基于ACR的硬件抽象層結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究

摘　要：ACR使得大規(guī)模用戶(hù)直接接入骨干高速網(wǎng)絡(luò),要求上層管理軟件具有更高的靈活性,數(shù)據(jù)傳輸更加實(shí)時(shí)、高速。針對(duì)ACR接入方式的特點(diǎn),討論了硬件抽象層的實(shí)現(xiàn)方式及關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：ACR(大規(guī)模接入?yún)R聚路由器) 硬件抽象層 內(nèi)部通信 虛擬驅(qū)動(dòng)

目前,大多數(shù)路由器均采用分布式轉(zhuǎn)發(fā)、集中式路由處理的體系結(jié)構(gòu)[1]。該結(jié)構(gòu)方式使主處理單元與各從處理單元可以根據(jù)所處位置及執(zhí)行任務(wù)的不同采用不同的處理方式,但也使頂層管理軟件對(duì)底層各從處理單元難以進(jìn)行協(xié)調(diào)統(tǒng)一的管理。硬件抽象層HAL(Hardware Abstraction Layer)在邏輯上介于底層硬件與上層協(xié)議軟件之間,維護(hù)兩者之間的數(shù)據(jù)傳遞,并對(duì)底層各接口模塊進(jìn)行管理,屏蔽底層硬件細(xì)節(jié),使得應(yīng)用軟件可以通過(guò)控制HAL達(dá)到操縱底層硬件的目的。高性能路由器硬件抽象層的提出[2]成功解決了分布式路由器面臨的通用性支撐軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題,為構(gòu)建開(kāi)放通用的路由器軟件基礎(chǔ)平臺(tái)提供了保證。

隨著路由器承載業(yè)務(wù)能力的不斷增強(qiáng),大規(guī)模接入?yún)R聚路由器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)也被提上了議事日程。ACR(大規(guī)模接入?yún)R聚路由器)是3Tnet(高性能寬帶網(wǎng))網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備。該設(shè)備采用ACR寬帶接入方式,即通過(guò)帶有遠(yuǎn)端用戶(hù)接口單元(RIU)、基于以太網(wǎng)傳輸接口的分合路器(EMDi)組成樹(shù)形分叉地域分布式系統(tǒng)構(gòu)架,保證大規(guī)模的用戶(hù)直接接入骨干高速網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)視頻點(diǎn)播、網(wǎng)絡(luò)電視、IP電話等寬帶業(yè)務(wù),從而更加減化了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),使業(yè)務(wù)引入更加快速,運(yùn)營(yíng)策略更加多樣化。

大規(guī)模用戶(hù)接入方式也給路由器硬件抽象層的實(shí)現(xiàn)方式及信息的實(shí)時(shí)、高速傳輸提出了新的挑戰(zhàn),主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:首先,承載業(yè)務(wù)量的數(shù)量及種類(lèi)的增多對(duì)路由器內(nèi)部通信的實(shí)時(shí)性、高效性提出了更多的要求;其次,大規(guī)模用戶(hù)接入方式增加了路由器對(duì)外接口的數(shù)量,從而帶來(lái)了設(shè)備管理上的難度;再次,從系統(tǒng)的通用性及可擴(kuò)展性考慮,要求構(gòu)建一種具有可擴(kuò)展性且不依賴(lài)于硬件具體實(shí)現(xiàn)方式的軟件體系結(jié)構(gòu),方便路由軟件的移植和應(yīng)用。由此可見(jiàn),硬件抽象層的高度穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性及可靠性將直接影響路由器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

由于大規(guī)模用戶(hù)接入方式的特性,使得以前基于IPv6路由器的硬件抽象層的實(shí)現(xiàn)方式已經(jīng)不適應(yīng)數(shù)據(jù)高速傳輸及多用戶(hù)接入的管理方式。本文將在討論硬件抽象層基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出一種適用于大規(guī)模接入?yún)R聚路由器的HAL的通用性軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方式,提供高效、可靠的內(nèi)部通信,并針對(duì)多用戶(hù)接入數(shù)量不確定的情況,提出動(dòng)態(tài)加載虛擬驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)現(xiàn)方法,增強(qiáng)路由器面向ACR接入方式的可用性。

