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一種基於KPLS算法的OpenFlow交換機性能參數測量方法與流程

2023-09-22 11:07:30 3

本發明涉及一種交換機性能參數測量方法,尤其是一種針對OpenFlow交換機的性能參數測量方法。
背景技術:
::從網際網路誕生到現在,已經從一個學術網絡發展成為影響我們生活、生產、消費、娛樂的龐大體系,已經成為社會發展中的核心推動力之一。然而,技術的發展使得當前的網絡架構的問題逐漸暴露出來,需要更新技術來應對這些挑戰。為應對現有的網絡結構的缺陷,未來網絡應運而生,其中SDN(softwaredefinednetwork)是未來網絡的重要發展方向,SDN旨在實現網絡互聯和網絡行為的定義和開放式接口,從而支持各種新型網絡體系機構和新型業務的創新。OpenFlow技術作為SDN的實現,由軟體驅動的中央控制節點來自動化控制整個網絡,簡化網絡的配置模式,增加網絡趨勢的開放性,已經成為GENI、FINE等各國未來網絡項目的基礎。Openflow作為SDN的原型提出時,主要有OpenFlow交換機、控制器兩部分組成。OpenFlow交換機負責數據轉發功能,主要有流表(flowtable)、安全信道(securechannel)和OpenFlow協議(OpenFlowprotocol)。OpenFlow交換機的實現方式主要有基於硬體的OpenFlow交換機以及基於軟體運行的OpenFlow交換機。控制器中,網絡作業系統(NetworkoperatingSystem)實現控制邏輯功能,NOX是OpenFlow網絡中對網絡實現可編程控制的中央執行單元。在基於NOX的OpenFlow網絡中,NOX是控制核心,OpenFlow通過維護網絡視圖(NetworkView)來維護整個網絡的基本信息,運行在NOX上的應用程式通過調用網絡視圖中的全局數據,進而操作OpenFlow交換機來對整個網絡進行管理和控制。OpenFlow交換機是研究管控分離架構和部署中小型試驗網絡的關鍵設備,交換機的性能是部署試驗網絡和評價SDN網絡的關鍵因素之一。然而目前多數對於OpenFlow的研究主要有以下部分:(1)SDN轉發平面的設計問題;(2)控制平面的可擴展性問題;(3)SDN控制邏輯的一致性問題;(4)研究如何提高數據平面的性能;(5)建模問題。若要實現對未來網絡的性能評估,性能模型就成為必須要研究實現的課題,然而當前主流的檢測儀表並無相關功能,已經在技術上限制了對未來網絡更深層次的研究。因此,需要一種能夠對未來網絡關鍵性能參數進行測量的方法以解決上述問題。技術實現要素:本發明的目的在於提供一種能夠對未來網絡關鍵性能參數進行測量的方法。本發明的技術方案:一種基於KPLS算法的OpenFlow交換機性能參數測量方法,包括如下步驟:步驟1,依次改變壓力流量、報文分組長度、報文分組數量以及TCP/UDP報文格式中的一個參數,而保持其餘參數固定不變,從而獲取KPLS算法所需的建模樣本集,包括吞吐量集合、時延集合以及丟包率集合;步驟2,根據獲得的建模集建立OpenFlow交換機關鍵性能參數的KPLS模型;步驟3,獲取OpenFlow交換機當前的測試數據;步驟4,帶入測試數據至KPLS模型,計算當前OpenFlow交換機的關鍵性能參數,包括吞吐量、時延以及丟包率。採用實時數據建立KPLS模型對OpenFlow交換機的關鍵性能參數進行計算,具有較高的準確性和實時性,而且避免硬體檢測對網絡造成衝擊,獲得的參數失真的問題;無需硬體投入,為未來網絡試驗臺性能測試及模型提供了一種適應性廣泛的技術解決方案。