基于RTP協(xié)議的IP電話QoS監(jiān)測(cè)及提高策略
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1 引言
隨著Internet和多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，Internet已由早期的單一數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)向多媒體數(shù)據(jù)(視頻、音頻、文本等)綜合傳輸網(wǎng)發(fā)展。但I(xiàn)nternet提供的只是盡力而為的服務(wù)，不能滿足多媒體應(yīng)用程序?qū)鬏斞舆t、包丟失、抖動(dòng)控制等要求，為了能在傳統(tǒng)的IP網(wǎng)上運(yùn)行多媒體程序，必須考慮服務(wù)質(zhì)量(Ouality of Service，QoS)。QoS可用延遲、抖動(dòng)、吞吐量、丟包率等參數(shù)來描述。為了支持網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)傳輸服務(wù)，互聯(lián)網(wǎng)工作組(Internet Engineering Task Force，IETF)制定了實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(Real-time Transport Protocol，RTP)。RTP是專門為交互式音頻、視頻、仿真數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)媒體應(yīng)用而設(shè)計(jì)的輕型傳輸協(xié)議，已廣泛應(yīng)用于各種多媒體傳輸系統(tǒng)中。IP電話作為一種新興業(yè)務(wù)，因其低廉的話費(fèi)受到廣大用戶的歡迎。但IP電話中的通話時(shí)延、話音失真一直是制約IP電話迅速發(fā)展的“瓶頸”。如何確保IP電話的QoS，是IP電話成功與否的關(guān)鍵。
結(jié)合IP電話系統(tǒng)，從音頻實(shí)時(shí)傳輸和控制兩方面來討論RTP及實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議(Real-time TransportControl Protocol，RTCP)應(yīng)用技術(shù)，分析影響媒體流實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊蛩?。最后從?shí)際實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用的角度，討論如何獲得當(dāng)前Internet可行的QoS監(jiān)測(cè)，并針對(duì)QoS質(zhì)量保證提出切實(shí)可行的解決方案。
2 實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP
RTP是用于Internet上針對(duì)多媒體數(shù)據(jù)流的一種傳輸協(xié)議，被定義為在一對(duì)一或一對(duì)多的傳輸情況下工作，其目的是提供時(shí)間信息和實(shí)現(xiàn)流同步。RTP通常使用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(User Datagram Protocol，UDP)來傳送數(shù)據(jù)，但RTP也可以在傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol，TCP)或異步傳輸模式(Asynchronous Transfer Mode，ATM)等其他協(xié)議之上工作。當(dāng)應(yīng)用程序開始一個(gè)RTP會(huì)話時(shí)將使用2個(gè)端口：1個(gè)給RTP，1個(gè)給RTCP。RTP本身并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機(jī)制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP提供這些服務(wù)。通常RTP算法并不作為一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)層來實(shí)現(xiàn)，而是作為應(yīng)用程序代碼的一部分，RTCP和RTP一起提供流量控制和擁塞控制服務(wù)。在RTP會(huì)話期間，參與者周期性地傳送RTCP包，RTCP包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計(jì)資料，因此，服務(wù)器可以利用這些信息動(dòng)態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。RTP和RTCP配合使用能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，因而特別適合傳送網(wǎng)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
2.1 RTP數(shù)據(jù)包
