航天信息化數(shù)據(jù)集中備份管理平臺研究

張旭明 李曼麗 趙永平 韓興龍

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航天信息化數(shù)據(jù)集中備份管理平臺研究

張旭明 李曼麗 趙永平 韓興龍

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094）

研究了對不同類型信息化系統(tǒng)進(jìn)行集中備份管理的方案，采用基于LAN-Based的主從服務(wù)器硬件基礎(chǔ)架構(gòu)，根據(jù)信息化系統(tǒng)的自身特點采用完全備份、增量備份、差異備份等備份方法，以及子循環(huán)、父循環(huán)、祖父循環(huán)等介質(zhì)循環(huán)策略，并采用與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)恢復(fù)方式，通過并行備份緩解備份作業(yè)的網(wǎng)絡(luò)和I/O壓力，搭建了多點多類別信息化數(shù)據(jù)集中備份管理平臺，該平臺提升了備份工作的管理效率，并且有助于及時發(fā)現(xiàn)備份作業(yè)的異常狀態(tài)。

航天信息化數(shù)據(jù)；集中備份管理；備份策略；備份數(shù)據(jù)

1 引言

在航天器型號研制的設(shè)計、總裝、試驗等各個環(huán)節(jié)中，信息化系統(tǒng)都發(fā)揮著十分重要的作用，需要采取合理有效的措施對信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，增強(qiáng)航天信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲的可靠性，避免數(shù)據(jù)災(zāi)難所帶來的損失，從而保障各型號研制任務(wù)的順利開展。

航天單位的信息化系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展迅速，類型多樣，業(yè)務(wù)范圍廣，針對不同類型的系統(tǒng)需要采用不同的備份策略。隨著近年來航天信息化系統(tǒng)建設(shè)數(shù)量和規(guī)模的爆發(fā)式增長，若仍然采取傳統(tǒng)的單獨備份每個信息化系統(tǒng)的方式，則要求備份管理員對每臺服務(wù)器逐臺登錄、操作、檢查、記錄，效率低下，因此，需要建立多點多類別的集中備份管理平臺，對服務(wù)器放置地點分散、應(yīng)用類型各異的大量信息化系統(tǒng)集中備份，實現(xiàn)備份作業(yè)的統(tǒng)一管理，充分利用資源，提高備份工作的可靠性和工作效率，及時發(fā)現(xiàn)備份過程當(dāng)中產(chǎn)生的錯誤和問題，通過備份能力的提升，為信息化系統(tǒng)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用提供可靠穩(wěn)定的運行環(huán)境。

2 相關(guān)背景

2.1 航天信息化系統(tǒng)

航天器的研制是一項綜合性系統(tǒng)性的工程，需要應(yīng)用到功能與特點各異的信息化系統(tǒng)，涵蓋航天器的設(shè)計、裝配、試驗、行政管理等諸多業(yè)務(wù)范圍，針對信息化系統(tǒng)不同的應(yīng)用需要和架構(gòu)設(shè)計，應(yīng)采取不同的備份策略。備份策略指對數(shù)據(jù)對象進(jìn)行備份的工作規(guī)則，其中包括完全備份、增量備份、差異備份等備份方法[1]，以及子策略、父策略、祖父策略等介質(zhì)循環(huán)策略[2]等。例如，用于航天器設(shè)計、裝配的一些信息化系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)更新較為頻繁，數(shù)據(jù)十分重要，損壞后影響較大，需進(jìn)行較高頻率的備份；用于行政管理類和型號試驗的一些信息化系統(tǒng)，數(shù)據(jù)更新頻率較低，且發(fā)生數(shù)據(jù)損壞后可通過人工錄入方式重新獲取近期數(shù)據(jù)，對這類系統(tǒng)按照一定時間間隔進(jìn)行備份即可滿足要求；用于發(fā)布新聞、管理文件的一些信息化系統(tǒng)，由于圖片、視頻等文件較多，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)耦合性不強(qiáng)，可采用父子策略等完全備份與增量備份相結(jié)合的備份策略[3]。

功能靈活、類型多的信息化系統(tǒng)支撐著航天企業(yè)各項工作的開展，針對不同的信息化系統(tǒng)，采取的備份策略也應(yīng)有所區(qū)別，需要對這些特點各異的備份作業(yè)進(jìn)行合理的配置與統(tǒng)一的管理。

2.2 集中備份管理

人工手動備份方式有可能由于人為原因造成未能及時備份，操作出現(xiàn)失誤等情況；而一些信息化系統(tǒng)雖建立了自動備份機(jī)制，但卻是相互獨立的備份作業(yè)，導(dǎo)致備份數(shù)據(jù)較為分散，備份策略千差萬別，不利于備份數(shù)據(jù)的管理與恢復(fù)。

