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摘要：高等学校必须建设一个高质量、高速度且安全良好的校园网络以满足教学、科研、行政工作等需求。文章讨论了虚拟局域网（VLAN）的定义、特性和分类，以及第三层交换技术和基于第三层交换技术的VLAN的优势，从技术角度分析了用VLAN建造校园网的可行性和必要性。在分析了实例之后，提出VLAN的设计思路。
关键词：校园网；虚拟局域网；第三层交换
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)23-895-02
Analysis and Design of the College Campus Net Using VLAN
LIU Ying,YU Zhi-juan
(Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076,China)
Abstract: A high-quality, high-speed and secure well campus network must be build for a college, to meet the teaching, research, administrative and other needs. This article discussed the definition, characteristics and classification of the virtual local area network (VLAN), and Layer 3 switching technology and the advantage of VLAN based on the third floor of the exchange, the feasibility and necessity of building a campus network using VLAN. the design of the VLAN was proposed using a actual case.
Key words: Campus network; VLAN; Layer 3 switching technology
1 引言
校园网已成为高校发展的重要基础设施，是提高学校管理和科研水平不可缺少的支撑环境，也是衡量学校学术水平和管理水平的重要标志，意义重大。但随着高校合并以及大学城的建设，使得我国高校学科纵横、规模庞大、人员众多，造成了校区分散、职能部门跨区分布等特点。为利用已有的网络资源，将不同校区有效连接，实现同一部门内部通讯，部门之间数据保密，并协调好各个部门间的合作，一种有效的解决办法就是在交换网络体系的支持下用虚拟局域网(VLAN)构建校园网。
2 VLAN技术
共享媒体局域网中通信媒体始终处于“共享”、“分享”状态，网络带宽问题难以解决，即使采用“网段微化”技术，也无法从根本上解决这一问题。而交换式网络则使网络上所有端口平行地、安全地同时互相传送信息，使分享变成独占，使串行变成并行，从而使网络带宽问题得到根本解决。交换式网络是以交换为中心的网络体系，它的优点之一在于其高度可扩充性，它的带宽能随着用户的增加而扩张，比分享媒体有更强的适应性，其中的每一对连接，都可以实际需求而得到各自的带宽。交换式网络不仅改善了效率瓶须，而且使VLAN成为现实。
在交换技术中，虚拟局域网(VLAN)是一种重要的技术。它是一种能对按需组网加以逻辑定义的、并能将网络的物理结构抽象成为逻辑视图的技术。其核心是通过路由和交换设备在网络的物理拓扑结构基础上建立一个逻辑网络，使网络中任意几个LAN段或(和)单站能够组合成一个逻辑上的LAN，即VLAN。VLAN在逻辑上等于OSI七层模型的第二层广播域，它与具体的物理网及地理位置无关。不仅如此，VLAN还可以跨越多个交换机。引入VLAN技术后，LAN的网段划分，不再受其物理连接限制，可按部门、用户职能、工程组或应用需要进行划分。对于那些并不处于同一个物理网络上的站点，因某种需要频繁通信，一种高效、经济又简单的办法是通过将它们划分到一个VLAN中，使它们可以不受地理位置的限制而像处于同一个LAN上那样进行通信和信息交换。因此，VLAN技术的引入给网络设计管理和维护带来某些根本性的改变，充分发挥了交换式网络的优势，体现其高速、灵活、易于管理等特点。
