快速建立數(shù)據(jù)傳輸路徑的謠傳路由協(xié)議改進(jìn)

徐晶，程良倫

廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣州 510006

快速建立數(shù)據(jù)傳輸路徑的謠傳路由協(xié)議改進(jìn)

徐晶，程良倫

廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣州 510006

針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)謠傳路由協(xié)議（Rumor Routing Protocol，RRP）在生成數(shù)據(jù)傳輸路徑的過程中，消息傳播節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇下一跳鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息所形成的數(shù)據(jù)傳輸路徑可能出現(xiàn)回路現(xiàn)象、交叉現(xiàn)象以及查詢流量大等問題，提出一種改進(jìn)的謠傳路由協(xié)議（NM-RRP），該協(xié)議通過在代理消息和查詢消息中記錄消息經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)及其鄰居節(jié)點(diǎn)來選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，并且對(duì)消息傳輸經(jīng)過節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)留下信息，避免隨機(jī)選擇節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息。實(shí)驗(yàn)證明，改進(jìn)后的算法能有效避免消息在某個(gè)節(jié)點(diǎn)附近產(chǎn)生傳播、回路及交叉等現(xiàn)象，并能夠快速建立數(shù)據(jù)傳輸路徑。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；謠傳路由協(xié)議；攻進(jìn)的謠傳路由協(xié)議（NM-RRP）；傳輸路徑

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的、知識(shí)高度集成的一個(gè)新興研究領(lǐng)域[1]，它由多個(gè)學(xué)科高度交叉組成，綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，能夠通過各類集成化的微型傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境信息或被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)信息進(jìn)行處理，可以通過隨機(jī)自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知的信息傳送到用戶終端。路由協(xié)議作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的基礎(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)層的核心技術(shù)，成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化、路由信息的交換、最佳路由的選擇、目的節(jié)點(diǎn)的定位、產(chǎn)生和維護(hù)以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)等操作都是由相應(yīng)的路由協(xié)議來完成的。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理有效，很大程度上取決于其路由協(xié)議的設(shè)計(jì)[2]。

根據(jù)路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法特點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議主要分為四類[3]：以數(shù)據(jù)為中心路由協(xié)議、基于聚簇的路由協(xié)議、基于地理位置路由協(xié)議和能量感知路由協(xié)議。以數(shù)據(jù)處理為中心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多、攜帶能源受限以及通信距離受限等特點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)多、網(wǎng)絡(luò)地理位置未知的情況下，如何快速建立數(shù)據(jù)傳輸路徑成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由研究的重點(diǎn)問題。根據(jù)M onte-Carlo模型可知，在一個(gè)矩形區(qū)域中，兩條直線相交的概率接近70%，可計(jì)算出當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)發(fā)出五條路徑與源節(jié)點(diǎn)路徑相交的概率為99.7%，因而謠傳路由協(xié)議具有可行性[4]。Zhonghua Wang等人提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量聚簇謠傳路由協(xié)議[5]，該協(xié)議將能效及聚簇機(jī)制引入到謠傳路由中，并對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分成簇，消息的轉(zhuǎn)發(fā)將節(jié)點(diǎn)的剩余能量作為其中一個(gè)參考因子。該協(xié)議雖然可以快速建立數(shù)據(jù)傳輸路徑，但簇首節(jié)點(diǎn)存在能耗大等問題。Yanrong Cui等人提出一種新穎謠傳路由協(xié)議[6]，利用蟻群算法思想提出當(dāng)下一跳節(jié)點(diǎn)已經(jīng)在之前的傳輸過程中承擔(dān)過傳輸節(jié)點(diǎn)時(shí)，則選擇其他節(jié)點(diǎn)做下一跳節(jié)點(diǎn)。該協(xié)議可以有效地避免同一節(jié)點(diǎn)一直承擔(dān)消息轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，但該算法終究不能避免回路現(xiàn)象。Shokrzadeh H等人提出基于重心設(shè)置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)謠傳路由協(xié)議[7]，該協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置重心區(qū)域，在建立數(shù)據(jù)傳輸路徑的過程中代理消息和查詢消息優(yōu)先和重心區(qū)域的節(jié)點(diǎn)建立連接。該算法增大了代理消息和查詢消息相交的幾率，但在建立數(shù)據(jù)傳輸路徑的過程中仍無法避免交叉、回路現(xiàn)象。

