ATM在局网环境中的定位网络移植和方向.docx
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ATM在局网环境中的定位网络移植和方向
ATM在局网环境中的定位----网络移植和方向
摘要
本文是有关IBM对终端用户要求升级的解决方案的系列介绍文献之一。
LAN环境的配置已发展成非常复杂,这样管理和维护的花费就很大。
客户有许多选择:
Token-Ring,以太网,交换式Token-Ring,交换式以太网,100Mbps以太网,FDDI和ATM。
ATM作为未来局域网普遍使用的传输机制和广域网的拓扑结构,过去2-3年间在工业界很令人鼓舞。
每种技术都有其长处和短处,因而会有几年的生命力。
为了向用户提供有效的解决方案,本文论述ATM在局域网环境中的地位,以及最好地适合各种技术的环境。
ATM在局域网环境中的定位
在过去20年中,局域网技术已经从以主机为中心的环境发展为分布式客户机-服务器环境。
客户机-服务器环境通常运行于以太网或Token-Ring中。
当今许多客户机-服务器环境比以太网和Token-Ring标准的制定者所预期的更为庞大和复杂。
共享型局域网技术已使其功能和带宽能力扩大到其前身的10倍。
不幸的是这些能力方面的巨大提高仍不能消除造成局域网应用程序性能较差的瓶颈问题,也不能满足视频分布和视频会议这一类新的多媒体应用程序的要求。
为了使过去遗留下来的应用程序有较好的性能,并为将来提供合适的环境,正在兴起的网络化计算环境要求带宽可分等级、同步能力和较低成本。
网络的日常管理必须适应越来越大、越来越多样的环境。
因此,网络管理必须改进并简化,使得任何一个机构都能负担和使用。
新的工作方法已经使网络伸展到了它们的极限。
虽然共享介质局域网、交换式以太网和Token-Ring的扩展在战术上得到了一些解决,但只有ATM对这一问题提供了本质上不同的、策略性的解决方案。
ATM从基于帧的、共享介质的局域网和多协议企业网变为基于信元的、交换式环境,从而将局域网和广域网以无缝的、端对端协议混合于一起。
虽然我们认识到本文所讨论的所有局域网环境还将共存并辉煌多年,但我们相信ATM固有的特点会使其成为所有应用程序环境的超级选择。
它最吸引人的属性是带宽可分等级和低运作成本,这使其成为主干和服务器存取的最优选择。
ATM支持同步交通、设置协商的服务质量以及提供可预知连接的能力,使其成为新的桌面应用系统的最好环境。
本文将ATM特性与市场上其它技术进行比较,帮助你理解ATM如何能有效地使用在你的网络中。
当今共享介质环境的挑战
为了满足不断变化的网络要求,网络变得复杂,其管理和维护成本也相应提高。
造成每个站点的可用带宽低、一些网络的性能差的因素很多,如:
用户数量的增长、应用程序对带宽的高要求、办公室内通过局域网访问Internet的数量的增加、以及每个网段连接的工作站变多。
将大的网络划分成几个用网桥或路由器相互连接的小网络,或者提高服务器的档次和数量,都只不过是临时的解决方案。
更糟的是,由于这些措施引入了不相似的技术,增加了网络的复杂性,从而也增加了网络的运作成本。
在所有情况下,网络的运作和管理费用大大超出硬件费用。
减小这些费用是我们在选择网络技术时所考虑的一个主要因素。
我们相信目前出现的基于以太网的共享介质的快速局域网,为每个网站提供了比以太网和Token-Ring局域网高得多的带宽,从而缓解了现有桌面局域网的拥塞现象。
然而由于还没有充分解决管理复杂性和运作成本问题,所以也不足以缓解大多数主干的拥塞现象。
对于工作组,市场上出现的交换式以太网和交换式Token-Ring就能有效地运行过去遗留的应用程序。
增加联接至ATM主干的ATM上行链路有助于缓解工作组对服务器或主干上其它资源的存取瓶颈。
这一最优解决方案不是所有的用户都需要的。
一些过去遗留的应用程序,如:
数据条目,在当今低成本、共享介质的局域网上总能够运行。
