基于位置關(guān)聯(lián)Chord的名址分離映射系統(tǒng)

穆晏如，江凌云

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

0 引 言

信息技術(shù)飛速發(fā)展的20年間，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用的更新迭代影響著現(xiàn)代信息社會(huì)。其中，互聯(lián)網(wǎng)以其開放透明、資源共享等特性分布最廣，是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，以其分層結(jié)構(gòu)為藍(lán)本的新型網(wǎng)絡(luò)也在各領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。但隨著互聯(lián)網(wǎng)與人類社會(huì)生活的深度融合，傳輸和存儲(chǔ)的成本降低，信息爆炸式的增長(zhǎng)，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層出不窮，人們對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)的使用需求已不僅僅是“盡力而為”的端到端傳輸。傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)在應(yīng)對(duì)高移動(dòng)等新型應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)暴露出許多不足，引發(fā)了未來網(wǎng)絡(luò)體系及其核心技術(shù)的研究熱潮。

IP地址既標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的身份，也標(biāo)識(shí)其在網(wǎng)絡(luò)中的位置，這樣的設(shè)計(jì)為早期的互聯(lián)網(wǎng)“會(huì)話”提供了極大的便利。但隨著互聯(lián)網(wǎng)用戶激增、大量移動(dòng)設(shè)備接入，IP地址的雙重身份導(dǎo)致核心路由器路由表項(xiàng)急劇擴(kuò)張，傳統(tǒng)的移動(dòng)解決方案Mobile IP流量繞行和切換延時(shí)的弊端凸顯。為了解決這些問題，Cisco提出了名址分離的思想[1]。通過對(duì)可尋址網(wǎng)絡(luò)元素的實(shí)體(例如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、內(nèi)容、服務(wù))進(jìn)行統(tǒng)一的身份標(biāo)識(shí)，在IP層之上替代IP地址成為“瘦腰”部分來更好地支持網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性。將網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的身份與位置解耦后，網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的身份不會(huì)隨著位置的變化而改變，名稱與地址不再是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，而是可注冊(cè)、可更改、可查詢的靈活綁定，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)映射系統(tǒng)來管理名稱和地址的綁定，為網(wǎng)絡(luò)提供解析服務(wù)。

地址采用層次化的編址方式能夠有效地實(shí)現(xiàn)路由表項(xiàng)的聚合，大多數(shù)的研究中仍然沿用IP地址。身份標(biāo)識(shí)采用扁平化的名稱空間可以實(shí)現(xiàn)自認(rèn)證，同時(shí)可以避免名稱空間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)移動(dòng)性的限制。DNS利用域名的層級(jí)組成樹狀目錄結(jié)構(gòu)，來完成域名到IP地址的解析查找，所以不適用于扁平化標(biāo)識(shí)與地址的映射。此外，DNS主要通過大量的緩存來提高解析性能，在移動(dòng)場(chǎng)景下，名稱與地址的綁定緩存失效過快，而DNS的更新傳播需要一天或更長(zhǎng)時(shí)間，這樣會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器的負(fù)載增加，查詢的時(shí)延提高。所以無法沿用DNS構(gòu)建名稱與地址的映射系統(tǒng)。

該文提出了一種基于位置關(guān)聯(lián)Chord的名址分離映射系統(tǒng)，將映射綁定信息分級(jí)管理，最大限度地減少更新流量對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，同時(shí)在Chord算法中嵌入位置信息便于快速查找，解決Chord物理網(wǎng)絡(luò)和邏輯網(wǎng)絡(luò)的失配問題。

1 相關(guān)工作

映射解析服務(wù)的理想狀態(tài)是能夠在任何時(shí)間任何地點(diǎn)快速準(zhǔn)確地獲得用戶查找的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的位置信息，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，主流的研究思路是將標(biāo)識(shí)與地址的綁定信息復(fù)制后尋找合適的位置托管。這種思路存在兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，一是綁定信息的副本越多，用戶越能夠在就近的位置查詢到服務(wù)的位置，但是副本過多，綁定信息的更新流量將占用大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬，且不易同步，導(dǎo)致較高的誤查詢率。二是什么位置適合托管綁定信息。基于該思路，許多研究組織進(jìn)行了很多的嘗試和實(shí)踐。