RTP數(shù)據(jù)包由12個(gè)字節(jié)的固定RTP頭和不定長(zhǎng)的連續(xù)媒體數(shù)據(jù)(視頻幀或音頻幀)組成。RTP協(xié)議的數(shù)據(jù)包格式如圖1所示。
RTP報(bào)文頭部分各個(gè)參數(shù)的意義如下：
(1)版本(V)：2bit版本號(hào)置2。
(2)擴(kuò)展位(Extension-X)：由使用的RTP框架定義。
(3)填充(P)：用以說明包尾是否附有非負(fù)荷信息。
(4)負(fù)載類型(PT)：對(duì)音頻或視頻等數(shù)據(jù)類型予以說明，并說明數(shù)據(jù)的編碼方式。
(5)標(biāo)志位(Marker-M)：標(biāo)志位由具體的應(yīng)用框架定義。
(6)序列號(hào)(Sequence Number)：為了安全，服務(wù)器從一個(gè)隨機(jī)初始化值開始，每發(fā)送一個(gè)RTP數(shù)據(jù)包序列號(hào)增加1?？蛻舳丝筛鶕?jù)序列號(hào)重新排列數(shù)據(jù)包的順序，并對(duì)丟失、損壞和重復(fù)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行檢測(cè)。
(7)時(shí)間戳(Timestamp)：RTP時(shí)間戳為同步不同的媒體流提供采樣時(shí)間，用于重新建立原始音頻或視頻的時(shí)序。另外，它還可以幫助接收方確定數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間的一致性或變化(有時(shí)被稱為抖動(dòng))。
(8)同步源標(biāo)識(shí)(SSRG)：幫助接收方利用發(fā)送方生成的唯一的數(shù)值來區(qū)分多個(gè)同時(shí)的數(shù)據(jù)流。SSRC必須是一個(gè)嚴(yán)格的隨機(jī)數(shù)。
(9)作用標(biāo)識(shí)(CSRC)：網(wǎng)絡(luò)中使用混合器時(shí)，混合器會(huì)在RTP報(bào)文頭部之后插入新的同步源標(biāo)識(shí)，其作用是區(qū)分多個(gè)同時(shí)的數(shù)據(jù)流。
2.2 RTP控制協(xié)議——RTCP
在RTP會(huì)話中，RTCP周期性地給所有參與者發(fā)送控制包，應(yīng)用程序或第三方監(jiān)控者接受RTCP控制包，從中獲取控制信息，估計(jì)當(dāng)前QoS，以便進(jìn)行傳輸控制、擁塞處理、錯(cuò)誤診斷等。
RTCP報(bào)文頭部參數(shù)首先要區(qū)別攜帶不同控制信息的RTCP報(bào)文的類型，RTCP報(bào)文的類型主要有以下幾種：(1)SR：發(fā)送報(bào)告，當(dāng)前活動(dòng)發(fā)送者發(fā)送、接收統(tǒng)計(jì);(2)RR：接收?qǐng)?bào)告，非活動(dòng)發(fā)送者接收統(tǒng)計(jì);(3)SDES：源描述項(xiàng)，包括CNAME;(4)BYB：表示結(jié)束;(5)APP：應(yīng)用特定函數(shù)。其中最主要的RTCP報(bào)文是SR和RR。通常SR報(bào)文占總RTCP包數(shù)量的25%，RR報(bào)文占75%。
通過這5種控制包，RTCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了以下4個(gè)主要功能：
(1)提供數(shù)據(jù)發(fā)布的質(zhì)量反饋，這是RTCP最主要的功能。作為RTP傳輸協(xié)議的一部分，與其他傳輸協(xié)議的流和阻塞控制有關(guān)。反饋對(duì)自適應(yīng)編碼控制直接起作用。反饋功能由RTCP發(fā)送者和接收者報(bào)告執(zhí)行。
(2)送帶有稱作規(guī)范名字(CNAME)的RTP源持久傳輸層標(biāo)識(shí)。如發(fā)現(xiàn)沖突，或程序重新啟動(dòng)，SSRC標(biāo)識(shí)可改變，接收者需要CNAME跟蹤參加者。接收者也需要CNAME與相關(guān)RTP連接中給定的幾個(gè)數(shù)據(jù)流聯(lián)系。
(3)根據(jù)參與RTP會(huì)話的數(shù)量調(diào)整RTCP的發(fā)送速率。
(4)傳送最小連接控制信息，如參加者辨識(shí)。最可能用在“松散控制”連接，那里參加者自由進(jìn)入或離開，沒有成員控制或參數(shù)協(xié)調(diào)，RTCP充當(dāng)通往所有參加者的方便通道，但不必支持應(yīng)用的所有控制通信要求。
3 由RTP包分析影響多媒體數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊蛩?/STRONG>