本文在充分研究以數(shù)據(jù)為中心的謠傳路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對(duì)謠傳路由協(xié)議在收發(fā)代理消息過程中由于回路、交叉現(xiàn)象而引起的網(wǎng)絡(luò)查詢流量大的問題，提出一種謠傳路由協(xié)議的改進(jìn)算法（NM-RRP），該算法通過查詢消息及代理消息在其經(jīng)過節(jié)點(diǎn)及其鄰居節(jié)點(diǎn)留下相關(guān)信息，在選擇下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)，若下一跳節(jié)點(diǎn)是同類消息經(jīng)過節(jié)點(diǎn)或其鄰居節(jié)點(diǎn)則放棄該節(jié)點(diǎn)做下一跳節(jié)點(diǎn)；若下一跳節(jié)點(diǎn)不是同類消息經(jīng)過節(jié)點(diǎn)或其鄰居節(jié)點(diǎn)，則將其作為下一跳節(jié)點(diǎn)；若某節(jié)點(diǎn)即是代理消息經(jīng)過節(jié)點(diǎn)或其鄰居節(jié)點(diǎn)，又是查詢消息經(jīng)過節(jié)點(diǎn)或其鄰居節(jié)點(diǎn)，則該節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)消息給其鄰居的代理消息節(jié)點(diǎn)及查詢消息節(jié)點(diǎn)，從而形成一條完整的數(shù)據(jù)傳輸路徑。

2 謠傳路由協(xié)議

謠傳路由協(xié)議的基本思想是：監(jiān)測(cè)區(qū)域中的傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生代理消息，代理消息隨機(jī)路徑向周邊傳播，同時(shí)匯聚節(jié)點(diǎn)也沿隨機(jī)路徑發(fā)送查詢消息。一旦代理消息和查詢消息的傳輸路徑交叉在一起，就形成了從匯聚節(jié)點(diǎn)到監(jiān)測(cè)區(qū)域的一條完整數(shù)據(jù)傳遞路徑。如圖1所示。

圖1 謠傳路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)原理圖

從謠傳路由協(xié)議的工作過程可以看出，傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇的路徑信息在形成數(shù)據(jù)傳輸路徑的過程中很可能形成環(huán)路、交叉現(xiàn)象如圖2，在數(shù)據(jù)傳輸過程中造成節(jié)點(diǎn)消耗大，網(wǎng)絡(luò)壽命減小等問題。如果消息在傳輸過程中，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)記錄的消息經(jīng)過情況來選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，從而能有效地避免環(huán)路及交叉現(xiàn)象。

圖2 謠傳路由協(xié)議形成數(shù)據(jù)傳輸路徑過程出現(xiàn)回路示意圖

3 NM-RRP算法

3.1 NM-RRP算法思想

監(jiān)測(cè)區(qū)域中的傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生代理消息，節(jié)點(diǎn)從鄰居列表中隨機(jī)選擇下一跳節(jié)點(diǎn)傳播代理消息；在代理消息中加入當(dāng)前傳播節(jié)點(diǎn)的ID、消息傳播的當(dāng)前跳數(shù)、當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)ID及消息的生命值減少1。對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)廣播消息經(jīng)過信息。

如圖3所示當(dāng)代理消息經(jīng)過節(jié)點(diǎn)1后，就在代理消息后增加一個(gè)鄰居列表，將代理消息經(jīng)過節(jié)點(diǎn)1、當(dāng)前代理消息傳播的跳數(shù)值6、鄰居節(jié)點(diǎn)2、5及消息的生命值減1，隨機(jī)選擇2號(hào)節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，并對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)5廣播消息經(jīng)過。節(jié)點(diǎn)5收到節(jié)點(diǎn)1發(fā)送的消息后，記錄代理消息經(jīng)過附近一次。消息經(jīng)過節(jié)點(diǎn)2后，就在代理消息后增加一個(gè)鄰居列表，將代理消息經(jīng)過節(jié)點(diǎn)2、當(dāng)前代理消息傳播的跳數(shù)值7，隨機(jī)選擇代理消息中未登記的鄰居節(jié)點(diǎn)做下一跳節(jié)點(diǎn)，以此類推。

