高技术通讯 :""= 年 !: 月 第 != 卷 第 !: 期
基于小波变换的网络流量在线预测模型!
王风宇! ! !! 云晓春 ! !!! 申伟东 !!!!
(! 中国科学院计算技术研究所 信息智能与信息安全研究中心 北京 !"""#")
(!! 中国科学院研究生院 北京 !"""$%)
(!!! 哈尔滨工业大学 计算机网络与信息安全技术研究中心 哈尔滨 !&"""!)
(!!!! 西安交通大学 电子与信息工程学院 西安 ’!""(%)
摘 要 在无抽取 )**+ 小波变换的基础上,结合自适 应 ,- 模 型 和 滑 动 窗 口 式 多 项 式 拟
合方法,建立了一种基于小波变换的递推 式 高 速 网 络 流 量 在 线 预 测 模 型。该 模 型 首 先 用
无抽取 )**+ 小波变换把网络流量时间序列分解为细节信号和近似信号,然后对细节信号
部分使用自适应 ,- 模型预测,对近似信号部分则使用滑动窗口式多项式拟合方法预测,
最后用小波重构获得 原 始 时 间 序 列 的 预 测 值。 该 模 型 不 但 提 高 了 流 量 在 线 预 测 的 准 确
性,而且通过模型参数的递推式自动调整,避免了参数的定期估计和更新。
关键词 网络流量 预 测,. /+012 小 波 变 换,自 适 应 ,- 模 型(,,-),滑 动 窗 口 式 多 项 式 拟
合,递推最小二乘(-34)
" 引 言
因为网络流量预测涉及到对流量异常情况的联
动处理,及时性非常重要,所以网络流量预测模型的
当前,互联网业务量急剧增长,虽然平均网络带
计算量大小也 是 一 个 关 键 问 题。 另 外,以 往 网 络 流
宽随之不断提高,但 由 于 互 联 网 具 有 大 规 模 和 分 散
量预测模型大都以当前大量数据样本为依据估计模
管理的特征,局部 资 源 短 缺 的 现 象 几 乎 是 不 可 避 免
型参数,而网络是一个动态的复杂巨系统,随着时间
的,网络性能和服务质量方面的问题还是非常突出。
的推进,统计特征会发生变化,模型参数可能不再准
在网络资源有限的情况下,建立网络流量模型,预测
确,需要根据新的样本数据重新估计参数[:]。
网络负载,及时做出控制或调整,将会极大提高网络
综合 以 上,在 网 络 流 量 在 线 预 测 中 有 两 个 需 要
性能和服务质量。
解决的重点问题:一,在 应 用 许 可 的 计 算 量 范 围 内,
针对 网 络 流 量 的 预 测 的 研 究,有 很 多 不 同 的 方
法。最初主要有基于自回归(*1/0+56+522708,,-)或自
回归 滑 动 平 均( ,-9,)的 预 测 模 型[!,:],算 法 较 简
单,短期预测具有较高的精确度,但不适合于长期预
测。神经网络预测[$]可以用来实现非线性时间序列
尽可能提高模型准确性,在准确性相当的情况下,尽
可能降低计算量;二,实 现 模 型 参 数 的 在 线 修 正,避
免人工干预。本文以网络流量监控中的在线预测为
目的,提出了基于无抽取 )**+ 小波变换的网络 流 量
在线预测方法。本文从不同角度分析了网络流量及
预测模型,适于描述网络流量的不稳定性,但是其训
练的复杂性和计算复杂度都很高。建立在流量自相
似基础上的 ;,-<9, 模型[(]可以同时捕捉网络流量
的长相关和短相 关 特 征,在 小 时 间 尺 度 和 多 步 网 络
其在小波域的统 计 特 征,根 据 流 量 统 计 特 征 建 立 了
由 . /+012 小波变 换、基 于 自 适 应 ,- 模 型 和 滑 动 窗
口多项式拟合构 造 的 在 线 预 测 模 型,并 通 过 实 验 对
比证实了该模型的准确性以及在线参数修正对预测
流量预测上有 较 好 的 表 现,但 计 算 量 较 大。 基 于 小
结果的影响。
波变换的预测 在 经 济 等 领 域 较 多 应 用[&],最 近 已 被
用于网络 流 量 的 长 期 预 测[=]和 中 短 期 预 测[’,#],使
! 网络流量时间序列特征分析
预测准确性得到 较 大 提 高,但 小 波 变 换 也 增 加 了 流
很多网络流量模型假设网络流量属于平稳时间
量模型的计算量。
序列,这可以简化模型的复杂性,但这种假设只适用
"
!