隨著VoIP領(lǐng)域不斷發(fā)展，滿足網(wǎng)絡(luò)QoS檢測(cè)需求的應(yīng)用也成為引人注目的焦點(diǎn)。IP QoS是指IP的服務(wù)質(zhì)量，也是指IP數(shù)據(jù)流通過網(wǎng)絡(luò)時(shí)的性能。目的就是向用戶提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。有一套度量指標(biāo)，包括業(yè)務(wù)可用性、延遲、可變延遲、吞吐量和丟包率等，現(xiàn)就項(xiàng)目中在上海阿爾卡特網(wǎng)絡(luò)支援系統(tǒng)有限公司NGN實(shí)驗(yàn)室中所得到的RTP和RTCP包進(jìn)行分析，主要研究其中3個(gè)因素，從而達(dá)到對(duì)實(shí)時(shí)流媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控的目的。
3.1 抖動(dòng)
抖動(dòng)會(huì)引起端到端時(shí)延的增加，引起語(yǔ)音質(zhì)量的降低。在音頻數(shù)據(jù)的傳輸過程中，由于傳輸延遲的不穩(wěn)定而造成相鄰數(shù)據(jù)包接收時(shí)刻間隔不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生抖動(dòng)。消除抖動(dòng)的主要依據(jù)就是RTP包的首部中包含的時(shí)間戳字段。時(shí)間戳標(biāo)志著該段音頻數(shù)據(jù)中第一個(gè)采樣點(diǎn)的采樣時(shí)間。每?jī)蓚€(gè)RTP包的抖動(dòng)可以用其RTP包中的RTP時(shí)戳和接收的時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算。
關(guān)于包的傳送時(shí)間，接收者最先了解到的是它的時(shí)間戳和接收者當(dāng)前時(shí)間之間的差值。該差值是：Di=Ri-Si，表示從包被蓋上戳開始，到它在信源的輸出鏈路上被實(shí)際發(fā)送為止，其中的傳送時(shí)間和某個(gè)機(jī)器時(shí)間。RFC 1889建議使用NTP來完成端點(diǎn)的端到端同步，但是也有非同步端點(diǎn)實(shí)現(xiàn)存在。
包i和包j之間增加的延遲差(二階效應(yīng))計(jì)算公式如下：設(shè)Rj代表第j個(gè)包的接受時(shí)刻，Sj代表第j個(gè)包的RTP時(shí)戳值，則第i個(gè)RTP報(bào)文與第j個(gè)RTP報(bào)文間的抖動(dòng)為D(i，j)
在生成RTCP報(bào)文時(shí)，其應(yīng)當(dāng)傳送的時(shí)延抖動(dòng)的值可用以下公式進(jìn)行遞推計(jì)算
其中：J為要傳送的時(shí)延抖動(dòng)值。對(duì)后一項(xiàng)除以16是為了消除連帶噪聲。
抖動(dòng)是分組交換的必然結(jié)果，影響抖動(dòng)的因素一般和網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度有關(guān)。由于語(yǔ)音同數(shù)據(jù)在同一條物理線上傳輸，語(yǔ)音數(shù)據(jù)通常會(huì)由于數(shù)據(jù)報(bào)文占用了物理線路而導(dǎo)致阻塞。解決抖動(dòng)通常采用緩沖隊(duì)列來解決(在網(wǎng)關(guān)、IAD上均有JitterBuffer來消除抖動(dòng))，每收到一個(gè)數(shù)據(jù)包，先將其放人緩沖區(qū)，應(yīng)用程序在緩沖區(qū)另一端取數(shù)據(jù)，只要緩沖區(qū)足夠大，抖動(dòng)一定能被平滑掉。而錯(cuò)序是由于網(wǎng)絡(luò)擁擠而使某些后發(fā)的數(shù)據(jù)包先到達(dá)收端而引起的，只要設(shè)置足夠大的緩沖區(qū)來對(duì)數(shù)據(jù)包重新排序，就能解決這個(gè)問題。或者需要IP承載網(wǎng)采用QoS策略，保證語(yǔ)音數(shù)據(jù)的最高優(yōu)先級(jí)，得到最先發(fā)送和獲得高帶寬也是解決抖動(dòng)問題的主要手段。
3.2 時(shí)延
時(shí)延是處理和傳輸導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能按時(shí)到達(dá)的延遲，是影響流媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)主要因素。話音信號(hào)在端到端傳輸過程中受到的時(shí)延遲滯通常包括：編解碼器引入的時(shí)延、打包時(shí)延、去抖動(dòng)時(shí)延、承載網(wǎng)上的傳輸節(jié)點(diǎn)中排隊(duì)、服務(wù)處理時(shí)延。這些時(shí)延累計(jì)的總和將影響話質(zhì)，導(dǎo)致回聲干擾和交互性的劣化。對(duì)于VoIP系統(tǒng)，規(guī)定時(shí)延一般控制在150 ms內(nèi)。
分組語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)中的延遲可分為固定延遲和可變延遲。前者相對(duì)容易得到，筆者不作考慮。在計(jì)算丟包率時(shí)，主要考慮可變延遲。丟包判定等待時(shí)限Twait設(shè)定的大小在很大程度上影響丟包率計(jì)算的準(zhǔn)確性，也就是可變延遲的影響，它與語(yǔ)音包的傳輸延遲Ttrf有關(guān)，Twait越大等待時(shí)限就越長(zhǎng)。但不能超過保證語(yǔ)音流連續(xù)播放的時(shí)間上限Tmax(Tmax一般取250 ms)，即：Twait=min(Twait，Tmax)。Ttrf可根據(jù)RTCP協(xié)議的SR控制包中的NTP(Network Time Protoco1)時(shí)間戳計(jì)算得到，見圖2。