作為本發明的進一步限定方案,步驟1中,獲取KPLS算法所需的建模樣本集的具體步驟為:步驟1.1,固定其餘參數不變,改變發送壓力x1共N1次,獲得不同壓力流量下的性能主要參數,由流量發生器向OpenFlow交換機發送報文分組長度為x3Byte、傳輸中的分組數量為x4的TCP/UDP報文x2,持續時間為S秒,OpenFlow交換機在接收到TCP/UDP報文x2後根據預先插入的流量表規則向信號接收器轉發TCP/UDP報文x2,同時測當前的性能主要參數吞吐量Throughput1、時延Timedelay1以及丟包率Lossrate1,得到的樣本集為X1={x1,x2,x3,x4},Y1={Throughput1,Timedelay1,Lossrate1},其中:x1=(x11,x12,...,x1N1)T]]>x2=(x21,x22,...,x2N1)T]]>x3=(x31,x32,...,x3N1)T]]>x4=(x41,x42,...,x4N1)T]]>Throughput1=(Throughput11,Throughput12,...,Throughput1N1)T]]>Timedelay1=(Timedelay11,Timedelay12,...,Timedelay1N1)T]]>Lossrate1=(Lossrate11,Lossrate12,...,Lossrate1N1)T;]]>步驟1.2,固定其餘參數不變,改變發送報文分組長度x3共N2次,獲得不同分組長度下的性能主要參數,由流量發生器向OpenFlow交換機發送壓力x1Mbit/s、傳輸中的分組數量為x4的TCP/UDP報文x2,持續時間為S秒,OpenFlow交換機在接收到TCP/UDP報文x2後根據預先插入的流量表規則向信號接收器轉發TCP/UDP報文x2,同時測當前的性能主要參數吞吐量Throughput2、時延Timedelay2以及丟包率Lossrate2,得到樣本集為X2={x1,x2,x3},Y2={Throughput2,Timedelay2,Lossrate2},其中:x1=(x11,x12,...,x1N2)T]]>x2=(x21,x22,...,x2N2)T]]>x3=(x31,x32,...,x3N2)T]]>x4=(x41,x42,...,x4N2)T]]>Throughput2=(Throughput21,Throughput22,...,Throughput2N2)T]]>Timedelay2=(Timedelay21,Timedelay22,...,Timedelay2N2)T]]>Lossrate2=(Lossrate21,Lossrate22,...,Lossrate2N2)T;]]>步驟1.3,固定其餘參數不變,改變傳輸中的報文分組數量x4共N3次,獲得不同傳輸中的報文分組數量下的性能主要參數,由流量發生器向OpenFlow交換機發送壓力x1Mbit/s、發送報文分組長度為x3Byte的TCP/UDP報文x2,持續時間為S秒,OpenFlow交換機在接收到TCP/UDP報文x2後根據預先插入的流量表規則向信號接收器轉發TCP/UDP報文x2,同時檢測當前的性能主要參數吞吐量Throughput3、時延Timedelay3以及丟包率Lossrate3,得到樣本集為X3={x1,x2,x3},Y3={Throughput3,Timedelay3,Lossrate3},其中:x1=(x11,x12,...,x1N3)T]]>x2=(x21,x22,...,x2N3)T]]>x3=(x31,x32,...,x3N3)T]]>x4=(x41,x42,...,x4N3)T]]>Throughput3=(Throughput21,Throughput22,...,Throughput2N3)T]]>Timedelay3=(Timedelay21,Timedelay22,...,Timedelay2N3)T]]>Lossrate3=(Lossrate21,Lossrate22,...,Lossrate2N3)T;]]>步驟1.4,固定其餘參數不變,改變TCP/UDP報文x2共N4次,獲得發送壓力x1Mbit/s遞增情況下TCP/UDP格式不同的性能主要參數,由流量發生器向OpenFlow交換機發送分組長度為x3Byte、傳輸中的分組數量為x4的TCP/UDP報文x2,持續時間為S秒,OpenFlow交換機在接收到TCP/UDP報文x2後根據預先插入的流量表規則向信號接收器轉發TCP/UDP報文x2,同時通過檢測設備檢測當前的性能主要參數吞吐量Throughput4、時延Timedelay4以及丟包率Lossrate4,得到樣本集為X4={x1,x2,x3,x4},Y4={Throughput4,Timedelay4,Lossrate4},其中:x1=(x11,x12,...,x1N4)T]]>x2=(x21,x22,...,x2N