主流的方案分為兩大類，一類是非結(jié)構(gòu)化副本放置方案，包括隨機(jī)定位副本放置的DMap[2]，關(guān)注需求的動(dòng)態(tài)副本放置方案Auspice[3]，以及地理感知分層聚合的GMap[4]。這類方案復(fù)雜度較高，容易占用大量的網(wǎng)絡(luò)資源，而且需要借助緩存策略和搜索方法。另一類是結(jié)構(gòu)化副本放置方案，主要是借助于分布式哈希表(distributed hash table，DHT)的思想，按照一定的規(guī)則分割映射表，每個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一部分的數(shù)據(jù)和鄰居信息。其中，LISP—DHT[5]就是利用DHT的組織和查詢功能實(shí)現(xiàn)映射信息管理和解析的分布式系統(tǒng)，基于可聚合的層次ID，將含ID前綴的最大值作為一個(gè)域的標(biāo)識(shí)，每個(gè)域選取一個(gè)權(quán)威服務(wù)器組建Chord[6]環(huán)，借助Chord協(xié)議來實(shí)現(xiàn)域間的查找。

Chord協(xié)議是一種經(jīng)典的P2P協(xié)議，只執(zhí)行一個(gè)操作：給對(duì)象分配一個(gè)Chord ID，將其映射到一個(gè)哈希環(huán)上。在映射系統(tǒng)中，對(duì)象分為兩類，服務(wù)器節(jié)點(diǎn)和需要存儲(chǔ)的名稱和地址綁定條目。將名稱的ID映射到哈希環(huán)上后，順時(shí)針找到最近的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，將自己的綁定條目存儲(chǔ)到該服務(wù)器上。每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)維護(hù)一個(gè)Finger表，相當(dāng)于哈希環(huán)上的路由表，其中記錄了鄰近節(jié)點(diǎn)的信息便于查詢和路由。Chord可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，在節(jié)點(diǎn)離開和新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)能保持系統(tǒng)穩(wěn)定性。但由于Chord是基于ID的哈希值來構(gòu)建環(huán)結(jié)構(gòu)，與底層的物理網(wǎng)絡(luò)脫離，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)物理上的最短距離和邏輯上的最短距離不一致的現(xiàn)象[7]。基于這個(gè)問題，該文提出的方案結(jié)合兩級(jí)映射的思路，在Finger表中添加網(wǎng)絡(luò)號(hào)，將物理位置信息嵌入邏輯網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)改進(jìn)了搜索方法，能夠有效降低查找時(shí)延。

2 基于位置關(guān)聯(lián)Chord的名址分離映射系統(tǒng)

2.1 總體設(shè)計(jì)思想

基于位置關(guān)聯(lián)Chord的映射系統(tǒng)修改了LISP—DHT系統(tǒng)，讓域內(nèi)的所有解析服務(wù)器都映射到Chord環(huán)上，而不是只有一個(gè)權(quán)威解析服務(wù)器，這樣可以降低單點(diǎn)失效的風(fēng)險(xiǎn)。如圖1所示，下層是以地理區(qū)域劃分的物理網(wǎng)絡(luò)，上層為Chord結(jié)構(gòu)。名址分離映射系統(tǒng)與域名解析系統(tǒng)最大的不同就是，域名與IP地址的綁定關(guān)系相對(duì)固定，少有變動(dòng)，而名稱與地址的綁定關(guān)系正好相反。

圖1 映射系統(tǒng)架構(gòu)

在實(shí)際的移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景中，局域移動(dòng)仍然占據(jù)了很高的比例[8]。由于區(qū)域網(wǎng)絡(luò)劃分之后網(wǎng)絡(luò)地址(network address，NA)固定不變，所以采用域內(nèi)的綁定、域間的綁定方式將綁定條目的更新范圍盡可能縮小。

名址分離映射系統(tǒng)設(shè)置副本是為了增加查詢時(shí)鄰近命中的概率，增加副本的個(gè)數(shù)必然可以增大命中的概率，但是設(shè)備移動(dòng)帶來的綁定條目的更新會(huì)反過來限制查詢的效率。當(dāng)移動(dòng)大多發(fā)生在地理區(qū)域內(nèi)部時(shí)，如果區(qū)域內(nèi)部映射服務(wù)器數(shù)量有限，可以采用泛洪的方式將的綁定關(guān)系傳遞給所有的映射服務(wù)器(如果區(qū)域范圍很大、映射服務(wù)器很多，可以另行使用DHT組織，與總體架構(gòu)不沖突)。同時(shí)的綁定關(guān)系是相對(duì)固定的，可以在域間適當(dāng)?shù)卦黾痈北镜膫€(gè)數(shù)。