圖3 謠傳路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)原理局部圖

廣播代理消息的節(jié)點(diǎn)在選擇下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先對(duì)比鄰居節(jié)點(diǎn)和代理消息中記錄的消息經(jīng)過節(jié)點(diǎn)及其鄰居節(jié)點(diǎn)，如果某鄰居節(jié)點(diǎn)在消息記錄中不存在，則下一跳節(jié)點(diǎn)考慮該節(jié)點(diǎn)；如果所有鄰居節(jié)點(diǎn)在消息記錄中都存在，則下一跳節(jié)點(diǎn)考慮鄰居節(jié)點(diǎn)被消息記錄過一次的節(jié)點(diǎn)。對(duì)圖3而言，查詢消息到達(dá)節(jié)點(diǎn)2后，節(jié)點(diǎn)2通過查詢消息中的記錄判斷到鄰居節(jié)點(diǎn)3未記錄，則選擇節(jié)點(diǎn)3為下一跳節(jié)點(diǎn)。如果多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)都不在消息記錄中，則隨機(jī)選擇這些鄰居節(jié)點(diǎn)做下一跳節(jié)點(diǎn)。對(duì)于匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的查詢消息也同樣適用以上思想。

3.2 改進(jìn)后算法的具體執(zhí)行過程

（1）每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)鄰居列表和一個(gè)事件列表。

（2）若一個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到一個(gè)事件發(fā)生，則在事件列表中增加一個(gè)表項(xiàng)用以設(shè)置事件名稱，并將該事件的跳數(shù)值設(shè)置為0，同時(shí)根據(jù)一定的概率產(chǎn)生一個(gè)代理消息。

（3）某節(jié)點(diǎn)收到代理消息后，檢查事件列表中是否存在查詢消息經(jīng)過信息，若存在，則同時(shí)發(fā)送消息至鄰居的代理消息節(jié)點(diǎn)及查詢消息節(jié)點(diǎn)，通知數(shù)據(jù)傳輸路徑建立成功。若不存在，首先通過代理消息中的消息經(jīng)過節(jié)點(diǎn)及鄰居節(jié)點(diǎn)列表，隨機(jī)選擇列表中不存在的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)；其次，該節(jié)點(diǎn)將代理消息的跳數(shù)值加1，將生命值TTL減1，并在消息中加入鄰居節(jié)點(diǎn)ID，組成新的代理消息后發(fā)送至下一跳節(jié)點(diǎn)；最后，該節(jié)點(diǎn)廣播消息經(jīng)過信息至鄰居節(jié)點(diǎn)。

（4）當(dāng)某節(jié)點(diǎn)收到鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的代理消息經(jīng)過信息后，首先檢查事件列表中是否存在查詢消息，若存在，則同時(shí)發(fā)送消息至鄰居的代理消息節(jié)點(diǎn)及查詢消息節(jié)點(diǎn)，通知數(shù)據(jù)傳輸路徑建立成功；若不存在，則該節(jié)點(diǎn)在其事件列表中添加代理消息信息、經(jīng)過的鄰居節(jié)點(diǎn)ID信息及其跳數(shù)值。

（5）網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)都可能產(chǎn)生一個(gè)針對(duì)特定事件的查詢消息。查詢消息經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)按照同樣方式轉(zhuǎn)發(fā)，并記錄該消息的相關(guān)信息。這個(gè)過程直到查詢的TTL值為0或是查詢到達(dá)了所期待的事件為止。

