CN104221328B - 分布式需求矩阵计算 - Google Patents

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CN104221328B CN201380018940.7A CN201380018940A CN104221328B CN 104221328 B CN104221328 B CN 104221328B CN 201380018940 A CN201380018940 A CN 201380018940A CN 104221328 B CN104221328 B CN 104221328B
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Abstract

在一个实施例中，一种方法包括在第一网络设备处接收分组、将分组记录到与需求矩阵的单元相对应的需求中、以及将需求存储在第一网络设备处的需求数据库中。需求数据库包括多个需求，这些需求是针对指定时间周期计算得出的并且同与在第一网络设备处进入网络的流量相关联的需求矩阵的单元相对应。同与在第二网络设备处进入网络的流量相关联的需求矩阵的单元相对应的需求在该第二网络设备处被计算和存储。本文还公开了一种装置和一种逻辑。

Description

分布式需求矩阵计算
相关申请的声明
本申请要求于2012年4月9日提交的、名称为“NETWORK AVAILABILITY ANALYTICS(网络可用性分析)”的美国临时申请号61/621,811(代理案号CISP1224+)的权益。该临时申请的内容通过引用以其整体合并于此。
技术领域
本公开一般涉及通信网络，并且更具体地，涉及计算流量(traffic)需求矩阵。
背景技术
流量矩阵(也称为需求矩阵或流量需求矩阵)描述进入、穿过和离开网络的流量流。每个需求是标识在一点处进入网络并在另一点处离开网络的流量的单一流量矩阵条目。虽然流量矩阵对网络运营商是必不可少的，但这些流量矩阵常常有精度问题。
附图说明
图1示出了本文描述的实施例可以在其中实现的网络的示例。
图2示出了用于实施本文描述的实施例的网络设备的示例。
图3是根据一个实施例的、示出了用于计算分布式需求矩阵的过程的概览的流程图。
贯穿附图的若干视图对应的参考字符表示对应的部分。
具体实施方式
概览
在一个实施例中，一种方法通常包括：在第一网络设备处接收分组、将分组记录到与需求矩阵的单元相对应的需求中，以及将该需求存储在第一网络设备处的需求数据库中。需求数据库包括多个需求，这些需求是针对指定时间周期计算得出的并且同与在第一网络设备处进入网络的流量相关联的需求矩阵的单元相对应。同与在第二网络设备处进入网络的流量相关联的需求矩阵的单元相对应的需求在该第二网络设备处被计算和存储。
在另一实施例中，一种装置通常包括：处理器，其用于将接收到的分组记录到与需求矩阵的单元相对应的需求中和将该需求存储在需求数据库中。需求数据库包括多个需求，这些需求是针对指定时间周期计算得出的并且与在该装置处进入网络的流量相关联的需求矩阵的单元相对应。该装置进一步包括用于存储需求数据库的存储器。同与在网络设备处进入网络的流量相关联的需求矩阵的单元相对应的需求在该网络设备处被计算和存储。
在另一实施例中，一种逻辑被编码在一个或多个有形计算机可读介质上以供执行，当所述逻辑被执行时可操作来：将在网络设备处接收到的分组记录到与需求矩阵的单元相对应的需求中；将该需求存储在包括多个需求的需求数据库中，这些需求同与在该网络设备处进入网络的流量相关联的需求矩阵的单元相对应；接收同与在其它网络设备处进入网络的流量相关联的需求矩阵的单元相对应的需求；以及生成需求矩阵。
示例实施例
呈现下面的描述以使得本领域的普通技术人员能够制造和使用这些实施例。具体实施例和应用的描述仅作为示例提供，并且各种修改对本领域的技术人员将是显而易见的。在不脱离这些实施例的范围的情况下，本文描述的一般原则可以应用到其它应用中。因此，实施例不限于所展示的那些，而是给予与本文描述的原则和特征一致的最宽的范围。为清楚起见，没有详细地描述关于在与实施例有关的技术领域中已知的技术材料的细节。