国家 #=$?%!’ 专项(:""(?研 (?,,?"!)和国家自然科学基金(="&’$!$()资助项目。
男,!%’$ 年生,博士生;研究方向:网络安全、网络流量监控;通讯作者,>?@*7A:B*86C586D1 E F*G/&!# H I7/ H 5J1 H G8
(收稿日期::""&?!"?":)
—"::!—
王风宇等:基于小波变换的网络流量在线预测模型
于短期小时间尺 度 的 情 况,实 际 上 网 络 流 量 在 较 大
时间 尺 度 上 表 现 为 非 平 稳 时 间 序 列[!]。 图 " 是
#$%#& 测量的 %’()*+,- 大学 校 园 网 出 口 ./01 线 路
2 天的 34 分 组 流 量 数 据。 根 据 网 络 监 控 的 一 般 需
求,本文以 567, 为 时 间 间 隔 统 计 34 分 组 到 达 的 数
量。可以看出,网 络 流 量 在 该 时 间 尺 度 上 具 有 明 显
的趋势性 和 周 期 性。 #$%#& 使 用 专 用 分 组 捕 获 网
[":]作为流量测量工具,其网络流量数据被 研
卡 8%9
究者比较多地 采 用[;],本 文 流 量 分 析 与 实 验 均 采 用
了其测量数据。
图 ! "#$%&’() 大学校园网出口 *+,- 线路 . 天的网络流量(万 / 012()
对于存在趋 势 项 的 时 间 序 列,需 要 通 过 平 稳 化
预处理去掉趋势项后再进一步分析建模。传统的方
法是使用 %&3<% 模型,该方法通过对非平稳时间序
列作差分,直到得到平稳序列为止,这样就可以对它
建立适当 的 %&<% 模 型 进 行 预 测。 然 而 该 方 法 在
对原时间序列进 行 差 分 处 理 时,会 损 失 变 化 相 对 缓
慢的趋势项,而且在滤掉趋势项的同时,也把低频部
分的平稳随 机 序 列 的 信 息 随 之 滤 掉。 在 %&3<% 模
型之前 用 方 差 分 析 法( %#.=%)对 时 间 序 列 进 行 平
稳化,可以使这种状况有所改善[>]。
为了 适 应 网 络 流 量 在 线 预 测,降 低 小 波 变 换 的
计算量,本文采用了以 ! D(" ? >," ? >)作 为 低 通 滤 波
器的 E CAF’B 小 波 变 换 方 法。 在 进 行 小 波 分 解 时 要
注意分 解 级 次 对 预 测 精 度 的 影 响。 分 解 的 级 次 较
少,则近似信号序列不够平滑,起不到小波分解的作
用,分解的级次太 多 则 各 细 节 信 号 序 列 在 模 拟 中 产
生的误差会累积 到 最 终 模 拟 预 测 结 果 中,从 而 使 模
拟误差增 大。 对 上 述 流 量 时 间 序 列 作 1 级 小 波 分
解,在该时间尺度 上 即 可 以 分 离 出 较 为 平 滑 的 近 似
信号,图 > 是其中两天的分解序列。
早期的网络流量研究把网络数据包到达视为短
用 游 程 检 验 法["1]对 上 述 小 波 分 解 信 号 的 平 稳
相关过程,而近期研究表明,广域网流量能够用长相
关 ? 自相似过程更准确地 模型化[""]。网 络 流 量 长 相
关的物理含义是指流量在不同的时间尺度内存在突
发现象(@’ABC),而短相关模型随着时间尺度的增大,
突发性会趋于消失。网络流量的这一特征使传统的
短相关模型的适用性有所降低。
小波变换可以将非平稳时间序列分解为多个较
性进行检验,三层 细 节 信 号 接 近 平 稳,但 非 平 稳;而
近似 信 号 是 显 著 非 平 稳、相 对 平 滑 的。 用 G.H0
IJ#K3#L 建模方法["1]对 细 节 信 号 进 行 模 型 识 别,三
层细节信号的偏 相 关 函 数 均 是 截 尾 的,而 自 相 关 函
数均是拖尾的。 针 对 网 络 流 量 在 小 波 域 的 特 征,细
节信号适合 采 用 %& 模 型,对 近 似 信 号 则 可 采 用 多
项式拟合方法。
平稳的细节信号及一个经低通滤波而比原序列平滑