VLAN的划分有四种方式：根据端口分组划分VLAN，根据MAC地址分组划分VLAN，根据协议类型或网络地址划分VLAN，根据IP多播组划分VLAN。这些方法各有千秋，每种方法分别适于满足不同用户的需要，用于不同的网络环境中。其中IP组播代表着一种与众不同的VLAN定义方法。这种VLAN的建立是动态的，它代表了一组IP地址。VLAN中由称为代理的设备对VLAN中的成员进行管理、提供服务。当IP组播帧要送达多个目的节点时，就动态建立VLAN代理，这个代理和多个IP节点组成IP多播组VLAN。
网络用广播信息通知各IP站，表明网络中存在IP多播组，工作站如果响应该信息，就可以加入IP多播组，成为VLAN中的一员，与VLAN中的其它成员通信。IP多播组中的所有工作站属于同一个VLAN，但它们只是特定时间段内特定IP多播组的成员。IP多播组VLAN的动态特性提供了很高的灵活性和可扩展性，可以根据业务灵活组建，并将广播限制在一个最小的范围内。而且IP多播组可以跨越路由器形成WAN连接。实际上，VLAN的这些划分方法在某些情况下，组合使用更具优势。
大学校园网面临诸多问题：网络规模扩充迅速且物理位置日益分散，致使网络管理日趋复杂；网络应用规模尤其是多媒体应用规模迅速扩充，对带宽的需求迅速增长；子网分割较多而教学和科研又要求子网间频繁通信，致使网间信息流量上升，网络效率下降。为解决这些问题，在校园网的建设中引入VLAN技术是非常必要的。这是由于VLAN有许多优点。建立VLAN，可以简化网络站点(或终端)的增加、删除、移动操作，方便网络的维护、管理，提高管理效率，降低网络管理费用；可以有效隔离广播数据，管理、限制VLAN间的访问，减少网间信息流量、节约带宽；可以增加工作组和网络的安全性；整个网络易于升级扩展等。VLAN的这些优点，恰恰是校园网所需要的。在技术方面，随着第三层交换技术及第三层交换机的出现，用第三层交换机作为校园网LAN主干交换设备，使得VLAN的定义更加灵活，实现VLAN之间的通信更为理想。
3 第三层交换技术
随着大量网络互连，网络应用日趋复杂，路由器已成为网络通信不可逾越的瓶颈，但在目前条件下路由技术又必不可少，为了构建高速的IP网络，人们提出一种公认的最佳方案，即在网络技术中集成第三层交换技术，它将交换技术和路由技术结合起来，扬长避短，发挥各自优点，使得日益增长的数据分组流量能以接近线路速度传输并且以经济实用的方式来降低传统的路由器所带来的传输延迟。在第三层，交换可以定义为：以信元、帧或数据包的形式向目的地传送数据单元的进程，网络中的所有交换机必须根据可用信息作出数据包传送决定。第三层交换根据第三层数据包头部的路由信息执行基于硬件的转发。第三层交换机具有第二层交换机相同的属性，此外还具备某些路由功能(但与专门的路由器相比相当有限)。它检查进入的数据包，取出目的地址和其它控制信息，把该地址和路由选择表的内容加以比较，重写数据包控制数据，然后把数据包提交给适当的端口发出去。由于路由表是交换判定处理的基础，所以第三层交换机必须建立到所有给定目的地的可用路由表，并且不断更新它。目前已有许多路由选择协议，如RIP/ RIP II，OSPF、IGPR等。目前，新型结构高性能的第三层交换机通常采用集成电路ASIC技术，将以前用软件实现的功能固化在硬件中，可以实现比CPU更高的传送速度。有些第三层交换机中使用多个ASIC以实现并行性，这是在多端口之间获得线速数据传输速率的有效途径。总之，第三层交换将路由和交换功能集成在一起，充分利用了新型高速交换硬件、软件、协议的优势及智能网络处理能力，使得网络结构更加合理，网络传输延迟更低。
目前，在园区和大楼LAN组网环境中使用新型结构高性能第三层交换机作为主干交换设备是网络设计中的常用方法。随着多媒体应用对系统带宽的需求不断提高，100Mbps的快速以太网、155Mbps/ 622Mbps的ATM以及1Gbps以太网的使用，作为主干交换设备的传统路由器已成为系统带宽的瓶颈。改进的办法是采用高性能的第二层交换机作为主干交换设备，然而第二层交换机虽可实现快速转发及VLAN的划分，但它无法承担VLAN之间的通信，致使系统内出现导致带宽瓶颈的路由器。第三层交换机既可以根据多种方法来定义VLAN成员，随后配置VLAN，又不需附加其他路由设备来实现VLAN之间的通信。因此，用VLAN构建校园网时使用第三层交换机作为LAN主干交换设备，不论从网络结构还是从降低网络传输延迟来说，都不失为一种很好的选择。