隨著信息化系統(tǒng)規(guī)模和數(shù)量的增加，人工手動備份與獨立備份顯現(xiàn)出了管理效率低下的缺點，因此，需要對各信息化系統(tǒng)的備份作業(yè)進(jìn)行集中管理和監(jiān)控[4]，根據(jù)每個信息化系統(tǒng)各自的特點設(shè)計與其相適應(yīng)的備份策略，并且通過合理安排備份時間、升級硬件架構(gòu)等手段，對集中起來的大量備份作業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲的統(tǒng)籌和規(guī)劃，對分散在不同地點，類型多樣的信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行多點多類別集中的備份管理，從而能夠統(tǒng)一配置所有航天信息化系統(tǒng)的備份策略，同時觀察所有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)備份作業(yè)運行情況，提升數(shù)據(jù)備份工作的效率和管理水平。

3 備份平臺架構(gòu)與原理

3.1 基礎(chǔ)架構(gòu)

信息化備份系統(tǒng)的架構(gòu)有多種形式，其中Host-Based[5]、LAN-Free、Server-Free[6]、LAN-Based[7]架構(gòu)較為常見。

Host-Based是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)備份的結(jié)構(gòu)，備份介質(zhì)直接接在服務(wù)器上，且只為該服務(wù)器提供數(shù)據(jù)備份。此種備份架構(gòu)通常是采用服務(wù)器自帶的磁帶機(jī)或本地存儲，一旦系統(tǒng)服務(wù)器損壞則備份數(shù)據(jù)也會無法挽回，同時備份方式也多為手工備份和獨立備份，備份效率和管理便捷性上都無法滿足大量的航天信息化系統(tǒng)備份的要求。

如圖1所示，在LAN-Free架構(gòu)中，備份對象所在的存儲介質(zhì)和備份介質(zhì)位于共同的SAN（Storage area Network）[8]中，各自作為獨立的光纖點，數(shù)據(jù)流不經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)，直接從備份對象所在的存儲介質(zhì)通過光纖傳輸?shù)絺浞萁橘|(zhì)，備份速度較快，網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力較小，但需要為每一臺應(yīng)用中的服務(wù)器添加光纖卡，并且通過光纖連接到另外的存儲介質(zhì)，而原有的系統(tǒng)服務(wù)器數(shù)量眾多，擺放位置分散在不同機(jī)房的各個位置，采用此方案需要重新規(guī)劃各機(jī)房服務(wù)器的位置，對機(jī)房設(shè)備的架構(gòu)變動較大，不利于信息化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，因此，采用LAN-Free備份架構(gòu)對機(jī)房進(jìn)行改造會產(chǎn)生較大的硬件成本、管理成本和風(fēng)險成本。同時，許多LAN-Free架構(gòu)的產(chǎn)品并不支持文件級或目錄級恢復(fù)，僅支持映像級恢復(fù)，單獨恢復(fù)某個文件的操作十分復(fù)雜。

圖1 LAN-Free備份架構(gòu)

Server-Free架構(gòu)是對LAN-Free架構(gòu)的一種擴(kuò)展，架構(gòu)上與LAN-Free基本相同，只是實現(xiàn)技術(shù)上采用無服務(wù)器（Serverless）備份技術(shù)，可使數(shù)據(jù)能夠在SAN結(jié)構(gòu)中的兩個存儲設(shè)備之間直接傳輸，減少對服務(wù)器CPU的占用，但同時也存在著LAN-Free架構(gòu)下對機(jī)房設(shè)備變動大、部署成本高、多支持映像級備份、恢復(fù)單個文件操作復(fù)雜等缺點。

LAN-Based的備份系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，備份服務(wù)器負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的備份操作，備份介質(zhì)連接在備份服務(wù)器上，備份服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)把備份對象數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺浞萁橘|(zhì)中實現(xiàn)備份。其優(yōu)點在于設(shè)備成本低，備份介質(zhì)共享，備份集中管理；缺點在于對網(wǎng)絡(luò)的傳輸壓力大。

圖2 LAN-Based備份架構(gòu)