现有网络流量预测模型大都需要预先获取大量
得多的近似信号,从 而 可 以 自 动 将 趋 势 项 分 离 到 单
样本数据并计算 出 固 定 的 模 型 参 数,但 由 于 网 络 流
独的一层。小波变换通过伸缩和平移运算对信号进
量状况的复杂性 以 及 分 解 信 号 的 非 平 稳 性,随 着 时
行多尺度分析,这 与 自 相 似 业 务 的 多 尺 度 特 征 是 类
间的推进,流量状况会不断改变,需要及时调整参数
似的。小波变换对具有长程依赖性的信号能够起到
去相关的作用,当 基 本 小 波 函 数 是 整 数 位 移 正 交 归
一的小波 基 时,小 波 系 数 不 再 具 有 长 相 关 性 质[">],
以适应变化。因此我们提出了在小波分解的基础上
用基于递推最小二乘法的自 适应 %& 模 型 和 滑 动 窗
口式多项式拟合 来 动 态 跟 踪 网 络 流 量 的 变 化,不 但
从而在细节信号部分可以采用简单有效的传统的短
提高了准确性,还 避 免 了 样 本 数 据 占 用 大 量 存 储 空
相关模型。因此本文采用小波变换方法作为网络流
间。
量模型的基础。
—">>"—
高技术通讯 !22: 年 .! 月 第 .: 卷 第 .! 期
图 ! 三层小波分解序列(万 " #$%&)
! 高速网络流量在线预测模型
基于上面对网络流量特征的分析,我们建立了网
络流量在线预测模型的基本框架:首先用无抽取 "##$
小波变换对网络流量测量获得的时间序列进行分解,
得到细节信号和近似信号;然后对细节信号部分使用
自适应 %& 模型建立预测模型,对近似信号部分则使
用滑动窗口式多项式拟合方法建立预测模型;最后在
细节信号和近似信号部分分别进行预测的基础上,再
用小波重构获得原始时间序列的预测值。
! ’ ( 无抽取 )**+ 小波变换方法
小波分解和重构通常使用基于多分辨率分析的
’#((#) 算法。采用 ’#((#) 算 法 对 原 始 信 号 进 行 分 解
的过程中,每分解一次,新的信号序列的点数就要比
上一级减少一半。该算法不能对某一时间点在各尺
度层上建立直观 的 关 系,更 重 要 的 是 不 具 有 时 移 不
变性,如果删除时间序列最初的一些值,所得小波变
换的系数 与 原 来 的 不 同,需 要 重 新 计 算,这 限 制 了
’#((#) 算法用于在线 计 算。 因 此 本 文 采 用 无 抽 取 的
* )$+,- 离散小波变换算法[./,0]。
* )$+,- 小 波 变 换 为 一 冗 余 变 换,长 度 为 ! 的 时
间序列,在每一个时间尺度上的分解序列长度仍然是
!。这样在每一个时间 尺度的同一时间 点 就 可 以 建
立直接联系,而且具有时移不变性。设输入时间序列
为 "( #),则可以用离散低通滤波器 1 得到尺度系数:
( #)
$2
% "( #)
( #)
$& ’ .
3
% !
( % ) 3
—!!!.—
*( ()$&
( # ’ ! &()
(.)
根据 * )$+,- 小波变换 的性质,各尺度下 的细 节系 数
可通过尺度系数来表示,即
( #)
(!)
,$,
}为原时间序列直 到分辨率
( & 4 .,!,- - - ,, )为 各 尺 度 下
为近似信号。原时间序列可以由细
% $&
则集合{+.
,…,+,
, 的小波变换,其中 +&
的细节信号,$,
节信号和近似信号重构,即有
( #)
+& ’ .
,+!
( #)
) $& ’ .
"( #)
( #)
% $,
( #)
+&
(5)
,
’ !
& % .
无 抽 取 "##$ 小 波 变 换 是 在 * )$+,- 小 波 变 换 算
法的基础上以 * 4(. 6 !,. 6 !)作 为低通 滤 波 器,根 据
公式(.)和(!),尺度系数和小波系数的计算方法为
( #))
’ $&
$& ’ .
( #)
( #)
% 2 - 0( $&
( #)
% $&
( # ) ! &)
( #)
+& ’ .
) $& ’ .