改進(jìn)后的算法主框圖如圖4所示。

圖4 NM-RRP路由協(xié)議主框圖

首先將節(jié)點(diǎn)初始化后，如果有事件發(fā)生則進(jìn)入代理消息選擇下一跳節(jié)點(diǎn)環(huán)節(jié)，如果沒有事件發(fā)生則繼續(xù)等待。確定下一跳節(jié)點(diǎn)后，進(jìn)入同一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到代理消息和查詢消息環(huán)節(jié)從而進(jìn)行判斷，如果條件不成立，且消息跳數(shù)值不為0，則繼續(xù)進(jìn)入查詢同一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到代理消息和查詢消息環(huán)節(jié)。從圖4可以看出，NM-RRP算法主流程和RRP算法主流程基本相似，其中不同的是代理消息及選擇下一跳節(jié)點(diǎn)環(huán)節(jié)和同一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到代理消息和查詢消息，如圖5，圖6所示。

圖5 代理消息及選擇下一跳節(jié)點(diǎn)框圖

圖6 同一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到代理消息和查詢消息框圖

在圖5中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到代理消息后，在代理消息后端加入節(jié)點(diǎn)ID，并取出代理消息后端的節(jié)點(diǎn)鄰居列表，經(jīng)過對(duì)比代理消息后端的消息經(jīng)過的鄰居列表和節(jié)點(diǎn)的鄰居列表，選擇節(jié)點(diǎn)鄰居列表中節(jié)點(diǎn)在消息經(jīng)過鄰居列表中出現(xiàn)次數(shù)最少的節(jié)點(diǎn)作為下一跳消息傳播節(jié)點(diǎn)。保存當(dāng)前消息及其跳數(shù)到事件列表，并將事件列表發(fā)送給鄰居節(jié)點(diǎn)，通知鄰居節(jié)點(diǎn)消息經(jīng)過。再加入當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)，并將其和之前取出的消息經(jīng)過節(jié)點(diǎn)及其鄰居節(jié)點(diǎn)按出現(xiàn)次數(shù)由少至多進(jìn)行排序。然后，將結(jié)果存入代理消息后端的鄰居列表中，同時(shí)消息的生命值減1，并存入代理消息中。

在圖6中，當(dāng)傳播代理消息的節(jié)點(diǎn)收到查詢消息時(shí)，兩個(gè)消息都經(jīng)過了同一個(gè)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)，成功地形成了數(shù)據(jù)傳輸路徑。同樣，當(dāng)傳播查詢的節(jié)點(diǎn)收到代理消息時(shí)，同樣成功地形成了數(shù)據(jù)傳輸路徑。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)既收到了代理消息經(jīng)過的信息，又收到了查詢消息經(jīng)過的消息，說明代理消息和查詢消息都在該節(jié)點(diǎn)周圍，此時(shí)，該節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息給代理消息傳輸節(jié)點(diǎn)即查詢消息傳輸節(jié)點(diǎn)，表示數(shù)據(jù)傳輸路徑已經(jīng)建立。

3.3 改進(jìn)后算法的性能分析

謠傳路由協(xié)議在轉(zhuǎn)發(fā)代理消息或查詢消息時(shí)都是采用隨機(jī)方式，每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)被選作下一轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的概率是相等的，所以發(fā)出的消息有可能在某幾個(gè)節(jié)點(diǎn)周圍，從而產(chǎn)生環(huán)路交叉現(xiàn)象，不利于消息傳播。最終導(dǎo)致增加查詢流量，查詢效率降低。改進(jìn)后的謠傳路由算法將消息傳輸節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)用來記錄消息經(jīng)過的信息。改進(jìn)后網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)更具靈活性，當(dāng)代理消息和查詢消息都在某個(gè)節(jié)點(diǎn)附近則會(huì)形成數(shù)據(jù)傳輸路徑，并且可以有效地避免消息在某個(gè)節(jié)點(diǎn)附近傳播，從而避免了回路及交叉現(xiàn)象的發(fā)生，減少了查詢流量，提高了查詢效率。

4 算法仿真

4.1 建立數(shù)據(jù)傳輸路徑

利用MATLAB平臺(tái)，建立一個(gè)50 m×50 m的方形區(qū)域作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)中包含100個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。為方便仿真初始化條件設(shè)置，節(jié)點(diǎn)之間相互均勻分布，如圖7所示。