需求通常被定义为在具体边缘节点处退出网络的所有分组。在N个边缘节点的网络中，需求矩阵由N^2个单元组成，比如[X，Y]，其表示在X处进入网络并在Y处退出网络的分组和字节的数目。需求能够进一步依据起源AS(Autonomous System，自治系统)、邻近入口AS、邻近出口AS、目的地AS、在收集路由器处的传入接口、DSCP(Differentiated ServicesCode Point，差分服务代码点)类等等来被定义。
用来生成流量矩阵的传统技术的缺点是基于网络流量流收集器的集中解决方案的不良缩放，其中路由器收集流信息和输出原始或聚合数据。用于流量监测的网络流量流收集软件(例如，NetFlow)或硬件流量探头能够围绕网络周边安装以提供详细的流量矩阵信息。然而，纯粹基于NerFlow或硬件探测的方法不适合所有网络运营商。除处理来自他们的路由器客户端的所有NetFlow记录之外，收集器还需要维护每个单独的路由器客户端的专用BGP(Border Gateway Protocol，边界网关协议)表。
常规系统需要从PE(provider edge，提供商边缘)到PE的全网状TE(TrafficEngineering，流量工程)隧道(其不能很好地缩放并且招致高的成本)或集中网络流量流分析仪以连续不断地维护每个PE节点的单独的BGP表。另一问题是将异步流输出测量与网络广泛同步需求矩阵相关联的困难。将数据组合为单一需求矩阵能够是挑战性的，因为所收集的数据无法覆盖同一时间周期。聚集精确的、一致的、实时的和完整的测量数据的困难常常导致错误的需求矩阵。
这里描述的实施例能够用于生成精确的需求矩阵而无需集中式计算。实施例提供可缩放的、轻量级的、永远开启的、精确的解决方案以导出需求矩阵。如下面所详细描述的，每个参与的分布式需求矩阵(DDM)路由器使用会计技术以导出需求矩阵的局部元素。边缘路由器计算它们的需求矩阵的份额，从而计算工作被分布到每个路由器。分布式工作量提供可伸缩性的益处。精度通过严格的核算来提供。另外，没有必要在集中收集器上模拟每个单独的路由器的BGP视图(这容易出错)。计时规则确保给定需求矩阵的所有单元与同一时间周期相关。在另一实施例中，DDM路由器公布它们的需求矩阵的局部元素，以使得所有路由器有完整的需求矩阵。通过向路由器提供关于拓扑和全局流量而不是拓扑和局部流量的信息，在流量工程、弹性和敏捷IP/光学拓扑的空间中开启了新的可能性。
现在参照附图，并且首先参照图1，示出了本文描述的实施例可以再其中实现的网络15的示例。为简化起见，仅示出了少量节点。这些实施例在包括多个网络设备的数据通信网络的背景下运作。网络可以包括经由任意数量的节点进行通信的任意数量的网络设备(如路由器、交换机或其它网络设备)，其促进数据在网络内的传递。
图1的示例中示出的网络15包括四个通过链路12连接并且沿网络的边缘布置的网络设备10(A、B、C、D)。网络设备10可以是路由器或被配置为执行路由功能的其它网络设备。路由器10例如可以沿服务提供商网络或任何其它网络的边缘布置。每个边缘设备10可以与一个或多个自治系统(AS)、客户网络、数据中心或任何其它网络或网络设备进行通信。路由器10是围绕网络15的周边的一部分，其包括所有提供商边缘路由器、聚合路由器、宽带路由器或形成围绕网络的连续周边的其它路由器。
需求代表网络15中的任何两个边缘设备10之间的流量流。整个网络中可以有任意数量的的流量流。需求矩阵(流量矩阵、流量需求矩阵)描述在网络边缘处的流的聚合。需求是与网络中的源和目的地相关联的需求矩阵的单一元素(单元)。因此每个需求是需求矩阵中的标识在一点处进入网络并在另一点处离开网络的流量数量的单一条目。例如，流量可以在路由器A进入网络15并且沿路线穿过网络直到它到达路由器C，在此它离开网络。为了构造需求矩阵，收集关于所有流量和它怎样进入和退出网络的信息。流量度量被映射到单独的需求。
图1中示出的用于路由器的需求矩阵可以表述如下：
[[AA AB AC AD]
