動態(tài)改變機(jī)制如下(各參數(shù)如前所述)：

(9)

該機(jī)制考慮了節(jié)點移動性對初始競爭窗口的影響，削弱因為鏈路中斷而被誤認(rèn)為沖突的影響，并且進(jìn)一步增大了競爭窗口的尺寸，使得站點選擇同樣的退避間隔的概率降低，從而信道沖突減小。節(jié)點每監(jiān)聽到一個數(shù)據(jù)幀之后，更新并查詢其ATO表，估算網(wǎng)絡(luò)中的活動節(jié)點數(shù)，并根據(jù)活動節(jié)點的移動特性來動態(tài)調(diào)節(jié)競爭窗口尺寸，更適應(yīng)于MANET網(wǎng)絡(luò)的易接入性和隨機(jī)移動性。

3仿真過程與結(jié)果分析

在NS2中，IEEE802.11協(xié)議時由Mac802_11類模塊實現(xiàn)的。該類模塊定義了標(biāo)準(zhǔn)DCF機(jī)制的所有操作方法[11]，本文對NS2-2.35版本中的Mac802_11類模塊修改和擴(kuò)展，以實現(xiàn)MANET中動態(tài)自適應(yīng)DCF機(jī)制的仿真。

3.1仿真環(huán)境設(shè)置

為了驗證該改進(jìn)DCF機(jī)制的有效性及在性能上的提高，仿真場景為：環(huán)境中共有60個節(jié)點，隨機(jī)分布在2200 m×600 m的范圍內(nèi)，以25 m/s速率移動，仿真時間為400秒，每隔20秒增加10個節(jié)點通信(偶數(shù)編號節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，奇數(shù)編號節(jié)點接收數(shù)據(jù))。分析網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨時間變化情況及受節(jié)點數(shù)和節(jié)點移動性的影響。另外進(jìn)行不同個數(shù)節(jié)點場景下的仿真，分析節(jié)點個數(shù)對時延的影響。基本的仿真參數(shù)如表1所示。

表1　基本參數(shù)

3.2代碼的修改與擴(kuò)展

通過第2節(jié)的說明，對原Mac802_11模塊進(jìn)行一定的修改與擴(kuò)展，以下給出主要代碼。

首先需要創(chuàng)建一張ATO表(在mac-802_11.h文件中添加)，結(jié)構(gòu)如下：

struct ATO_table{

u_int32_t neighbor_addr;

double lastcom_time;

}

并在Mac802_11類中聲明為private私有變量，在內(nèi)存中建立副本：

private :

struct ATO_table *ato_list;

std::list ato_list1;

double atotime=0.0;//

創(chuàng)建一個更新ATO表的函數(shù)，用于在每監(jiān)聽到一個數(shù)據(jù)幀后，用來更新ATO列表中活躍節(jié)點及其最后通信時間：

void Mac802_11::update_ATO_table(u_int32_t nodaddr,double now)

{

std:list::iterator it;

for(it=ato_list1.begin();it!=ATO_list1.end();it++){

if((*it).neighbor_addr==nodaddr){

(*it).lastcom_time=now;

break;

}}

if(it==ATO_list1.end()){

ato_list=(struct ATO_table*)malloc(sizeof(struct ATO_table);

ato_list->neighbor_addr=nodaddr;

ato_list->lastcom_time=now;

free(ato_list);

}

創(chuàng)建一個計時器ATOTimer(在mac-timer.h文件中添加)，并將其聲明為Mac802_11類的友元類：

class ATOTimer:public Handlerr{

public:

ATOTimer(Mac802_11 *m) {

mac=m;}

virtual void start(double time) {

Scheduler::instance().schedule(this,&intr,time);}

virtual void handle(Event *e);

private:

Mac802_11 *mac;

Event intr;

}

在mac-timer.cc文件中添加：

void ATOTimer::handle(Event *)

{

mac->ATOHandler();

}

創(chuàng)建一個在ATOTimer計時器超時時，刪除非活躍節(jié)點的函數(shù)：

void delete_ato_table(double rtime,double now)

{

std:list::iterator it;

for(it=ato_list1.begin();it!=ATO_list1.end();it++){

if(now-(*it).lastcom_time>rtime){

ato_list1.erase(it);

break;

}}

}

在Mac-802_11.cc文件中添加定時器到期時的行為，這里用于刪除非活動節(jié)點：

void Mac-802_11::ATOHandler(){

Event intr;

Scheduler &s-Sheduler::instance();

double now=s.clock();

delete_ato_table(atotime,now);//

atotime=(double)(ato_list1.size()+1)*48.0/1000.0

//atotime去毫秒為單位

if((now+atotime)<400)

atotimer.start(atotime);

}

創(chuàng)建一個調(diào)整CWMin和CWMax的函數(shù)：

void adjust_cw(W,α )

{

int n=ato_list1.size();

cw_=CWMin(n,W,a);

//設(shè)置初始窗口

u_int32_t cwmax=CWMax(n,W,a);

phymib_.setCWMin(cw_);

phymib_.setCWMax(cwmax);