當(dāng)的綁定條目向域外尋找托管位置時(shí)，ID通過哈希函數(shù)固定地映射到環(huán)上的同一點(diǎn)，例如K10，如果沒有其他服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的加入或退出，K10將順時(shí)針地托管在N17上。當(dāng)另外的設(shè)備發(fā)起查詢時(shí)，如果在域內(nèi)的映射服務(wù)器中沒有查找到，會(huì)通過同樣的哈希函數(shù)計(jì)算出K10找到N17。而當(dāng)這臺(tái)設(shè)備在跨域移動(dòng)后，的綁定條目仍然會(huì)映射到K10，在N17處托管。所以N17可以通過統(tǒng)計(jì)該ID的查詢率和跨域更新率來動(dòng)態(tài)地調(diào)整域外副本的個(gè)數(shù)。

DHT中物理網(wǎng)絡(luò)與邏輯網(wǎng)絡(luò)的“失配”問題會(huì)造成查詢時(shí)“繞遠(yuǎn)路”[9]，例如圖1中N4與N23在同一個(gè)地理區(qū)域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，彼此只相隔一跳的距離，但是在Chord環(huán)上需要沿順時(shí)針進(jìn)行遞歸查找。為了解決這個(gè)問題，對(duì)Chord節(jié)點(diǎn)的finger表進(jìn)行了修改，如表1所示。

表1 Chord節(jié)點(diǎn)路由表結(jié)構(gòu)

由于映射服務(wù)器所屬的網(wǎng)絡(luò)地址是固定不變的，所以通過在節(jié)點(diǎn)路由表項(xiàng)中增加后繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，來聚合Chord節(jié)點(diǎn)路由表，同時(shí)跳出邏輯網(wǎng)絡(luò)的遞歸搜索來避免“繞遠(yuǎn)路”的問題。

2.2 工作機(jī)制

(1)注冊(cè)：設(shè)備新入網(wǎng)時(shí)，需要向最近的映射服務(wù)器注冊(cè)自己的名稱地址綁定信息，服務(wù)器收到后，向網(wǎng)絡(luò)中部署副本，過程如圖2所示。①終端連接區(qū)域內(nèi)路由器，得到分配的IP地址，成功入網(wǎng)。②該路由器向最近的映射服務(wù)器發(fā)送分組消息，注冊(cè)的綁定信息。映射服務(wù)器收到消息后，將該信息存儲(chǔ)在本地緩存中，并向區(qū)域內(nèi)部的映射服務(wù)器泛洪發(fā)送(圖中⑤)。③映射服務(wù)器對(duì)ID進(jìn)行哈希計(jì)算，得到ID在哈希環(huán)上的位置K10，修改的綁定信息為。④沿順時(shí)針找到節(jié)點(diǎn)N17，將的信息存放在N17。注冊(cè)流程中的綁定消息不設(shè)置計(jì)時(shí)器，當(dāng)終端離開該區(qū)域，由連接的路由器主動(dòng)向映射服務(wù)器發(fā)送刪除報(bào)文，該服務(wù)器經(jīng)過同樣的流程發(fā)送公告。

圖2 映射系統(tǒng)注冊(cè)過程

(2)查詢解析：當(dāng)一臺(tái)設(shè)備初次連接該ID標(biāo)識(shí)的設(shè)備時(shí)，需要向鄰近的映射服務(wù)器發(fā)起解析請(qǐng)求，映射服務(wù)器接收到請(qǐng)求后查找本地緩存，如果存有ID的條目則返回IP，如果沒有，開始查詢，流程如圖3所示。

圖3 映射解析流程

步驟1：該映射服務(wù)器向本域內(nèi)的其他映射服務(wù)器發(fā)起查詢請(qǐng)求，如果存有，則返回結(jié)束解析過程，沒有，轉(zhuǎn)步驟2；

步驟2：計(jì)算hash(ID)，得到K10，在本域內(nèi)查找邏輯網(wǎng)絡(luò)中距離K10最近的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，本例中為N5，轉(zhuǎn)步驟3；

步驟3：遍歷N5的Chord節(jié)點(diǎn)路由表，逐條搜索，如果命中(即如果存在N10，則K10應(yīng)當(dāng)存儲(chǔ)在N10上)，則返回，否則在整張表中找到與K10邏輯最接近的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，并返回該節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址RNA(Relay NA)，訪問RNA，從RNA中查找在邏輯網(wǎng)絡(luò)中距離K10最近的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，重復(fù)步驟3，直到查找到托管K10的節(jié)點(diǎn)N17為止，從N17處獲取并返回，轉(zhuǎn)步驟4；