(/)
我们称这 个 变 换 为 无 抽 取 "##$ 小 波 变 换。 在 任 何
时间点 # ,都 不 用 # 以 后 的 数 据 来 计 算 尺 度 系 数 和
小波系数,也就是说随着获取的数据增加,不必重新
计算前面 的 系 数。 无 抽 取 "##$ 小 波 变 换 的 这 个 特
点使其适用于在线计算。
! ’ ! 基于 ,-. 的自适应 /, 模型
自适 应 %& 模 型 与 普 通 %& 模 型 的 区 别 在 于 自
适应 %& 模型 的 自 回 归 系 数 是 时 间 # 的 函 数,也 就
是说是随着时间 变 化 而 变 化 的。 , 阶 自 适 应 %& 模
型(%%&)的一般形式是:
.( #)4 /.
( #)7 .( # 8 .)9 …
9 /,
( #)7 .( # 8 ,)9!
( #)
4 /( #)0 7 1( # 8 .)9!
( #)
(0)
( !)是高斯白 噪 声,"#
!
其中
实数,&( !)是随机变量,! 为时间或样本序号。
( ! )( # ! ",#,$ $ $ ,% )是
设 ! 时刻自适应 $% 模型的参数向量为
"( !)![ ""
( !)]
与其对应的网络流量样本数据向量为
( !),…,"%
( !),"#
’( ! & ")![ &( ! & "),&( ! & #),…,&( ! & %)]
设 ! & " 时刻 "( ! & ")的 估 计 值 为 ("( ! & "),则 一 步
预测的误差为
)( !)
+ ("( ! + "), - ’( ! + ") (’)
* &( !)
自适应 $% 模型的 %() 估计为
.( !)! ’( ! & "), * /( ! & ")* ’( ! & ")
+ " 0(" & 12)
(,)
(-)
3( !)! /( ! & ")* ’( ! & ")0 .( !)
("( !)! ("( ! & ")+ 3( !), * )( !)
(.)
/( !)! /( ! & ")& 3( !)* ’( ! & "), * /( ! & ")
("/)
其中 3( !)为增 益 向 量,/( ! )为 样 本 相 关 矩 阵,是 一
个 % 阶方 阵,12 为更 新系数。如果给定 /( ! & "),
("( ! & ")以及 12 的 初 始 值,根 据 式(’)0("/)就 可
以实现模 型 参 数 的 递 推 估 计["1]。 增 益 向 量 和 相 关
+ 12 * /( ! & ")
矩阵的初始值对 计 算 结 果 影 响 很 小,可 以 取 零 向 量
和单位矩阵。更新系数 12 对参数估计的收敛速度
影响较大。更新 系 数 小 则 振 荡 较 小,但 识 别 延 迟 会
比较大,较大的更新系数可以减小识别延迟,但会引
起剧烈的振荡["’]。 12 的值需要根据实验结果比较
选取,本文选取 12 ! / 2 /#。
! " # 滑动窗口多项式拟合
滑动窗口式多项式拟合是多项式拟合的递推最
小二乘实现[",],仅需要一次矩阵乘法就可以 实 现 模
型参数的 修 正,计 算 量 小,准 确 度 高。 设 有 3 个 相
),求一个 5( 5 3
,&3
异点( 4"
3 & ")次多项式 6( 4),使它在 4#
点上取值尽量接近
( # ! ",#,$ $ $ ,3)。设所求的多项式为
),…,( 43
),( 4#
,&"
,
6( 4)
* "/ 7 "" 4 7 "# 4# 7
…
7 "545
5
* !
8 * /
"848( 5 9 3 + ")
王风宇等:基于小波变换的网络流量在线预测模型
最小二乘法就是选择 "8
( 8 * /,",$ $ $ ,5),使
3
5
(
" * !
# * "
!