但是对将来知识型的工人来说,其工作站会用作为电话、存储设备、黑板、传真和虚拟会议室等,只有专用介质的ATM会成为这些新应用程序的最优解决方案。
确实,越早迁移到ATM,便能够获得越大的益处,如:
降低复杂性、低成本运作、以及超级性能。
交换式以太网和Token-Ring
近年来一些厂商提供了基于以太网和Token-Ring帧交换的新产品。
这些交换机扩展了多端口网桥的概念,并使用诸如生成树或源路由等标准协议来加以实现。
这些LAN交换机最初非常昂贵,主要用于满足高性能工作站和高要求图形应用程序的带宽要求。
然而近来,在缓解运行遗留应用程序的大型工作组网络的带宽拥塞方面,它们已成为能负担的可选方法。
它们安装简单,不需要新的适配器或协议栈,并且使用现有的大楼布线进行连接。
它们减少了网络中的网桥数量和路由器连接,从而降低了网络复杂性,所以需要配置、监视和管理的实体较少。
这两个相似技术吸引人的一个方面是它们解决了现有局域网的拥塞问题。
例如,一个有客户机-服务器交通问题的60用户的共享介质局域网,可以分成10个共享介质局域网,每个具有6个站点,并连接到同一个局域网交换机的不同端口。
服务器单独连接于各自端口,其适配器重新配置成以全双工模式运行。
这就大大减少了拥塞,又保护了在适配器、HUB和大楼布线方面的投资。
当交通继续增加时,每个工作站可以各自连接于交换机端口,使每台设备的带宽最大。
最后,连在交换机端口上的、使用频繁的资源,如服务器,可以以全双工方式运行,这就使这一连接端口的可用带宽翻倍。
这不仅提高了服务器的吞吐量,而且减少了网络本身的改变,从而使整体性能达到一个可接受的程度。
转化成微段化的、交换式的局域网的工作组解决方案要比简单地划分网段和增加网桥和服务器要好、且便宜。
使用局域网交换机的网段微化技术能使你有一个较简单、更容易管理的网络。
然而,由于规模限制,它并不是一种对所有情况都是最好的解决方案。
因为交换式以太网和Token-Ring没提供可分级带宽,并且它们所基于的协议是非连接的,所以这二种解决方案对主干不是经常有效的。
当使用局域网交换机组成的主干时,交换机之间的链路是共享的,就象单独连接服务器的链路一样。
这二者都是新的潜在瓶颈。
由于在建立端对端连接之前没有拥塞控制,数据有可能会丢失,所以对时间要求高的应用程序不能平滑地用这种解决方案来进行网络迁移。
最后,无论是在主干或是在桌面局域网环境中,这些基于帧的技术并不能适应当今涌现的多媒体应用程序所要求的同步能力。
图1实现
ATM最优解决方案
尽管ATM可以认为是局域网交换技术的扩展,但是ATM在许多方面不同于局域网交换技术,这种不同使ATM网络具有超级能力。
下面将描述ATM功能,并进行ATM与现有局域网技术的比较。
面向连接的协议
传统
共享介质局域网使用无连接协议,这能充分满足大多数面向数据的应用程序的要求。
即使交换式以太网和Token-Ring是专用介质的、交换式的解决方案,但由于它们是基于原先共享介质协议的,所以在运作时本质上仍是无连接的。
目前只有ATM提供当今涌现的多媒体应用程序所需的面向连接的环境。
另外,ATM为运行过去遗留的无连接的应用程序提供了相当大的好处。
网络是一种交通控制系统,它管理货物发送进和发送出连接于该网络的设备。
就象一个城市的交通控制系统要定义在大街和高速公路等基础设施上运输货物的规则,每种网络协议都有其规则集。
无连接协议
让我们暂先假设城市的交通系统是基于以太网(或其它一些无连接协议)规则集。
只要大街交通空闲,司机就向目的地出发。
司机对道路或其它想同时使用该道路的人毫无了解。
它是一种既成功又失败的系统,有交通拥塞、碰撞,重新启动,但到达时间没有保证。
面向连接协议
让我们假设我们的交通系统是基于ATM规则集。
司机在行程开始前,先向前呼叫请求一条线路,司机得到预留的行驶线路和宽度足以让车辆通过的高速公路上的车道。