4)T]]>x3=(x31,x32,...,x3N4)T]]>x4=(x41,x42,...,x4N4)T]]>Throughput4=(Throughput41,Throughput42,...,Throughput4N4)T]]>Timedelay4=(Timedelay41,Timedelay42,...,Timedelay4N4)T]]>Lossrate4=(Lossrate41,Lossrate42,...,Lossrate4N4)T;]]>步驟1.5,進一步獲得建模樣本集{X,Y}={(X1,X2,X3,X4)T,(Y1,Y2,Y3,Y4)T}。作為本發明的進一步限定方案,步驟2中,建立OpenFlow交換機關鍵性能參數的KPLS模型的具體步驟為:步驟2.1,根據建模樣本集{X,Y}建立回歸方程為:x=HPT+EY=HQ+R]]>式中,自變量X={x1,x2,…,xp}n×p,n為樣本數,p為自變量個數,H為得分矩陣,P為H的載荷矩陣,Q為因變量Y關於H的回歸係數向量,E和R為殘差;步驟2.2,建立Y與X的偏最小二乘回歸模型為:Y=XB+R式中,B為偏最小二乘回歸係數向量;步驟2.3,記K=XXT,K∈Rn×n,則K的中心化矩陣為:K~=(I-1n1n1nT)K(I-1n1n1nT)]]>式中,I為n維單位陣,1n為n×1的全1陣;步驟2.4,建立KPLS模型為:Y^t=K~tU(HTK~U)-1HTY]]>式中,Kt=XtXT,U和H為得分矩陣,由KPLS迭代回歸獲得,Xt為當前的測試數據。作為本發明的進一步限定方案,步驟3中,獲取OpenFlow交換機當前的測試數據的具體步驟為:步驟3.1,獲取當前未來網絡的壓力x1Mbit/s以及報文形式x2;步驟3.2,獲取當前網絡的報文分組長度x3;步驟3.3,獲取當前網絡的傳輸中的報文數量x4;步驟3.4,利用步驟3.1-3.3獲得的數據組成Xt。作為本發明的進一步限定方案,x2=0表示為TCP報文格式,x2=1表示為UDP報文格式。本發明的有益效果在於:(1)採用實時數據建立KPLS模型對OpenFlow交換機的關鍵性能參數進行計算,具有較高的準確性和實時性,而且避免硬體檢測對網絡造成衝擊,獲得的參數失真的問題;(2)無需硬體投入,為未來網絡試驗臺性能測試及模型提供了一種適應性廣泛的技術解決方案。附圖說明圖1為本發明的方法流程圖;圖2為本發明的壓力流量對OpenFlow交換機吞吐量和丟包率性能的影響曲線圖;圖3為本發明的壓力流量對OpenFlow交換機時延性能的影響曲線圖;圖4為本發明的報文分組長度對OpenFlow交換機吞吐量和丟包率性能的影響曲線圖;圖5為本發明的報文分組長度對OpenFlow交換機時延性能的影響曲線圖;圖6為本發明傳輸中的報文數量對OpenFlow交換機吞吐量和丟包率性能的影響曲線圖;圖7為本發明傳輸中的報文數量對OpenFlow交換機時延性能的影響曲線圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例,進一步闡明本發明,應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍,在閱讀了本發明之後,本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。本發明待測試的OpenFlow交換機處於流量發生器與流量接收器的閉合環路並與控制器直接相連。測量時採用的是基於Linux平臺下的OpenFlow的軟體交換機,交換機中存在著一個線性表和兩個Hash表。OpenFlow交換機實驗方法及其規律:根據實驗及理論分析,得知OpenFlow交換機性能主要與以下因素相關:壓力流量、報文分組長度大小、報文格式、傳輸中的包數量、CPU性能、SDN版本等。其中,當網絡架設好以後,CPU、OpenFlow版本不可更改,因此CPU性能、SDN版本號為不可控因素。如圖2和3為壓力流量對OpenFlow交換機性能的影響,其求解過程為:固定其餘參數不變,改變壓力流量N1次,獲得不同壓力流量下的性能主要參數,由流量發生器向OpenFlow交換機發送分組長度為x3Byte、傳輸中的分組數量為x4的TCP/UDP(x2)報文,持續時間為60s,OpenFlow交換機在接收到TCP報文後根據預先插入的流量表規則向信號接收器轉發TCP報文。