4 实例分析
这里以某大学校园网一期工程为例，分析虚拟局域网的应用。针对该校运作特点及校区分散的实际，将整个校园网划分为5个V LAN，根据需要可以修改或进一步划分，但要注意合理规划，划分过粗或过细都会给管理带来问题。
由于子网或VLAN之间的通信主要是通过路由来完成的，当VLAN之间的通信量较大时，会造成网络延迟增加，通信效率下降。但是采用了具有快速IP报文转发的第三层交换机后克服了传统路由器作为LAN主干带来的瓶颈问题，使IP报文转发接近或达到线速。
众所周知，在网络管理方面，网络管理费用远远高于其它网络开销，其中网络的增加、移动或更改费用又占绝大部分，在采用了VLAN和一些有效的网络管理工具及应用软件之后，网络管理员可进行逻辑更改配置，这样可以大大降低网络管理成本，增加网络管理的灵活性。
在实例中，采用HP、3COM、Cisco等公司的软件来进行网络管理。以HP Openview作为网管基本平台，通过其Server端与智能Agent协调工作来实现。对于本地请求的管理，是通过Agent收集自身的网管信息，并根据网管员定制的触发器智能的执行相应的事件操作来完成的。在实施网络管理时采用分级管理的办法，在HP Openview中对不同等级的管理员，设置不同的等级权限，进一步增强了网络管理的安全性。
5 VLAN的设计思路
利用VLAN建造校园网，首先要确定VLAN的定义方式。定义VLAN成员的四种方式各有优缺点，每种方法分别适于满足不同用户的需要，用于不同网络环境中。在这些VLAN划分方法中，网络管理员可以使用任何一种方法，也可以把不同方法组合成一种新的策略来划分VLAN，从而创建满足其需求的VLAN。目前在网络产品中融合多种划分VLAN的方法，以便根据实际情况寻求最合适的途径，随着网络管理软件的发展，VLAN的划分逐渐趋向于动态化。
其次，网络管理员应从学校内部的实际应用出发，精心规划设计全网，在遵守80/20网络流量原则的前提下，设计每个VLAN的成员。尽可能地将同一工作性质的用户集中在同一VLAN中，以减少跨VLAN的访问，提高网络的效率。在建网时一定要考虑这一关键环节，它对今后整个校园网的改造和管理都具有十分重要的意义。
第三，应从网络整体出发，不应将所有VLAN设计成孤立的、封闭式的，应设计出一些开放式的VLAN。开放式VLAN指允许某一VLAN成员同时属于多个VLAN，因此，开放式VLAN能获得来自其他VLAN的数据，但这有可能带来安全问题，在设计时要注意这一问题。
第四，VLAN间的通信可以通过具有路由功能的第三层交换机。第三层交换机一般能支持64个以上的VLAN，最多的可达上千个VLAN。也可以使用外部路由器，实现VLAN之间的互通。但这种技术在VLAN数目较多时会极大地增加网络成本，降低VLAN间的通信效率。若在设计时已对网络用户精心考虑，可以选用中、低档路由器连接各VLAN，以降低成本。路由器可以放在网络的中心位置上，以降低额外的延时，提高VLAN之间的通信效率。
6 结论
本文讨论了虚拟局域网的定义、特性和分类以及第三层交换技术和基于第三层交换技术的虚拟局域网的优势，从技术角度分析了用虚拟局域网建造校园网的可行性和必要性。
VLAN的使用可为用户在网络设计、更新、扩展及配置的过程中带来前所未有的灵活性，VLAN还可以提供可扩展性、互操作性、安全性以及不断增长的独享吞吐量，它能使网络管理人员避免复杂的网络基础结构并改善应用程序所迫切需求的性能。因此，VLAN决非一种短期的解决方案，在校园网及其他园区式网络的建设中应广泛使用。
参考文献：
[1] ANDREW S T,著,熊杜喜,王小虎,译.计算机网络[M].北京:清华大学出版社,2001.
[2] 王保顺.校园网设计与远程教学系统开发[M].北京:人民邮电出版社,2003.
[3] 李承东.第三层交换技术[J].计算机网络世界,1999，(6):59-70.
[4] Black D P,著,严春莹,译.构建交换式网络[M].北京:电子工业出版社,1999.
[5] 肖德宝.计算机网络[M].武汉:华中理工人学出版社,2000.
[6] THOMAS M T.Cisco网络互联设备[M].北京:机械上业出版社,2001.