行驶期间独占每条车道及其宽度。
高速公路(布线基础设施)没有任何改变。
ATM交通系统自动在大街和高速公路的迷宫中选择最迅速的线路,并不断地随着交通模式的变化重新配置线路。
在面向连接的环境中,数据保存在终端站点的存储介质中,直到与接收站点建立起连接为止。
因此,网络没有管理线路上数据的负担,因而运作较简单、有效,能预知目的地到达时间。
这就是为什么ATM在业界如此令人鼓舞的原因。
因为所有过去遗留的局域网应用程序都是为无连接环境编写的,所以为了在ATM上使用这些应用程序必须将无连接的会话映射成面向连接的会话。
工业标准已定义了两种映射技术,即传统IP和局域网仿真,用来实现不同厂家产品的互操作性。
因为ATM为过去遗留的应用程序带来了有价值的好处,所以局域网仿真支持的迁移方针会真正放慢对纯ATM应用程序的开发。
由于遗留的局域网应用程序能利用ATM高速的、专用的带宽,所以简单地将其迁移至ATM面向连接的环境,就能更好地运行。
除了提高性能外,ATM固有的特点,如虚拟局域网能力,降低了在使用局域网仿真的ATM网络中运行和管理遗留应用程序的成本。
图2无连接和面向连接网络
速度
在局域网交换中,每个帧的长度和目的地都不同。
交换机中的处理器必须对每个帧分别作出决定。
因此,交换机的实际吞吐能力直接与它的处理器的能力和限制联系在一起。
在直通式交换中,只要读入的字节足以识别出目的地址,传输就被启动,类似直通式交换的技术能够改进基于端口对端口的交换机的延迟。
然而,过滤、端口速度适应(例如10Mbps至100Mbps),以及介质的高错误率经常避免使用直通式交换。
在ATM中,数据被分在固定长度的信元。
每个信元53个字节,其中5个字节的头含有路由信息。
这种连接的特点是事前协商,如果网络能够保证服务质量,那么接收呼叫,并建立路径。
然后信元以硬件的速度传输,不需要重新检查信元的内容,或者执行源与目的之间的中间存储转发动作。
多路复用系统
在局域网环境(共享式或交换式)中,工作站上和服务器上的应用程序轮流将数据传输介质上,低优先级的文件传输会延迟短帧的传输,而这种短帧对延迟是有限制的要求。
这种延迟在每个网络结点都会重复,因而影响网络的性能。
在ATM中,因为信息元素分隔成53字节的信元,所以来自不同地方的信元能够根据它们各自的优先级进行散布和排队。
因此,可望有固定的延时,并且是根据应用程序的要求而不是适配器来设置服务质量。
超级带宽能力
根据其体系结构,ATM是一种全双工、交换式解决方案。
尽管某些以太网和Token-Ring交换机和适配器确实具有全双工能力,但是局域网交换机必须具有多种连接端口能力,并能够作为端口间的存储-转发网关。
这就降低了网络的真正能力和带宽。
在ATM中,带宽是定义交换式虚拟电路时的一个参数,独立于物理连接(不需要中间缓冲)。
事实上,如果物理链接达到了容量,则为了扩大带宽,以及支持额外的交通,可以增加额外的连接。
由于这一能力是高质量的视频会议的主要构建模块之一,ATM网络不仅为遗留的应用程序提供了较好的带宽,而且为当今涌现的应用程序提供了基础设施。
主干存取
大多数的以太网和Token-Ring交换机本质上是多端口网桥,它们不能够使用多个上行链接,而交换机的吞吐量总和必须与上行链接的数量保持相称。
因为ATM是一种面向连接的协议,工作组交换机和主干间的瓶颈可以容易地通过在工作组交换机和高速主干之间安装额外的上行链接来消除。
ATM交换机能够根据当前网络容量的利用情况或具体路径的可用性来设置多种线路上的虚电路。
这不仅增大了可能的链接带宽,而且提供了避过失败因素的可能性。
在端对端ATM网络中,当每层用户数增加时,由于对上行链接带宽的限制,每个用户的带宽不必受影响。
再者,额外的上行链接安装简单,几乎或根本不会引起网络的崩溃,这种多重链接的能力向终端用户保证了服务的不中断。
服务质量
ATM设计成多路复用体系结构是为了支持具有各种带宽、到达时间和延时需求的交通。