同時通過檢測設備檢測當前的性能主要參數吞吐量Throughput1、時延Timedelay1、丟包率Lossrate1;實驗結果如圖2所示。從圖2可知,隨著壓力流量的增長,吞吐量也隨之增長,直至臨界點,超過臨界壓力後,吞吐量不再增加,時延、丟包率迅速增長。如圖4和5為報文分組長度對OpenFlow交換機性能的影響,其求解過程為:固定其餘參數不變,改變報文分組長度N2次,獲得不同分組長度下的性能主要參數,由流量發生器向OpenFlow交換機發送壓力x1Mbit/s,傳輸中的分組數量為x4的TCP/UDP(x2)報文,持續時間為60s,OpenFlow交換機在接收到TCP報文後根據預先插入的流量表規則向信號接收器轉發TCP/UDP報文。同時通過檢測設備檢測當前的性能主要參數吞吐量Throughput2、時延Timedelay2、丟包率Lossrate2。實驗結果如圖3所示。從圖3可以得知,隨著報文分組長度的變化,OpenFlow交換機的吞吐量逐漸增大。同時,當負載流量不變時,分組越小必然導致分組到達率越高,分組到達率越高,就會對OpenFlow交換機CPU產生更大的負載,因此,其丟包率較大,在分組長度到一定數值後,其丟包率降到最低,其後,丟包率又會上升,並穩定在一定數值上。如圖6和7為傳輸中的報文數量對OpenFlow交換機性能的影響,其求解過程為:固定其餘參數不變,改變傳輸中的報文分組數量N3次,獲得不同傳輸中的報文分組數量下的性能主要參數,方法如下:流量發生器向OpenFlow交換機發送壓力x1Mbit/s,分組長度為x3Byte的TCP/UDP(x2)報文,持續時間為60s,OpenFlow交換機在接收到TCP報文後根據預先插入的流量表規則向信號接收器轉發TCP/UDP報文。同時通過檢測設備檢測當前的性能主要參數吞吐量Throughput3、時延Timedelay3、丟包率Lossrate3;實驗結果如圖4所示,從圖4可以得出,隨著傳輸中的報文數量的變化,吞吐量迅速下降,丟包率、時延增長,當傳輸中的報文數量到達一定程度以後,時延穩定在一定數值不再增加。如圖1所示,本發明提供了一種基於KPLS算法的OpenFlow交換機性能參數測量方法,包括如下步驟:步驟1,依次改變壓力流量、報文分組長度、報文分組數量以及TCP/UDP報文格式中的一個參數,而保持其餘參數固定不變,從而獲取KPLS算法所需的建模樣本集,包括吞吐量集合、時延集合以及丟包率集合;步驟2,根據獲得的建模集建立OpenFlow交換機關鍵性能參數的KPLS模型;步驟3,獲取OpenFlow交換機當前的測試數據;步驟4,帶入測試數據至KPLS模型,計算當前OpenFlow交換機的關鍵性能參數,包括吞吐量、時延以及丟包率。其中,步驟1中,獲取KPLS算法所需的建模樣本集的具體步驟為:步驟1.1,固定其餘參數不變,改變發送壓力x1共N1次,獲得不同壓力流量下的性能主要參數,由流量發生器向OpenFlow交換機發送報文分組長度為x3Byte、傳輸中的分組數量為x4的TCP/UDP報文x2,持續時間為60秒,OpenFlow交換機在接收到TCP/UDP報文x2後根據預先插入的流量表規則向信號接收器轉發TCP/UDP報文x2,同時測當前的性能主要參數吞吐量Throughput1、時延Timedelay1以及丟包率Lossrate1,得到的樣本集為X1={x1,x2,x3,x4},Y1={Throughput1,Timedelay1,Lossrate1},其中:x1=(x11,x12,...,x1N1)T]]>x2=(x21,x22,...,x2N1)T]]>x3=(x31,x32,...,x3N1)T]]>x4=(x41,x42,...,x4N1)T]]>Throughput1=(Throughput11,Throughput12,...,Throughput1N1)T]]>Timedelay1=(Timedelay11,Timedelay12,...,Timedelay1N1)T]]>Lossrate1=(Lossrate11,Lossrate12,...,Lossrate1N1)T;]]>步驟1.2,固定其餘參數不變,改變發送報文分組長度x3共N2次,獲得不同分組長度下的性