[BA BB BC BD]
[CA CB CC CD]
[DA DB DC DD]]
上面需求矩阵的每行包括与在一个边缘设备10处接收到的流量相对应的单元。例如，第一行包括与在路由器A处接收到的将在路由器A(AA)、路由器B(AB)、路由器C(AC)和路由器D(AD)离开网络的流量相对应的单元。同样地，第二行包括与在路由器B处接收到将在路由器A(BA)、路由器B(BB)、路由器C(BC)和路由器D(BD)离开网络的流量相对应的单元，并且第三和第四行分别包括与在路由器C和D处进入网络的流量相对应的单元。每个路由器10为需求矩阵计算它自己的行(局部需求)。来自每个路由器10的局部需求可以在一个或多个路由器或网络中的另一设备处被收集并且完整的需求矩阵被生成，如下所述。
每个DDM路由器10包括被配置为计算需求矩阵的所有[X，Y]单元的DDM模块14，其中X是DDM模块所在的路由器。每个DDM模块14也配置用于同步周期测量存档。这允许来自不同路由器10的分布式测量被合并。每个路由器10进一步包括由DDM模块14维护的需求数据库。来自每个线卡的DDM测量结果针对指定时间周期被存储在数据库中。数据库中的需求可以通过如容量规划应用或运行在集中服务器上的其它可操作的应用来检索以供使用。来自数据库的需求也可以公布给参与DDM过程的其它路由器10。
要理解的是图1中示出的网络和上面描述的仅是示例并且本文描述的实施例可以在含有任意数量或类型的网络设备或拓扑的网络中实现。例如，在边缘设备10之间，可能有位于网络内的任意数量的中间或核心节点。另外，每个边缘设备10可以与如在一个或多个自治系统(AS)中的任意数量的其它网络或网络设备进行通信。
图2示出了可用于实现本文描述的实施例的网络设备20(如路由器)的示例。在一个实施例中，网络设备20是可以在硬件、软件或它们的任何组合中实现的可编程机器。网络设备20包括一个或多个处理器22、存储器24、网络接口26和DDM模块14。
存储器24可以是易失性存储器或非易失性存储装置，其存储各种应用、操作系统、模块和数据以供处理器22执行和使用。例如，存储器24可以包括一个或多个在软件中实现的DDM组件、用于存储需求测量或需求矩阵的单元的需求数据库28，以及FIB(ForwardingInformation Base，转发信息库)29。DDM模块14可以包括存储在存储器24中的软件或代码。
逻辑可以被编码在一个或多个有形介质中以供处理器22执行。例如，处理器22可以执行存储在计算机可读介质(如存储器24)中的代码。计算机可读介质例如可以是电子的(如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)、磁的、光的(如CD、DVD)、电磁的、半导体技术或任何其它合适的介质。
网络接口26可以包括任意数量的接口(线卡、端口)用于接收数据或发送数据到其它设备。网络接口26例如可以包括用于连接到计算机或网络的以太网接口。
要理解的是在图2中示出并在上面描述的网络设备20仅是示例并且可以使用网络设备的不同配置。例如，网络设备20可以进一步包括可操作来促进本文描述的性能的硬件、软件、算法、处理器、设备、组件或元件的任何适当的组合。
图3是根据一个实施例的、示出了用于计算分布式需求矩阵的过程的概览的流程图。在步骤30处，第一网络设备(如图1中的路由器10)接收分组。路由器10将分组记录到与需求矩阵的单元相对应的需求中(步骤32)。例如，图1中的路由器A可以接收将在路由器B处离开网络的分组。该分组(分组计数、字节计数)被记录到与需求矩阵的单元AB相对应的需求中。针对指定的时间周期对需求进行计算并存储在需求数据库28中(步骤34)。在各自的网络设备处计算并存储与需求矩阵相对应的单元的需求，其中需求矩阵与在其它网络设备处进入网络的流量相关联。来自数据库28的需求可以被检索以供在管理站、集中服务器或其它网络设备处进行需求矩阵的计算。每个路由器10也可以向其它路由器公布来自它的数据库的需求，以使得每个路由器能够生成完整的需求矩阵。