步驟4：從NA中獲取，返回查詢結(jié)果，緩存在本機(jī)并設(shè)置TTL，結(jié)束解析過程。

(3)移動(dòng)更新：當(dāng)設(shè)備在區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，的綁定關(guān)系會(huì)發(fā)生變化，離開入網(wǎng)的路由器時(shí)，由路由器主動(dòng)地向映射服務(wù)器注銷該綁定條目。在區(qū)域內(nèi)的另一處重新入網(wǎng)時(shí)，同樣由接入路由器負(fù)責(zé)向映射服務(wù)器注冊(cè)，映射服務(wù)器在區(qū)域內(nèi)泛洪廣播該綁定條目，因?yàn)?ID，NA>的綁定關(guān)系沒有發(fā)生變化，所以不向域外發(fā)送。當(dāng)設(shè)備跨域移動(dòng)時(shí)，離開本區(qū)域時(shí)由接入路由器主動(dòng)申請(qǐng)注銷綁定，然后在新的區(qū)域內(nèi)按照(1)的步驟重新注冊(cè)入網(wǎng)。

(4)域間緩存：設(shè)置綁定信息副本的目的是為了提高鄰近命中的幾率，當(dāng)大量的域間解析請(qǐng)求到達(dá)N17查詢K10時(shí)，說明域外對(duì)于此ID的連接需求較大，N17可以沿Chord環(huán)順時(shí)針傳送的綁定信息，增大緩存面積，便于更多的查詢請(qǐng)求在鄰近命中。同時(shí)為發(fā)送的副本信息設(shè)置TTL。當(dāng)大量的K10更新請(qǐng)求到達(dá)N17時(shí)，表明此ID處于較高頻率的移動(dòng)狀態(tài)，應(yīng)該適當(dāng)減少副本的TTL，而且如果再向Chord環(huán)中持續(xù)地增加副本個(gè)數(shù)會(huì)影響查詢一致性，導(dǎo)致查詢解析出錯(cuò)。所以域外的副本個(gè)數(shù)應(yīng)該與此ID的查詢率成正比，與此ID的更新率成反比。設(shè)此ID為i，i的域外副本個(gè)數(shù)為r，查詢率為qi，更新率為ui，則關(guān)系如式(1)所示，其中μ是調(diào)控參數(shù)。

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2.3 查詢效率分析

設(shè)映射服務(wù)器節(jié)點(diǎn)數(shù)為N，邏輯網(wǎng)絡(luò)為L(zhǎng)={l1,l2,…,li,…,lN},1≤i≤N。其中l(wèi)i代表Chord環(huán)上的節(jié)點(diǎn)，且l1≤l2≤…≤li≤…≤lN，即l2是l1的后繼節(jié)點(diǎn)，lN是l1的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，其他關(guān)系類似。設(shè)物理區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的個(gè)數(shù)為M，M≤N，物理網(wǎng)絡(luò)為G={g1,g2,…,gj,…,gM},1≤j≤M。其中g(shù)j表示一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)地址NA。由于哈希函數(shù)是隨機(jī)映射關(guān)系，所以不失一般性，假設(shè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)均勻地分布在各區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中有n個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，其中n=N/M。在不考慮域間緩存的情況下，假設(shè)lj1(1≤j1≤N)查找存儲(chǔ)Kα映射綁定條目的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，lj1在物理區(qū)域pj上，其中pj上的邏輯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集合為{lj1,lj2,…,ljn}?L,lj1≤lj2≤…≤ljn。根據(jù)查詢解析流程可得，如果Kα在pj中沒有命中托管服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，則會(huì)搜索ljn的Chord路由表，查找與Kα最鄰近的節(jié)點(diǎn)所在的物理網(wǎng)絡(luò)，并重復(fù)以上流程。Chord算法中指出，一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)順時(shí)針方向上越靠近自己位置的Chord區(qū)域，了解的節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多[10]。所以可得，整個(gè)查找Kα的過程中，物理區(qū)域網(wǎng)絡(luò)上的路徑是單向的[11]，而且是可以收斂的，從這個(gè)方面來說，位置關(guān)聯(lián)Chord優(yōu)于原始Chord。