这一设计特性使ATM支持语音、视频和数据复用同一链路。
服务质量是在建立起连接时建立的。
服务质量的实现取决于ATM是一种面向连接的协议。
ATM论坛定义了四种处理不同种类交通的服务质量。
象多媒体传输或高质量可视会议一类应用程序,对服务质量有严格的要求,固定比特率(CBR)和可变比特率(VBR)尤其适合这类应用程序。
固定比特率
CBR是一种预留带宽服务。
网络和端站点之间有契约。
建立呼叫时,端站点向网络提供描述这一连接的交通的参数。
接着,网络分配与参数匹配的资源,或者如果资源不可用,则拒绝呼叫,这称作呼叫许可控制。
一旦呼叫被接受,就有端站点负责只发送符合契约的交通。
网络按照契约检查交通,丢失不符合的信元。
可变比特率
象CBR一样,VBR也是一种预留带宽服务。
建立呼叫时,网络对端站点所发出的交通参数请求作出响应,将资源分配给端站点。
然而,在VBR情况下,除了确立最高比特率外,还要确定维持比特率和最大破裂率。
维持比特率是平均比特率的上限,最大破裂率限制以最高比特率传输信元的持续时间。
通过这些附加参数,网络分配给连接的资源要比最高信元率所要求的要少,因而网络达到统计意义上的的多路复用。
今天在大多数校园网环境中,大多数交通是数据传输。
在不久的将来,这些数据传输将使用局域网仿真或传统IP模式在ATM上运行。
这些遗留的应用程序无法指定它们所需的服务质量。
ATM论坛正在建议这种交通使用非说明比特率(UBR)或可比特率(ABR)。
非说明比特率
UBR是一种非预留带宽服务。
不说明信元丢失率,这意味着不要求网络为所申请的UBR连接提供资源。
ATM论坛没有为UBR服务说明流控制参数。
因此,当使用UBR服务时,信元的丢失严重影响着系统的整体性能。
例如,192个信元的分组(ATM中使用传统IP的IP分组的缺省大小)中,一个信元的丢失就会触发整个分组的重新发送。
网络毫无必要地发送了191个信元。
为了避免这种方式对网络资源的浪费,在网络的任何一个结点(交换机)上实行早期分组丢弃和部分分组丢弃。
如果交换机认识到有信元丢失时,它丢弃分组的余下部分。
如果发送站点不能认识到拥塞状况时,网络中的接受交换机会拒绝分组,直至拥塞消失。
当早期分组丢弃和部分分组丢弃与虚电路一起实行时,公平性和一跳一跳的背压机制确保了与丢失无关的UBR操作。
可用比特率
ABR服务可以看作是预留和非预留带宽服务的混合。
一个连接定期向网络投票,并且基于说降姆?
馈,调整其传输速率。
投票由资源管理信元完成,资源管理信元由源方发送并在的方绕回,这样网络节点和目的方就能提供反馈信息。
另外,网络节点能在相反方向上创建并插入管理信元,更快地向源方提供反馈。
反馈可以是显式或隐式的。
显式反馈说明一个显式比特率,而隐式反馈指示拥塞出现或没出现。
源方可能接受在同一个资源管理信元中的显式或隐式反馈。
ABR连接具有一个不能被显式和隐式反馈减小的最小保证率。
流控制是一种将反馈用于帮助优化带宽的方法。
流控
包括IBM在内的大多数实现中,CBR、VBR和UBR交通是不受流控限制的。
然而,将来出现的ABR型服务质量定义了连接级的、基于比特率控制的显式流控机制。
交换机将电路标记为候选的减速电路,并通知引起拥塞的应用程序减速。
这不仅限制了信元进入网络的平均速率,而且当正确调和时,消除了信元突然到达目的地。
如果信元到达的间隔时间是较恒定的,则在交换机或其它资源处的等待时间就较小。
结果是既提高了网络存取的公平性,又消除了网络中的帧丢失,所以对用户的响应时间和带宽都得到优化。
在使用局域网交换机的网络中,可用的流控只有在连接层,并且是私有的。
通常通过缓冲停止-向前来仿照流控制,这对性能有不利影响。
然而,ATM网络中的流控制是端对端虚拟通道中逻辑站点的特性,所以它在虚拟电路级提供了超级控制。
多点广播能力
在局域网交换机网络中,交换机可使用过滤器来控制广播交通,但是这对网络的整体性能有不利的影响。