}

以下是兩個調(diào)整競爭窗口的函數(shù)，會被調(diào)用：

u_int32_t CWMin(int n, double W, double a)

{

u_int32_t cw;

double tc;

//計算Tc

tc=phymib_.getDIFS()+txtime(phymib_.getRTSlen(),basicRate_)+phymib_.getSIFS()+txtime(phymib_.getCTSlen(),basicRate_)+DSSS_MaxPropagationDelay)

if(W=0)

cw=n*sqrt(tc)-log(n);

else{

if(-sqrt(2)/2<=a<=sqrt(2)/2)

cw=n*sqrt(tc)-log(n)/log(W);

else

cw=n*sqrt(tc)-log(n)/(log(W)*sqrt(W));

}

return cw;

}

u_int32_t CWMax(int n, double W, double a)

{

u_int32_t cw;

if(W=0)

cw=log(n);

else{

if(-sqrt(2)/2<=a<=sqrt(2)/2)

cw=log(n)/log(W);

else

cw=log(n)/(log(W)*sqrt(W));

}

return 1024+cw;

}

通過閱讀源碼，站點成功發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀后，會收到目的站點的確認(rèn)幀，所以可以在recvACK()函數(shù)中調(diào)用Adjust_cw( )函數(shù)來根據(jù)估算的活動節(jié)點數(shù)及動態(tài)特性來調(diào)整初始競爭窗口及其尺寸。另外，MAC802.11模塊是通過recv_Data( )函數(shù)來接收來自上層或者下層的數(shù)據(jù)包并進(jìn)行處理的。所以在該函數(shù)中調(diào)用update_ATO_table函數(shù)來完成更新ATO表。

3.3仿真結(jié)果及分析

本文通過NS2仿真實現(xiàn)，主要考慮網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和端到端平均時延。在相同的仿真環(huán)境中，將本文改進(jìn)的DCF機(jī)制與標(biāo)準(zhǔn)的DCF機(jī)制比較。

圖2　時延

圖2說明了在不同數(shù)目規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)平均時延變化。圖中的數(shù)據(jù)是通過計算每種節(jié)點規(guī)模下400秒內(nèi)的每個數(shù)據(jù)包的延時，然后取數(shù)據(jù)包的平均延時。從圖中可以看出隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量的增加，標(biāo)準(zhǔn)DCF機(jī)制與改進(jìn)的DCF機(jī)制平均時延都呈增大趨勢，但改進(jìn)的DCF機(jī)制的平均時延相對小于標(biāo)準(zhǔn)DCF機(jī)制,并且波動變化。

圖3　吞吐量

圖3是在60個節(jié)點規(guī)模下的網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量的仿真結(jié)果，表明了吞吐量隨時間的變化。整體來看，在該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量有所提高，大約10%到15%。從圖中可以看出在標(biāo)準(zhǔn)DCF機(jī)制下，參與通信的節(jié)點數(shù)和節(jié)點的移動對網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響較大，在圖中的0到200秒之間表現(xiàn)比較明顯，因為在這段時間內(nèi)，每隔20秒會增加固定數(shù)量的數(shù)據(jù)流(本文增加5條數(shù)據(jù)流)，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的活動節(jié)點數(shù)變化，并且網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)置使得節(jié)點每2秒就會隨機(jī)移動，從而導(dǎo)致鏈路連接和路由狀態(tài)的變化。

圖4　單個包的延時

圖4用來說明網(wǎng)絡(luò)獲得好的吞吐量性能時，是否導(dǎo)致大的延遲代價。圖中表示60個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，發(fā)送包與其對應(yīng)的延時。從圖中可以看出使用改進(jìn)的DCF機(jī)制，會有個別的包的延時比較大，但大多數(shù)的包的延時比使用標(biāo)準(zhǔn)DCF機(jī)制的延時要小。通過計算，使用改進(jìn)DCF機(jī)制的平均包延時為0.211，使用標(biāo)準(zhǔn)的DCF機(jī)制平均包延時為0.201。雖然平均延時變大了，但只增大了0.5%，這對于增大吞吐量而言是很值得的，并且我們可以很明顯地看到改進(jìn)的DCF機(jī)制能夠發(fā)送更多的包。

4結(jié)語

本文設(shè)計了一種動態(tài)估計無線網(wǎng)絡(luò)中的活動節(jié)點數(shù)來調(diào)整MAC層的初始競爭窗口的大小，并根據(jù)活動節(jié)點數(shù)及節(jié)點的活動特性調(diào)整競爭窗口尺寸的DCF機(jī)制，更好適合MANET節(jié)點的易接入性和移動性的特征。文中基于NS2進(jìn)行仿真，結(jié)果驗證了該改進(jìn)的DCF機(jī)制有效性，表明相對于標(biāo)準(zhǔn)DCF機(jī)制在保持端到端時延等TCP性能下提高吞吐量，并且能夠動態(tài)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.02.023

收稿日期：2014-06-04。國家自然科學(xué)基金重點項目(61262074)。蔣華，教授，主研領(lǐng)域：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，信息安全。黃鏡清，碩士生。王鑫，副教授。