在備份對象較多且較為分散的情況下，與LAN-Free和Server-Free備份架構(gòu)相比，LAN-Based的備份架構(gòu)的缺點僅在于，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線傳輸，速度較慢，但可通過在系統(tǒng)空閑時進(jìn)行備份等手段規(guī)避此問題；優(yōu)點在于，可充分利用現(xiàn)有信息化設(shè)備資源，不需要為每個備份對象配備相應(yīng)的存儲設(shè)備，可在機(jī)房中單獨開辟一個區(qū)域供備份服務(wù)器使用，對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的改動小，而不影響眾多運行中的重要信息化系統(tǒng)，部署成本、硬件成本、管理成本都要更節(jié)省，同時LAN-Based備份架構(gòu)的軟件產(chǎn)品較為豐富，能夠較好支持文件級數(shù)據(jù)的備份與恢復(fù)，應(yīng)用更加靈活。因此，對于已經(jīng)極具規(guī)模的航天信息化系統(tǒng)，更加適合采用LAN-Based架構(gòu)作為集中備份管理平臺的基礎(chǔ)硬件架構(gòu)。

3.2 備份管理

3.2.1 備份策略制定

若備份文件累加式的生成而不對其做任何處理，不斷增加的數(shù)據(jù)文件將給備份介質(zhì)存儲空間帶來巨大的壓力，當(dāng)有限的介質(zhì)存儲空間成為備份信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的瓶頸時，可在備份作業(yè)中按照一定的備份策略用新的備份文件覆蓋舊的備份文件，有效抑制備份文件容量的無限膨脹，增強(qiáng)備份系統(tǒng)的可用性。

對于一個備份策略，通常需要確定備份方法、介質(zhì)循環(huán)策略、覆蓋保護(hù)周期等要素。備份方法通常包括完全備份、增量備份、差異備份；介質(zhì)循環(huán)策略包括子循環(huán)策略、父子循環(huán)策略、祖父循環(huán)策略；覆蓋保護(hù)周期是指備份介質(zhì)（或備份文件）自生成之時起不可被覆蓋的時間跨度[9]。可通過以上方法的綜合應(yīng)用，達(dá)到循環(huán)利用備份介質(zhì)，節(jié)約備份存儲空間的目的。

對于具有相似特征的備份作業(yè)，可統(tǒng)一設(shè)定備份策略，從而有利于備份數(shù)據(jù)的管理。對于含有較多網(wǎng)頁和文件的系統(tǒng)，例如門戶網(wǎng)站等系統(tǒng)，可采用父子策略，即每天進(jìn)行一次增量備份，每周進(jìn)行一次完全備份；對于數(shù)據(jù)較為重要，且應(yīng)用量較大的系統(tǒng)，例如生產(chǎn)管理系統(tǒng)、環(huán)境試驗系統(tǒng)，可采用子策略，即每天進(jìn)行完全備份；對于既含有數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，又有較多的增量實體文件的系統(tǒng)，例如表單審批、文檔管理等系統(tǒng)，可采用數(shù)據(jù)庫與實體文件分別備份的辦法，即對數(shù)據(jù)庫部分采用子策略每天進(jìn)行完全備份，對實體文件部分采用父子策略增量備份與完全備份相結(jié)合。集中備份管理平臺將針對每一個航天信息化系統(tǒng)的特點，分別設(shè)計相應(yīng)的備份策略進(jìn)行備份作業(yè)。

3.2.2 備份數(shù)據(jù)存儲

圖3 備份系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲的邏輯架構(gòu)

在對信息化系統(tǒng)進(jìn)行備份的過程中，會在備份介質(zhì)上生成大量的備份文件，無序存放的備份文件難以彼此區(qū)分，給信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)恢復(fù)造成困難，需要搭建合理的數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)，對備份文件的存放方式進(jìn)行設(shè)計，從而有利于信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)恢復(fù)。

對于一個信息化系統(tǒng)，可能在其上運行了一個或多個備份作業(yè)，圖3描述了備份系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲邏輯架構(gòu)，針對每個備份作業(yè)，采用獨立的目錄保存該作業(yè)所生成的所有備份文件，同時，對特征相似的備份作業(yè)采用相同的備份策略，降低整個備份系統(tǒng)的耦合性，增強(qiáng)了備份文件管理的規(guī)范性，有利于備份文件的查找定位以及信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)維護(hù)與恢復(fù)。

3.2.3 數(shù)據(jù)恢復(fù)方法

當(dāng)發(fā)生軟件系統(tǒng)故障、硬件設(shè)施損壞等事件，導(dǎo)致航天信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)丟失時，需要利用備份數(shù)據(jù)恢復(fù)原有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。根據(jù)備份策略的不同，數(shù)據(jù)恢復(fù)的方式有所差別。對于完全備份，需在原有系統(tǒng)重新搭建后，將備份作業(yè)對應(yīng)目錄中最新生成的備份文件恢復(fù)到原有系統(tǒng)；對于差異備份，需要首先恢復(fù)最后一次的完全備份作業(yè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，再恢復(fù)最后一次的差異備份產(chǎn)生的備份數(shù)據(jù)；而增量備份需要在恢復(fù)最后一次完全備份的基礎(chǔ)上，恢復(fù)該完全備份后所產(chǎn)生的每一次的備份文件。