[7] 汤志军.试论高校教务管理系统的构建[J].无锡教育学院学报,2004，(4):22-25.
[8] 陈杰,田珍,肖引.论高校科研管理信息化[J].科技进步与对策,2000,17(8):73-74.
关键词：校园网；虚拟局域网；第三层交换
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)23-895-02
Analysis and Design of the College Campus Net Using VLAN
LIU Ying,YU Zhi-juan
(Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076,China)
Abstract: A high-quality, high-speed and secure well campus network must be build for a college, to meet the teaching, research, administrative and other needs. This article discussed the definition, characteristics and classification of the virtual local area network (VLAN), and Layer 3 switching technology and the advantage of VLAN based on the third floor of the exchange, the feasibility and necessity of building a campus network using VLAN. the design of the VLAN was proposed using a actual case.
Key words: Campus network; VLAN; Layer 3 switching technology
1 引言
校园网已成为高校发展的重要基础设施，是提高学校管理和科研水平不可缺少的支撑环境，也是衡量学校学术水平和管理水平的重要标志，意义重大。但随着高校合并以及大学城的建设，使得我国高校学科纵横、规模庞大、人员众多，造成了校区分散、职能部门跨区分布等特点。为利用已有的网络资源，将不同校区有效连接，实现同一部门内部通讯，部门之间数据保密，并协调好各个部门间的合作，一种有效的解决办法就是在交换网络体系的支持下用虚拟局域网(VLAN)构建校园网。
2 VLAN技术
共享媒体局域网中通信媒体始终处于“共享”、“分享”状态，网络带宽问题难以解决，即使采用“网段微化”技术，也无法从根本上解决这一问题。而交换式网络则使网络上所有端口平行地、安全地同时互相传送信息，使分享变成独占，使串行变成并行，从而使网络带宽问题得到根本解决。交换式网络是以交换为中心的网络体系，它的优点之一在于其高度可扩充性，它的带宽能随着用户的增加而扩张，比分享媒体有更强的适应性，其中的每一对连接，都可以实际需求而得到各自的带宽。交换式网络不仅改善了效率瓶须，而且使VLAN成为现实。
在交换技术中，虚拟局域网(VLAN)是一种重要的技术。它是一种能对按需组网加以逻辑定义的、并能将网络的物理结构抽象成为逻辑视图的技术。其核心是通过路由和交换设备在网络的物理拓扑结构基础上建立一个逻辑网络，使网络中任意几个LAN段或(和)单站能够组合成一个逻辑上的LAN，即VLAN。VLAN在逻辑上等于OSI七层模型的第二层广播域，它与具体的物理网及地理位置无关。不仅如此，VLAN还可以跨越多个交换机。引入VLAN技术后，LAN的网段划分，不再受其物理连接限制，可按部门、用户职能、工程组或应用需要进行划分。对于那些并不处于同一个物理网络上的站点，因某种需要频繁通信，一种高效、经济又简单的办法是通过将它们划分到一个VLAN中，使它们可以不受地理位置的限制而像处于同一个LAN上那样进行通信和信息交换。因此，VLAN技术的引入给网络设计管理和维护带来某些根本性的改变，充分发挥了交换式网络的优势，体现其高速、灵活、易于管理等特点。