1 硬件抽象層基本結(jié)構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[2]提出的方案,高性能路由器硬件抽象層可分為內(nèi)部通信、虛擬驅(qū)動(dòng)及設(shè)備管理三大模塊,這三部分模塊相互配合,共同完成面向?qū)嶋H的用戶(hù)設(shè)備接口的功能模擬及硬件細(xì)節(jié)的屏蔽,并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)的管理。硬件抽象層對(duì)用戶(hù)設(shè)備接口的功能模擬主要由虛擬驅(qū)動(dòng)模塊完成,包括數(shù)據(jù)包的收發(fā)及協(xié)議報(bào)文的預(yù)處理等工作,為上層協(xié)議軟件提供標(biāo)準(zhǔn)的API函數(shù);而對(duì)用戶(hù)設(shè)備的接口管理則由上層網(wǎng)絡(luò)管理軟件通過(guò)設(shè)備管理模塊對(duì)其進(jìn)行管理配置及監(jiān)控;內(nèi)部通信模塊運(yùn)行于內(nèi)部以太網(wǎng)絡(luò),協(xié)調(diào)各模塊之間的功能接口,保證各從處理單元與主處理單元之間實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 
圖1 硬件抽象層基本結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)各模塊的功能可知,硬件抽象層內(nèi)部通信模塊是各分處理單元與主處理單元信息交互的重要傳輸通道。內(nèi)部通信模塊匯集各底層設(shè)備的數(shù)據(jù)并根據(jù)類(lèi)型分流至各上層處理模塊,同時(shí),數(shù)據(jù)維護(hù)模塊對(duì)虛擬設(shè)備及各處理單元的維護(hù)信息也需要通過(guò)內(nèi)部通信模塊進(jìn)行。因此,內(nèi)部通信模塊采用何種基于內(nèi)部以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)方式,對(duì)路由器內(nèi)部數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、有效、可靠傳輸起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)前內(nèi)部通信模塊采用基于分隔符的TCP傳輸方式,在應(yīng)用層數(shù)據(jù)包的起始部分附加有特定格式的分隔符和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度域,解決了由于Nagle算法產(chǎn)生的包粘滯問(wèn)題[3]。但該方式?jīng)]能解決TCP傳輸方式的消耗過(guò)大、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的問(wèn)題[4]。同時(shí),消除分割符恢復(fù)報(bào)文的完整性也增加了應(yīng)用程序的處理復(fù)雜度,從而不可避免地增加系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)并降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性對(duì)于用戶(hù)業(yè)務(wù)急劇增多的ACR路由器而言是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。UDP是一個(gè)面向消息的傳輸協(xié)議[5],其最大數(shù)據(jù)緩沖區(qū)長(zhǎng)度為8192～65536字節(jié),滿足一次傳輸一個(gè)完整報(bào)文的條件。在內(nèi)部以太網(wǎng)中采用UDP傳輸方式具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但由于UDP協(xié)議的無(wú)連接性,導(dǎo)致它是一個(gè)不可靠傳輸,文中第二部分將討論如何實(shí)現(xiàn)一種基于UDP的內(nèi)部通信的可靠性傳輸機(jī)制。
 
硬件抽象層對(duì)用戶(hù)設(shè)備接口的功能模擬主要通過(guò)虛擬驅(qū)動(dòng)進(jìn)行,路由器業(yè)務(wù)類(lèi)型的擴(kuò)展使得用戶(hù)接口數(shù)量增多并呈現(xiàn)接入時(shí)間的不確定性,從而帶來(lái)用戶(hù)設(shè)備管理上的難度。針對(duì)此種情況,文中第三部分提出動(dòng)態(tài)加載虛擬驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)現(xiàn)方法,增強(qiáng)路由器面向多用戶(hù)接入方式的可用性。

2 基于UDP傳輸方式的內(nèi)部通信的可靠性實(shí)現(xiàn)

內(nèi)部通信模塊處于硬件抽象層的底層,運(yùn)行于內(nèi)部交換網(wǎng)絡(luò),完成底層硬件與上層控制軟件的數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)對(duì)底層硬件的初步屏蔽分離;針對(duì)分布式體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及多用戶(hù)接入的業(yè)務(wù)需求,內(nèi)部通信模塊以ClientServer的方式分別運(yùn)行于主處理單元模塊及各線路接口單元模塊上,采用UDP傳輸協(xié)議進(jìn)行通信,主要基于以下幾點(diǎn)考慮:

首先,UDP協(xié)議是一個(gè)無(wú)連接協(xié)議,傳輸數(shù)據(jù)之前源端與終端不需建立連接,因此不需維護(hù)連接狀態(tài)。這樣服務(wù)器端可以使用一個(gè)或幾個(gè)端口同時(shí)向多個(gè)客戶(hù)端發(fā)送消息,符合分布式結(jié)構(gòu)體系的要求。
 