3.3 并行備份

LAN-Based的存儲架構(gòu)能夠節(jié)約硬件成本和維護(hù)成本，但是，如圖4所示，采用此架構(gòu)時數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，備份作業(yè)同一時刻的集中運行將會造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。當(dāng)單一通道傳輸，在備份對象數(shù)據(jù)量較大，且備份作業(yè)較多的時候，會出現(xiàn)作業(yè)調(diào)度困難的管理瓶頸和備份效率低的性能瓶頸。為了使大量備份作業(yè)能夠及時快速的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需要對基本的LAN-Based備份架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而能夠并行處理備份作業(yè)。

圖4 單臺服務(wù)器備份

如圖5所示，在備份作業(yè)不斷增多，占用介質(zhì)空間逐漸加大，作業(yè)的備份時間彼此沖突的情況下，可通過配置備份子服務(wù)器的方式，進(jìn)行備份數(shù)據(jù)分散式存儲、集中式調(diào)度、并行式傳輸?shù)膫浞葑鳂I(yè)。為中央控制服務(wù)器配備子服務(wù)器，由中央控制服務(wù)器統(tǒng)一調(diào)度，備份子服務(wù)器與備份對象所在服務(wù)器之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，多路并行備份提高備份作業(yè)的效率。

圖5 子服務(wù)器備份

在LAN-Based架構(gòu)基礎(chǔ)上應(yīng)用子服務(wù)器備份的方式與Free-Based架構(gòu)相比，即使Free-Based架構(gòu)能夠合理的規(guī)劃部署為多臺服務(wù)器提供統(tǒng)一的備份存儲設(shè)備，總的硬件成本兩者相差也并不大；若Free-Based架構(gòu)由于布線等原因為每臺服務(wù)器都增加了備份存儲設(shè)備，則硬件成本將遠(yuǎn)高于能夠靈活為多臺服務(wù)器提供統(tǒng)一備份存儲設(shè)備的LAN-Based架構(gòu)；同時，在網(wǎng)絡(luò)的配置與拓展上，LAN-Based架構(gòu)能夠?qū)⑿略龅淖臃?wù)器架設(shè)在機(jī)房的任意位置，還可采用原有閑置的服務(wù)器設(shè)備作為子服務(wù)器，對網(wǎng)絡(luò)的改動性更小，管理更加靈活方便，仍然要優(yōu)于LAN-Free架構(gòu)。

4 備份平臺實現(xiàn)

航天信息化集中備份管理系統(tǒng)的硬件設(shè)備采用LAN-Based作為基礎(chǔ)架構(gòu)，多個信息化系統(tǒng)的備份數(shù)據(jù)存儲于統(tǒng)一的存儲設(shè)備當(dāng)中，實現(xiàn)備份數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。搭建子介質(zhì)服務(wù)器對備份數(shù)據(jù)進(jìn)行多路并行傳輸，解決對大量應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行備份的性能瓶頸。備份介質(zhì)服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)采用雙通道傳輸機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并行傳輸，提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。同時，對存儲設(shè)備進(jìn)行帶有校驗的RAID5校驗機(jī)制，增強(qiáng)備份數(shù)據(jù)的安全可靠性。

在備份的軟件實現(xiàn)上，采用備份領(lǐng)域中的專業(yè)軟件Symantec Backup Exec作為管理軟件，保障備份平臺的穩(wěn)定性，根據(jù)備份對象的不同特點制定相應(yīng)的備份作業(yè)計劃。同時，為備份管理員制定管理規(guī)章與操作準(zhǔn)則，保證航天信息化系統(tǒng)的備份工作平穩(wěn)有序進(jìn)行。

在配置備份作業(yè)之前，針對Oracle、SQL Server等數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)文件等不同備份對象，以及信息化系統(tǒng)的備份需求，對備份作業(yè)的備份方法、介質(zhì)循環(huán)策略、備份時間等各項參數(shù)配置進(jìn)行合理的設(shè)定，按照設(shè)定對備份作業(yè)進(jìn)行配置，實現(xiàn)備份作業(yè)的自動化管理。