使用RTCP包計(jì)算網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要求在兩個(gè)端點(diǎn)之間傳送發(fā)送方報(bào)告(RTCPSR)。RTCP包中的報(bào)文類型以二進(jìn)制表示，其中十進(jìn)制的200代表此包的報(bào)文類型為SR(發(fā)送報(bào)文)。收到200的包類型，表明可以提供足夠的信息，計(jì)算與這個(gè)SSRC有關(guān)的發(fā)送方的延遲。那么就計(jì)算發(fā)送方流(SSRC)和源流(SSRC_n)之間的雙向延遲。每次在收到RTCPSR包時(shí)，必須保存上一個(gè)時(shí)間戳(Last SR Timestamp，LSR)和DLSR(Delay SinceLast SR)值。SSRC的LSR域是從該SSRC接收到的NTP時(shí)間戳的中間32 bit，只要接收到一個(gè)NTP時(shí)間戳就可以了。如果沒有接收到NTP時(shí)間戳，那么這個(gè)域應(yīng)該設(shè)置為0。信源可能無法獲得時(shí)鐘，或者其他可接受的消逝的時(shí)間。因此，在會(huì)話持續(xù)期間，特定SSRC的這個(gè)域可能保持為0。DLSR域是端點(diǎn)從發(fā)送者那里接收到一個(gè)SR以后過去的時(shí)問。這個(gè)計(jì)數(shù)器的每一步代表1/65 536 s。一般來說，在NTP時(shí)戳，LSR或DLSR等于零時(shí)，不應(yīng)該計(jì)算雙向延遲。網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延Ttrf即為雙向延遲的一半。具體計(jì)算方法如下：設(shè)目的網(wǎng)關(guān)接收源網(wǎng)關(guān)發(fā)送的控制包SRi，經(jīng)過一段時(shí)延DLSR后，向源網(wǎng)關(guān)發(fā)送相應(yīng)的響應(yīng)SR控制包SRj，并從控制包SRj中的NTP時(shí)間戳域中提取中間的32 bit作為控制包SRi的LSR。如果沒有收到源網(wǎng)關(guān)發(fā)出的SR控制包，則L5R和DLSR都置為0。最后，將DLSR和LSR的值填入到控制包SRj的相應(yīng)域中。設(shè)源網(wǎng)關(guān)接收到控制包SRj時(shí)刻為A，則當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)為
Ttrf=(A-LSR-DLSR)/2 (3)
由實(shí)驗(yàn)包中的數(shù)據(jù)得出的Ttrf是使用32 bit歸一化NTP時(shí)戳計(jì)算的，所以要把延遲轉(zhuǎn)換成毫秒單位，結(jié)果中前16 bit將與延遲秒數(shù)對(duì)應(yīng)，后16 bit與1/65 536 s的數(shù)字對(duì)應(yīng)。因此，上面16 bit必須乘以1 000，把秒轉(zhuǎn)換成毫秒。下面16 bit必須除以65 536，然后再乘以1 000。兩個(gè)因數(shù)之和可以得到最終結(jié)果。
實(shí)時(shí)語(yǔ)音傳輸要求端對(duì)端時(shí)延不能太大，端到端的時(shí)延要求分成4個(gè)等級(jí)：≤150ms(最好)、150～250ms(較好)、250～450ms(一般)和450ms以上(差)?？梢酝ㄟ^設(shè)定IP優(yōu)先級(jí)、路由選擇、RED(隨機(jī)早期檢查)等技術(shù)來縮短IP網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。
?、賰?yōu)先級(jí)是指對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包的級(jí)別進(jìn)行分類，不同級(jí)別的數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)留帶寬分配、通過順序、時(shí)延抖動(dòng)、丟包等方面處理時(shí)，所受到的待遇不同，這樣可以確保語(yǔ)音、圖像等對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的數(shù)據(jù)包優(yōu)先傳輸，以提高傳輸質(zhì)量。
?、谶x擇合適的路由繞過那些負(fù)載過重的路由器，直接連到主干網(wǎng)進(jìn)行傳輸。
?、郛?dāng)網(wǎng)絡(luò)擁擠發(fā)生擁塞時(shí)，RED就優(yōu)先丟棄一些對(duì)話音影響較小的數(shù)據(jù)包，并讓終點(diǎn)站降低傳輸速率，避免路由器或交換設(shè)備緩沖區(qū)溢出。
此外，采用流量控制、隊(duì)列管理、數(shù)據(jù)包保護(hù)技術(shù)也可以提高網(wǎng)絡(luò)的管理性能，從而縮小網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。
3.3 丟包率