8 * /
"84 8
# + &8
)# * #
( ""
,"#
,…,"3
)
达到最小值,该式的 解 可 以 用 矩 阵 :/ * ’ 的 解 来
表示,记 :, 为 : 的转置矩阵,则有 :,:/ * :,’,记
:,: * ; ,若
< ; < " /,只要在式 :,:/ * :,’ 两边
同乘以 ; + ",可得
/ * ; + " :,’
("")
这样就可以求得系数矩阵 /。假设滑动窗口的大小
为 3 ,即用前面 3 个测量数据作多项式拟合,预测下
一时间段 数 据。 由 于 : 的 取 值 只 与 3 有 关,所 以
("")式中 ; & " :, 的 值 可 以 预 先 计 算。 随 着 新 的 测
,其 余 元 素 依 次 上 移,
量数据的获得,去除 ’ 中 的 &"
新的测量数据 加 在 最 后,根 据 式("")模 型 参 数 得 以
不断调整,这样就 实 现 了 滑 动 窗 口 式 多 项 式 拟 合 参
数 / 的估计。
4 实验结果分析
实验从两个角度进行了分析,一是正常情况下,
近期流量预测的 准 确 性;二 是 经 过 一 段 时 间 流 量 状
况发生较大变化 或 网 络 阶 段 性 异 常 情 况 下,流 量 预
测的准确 性,用 于 验 证 模 型 参 数 在 线 修 正 的 作 用。
为了对预测的准 确 度 做 出 一 个 量 化 分 析,设 预 测 误
差率为
)== ! 5 (’ & ’ 5 0 (’
式中 ’ 是实际值,(’ 是 ’ 的预测值。
我们使 用 前 面 提 到 的 $6789:;< 大 学 校 园 网 测
量数 据,用 该 小 波 模 型 作 了 1 天 的 预 测。通 过 实 验
比较,在小波分解 的 近 似 信 号 部 分 选 择 了 二 次 多 项
式拟合,滑动窗口 3 ! 1,自适应 $% 模型的更新系数
12 ! / 2 /#。 图 4 是 某 一 天 流 量 " 步 预 测 的 结 果。
图 = 是该模 型 预 测 误 差 率 )== 低 于 某 个 百 分 比(横
轴)的概率 6{)== 3 >}(纵轴)。在上述实验数 据 下,
该模型一步预测 到 五 步 预 测 的 平 均 误 差 率 分 别 为:
, 2 - ? 、"# 2 # ? 、"1 2 4 ? 、#4 2 # ? 和 4# 2 = ? 。
图 # $%&’()*+ 校园网一天网络流量 , 步预测(万 - ./0*)
—4##"—
高技术通讯 ’DDG 年 &’ 月 第 &G 卷 第 &’ 期
信号,提高了模型的预测准确性,同时降低了小波分
解的计算量;利用递推最小二乘("-.)实 现了 !" 模
型和多项式拟合 参 数 的 在 线 递 推 修 正,不 但 解 决 了
普通模型需要定 期 更 新 模 型 参 数 的 问 题,参 数 估 计
也更加准确。
网络流量的不稳定性、周期性、长相关性等复杂
特征使流量预 测 难 度 较 大。 不 同 协 议、不 同 时 间 尺
度下的流量特征 都 有 所 不 同,这 些 都 会 对 网 络 流 量
预测的准确性产生影响。网络流量预测模型的建立
图 ! 小波预测误差率累积分布概率
和选取要以实际应用目的为前提。
我 们 比 较 了 该 小 波 模 型 和 基 于 方 差 分 析 的
!"#$! 模型的 准 确 性。 首 先 选 取 % 天 的 流 量 数 据
作为样本估计 !"#$! 模型的参数,然后分别用两种
模型对随后 两 天 的 数 据 作 了 & 步 预 测,结 果 如 图 %
中的 &、’ 两 组 对 比 图 形 所 示,小 波 模 型 的 准 确 度 比
!"#$! 模型要高,其 中 纵 轴 为 误 差 率。然 后 选 取 了
另外两天比样本 数 据 波 动 幅 度 更 强 的 流 量 数 据,在
!"#$! 模型参数保持 不 变 的 情 况 下 作 & 步 预 测,实
验结果如图 % 中 的 (、) 组 图 形 所 示,!"#$! 模 型 和
该小波模型之间的误差率的差距加大。这说明该小
波模型采取的递推式参数调整可以保持模型的准确
性,在网络 流 量 特 征 发 生 变 化 时,模 型 适 应 能 力 更
强。
图 " 小波模型 #$% 模型适应性
比较(纵轴为误差率)
) 结 论
本文在无抽取 *++, 小波变换的基础 上,结 合 自
适应 !" 模型 和 滑 动 窗 口 式 多 项 式 拟 合 方 法,建 立
了基于小波变换的递推式高速网络流量在线预测模
型。该模型具有 以 下 几 个 优 点:利 用 小 波 分 解 把 网
络流量时间序列分解为多个更加平稳或平滑的分量
—)’’&—
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76-%4 -%/67I6’%’ 1$% &%1260V 10(55./ 1.7% ’%0.%’ 2.1$ &6&@-%/.7(1%- W((0 2(3%4%1 10(&’5607 5.0’14N,1$%& I0%-./1’ (II06X@
.7(1% ’.9&(4 2.1$ CCD 76-%4 (&- I0%-./1’ -%1(.4%- ’.9&(4 2.1$ ’4.-.&9 2.&-62 I64N&67.(4 5.11.&9,0%@/67I6’%’ 1$% I0%-./@
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