能主要參數,由流量發生器向OpenFlow交換機發送壓力x1Mbit/s、傳輸中的分組數量為x4的TCP/UDP報文x2,持續時間為60秒,OpenFlow交換機在接收到TCP/UDP報文x2後根據預先插入的流量表規則向信號接收器轉發TCP/UDP報文x2,同時測當前的性能主要參數吞吐量Throughput2、時延Timedelay2以及丟包率Lossrate2,得到樣本集為x2={x1,x2,x3},Y2={Throughput2,Timedelay2,Lossrate2},其中:x1=(x11,x12,...,x1N2)T]]>x2=(x21,x22,...,x2N2)T]]>x3=(x31,x32,...,x3N2)T]]>x4=(x41,x42,...,x4N2)T]]>Throughput2=(Throughput21,Throughput22,...,Throughput2N2)T]]>Timedelay2=(Timedelay21,Timedelay22,...,Timedelay2N2)T]]>Lossrate2=(Lossrate21,Lossrate22,...,Lossrate2N2)T;]]>步驟1.3,固定其餘參數不變,改變傳輸中的報文分組數量x4共N3次,獲得不同傳輸中的報文分組數量下的性能主要參數,由流量發生器向OpenFlow交換機發送壓力x1Mbit/s、發送報文分組長度為x3Byte的TCP/UDP報文x2,持續時間為60秒,OpenFlow交換機在接收到TCP/UDP報文x2後根據預先插入的流量表規則向信號接收器轉發TCP/UDP報文x2,同時檢測當前的性能主要參數吞吐量Throughput3、時延Timedelay3以及丟包率Lossrate3,得到樣本集為X3={x1,x2,x3},Y3={Throughput3,Timedelay3,Lossrate3},其中:x1=(x11,x12,...,x1N3)T]]>x2=(x21,x22,...,x2N3)T]]>x3=(x31,x32,...,x3N3)T]]>x4=(x41,x42,...,x4N3)T]]>Throughput3=(Throughput21,Throughput22,...,Throughput2N3)T]]>Timedelay3=(Timedelay21,Timedelay22,...,Timedelay2N3)T]]>Lossrate3=(Lossrate21,Lossrate22,...,Lossrate2N3)T;]]>步驟1.4,固定其餘參數不變,改變TCP/UDP報文x2共N4次,獲得發送壓力x1Mbit/s遞增情況下TCP/UDP格式不同的性能主要參數,由流量發生器向OpenFlow交換機發送分組長度為x3Byte、傳輸中的分組數量為x4的TCP/UDP報文x2,持續時間為60秒,OpenFlow交換機在接收到TCP/UDP報文x2後根據預先插入的流量表規則向信號接收器轉發TCP/UDP報文x2,同時通過檢測設備檢測當前的性能主要參數吞吐量Throughput4、時延Timedelay4以及丟包率Lossrate4,得到樣本集為X4={x1,x2,x3,x4},Y4={Throughput4,Timedelay4,Lossrate4},其中:x1=(x11,x12,...,x1N4)T]]>x2=(x21,x22,...,x2N4)T]]>x3=(x31,x32,...,x3N4)T]]>x4=(x41,x42,...,x4N4)T]]>Throughput4=(Throughput41,Throughput42,...,Throughput4N4)T]]>Timedelay4=(Timedelay41,Timedelay42,...,Timedelay4N4)T]]>Lossrate4=(Lossrate41,Lossrate42,...,Lossrate4N4)T;]]>步驟1.5,進一步獲得建模樣本集{X,Y}={X1,X2,X3,X4)T,(Y1,Y2,Y2,Y4)T}。