VLAN的划分有四种方式：根据端口分组划分VLAN，根据MAC地址分组划分VLAN，根据协议类型或网络地址划分VLAN，根据IP多播组划分VLAN。这些方法各有千秋，每种方法分别适于满足不同用户的需要，用于不同的网络环境中。其中IP组播代表着一种与众不同的VLAN定义方法。这种VLAN的建立是动态的，它代表了一组IP地址。VLAN中由称为代理的设备对VLAN中的成员进行管理、提供服务。当IP组播帧要送达多个目的节点时，就动态建立VLAN代理，这个代理和多个IP节点组成IP多播组VLAN。
网络用广播信息通知各IP站，表明网络中存在IP多播组，工作站如果响应该信息，就可以加入IP多播组，成为VLAN中的一员，与VLAN中的其它成员通信。IP多播组中的所有工作站属于同一个VLAN，但它们只是特定时间段内特定IP多播组的成员。IP多播组VLAN的动态特性提供了很高的灵活性和可扩展性，可以根据业务灵活组建，并将广播限制在一个最小的范围内。而且IP多播组可以跨越路由器形成WAN连接。实际上，VLAN的这些划分方法在某些情况下，组合使用更具优势。
大学校园网面临诸多问题：网络规模扩充迅速且物理位置日益分散，致使网络管理日趋复杂；网络应用规模尤其是多媒体应用规模迅速扩充，对带宽的需求迅速增长；子网分割较多而教学和科研又要求子网间频繁通信，致使网间信息流量上升，网络效率下降。为解决这些问题，在校园网的建设中引入VLAN技术是非常必要的。这是由于VLAN有许多优点。建立VLAN，可以简化网络站点(或终端)的增加、删除、移动操作，方便网络的维护、管理，提高管理效率，降低网络管理费用；可以有效隔离广播数据，管理、限制VLAN间的访问，减少网间信息流量、节约带宽；可以增加工作组和网络的安全性；整个网络易于升级扩展等。VLAN的这些优点，恰恰是校园网所需要的。在技术方面，随着第三层交换技术及第三层交换机的出现，用第三层交换机作为校园网LAN主干交换设备，使得VLAN的定义更加灵活，实现VLAN之间的通信更为理想。
3 第三层交换技术
随着大量网络互连，网络应用日趋复杂，路由器已成为网络通信不可逾越的瓶颈，但在目前条件下路由技术又必不可少，为了构建高速的IP网络，人们提出一种公认的最佳方案，即在网络技术中集成第三层交换技术，它将交换技术和路由技术结合起来，扬长避短，发挥各自优点，使得日益增长的数据分组流量能以接近线路速度传输并且以经济实用的方式来降低传统的路由器所带来的传输延迟。在第三层，交换可以定义为：以信元、帧或数据包的形式向目的地传送数据单元的进程，网络中的所有交换机必须根据可用信息作出数据包传送决定。第三层交换根据第三层数据包头部的路由信息执行基于硬件的转发。第三层交换机具有第二层交换机相同的属性，此外还具备某些路由功能(但与专门的路由器相比相当有限)。它检查进入的数据包，取出目的地址和其它控制信息，把该地址和路由选择表的内容加以比较，重写数据包控制数据，然后把数据包提交给适当的端口发出去。由于路由表是交换判定处理的基础，所以第三层交换机必须建立到所有给定目的地的可用路由表，并且不断更新它。目前已有许多路由选择协议，如RIP/ RIP II，OSPF、IGPR等。目前，新型结构高性能的第三层交换机通常采用集成电路ASIC技术，将以前用软件实现的功能固化在硬件中，可以实现比CPU更高的传送速度。有些第三层交换机中使用多个ASIC以实现并行性，这是在多端口之间获得线速数据传输速率的有效途径。总之，第三层交换将路由和交换功能集成在一起，充分利用了新型高速交换硬件、软件、协议的优势及智能网络处理能力，使得网络结构更加合理，网络传输延迟更低。
目前，在园区和大楼LAN组网环境中使用新型结构高性能第三层交换机作为主干交换设备是网络设计中的常用方法。随着多媒体应用对系统带宽的需求不断提高，100Mbps的快速以太网、155Mbps/ 622Mbps的ATM以及1Gbps以太网的使用，作为主干交换设备的传统路由器已成为系统带宽的瓶颈。改进的办法是采用高性能的第二层交换机作为主干交换设备，然而第二层交换机虽可实现快速转发及VLAN的划分，但它无法承担VLAN之间的通信，致使系统内出现导致带宽瓶颈的路由器。第三层交换机既可以根据多种方法来定义VLAN成员，随后配置VLAN，又不需附加其他路由设备来实现VLAN之间的通信。因此，用VLAN构建校园网时使用第三层交换机作为LAN主干交换设备，不论从网络结构还是从降低网络传输延迟来说，都不失为一种很好的选择。
4 实例分析