備份作業(yè)完成配置后按計劃運行，對于備份作業(yè)的運行情況，通過郵件推送機(jī)制進(jìn)行監(jiān)控，在每次備份作業(yè)運行后，該次備份作業(yè)的運行狀態(tài)信息將通過郵件系統(tǒng)自動推送給備份管理員。備份管理員對備份作業(yè)的運行時間、成功與否、磁盤占用空間情況等要素進(jìn)行監(jiān)控，在發(fā)現(xiàn)備份作業(yè)的異常后，可及時調(diào)整備份策略或者相關(guān)參數(shù)，以適應(yīng)新的備份環(huán)境。

每個信息化系統(tǒng)特點的不同，需要針對其特點采用與其相適應(yīng)的備份策略，而一些特點相同或相近的信息化系統(tǒng)，則可以使用相同的備份策略，實現(xiàn)備份策略的共享，以簡化備份作業(yè)的管理，降低備份工作的管理成本。

表1概括了航天信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份平臺的顯著特點，實現(xiàn)了備份作業(yè)的集中管理，通過子介質(zhì)服務(wù)器實現(xiàn)多任務(wù)并行備份、單臺服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)雙通道數(shù)據(jù)并行傳輸提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，通過備份介質(zhì)的冗余和專業(yè)軟件的使用提高了備份工作的可靠性，通過備份作業(yè)備份策略的統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)置、監(jiān)視和管理提高了備份工作的工作效率，為航天信息化系統(tǒng)的安全運行提供了更加良好的保障。

表1 航天信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份平臺實現(xiàn)方案

5 結(jié)束語

論述了建立航天信息化系統(tǒng)備份平臺的相關(guān)研究，備份平臺的基礎(chǔ)硬件采用LAN-Based架構(gòu)，針對不同航天信息化系統(tǒng)特點采用子策略、父子策略、祖父策略等備份策略數(shù)據(jù)的備份與恢復(fù)，對備份作業(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，以利于信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)恢復(fù)。對于大量的備份作業(yè)，應(yīng)用子備份服務(wù)器，通過中央備份服務(wù)器的控制調(diào)度達(dá)到多個作業(yè)并行備份的效果，有效節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。

在備份平臺的實現(xiàn)上，采用Symantec Backup Exec作為備份管理軟件，如第4節(jié)所述，制定相應(yīng)的策略配置、優(yōu)化措施以及管理制度，實現(xiàn)多點多類別集中備份，促進(jìn)了航天信息化系統(tǒng)的備份自動化規(guī)范化，保證各信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全可靠性。

本文中構(gòu)建的備份管理平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對大部分航天信息化系統(tǒng)的多點多類別集中備份，今后將在此平臺的基礎(chǔ)上拓展更多方式的備份技術(shù)，比如，對于一些十分重要的信息化系統(tǒng)，需要進(jìn)行快照[10]、CDP（Continuous Data Protection）[11]，一些系統(tǒng)需要對整個操作系統(tǒng)進(jìn)行鏡像備份或建立災(zāi)備中心[12]。同時，對于備份平臺的優(yōu)化與擴(kuò)展也將是未來研究的重點。

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10 牛超，楊英杰，代向東. 一種新的復(fù)合快照技術(shù)的研究與設(shè)計[J]. 計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2013，30(7)：164～167

11 余承龍，李戰(zhàn)懷，侯利曼，等. 基于連續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)的多策略數(shù)據(jù)恢復(fù)機(jī)制[J]. 計算機(jī)工程，2010，36(12)：61～63

12 閆黎. 企業(yè)信息系統(tǒng)容災(zāi)技術(shù)架構(gòu)分析與應(yīng)用[J]. 信息技術(shù)，2013(5)：145～153

Research on Aerospace Information Data Centralized Backup Management Platform

Zhang Xuming Li Manli Zhao Yongping Han Xinglong

(Beijing Satellite Environmental Engineering Institute, Beijing 100094)

This paper researches and designs a project with proper infrastructure for backing up different type information systems. According to the feature of an information system, use backup methods such as full backup, incremental backup, and differential backup, and use the medium circulation strategy, such as child strategy, parent-child strategy, and grandparent strategy. Responding to the backup methods, adopt the relevant data recovery pattern. Reduce the pressure of network and I/O by parallel backup. By the research on this paper, build a multi-point, multi-type, centralized information data backup management platform, which can increase the capacity of data backup management and find the exception state of backup work.

aerospace information data；centralized management backup；backup strategy；backup data

張旭明（1986），碩士，計算機(jī)軟件與理論專業(yè)；研究方向：AIT信息技術(shù)設(shè)計。

2017-07-28