丟包率定義為在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)丟棄數(shù)據(jù)包的最高比率。數(shù)據(jù)包丟失一般是由網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的。丟包對(duì)VoIP語(yǔ)音質(zhì)量的影響較大，在本實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，采用G.711時(shí)，當(dāng)丟包率大于10%時(shí)，已不能接受，而在丟包率為5%時(shí)，基本還可以接受，因此，要求IP承載網(wǎng)的丟包率小于5%。
丟包率為單位時(shí)間內(nèi)丟失的語(yǔ)音包的數(shù)目。檢測(cè)的具體方法是統(tǒng)計(jì)語(yǔ)音流中的連續(xù)2個(gè)SR(發(fā)送端報(bào)告控制包)的時(shí)間間隔Tint內(nèi)實(shí)際接收語(yǔ)音包的數(shù)目Nreal，然后按下面公式來計(jì)算丟包率Rlost
Rlost=(Nexp-Nreal)Nexp (4)
其中：Nexp為期望的語(yǔ)音包數(shù)目，它等于在Tint內(nèi)接收到語(yǔ)音包的最小序號(hào)Ni和最大序號(hào)Nj之差，用下面公式來表示：Nexp=Nj-Ni，實(shí)際接收到的語(yǔ)音包Nreal可能包括在Tint之前的遲到包(由于語(yǔ)音數(shù)據(jù)采用UDP協(xié)議傳輸，不存在重復(fù)包)，所以計(jì)算所得的丟包率會(huì)出現(xiàn)負(fù)數(shù)。此時(shí)丟包率定義為0。
丟包率的計(jì)算可在每個(gè)丟包判定等待時(shí)限內(nèi)計(jì)算，也可按照一定的時(shí)間間隔來計(jì)算一次，而這個(gè)時(shí)間間隔要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定情況來確定。為了減少網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，不是每次計(jì)算的丟包率都要反饋給源網(wǎng)關(guān)的，而是事先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)用戶期望的語(yǔ)音質(zhì)量來確定兩個(gè)丟包率狀態(tài)的閾值R1和R2。對(duì)于音頻而言，取R1=3%，R2=8%。當(dāng)Rlost>R2時(shí)，將丟包率信息的標(biāo)志位，置為“overload”(擁塞)，表示網(wǎng)絡(luò)處于擁塞狀態(tài);當(dāng)Rlost
根據(jù)RTP頭中的sequence number域，可以在接收端很輕易地發(fā)現(xiàn)包丟失，為丟包修復(fù)奠定基礎(chǔ)。在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)丟包是單個(gè)丟包，兩個(gè)或兩個(gè)以上包丟失的比例較小。針對(duì)單個(gè)包的丟失，傳統(tǒng)的丟包處理方法有兩種：一種方法是重發(fā)，但在傳輸語(yǔ)音數(shù)據(jù)時(shí)，重發(fā)將引起播放質(zhì)量下降，出現(xiàn)無法識(shí)別的話音或回音現(xiàn)象;另一種方法是忽略，這同樣會(huì)影響播放質(zhì)量。更好的方案是使用拆分法優(yōu)化丟包損失。拆分法的基本思想是：在發(fā)送端把原來要打入一個(gè)RTP包的話音數(shù)據(jù)按照采樣間隔分成兩塊，然后采用相同的壓縮算法分別壓縮、打入RTP包，并標(biāo)記相同的時(shí)印進(jìn)行傳輸。在接收方執(zhí)行相反的過程，把解壓縮后的數(shù)據(jù)采樣、合并、回放。 如果某個(gè)RTP包在傳輸過程中丟失，那么丟失的只是原數(shù)據(jù)包按采樣間隔的一半信息，接收端可以用接受到的另一半信息，利用插值等方法恢復(fù)出原話音包的大部分信息，從而使話音質(zhì)量不至于下降太多。拆分法的主要思想如圖4所示。
4 結(jié)束語(yǔ) 對(duì)音頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸問題進(jìn)行了詳細(xì)分析，在分析RTP協(xié)議的基礎(chǔ)上，探討了基于RTP協(xié)議的QoS動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的一些方法，并提出了解決在流媒體中存在的語(yǔ)音實(shí)時(shí)傳輸質(zhì)量保證的策略。避免語(yǔ)音通信實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)，減小了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)使抖動(dòng)的影響減低，改善了語(yǔ)音傳輸效果。目前，IP電話用戶數(shù)每年正以239%的速度增長(zhǎng)。下一步將以此為依據(jù)設(shè)計(jì)出基于RTP的一個(gè)應(yīng)用模型，進(jìn)行深層開發(fā)研究。
評(píng)論