这里以某大学校园网一期工程为例，分析虚拟局域网的应用。针对该校运作特点及校区分散的实际，将整个校园网划分为5个V LAN，根据需要可以修改或进一步划分，但要注意合理规划，划分过粗或过细都会给管理带来问题。
由于子网或VLAN之间的通信主要是通过路由来完成的，当VLAN之间的通信量较大时，会造成网络延迟增加，通信效率下降。但是采用了具有快速IP报文转发的第三层交换机后克服了传统路由器作为LAN主干带来的瓶颈问题，使IP报文转发接近或达到线速。
众所周知，在网络管理方面，网络管理费用远远高于其它网络开销，其中网络的增加、移动或更改费用又占绝大部分，在采用了VLAN和一些有效的网络管理工具及应用软件之后，网络管理员可进行逻辑更改配置，这样可以大大降低网络管理成本，增加网络管理的灵活性。
在实例中，采用HP、3COM、Cisco等公司的软件来进行网络管理。以HP Openview作为网管基本平台，通过其Server端与智能Agent协调工作来实现。对于本地请求的管理，是通过Agent收集自身的网管信息，并根据网管员定制的触发器智能的执行相应的事件操作来完成的。在实施网络管理时采用分级管理的办法，在HP Openview中对不同等级的管理员，设置不同的等级权限，进一步增强了网络管理的安全性。
5 VLAN的设计思路
利用VLAN建造校园网，首先要确定VLAN的定义方式。定义VLAN成员的四种方式各有优缺点，每种方法分别适于满足不同用户的需要，用于不同网络环境中。在这些VLAN划分方法中，网络管理员可以使用任何一种方法，也可以把不同方法组合成一种新的策略来划分VLAN，从而创建满足其需求的VLAN。目前在网络产品中融合多种划分VLAN的方法，以便根据实际情况寻求最合适的途径，随着网络管理软件的发展，VLAN的划分逐渐趋向于动态化。
其次，网络管理员应从学校内部的实际应用出发，精心规划设计全网，在遵守80/20网络流量原则的前提下，设计每个VLAN的成员。尽可能地将同一工作性质的用户集中在同一VLAN中，以减少跨VLAN的访问，提高网络的效率。在建网时一定要考虑这一关键环节，它对今后整个校园网的改造和管理都具有十分重要的意义。
第三，应从网络整体出发，不应将所有VLAN设计成孤立的、封闭式的，应设计出一些开放式的VLAN。开放式VLAN指允许某一VLAN成员同时属于多个VLAN，因此，开放式VLAN能获得来自其他VLAN的数据，但这有可能带来安全问题，在设计时要注意这一问题。
第四，VLAN间的通信可以通过具有路由功能的第三层交换机。第三层交换机一般能支持64个以上的VLAN，最多的可达上千个VLAN。也可以使用外部路由器，实现VLAN之间的互通。但这种技术在VLAN数目较多时会极大地增加网络成本，降低VLAN间的通信效率。若在设计时已对网络用户精心考虑，可以选用中、低档路由器连接各VLAN，以降低成本。路由器可以放在网络的中心位置上，以降低额外的延时，提高VLAN之间的通信效率。
6 结论
本文讨论了虚拟局域网的定义、特性和分类以及第三层交换技术和基于第三层交换技术的虚拟局域网的优势，从技术角度分析了用虚拟局域网建造校园网的可行性和必要性。
VLAN的使用可为用户在网络设计、更新、扩展及配置的过程中带来前所未有的灵活性，VLAN还可以提供可扩展性、互操作性、安全性以及不断增长的独享吞吐量，它能使网络管理人员避免复杂的网络基础结构并改善应用程序所迫切需求的性能。因此，VLAN决非一种短期的解决方案，在校园网及其他园区式网络的建设中应广泛使用。
参考文献：
[1] ANDREW S T,著,熊杜喜,王小虎,译.计算机网络[M].北京:清华大学出版社,2001.
[2] 王保顺.校园网设计与远程教学系统开发[M].北京:人民邮电出版社,2003.
[3] 李承东.第三层交换技术[J].计算机网络世界,1999，(6):59-70.
[4] Black D P,著,严春莹,译.构建交换式网络[M].北京:电子工业出版社,1999.
[5] 肖德宝.计算机网络[M].武汉:华中理工人学出版社,2000.
[6] THOMAS M T.Cisco网络互联设备[M].北京:机械上业出版社,2001.
[7] 汤志军.试论高校教务管理系统的构建[J].无锡教育学院学报,2004，(4):22-25.
[8] 陈杰,田珍,肖引.论高校科研管理信息化[J].科技进步与对策,2000,17(8):73-74.