步驟2中,建立OpenFlow交換機關鍵性能參數的KPLS模型的具體步驟為:步驟2.1,根據建模樣本集{X,Y}建立回歸方程為:X=TPT+EY=TQ+R]]>式中,自變量X={x1,x2,…,xp}n×x,n為樣本數,p為自變量個數,H為得分矩陣,P為H的載荷矩陣,Q為因變量Y關於H的回歸係數向量,E和R為殘差;步驟2.2,建立Y與X的偏最小二乘回歸模型為:Y=XB+R式中,B為偏最小二乘回歸係數向量;步驟2.3,記K=XXT,K∈Rn×n,則K的中心化矩陣為:K~=(I-1n1n1nT)K(I-1n1n1nT)]]>式中,I為n維單位陣,1n為n×1的全1陣;步驟2.4,建立KPLS模型為:Y^t=K~tU(HTK~U)-1HTY]]>式中,Kt=XtXT,U和H為得分矩陣,由KPLS迭代回歸獲得,Xt為當前的測試數據。由KPLS迭代回歸獲得U和H為得分矩陣的具體步驟為:Step1.隨機初始化向量u;Step2.h←h/||h||;Step3.c=YTh;Step4.u=Yc,u←u/||u||;Step5.重複2-4,直至各向量收斂;Step6.Y←Y-hhTY;重複Step1-Step6,直至獲得p個所期望提取得分向量,將p個得分向量u和h組合成n×p的得分矩陣U,H。步驟3中,獲取OpenFlow交換機當前的測試數據的具體步驟為:步驟3.1,獲取當前未來網絡的壓力x1Mbit/s以及報文形式x2,x2=0表示為TCP報文格式,x2=1表示為UDP報文格式;步驟3.2,獲取當前網絡的報文分組長度x3;步驟3.3,獲取當前網絡的傳輸中的報文數量x4;步驟3.4,利用步驟3.1-3.3獲得的數據組成Xt。本發明使用了FLUKE公司ETHERSCOPEII型網絡測試儀產生數據流滿足高速、真實的數據流要求,OpenFlow交換機處於流量發生器與流量接收器的閉合環路並與控制器直接相連。進行網絡測試的網絡結構如圖2所示。試驗採用的是基於Linux平臺下的OpenFlow1.0.0版本的軟體交換機,在該版本的交換機中存在著一個線性表和兩個Hash表,其中線性表的流表項為100,每個Hash表的流表項容量為64K,在測試吞吐量的試驗中,為了反映出OpenFlow交換機在最大壓力下的性能,OpenFlow交換機最大長度為100的線性流和128K的哈希流表在進行吞吐量試驗之前被全部填滿,從而保證了分組到達OpenFlow交換機後直接查詢流表並按照規則轉發,而無需向NOX控制器請求。Step1.通過未來網絡硬體檢測設備直接獲取當前未來網絡的壓力x1=480Mbit/s以及報文形式為x2=1的UDP報文格式;Step2.選擇當前網絡的報文分組長度x3=1240Byte;Step3.獲取當前網絡的傳輸中的報文數量x4=210;對於Step1-Step3獲得的數據,組成Xt。OpenFlow交換機關鍵性能參數的KPLS模型為:Y^t=K~tU(HTK~U)-1HTY]]>式中,Kt=XtXT,U和H為得分矩陣,由KPLS迭代回歸獲得,Xt為當前的測試數據。參數的獲取通過以下步驟獲得:樣本集{X,Y}={X1,X2,X3,X4)T,(Y1,Y2,Y2,Y4)T},則回歸方程可以表示如下:X=TPT+EY=TQ+R]]>式中:自變量X={x1,x2,…,xp}n×p,n為樣本數,p為自變量個數,T為得分矩陣,P為T的載荷矩陣;Q為因變量Y關於T的回歸係數向量;E和R為殘差。Y與X的偏最小二乘回歸模型為:Y=XB+R式中B為偏最小二乘回歸係數向量。Step6:基於KPLS算法的OpenFlow交換機性能關鍵參數算法如下:記K=XXT,K∈Rn×n,K的中心化矩陣為:K~=(I-1n1n1nT)K(I-1n1n1nT)]]>其中:I-n維單位陣,1n-n×1的全1陣。KPLS迭代回歸方法如下:Step1.隨機初始化向量u;Step2.Step3.c=YTh;Step4.u=Yc,u←u/||u||;Step5.重複2-4,直至各向量收斂;Step6.Y←Y-hhTY;重複Step1-Step6,直至獲得p個所期望提取得分向量,將p個得分向量u和h組合成n×p的得分矩陣U,H。最終該參數下的OpenFlow交換機關鍵參數為:吞吐量為276Mbit/s,時延0.17s,丟包率為28%。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp

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