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3 仿真測(cè)試

該文采用OMNET++[13]進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，包括在該環(huán)境下開發(fā)的INET框架[14]和Oversim框架[15]，使用C++語言編寫。OMNET++是一個(gè)離散時(shí)間仿真環(huán)境，主要應(yīng)用于模擬通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，是廣泛普及的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)[13]，因其擁有豐富的GUI能夠清楚地顯示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜瓦B接信息而被廣泛使用。OMNET++提供了用于描述實(shí)際系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的工具，包括分層次嵌入式模塊、靈活的模塊參數(shù)等。模塊可以復(fù)用、可以嵌套，嵌套的深度沒有限制，這些都可以通過NED[13]語言描述。INET框架是一個(gè)開源的通信網(wǎng)絡(luò)仿真包，由密歇根大學(xué)開發(fā)的一個(gè)AS級(jí)拓?fù)洚a(chǎn)生器，該框架包括從物理層到應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，主要用于互聯(lián)網(wǎng)的仿真[15]。Oversim是建立在INET框架上的P2P協(xié)議仿真框架，包含了Chord、Pastry協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，具有靈活性、可擴(kuò)展性、不同的路由模式等特點(diǎn)[15]。

設(shè)置區(qū)域個(gè)數(shù)為20，依次增加映射服務(wù)器節(jié)點(diǎn)規(guī)模，可得平均查詢路徑長(zhǎng)與平均查詢時(shí)延，如圖4、圖5所示。與理論分析結(jié)果一致，隨著N的增加，平均查詢路徑長(zhǎng)逐漸增大，而且查詢時(shí)延與查詢的跳數(shù)相關(guān)，也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。由于位置關(guān)聯(lián)Chord在邏輯節(jié)點(diǎn)的路由表中增加了物理拓?fù)涞男畔ⅲ蜷g的查詢是單向的，提高了查詢效率。從圖4中可以看出，實(shí)際的位置關(guān)聯(lián)Chord的查詢路徑長(zhǎng)與理論值存在一定的差距，這是由于在理論分析時(shí)，默認(rèn)域內(nèi)的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)均勻地分布在Chord環(huán)上，這在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中是比較難達(dá)到的理想狀態(tài)。

圖4 M=20平均查詢路徑長(zhǎng)測(cè)試

圖5 M=20平均查詢時(shí)延測(cè)試

設(shè)定系統(tǒng)中映射服務(wù)器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為2 000，逐漸增加區(qū)域的個(gè)數(shù)，可得映射解析性能，如圖6、圖7所示。從圖中可以看出，LISP-DHT方案隨著區(qū)域個(gè)數(shù)的增加，查詢路徑長(zhǎng)沒有太大的變化，但查詢會(huì)有更大的概率跨域進(jìn)行，域間的傳輸時(shí)延比域內(nèi)的傳輸時(shí)延大40 ms，所以查詢時(shí)延有增加的趨勢(shì)。位置關(guān)聯(lián)Chord方案隨著區(qū)域個(gè)數(shù)的增加，每個(gè)節(jié)點(diǎn)路由表中保存的區(qū)域相關(guān)信息更多，更加能夠快速地命中映射條目，提高系統(tǒng)查詢解析的性能。

圖6 平均查詢路徑長(zhǎng)測(cè)試

圖7 平均查詢時(shí)延測(cè)試

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一個(gè)基于位置關(guān)聯(lián)Chord的名址分離映射系統(tǒng)，通過在邏輯網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的路由表內(nèi)添加物理網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔ⅲ淖兞薈hord環(huán)的遞歸查找過程，在查詢時(shí)一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)只經(jīng)過一次，有效地避免了邏輯網(wǎng)絡(luò)與物理網(wǎng)絡(luò)失配導(dǎo)致的“繞遠(yuǎn)路”問題。此外，名稱與地址的綁定關(guān)系分域內(nèi)域外兩級(jí)管理，域內(nèi)直接綁定IP地址，域外更換綁定信息為名稱與網(wǎng)絡(luò)地址，通過增加一跳的查詢將綁定信息更新范圍盡可能地縮小在域內(nèi)。采用查詢率與更新率的比值動(dòng)態(tài)調(diào)控緩存?zhèn)€數(shù)，維持在一定更新成本下的查詢效率。并且通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)證明了此映射系統(tǒng)的性能優(yōu)于LISP-DHT。提高的查詢性能是通過增加路由表信息換來的，表項(xiàng)可以聚合，不會(huì)對(duì)存儲(chǔ)造成壓力，但是會(huì)對(duì)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性造成一定的影響，希望后續(xù)的研究工作能夠盡量地解決這一問題。