多点广播能力和局域网仿真,为虚拟局域网(VLAN)构建了广播树,因而是视频分布和视频会议的基础,也是ATM体系结构独一无二的特性。
不象共享型局域网中广播消息的接收者,只有想要消息时才能接收消息。
因为交通是面向连接的,所以没有网络资源被浪费,也没有广播风暴的危险。
在ATM上实现VLAN时,多点广播和局域网仿真精确地定义了哪些站点应该接收广播数据。
另外,局域网仿真的广播管理者能扩展成具有过滤能力的,来减小象AppleTalk闲谈局域网协议产生的高端数据的数量。
请参看图3的ATM点对点网络的一个例子。
图3ATM点对多点网络
低延迟
正在涌现的对带宽要求高、同步型应用程序只能工作在这样一个环境中,这就是任何一个交换机的延迟是可预知的、固定的,并且是极低的,而不是可变的、不可预知的。
在使用可变长数据和逐帧过滤环境中,对延迟是不利的。
在端对端地使用ATM网络中,网络中任何两点间的发送时间总是一样的,所以大型网络中的响应时间是可预知的、固定的。
降低网络复杂性
一般估计网络70%的费用是花在网络的运作上。
因此,网络越简单,网络运作的成本越小。
如果我们看一下当今典型的局域网环境,共享型局域网经常运行不同的局域网协议,用网桥或路由器连接至主干。
与局域网的连接通常通过路由器。
网桥和路由器是需高度维护的设备,特别是在需要移动、增加和变化的网络中,必须更新配置,调节网络至最佳性能。
ATM的服务质量和可分级带宽虚拟地消除了对网络调节的要求。
网桥和路由器被交换机之间的简单连接代替。
结果是网络更可靠、适合当今涌现的多媒体应用程序,并且运作成本低。
参见图4和图5的传统局域网结构和ATM结构的例子。
图4传统LAN结构
图5ATM结构
虚拟局域网
在目前局域网环境中,工作站连接于特定设备的端口上,这样使该设备可用的功能与网络管理员在物理网络中为了安全性和资源存取所预定义的内容相一致。
如果用户位置发生变化,网络管理员必须为新的物理端口指派与用户要求匹配的特性。
因为亲近分组经常作为管理网络的一种手段,所以当工作组重新组织时,用户必须重新分配至不同的物理端口。
在传统的局域网中,如果全部或部分亲近组移至不同的大楼中,网络管理员可能不得不对主干设备(过滤表或大楼间虚连接)作出物理修改以保持先前的能力。
ATM中实现的虚拟局域网允许用户属于几个虚拟局域网亲近组,并且无论用户物理上处在网络的什么地方,都能共享公共服务。
参见图6的虚拟局域网结构的例子。
在虚拟局域网环境中,与谁一起工作比在哪里工作更为重要。
当终端站点使用局域网仿真时,由局域网仿真配置服务器自动地指派到虚拟局域网。
局域网仿真不管用户的物理位置,保证指派到同一虚拟局域网中。
因为虚拟局域网不需要网络管理员的干预,也不需要技术人员打开和指派局域网端口,所以对频繁移动的环境而言,虚拟局域网可能是节省费用的主要来源。
参见图7的LAN-TO-ATM映射的例子。
图6VLAN结构图
图7LAN-to-ATM映射概念
网络存取控制
局域网从其诞生起,设计者和网络管理员就一直努力寻找一种只能被授权用户访问的方法。
共享介质局域网使用智能HUB,按授权用户表检查MAC地址。
当发生侵犯时,发送报警并关闭发生侵犯的端口。
这一方法保护了端口,但没有真正控制对局域网的存取。
由于Token-Ring和以太网交换机设计时,主要保证其性能,所以不能非常有效地执行地址检查。
大多数实现使用某种形式的MAC地址帧过滤。
在无连接协议中,对每一帧都必须执行这种过滤,显然性能会大大降低。
另一方面,ATM固有的特点直接保护网络不被非授权用户存取。
ATM面向连接协议要求在任何连接建立之前,必须先处理呼叫。
所以实现按授权记录来检查连接请求是件简单的是事。
因为局域网仿真服务器会对过去遗留的应用程序建立连接,所以ATM的这一能力能容易地扩展至过去遗留的应用程序。
如果注册被拒绝,则发送报警,并且站点不允许使用网络。