其次,UDP信息包很短,只有8個(gè)字節(jié),相對(duì)于TCP的20個(gè)字節(jié)的信息包的額外開(kāi)銷(xiāo)很小,便于數(shù)據(jù)的快速傳遞。
 
再次,吞吐量不受擁塞控制算法的調(diào)節(jié),只受應(yīng)用軟件生成數(shù)據(jù)的速率、傳輸帶寬和計(jì)算機(jī)性能的影響,適用于內(nèi)部以太網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。

但由于UDP方式的無(wú)連接性,使得UDP傳輸?shù)目煽啃圆粡?qiáng)。而可靠性是內(nèi)部通信模塊所必須具有的性能,因此考慮在應(yīng)用軟件中實(shí)現(xiàn)UDP傳輸方式的可靠性保證,主要采用以下方式:

2.1 多線程無(wú)連接的C/S通信方式

服務(wù)器端運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)下,采用多線程方式收發(fā)各類(lèi)數(shù)據(jù);客戶(hù)端運(yùn)行在Vxworks操作系統(tǒng),采用多任務(wù)方式收發(fā)各類(lèi)數(shù)據(jù)。這樣由于多線程及多任務(wù)并行運(yùn)行的特性,在內(nèi)部以太網(wǎng)的傳輸條件下,使得收發(fā)數(shù)據(jù)的速率可以滿足系統(tǒng)的要求。基本的基于UDP協(xié)議的無(wú)連接客戶(hù)端/服務(wù)器端通信程序如圖2所示。

 
 
圖2 基于UDP協(xié)議的無(wú)連接客戶(hù)端/服務(wù)器端通信程序

該通信過(guò)程采用多個(gè)客戶(hù)端(各從處理單元)對(duì)一個(gè)服務(wù)器端(主處理單元)的方式,使多個(gè)用戶(hù)接口模塊可以在不同時(shí)間接入主控。內(nèi)部通信根據(jù)所傳遞數(shù)據(jù)的不同類(lèi)型,采用相對(duì)固定的不同的端口號(hào),不同的客戶(hù)端采用不同的IP地址,從相同的端口收發(fā)同類(lèi)數(shù)據(jù)。在服務(wù)器端通過(guò)select()系統(tǒng)調(diào)用,既可以輪詢(xún)各個(gè)socket端口以便及時(shí)接收不同端口的數(shù)據(jù),又起到定時(shí)器的作用。當(dāng)規(guī)定時(shí)間內(nèi)收不到數(shù)據(jù)時(shí),能夠及時(shí)返回繼續(xù)在阻塞模式下等待,從而既能及時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù),又降低資源消耗。

2.2 三次握手過(guò)程

每個(gè)客戶(hù)端與服務(wù)器端進(jìn)行真正的數(shù)據(jù)傳輸之前,首先要進(jìn)行一個(gè)握手的建立過(guò)程,如圖3所示。握手過(guò)程成功后則表示雙方通信通道正常,只有在得知握手成功后雙方才可以正常地收發(fā)報(bào)文,從而克服了UDP協(xié)議方式的面向無(wú)連接性。為了隨時(shí)檢測(cè)和維護(hù)雙方鏈路的通連性,每個(gè)客戶(hù)端與服務(wù)端在一定的間隔時(shí)間內(nèi)要互發(fā)KEEPALIVE報(bào)文。如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收不到對(duì)方的KEEPALIVE報(bào)文,說(shuō)明斷鏈,要進(jìn)行相應(yīng)的斷鏈處理。

 
 
圖3 握手建立過(guò)程

2.3 接收端丟失確認(rèn)及滑動(dòng)窗口

發(fā)送UDP報(bào)文時(shí)在自定義的內(nèi)部數(shù)據(jù)頭中加入所發(fā)送數(shù)據(jù)的序號(hào),接收端收到后發(fā)送確認(rèn)信息,如果發(fā)送方在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到確認(rèn)信息,則認(rèn)為該包丟失,會(huì)連同原包的序號(hào)重新發(fā)送。

滑動(dòng)窗口的目的主要是為了實(shí)現(xiàn)流量控制,防止擁塞。每個(gè)發(fā)送方維護(hù)一個(gè)重發(fā)隊(duì)列,保存著一定數(shù)量的發(fā)送而沒(méi)被確認(rèn)的報(bào)文,該隊(duì)列剩余空間的大小可以限制應(yīng)用部分發(fā)包的速率。由于UDP協(xié)議是基于消息的傳輸協(xié)議而非基于流的,因此不必考慮發(fā)送端可以接收多少數(shù)據(jù),只需知道能否接收數(shù)據(jù)即可。