圖7 仿真節(jié)點(diǎn)布置

分別利用謠傳路由協(xié)議（RRP）和改進(jìn)的謠傳路由協(xié)議（NM-RRP）在仿真環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸路徑建立的實(shí)驗(yàn)，其建立的數(shù)據(jù)傳輸路徑分別如圖8和圖9所示。

圖8 RRP建立數(shù)據(jù)傳輸路徑過程

從圖8可以分析出，傳統(tǒng)的謠傳路由協(xié)議在消息傳播節(jié)點(diǎn)只是隨機(jī)地選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，將會(huì)產(chǎn)生擦肩而過的現(xiàn)象，造成查詢流量增多，網(wǎng)絡(luò)壽命減小。從圖9中可以看出改進(jìn)后的算法在查詢消息和代理消息距離較近時(shí)，節(jié)點(diǎn)能夠主動(dòng)連接形成數(shù)據(jù)傳輸路徑，有效地避免了查詢流量，這對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)而言都是非常有利的。

圖9 NM-RRP數(shù)據(jù)傳輸路徑建立過程

4.2 網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間及能耗比較

通過對(duì)謠傳路由協(xié)議（RRP）、改進(jìn)后的謠傳路由協(xié)議（NM-RRP）、文獻(xiàn)[4]中改進(jìn)的謠傳路由協(xié)議（L-RRP）用文獻(xiàn)[8]中提供的能量損耗模型進(jìn)行仿真。

網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間如圖10所示，網(wǎng)絡(luò)剩余能量如圖11所示。通過仿真結(jié)果可以看出改進(jìn)后的謠傳路由協(xié)議相對(duì)于其他兩個(gè)路由協(xié)議更具優(yōu)越性。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)

圖10 網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間比較

圖11 網(wǎng)絡(luò)剩余能量比較

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)謠傳路由協(xié)議進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其在建立數(shù)據(jù)傳輸過程中，消息隨機(jī)選擇節(jié)點(diǎn)發(fā)送，該模式在發(fā)送的過程中形成環(huán)路及在某個(gè)節(jié)點(diǎn)附近傳播的可能性較大，不僅造成數(shù)據(jù)傳輸路徑的形成過程緩慢，且流量消耗較大。針對(duì)上述問題，本文提出在消息傳輸經(jīng)過節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)留下信息及在選擇下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)，判斷是否是之前經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)及鄰居節(jié)點(diǎn)，從而選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，從而有利于消息的傳播及數(shù)據(jù)傳輸路徑的快速建立，并通過實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證了該算法的有效性。

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XU Jing,CHENG Lianglun

School of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China

Aiming at the loop,crossover phenomenon and the energy consumption problem can appear in the data transmission path formed from the message transmission chose the next-hop neighbor nodes randomly for sending messages, which occurrs in the data transmission process of rumor routing protocol（RRP）in wireless sensor networks.An improved rumor routing protocol,NM-RRP,is introduced,which can choose the next-hop node through the nodes and its neighbor nodes from the messages recorded by the agent messages and the inquired messages,then leave the information at the neighbor nodes around the node which message transmission has been passed by,thereby the random chose node is avoided to send messages.Experiments show that the improved algorithm can avoid the message producing the transmission loop and crossover phenomenon around the node effectively and can establish a data transmission path rapidly.

wireless sensor network;rumor routing protocol;NM-RRP;transmission path

A

TN919

10.3778/j.issn.1002-8331.1208-0233

XU Jing,CHENG Lianglun.Improved method for rum or routing protocol in establishing data transmission path rapidly.Computer Engineering and Applications,2014,50（16）：109-112.

廣東省重大科技專項(xiàng)（No.2011A 080802008）。

徐晶（1989—），女，碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)；程良倫，博士研究生導(dǎo)師。E-mail：398419925@qq.com

2012-08-19

2012-12-11

1002-8331（2014）16-0109-04

CNKI網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版：2012-12-20,http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20121220.1652.008.htm l