由于端口不被关闭,所以网络性能不会降低。
另外,如果需要,ATM允许实现其它的安全措施。
比较表(小结)
特性
ATM
交换式以太网或TokenRingATM
ATM客户利益
带宽
25.6Mbps至1.2 Gbps,全双工
4,10,16,或100Mbps独占端口的站点能以全双工的模式运行
能够同时处理多视频流和文件传输
主干存取
从本地交换机至主干的多上行链路能力
单服务器多端口连接能力
单上行链路
单服务器单链路
当用户的带宽要求变高时,ATM提供渐增式容量调整
较高可用性
服务质量
ABR(每VC)
CBR(每VC)
VBR(每VC)
UBR(每VC)
只有UBR(只在链接时)
高质量的视频和音频会话,同时还能进行文件传输
流控制
端对端,每会话
无--每交换机间的链接是共享资源
带有流控制背压机制的ABR使网络资源的使用率达到最高
多点广播
ATM交换机基本能力
无
提供视频分布和会议的基础
延迟
任何速度都小于30微秒
固定延迟以及呼叫建立时可设置过滤器
从40微秒至100微秒以上的可变延迟
100Mbps至100-Mbps存储转发要求
关键功能或实时应用程序,如视频会议
存取控制
面向连接协议:
传输前站点必须建立呼叫
站点必须向交换机注册
交换机能按预定义列表检查注册和否定存取,而不影响交换机性能
任意连接AnytoAny,无地址检查
存取过滤减低性能
有效的网络控制需要在微段化局域网中使用智能型Hub
较低运行成本
较高可用性
存取与物理位置无关
虚拟局域网
允许亲近分组
逻辑实现与物理连接无关
虚拟局域网分配不受物理端口限制
虚拟局域网分配受具体交换机上物理端口的限制;变化时需做交换机级的修改
个人移动的灵活性
较低的运行成本
结论和策略指导
下表试图为桌面和主干局域网环境提供一些指导。
这些表总结了本文的主要观点,可作为选择不同方案时的评价依据。
我们力图指出每种技术的优点和缺点,并给出我们的看法。
前二张表对传统的和新的桌面交换策略作一评价。
第三张有关主干的交换策略。
由于将传统主干解决方法用于新的或成熟的网络环境不是一种有远见的做法#?
所以这里我们没有给出有关的表。
传统型桌面策略
技术
优点
缺点
小结
共享局域网
成熟技术
小型机构的成本较低
不适合声音,视频和多媒体
局域网扩大,复杂性增加
可用带宽取决于用户数量
适合静态的,遗留的应用程序环境
非常便宜--可选线缆范围大
快速局域网
带宽大大增加
能够连接较慢速的网段
需要新的适配器
不适合声音,视频和多媒体
速度受限
需要重新检查布线(5类UTP可能不能工作)
寿命比共享局域网好一点
新的交换式桌面策略
技术
优点
缺点
小结
交换式局域网
使用现有适配器
每工作站4至16Mbps的可能带宽
独占连接的站点能以全双工模式运行
有连接AMT主干的上行链路
站点专线连接时,可用于某些多媒体应用程序。
但对于公共服务器,是低效的。
消除了一些网桥和路由器,因而较易管理
保护现有共享型局域网Hub和集中器的投资
不分级别
无流控制
无服务质量
强大的工作组更换过渡方案。
不会处理同步应用
适合通过现有局域的网段化来逐步升级
ATM
非常高的带宽,具有通向服务器的专门路径
降低网络复杂性
由于VLAN的特性,较易管理
可与交换式局域网和快速局域网成本竞争
对将来迫切要求高带宽,或使用声音,视频,或多媒体的应用程序非常优秀
能够同时处理多视频流和文件传输
支持所有基于标准的布线系统
所有站点和交换机都需要新的适配器,操作系统需要设备驱动程序
由于其简单,易于和操作,可用带宽,以及每用户总体较低的成本,所以是桌面的策略性选择
交换式主干策略
技术
优点
缺点
小结
交换式局域网(主干)
一种优秀的折叠式主干方案-现有共享型局域网微段化
消除了一些网桥和路由器,因而较易管理
有连接ATM主干的上
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