總之,采用UDP傳輸控制方式主要考慮到其傳輸簡(jiǎn)單快速、額外開(kāi)銷(xiāo)較小的特點(diǎn),但這是以犧牲一定的可靠性為前提的,因此必須在應(yīng)用程序中增加可靠性保護(hù)機(jī)制。在實(shí)際應(yīng)用中證明上述方法可靠高效,能夠維護(hù)內(nèi)部通信有序、快速的數(shù)據(jù)傳輸。

3 基于多用戶(hù)的用戶(hù)接入管理

在Linux操作系統(tǒng)下,系統(tǒng)把設(shè)備映射為一個(gè)特殊的設(shè)備文件,用戶(hù)程序可以像對(duì)其他文件一樣對(duì)該設(shè)備文件進(jìn)行讀寫(xiě)操作。虛擬驅(qū)動(dòng)模塊運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)下,模擬從處理單元上的接口單元,形成收發(fā)協(xié)議報(bào)文功能和數(shù)量與此一致的硬件抽象層虛擬接口單元。因此,每個(gè)實(shí)際的接口單元都在內(nèi)核中對(duì)應(yīng)一個(gè)注冊(cè)的虛擬設(shè)備,以便于上層控制軟件對(duì)數(shù)據(jù)平面的管理與數(shù)據(jù)交互。

3.1 多用戶(hù)虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的動(dòng)態(tài)加載

虛擬驅(qū)動(dòng)在內(nèi)核中的功能通過(guò)動(dòng)態(tài)加載方式實(shí)現(xiàn)。通常的動(dòng)態(tài)加載方式是將驅(qū)動(dòng)程序作為一個(gè)整體模塊,在需要時(shí)再加入內(nèi)核[6];由于多用戶(hù)接入方式使得在某一時(shí)刻內(nèi)核中注冊(cè)的接口單元數(shù)量不確定,如果實(shí)施一次性加載會(huì)冗余太多,不利于資源的有效利用。因此,在內(nèi)核中加載一個(gè)基本模塊的前提下,實(shí)現(xiàn)各虛擬設(shè)備的動(dòng)態(tài)加載過(guò)程,達(dá)到以一個(gè)基本的虛擬設(shè)備控制多個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的功能。
 
如圖4所示,對(duì)虛擬驅(qū)動(dòng)設(shè)備的控制由內(nèi)部通信模塊與設(shè)備管理模塊共同完成。設(shè)備管理模塊通過(guò)內(nèi)部通信模塊下達(dá)加載、卸載虛擬驅(qū)動(dòng)的命令,通過(guò)內(nèi)部通信模塊與虛擬驅(qū)動(dòng)的控制通道進(jìn)行。內(nèi)部通信模塊通過(guò)調(diào)用ioctl()采用不同的命令字完成對(duì)虛擬驅(qū)動(dòng)模塊的控制過(guò)程。

 
圖4模塊動(dòng)態(tài)加載過(guò)程

基本驅(qū)動(dòng)模塊的加載采用通常的驅(qū)動(dòng)模塊加載方式,即調(diào)用module_init()函數(shù)進(jìn)行基本模塊的初始化及在內(nèi)核中的注冊(cè)過(guò)程。以該基本驅(qū)動(dòng)模塊為基礎(chǔ),當(dāng)內(nèi)部通信模塊收到加載某個(gè)用戶(hù)設(shè)備接口的命令后,通過(guò)調(diào)用該基本模塊的Base_ioctl()在內(nèi)核中注冊(cè)一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)設(shè)備,該注冊(cè)設(shè)備才是與實(shí)際接口單元相對(duì)應(yīng)的虛擬驅(qū)動(dòng)模塊,應(yīng)用程序?qū)τ脩?hù)設(shè)備數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)都是通過(guò)這些注冊(cè)的接口設(shè)備而非基本設(shè)備提供的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)進(jìn)行。這樣的動(dòng)態(tài)加載過(guò)程使得當(dāng)沒(méi)有設(shè)備加載時(shí)在內(nèi)核中只存在一個(gè)基本的虛擬驅(qū)動(dòng)模塊,只有需要注冊(cè)的用戶(hù)才將其對(duì)應(yīng)的設(shè)備接口的虛擬驅(qū)動(dòng)模塊加載到內(nèi)核中,從而減少系統(tǒng)冗余,便于管理。

各用戶(hù)接口單元與虛擬驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)交互通過(guò)內(nèi)部通信模塊與虛擬驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)通道進(jìn)行,所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用為該注冊(cè)設(shè)備的dev_ioctl()。在該功能函數(shù)中,實(shí)現(xiàn)用戶(hù)空間與內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)交互。

3.2 對(duì)多用戶(hù)接口設(shè)備虛擬驅(qū)動(dòng)的管理

為實(shí)現(xiàn)內(nèi)核虛擬驅(qū)動(dòng)模塊與實(shí)際接口單元的一一對(duì)應(yīng),必須解決各驅(qū)動(dòng)模塊的命名原則問(wèn)題。將每個(gè)實(shí)際接口單元在接入段拓?fù)渲械奈恢迷O(shè)置為不同的參數(shù),在內(nèi)部通信中這些參數(shù)作為傳輸數(shù)據(jù)的報(bào)頭信息出現(xiàn),根據(jù)它們可以生成一個(gè)唯一的字符串作為對(duì)應(yīng)該接口單元的虛擬驅(qū)動(dòng)設(shè)備名稱(chēng),而且根據(jù)設(shè)備名稱(chēng)亦可還原出實(shí)際接口單元的拓?fù)湫畔?以供內(nèi)部通信使用。在內(nèi)核中維護(hù)一個(gè)由各注冊(cè)設(shè)備名稱(chēng)所組成的動(dòng)態(tài)鏈表,每個(gè)鏈表節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)收發(fā)報(bào)文的數(shù)據(jù)隊(duì)列,虛擬驅(qū)動(dòng)與其他模塊的數(shù)據(jù)交互都通過(guò)該鏈表進(jìn)行。

3.3 對(duì)虛擬設(shè)備數(shù)據(jù)讀寫(xiě)過(guò)程

對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)過(guò)程主要是在虛擬驅(qū)動(dòng)模塊、內(nèi)部通信模塊及上層控制軟件之間進(jìn)行。虛擬驅(qū)動(dòng)模塊運(yùn)行在內(nèi)核空間,而內(nèi)部通信模塊運(yùn)行在用戶(hù)空間,因此,主要解決用戶(hù)空間與內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)傳遞問(wèn)題。通過(guò)memcpy_tofs()及memcpy_fromfs()系統(tǒng)調(diào)用用戶(hù)空間與內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)交互。

在內(nèi)核中維護(hù)一個(gè)由各注冊(cè)設(shè)備名稱(chēng)所組成的動(dòng)態(tài)鏈表,每個(gè)鏈表節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)收發(fā)報(bào)文的數(shù)據(jù)隊(duì)列,虛擬驅(qū)動(dòng)與其他模塊的數(shù)據(jù)交互都通過(guò)該鏈表進(jìn)行。接收?qǐng)?bào)文過(guò)程:內(nèi)部通信模塊將從接口單元接收的報(bào)文通過(guò)ioctl()調(diào)用傳給虛擬驅(qū)動(dòng)。該函數(shù)通過(guò)struct net_device *dev結(jié)構(gòu)找到對(duì)應(yīng)的虛擬設(shè)備的dev_ioctl()功能函數(shù),調(diào)用memcpy_fromfs()將數(shù)據(jù)拷貝至內(nèi)核空間,經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)netif_rx()函數(shù)通知上層協(xié)議有數(shù)據(jù)傳入。發(fā)送報(bào)文過(guò)程:虛擬驅(qū)動(dòng)將從上層軟件取出的數(shù)據(jù)放至自身維護(hù)的通過(guò)虛擬接口設(shè)備名稱(chēng)維護(hù)的數(shù)據(jù)隊(duì)列中,內(nèi)部通信模塊通過(guò)ioctl()論詢(xún)各接口設(shè)備數(shù)據(jù)隊(duì)列是否有數(shù)據(jù)可讀,如果有數(shù)據(jù),虛擬驅(qū)動(dòng)通過(guò)memcpy_tofs()調(diào)用將數(shù)據(jù)拷貝至用戶(hù)空間提供的緩沖區(qū)中。

文中針對(duì)大規(guī)模用戶(hù)接入方式的特性,討論了一種基于ACR/Tbit路由器的硬件抽象層的通用性軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方式,并研究了其關(guān)鍵技術(shù),包括基于UDP傳輸方式的內(nèi)部通信的可靠性實(shí)現(xiàn)及基于多用戶(hù)的動(dòng)態(tài)模塊加載技術(shù),適用于路由器承載業(yè)務(wù)量的擴(kuò)展和多用戶(hù)接入特性,并且在上層軟件實(shí)現(xiàn)中,基本上可以不考慮底層硬件細(xì)節(jié),增強(qiáng)了路由器的開(kāi)放性及可擴(kuò)展性。

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