在第一网络设备(如图1中的路由器A)处的数据库28包括多个需求，这些需求是针对第一时间周期(T1)计算和存储的并且同与在第一网络设备处进入网络的流量相关联的需求矩阵的单元相对应。例如，路由器A的需求数据库28包括对需求矩阵的单元AA、AB、AC和AD的需求(流量度量)。在时间周期T1对这些单元中的每个单元的需求进行周期性地计算和存储。在第二网络设备(如图1中的路由器B)处，在第二时间周期(T2)对同与在第二网络设备处进入网络的流量相关联的需求矩阵的单元相对应的需求进行计算和存储。例如，在时间周期T2将与单元BA、BB、BC和BD相对应的需求周期性地存储在路由器B处。
第一和第二时间周期中的一个最好是另一时间周期的倍数。例如，T1可以等于1xT2、2xT2、3xT2...等。在指定的时间周期需求也可以在图1中的路由器C和D处进行计算和存储。在每个边缘设备10处使用的所有的时间周期有公倍数。该定时规则使合并不同路由器的分布式测量结果成为可能，如下进一步描述的。
如上面所讨论的，DDM过程包括会计、同步周期测量存档、DDM数据库维护和DDM测量结果收集。下面详细地描述这些功能中的每个功能。
会计被分布到每个路由器10的每个线卡。当接受到分组时，线卡基于插入到每个前缀的基础上的FIB(Forwarding Information Base，转发信息库)结构的需求标记或者基于NetFlow聚合策略将分组记录到需求，其中，该需求标记允许精确的会计并且不需要除传统的FIB查找外的任何额外的功能，而这些NetFlow聚合策略由于性能原因则需要NetFlow处理和潜在地抽样。
插入到FIB的需求标记最好由路由器10自动计算。一个实施例操作来为每个IGP节点路由器ID分配一个需求标记。这追踪在每个远程位置处离开网络的分组和字节的数量。优选实施例涉及为每个元组分配标记，这些元组比如是在计数路由器处的进入接口、邻近入口AS、DSCP类、出口IGP节点和在出口路由器处的邻近AS。进一步求精包括为每个FIB条目分配多重需求标记。例如，第二标记可用于追踪最终目的地AS。这缩放地更好，因为它不需要在界定第一标记的元组中的进一步渐增的条目数。实施例可以在BGP路由过程中实现，其中它将每个BGP路径绑定到需求标记。所生成的标记然后与它们的相关路径一起被插入到FIB更新中。这能够视为BGP策略会计(BPA)过程的扩展，具有更高数量的标记、标记的自动化生成和每个BGP路径有多重标记的能力。
在一个实施例中，每个参与路由器10在路由处理器上运行DDM过程，该路由处理器平衡利用NTP(Network Time Protocol，网络时间协议)同步时钟。每个路由器可以被配置为在每个参照整点的时间周期T存档测量结果。T例如可以是1、2、3、5、6、10、12、20、30或60分钟。在一个示例中，如果路由器配置为T＝15分钟，在12h00、12h15、12h30、12h45、13h00、13h15...等它将对每个它的线卡的DDM单元测量结果进行存档。这简化了不同路由器的分布式测量结果的合并。
在一个示例中，图1中的所有四个路由器10在T＝15分钟下运行DDM。在此情况中，由路由器A在12h15收集的单元可以轻易地与同时收集的路由器B、C和D的单元合并以导出清晰的需求矩阵，其中所有单元与时间周期12h00-12h15相关。
该方案也允许路由器10存储在不同时间周期(如适应不同CPU性能或软件发布)的需求测量结果并且仍然使得易于重新合并为与良好定义和共同时间周期相关的全局需求矩阵。例如，路由器A可以以T＝5分钟的时间周期运行而其它路由器以T＝15分钟运行。需求矩阵仍能够以每15分钟导出，其中所有单元涉及相同的15分钟时间周期。例如，12h00-12h15的AC单元是12h00-12h05、12h05-12h10和12h10-12h15的AC单元的总和。
在一个实施例中，T仅限于1、2、3、5、6、10、12、20、30或60分钟以确保至少一个网络广泛需求矩阵能够以每60分钟被导出。也可以使用遵从相同的多样性原则的其它各种时间周期的集合。
为DDM配置的每个路由器10运行维护DDM数据库28的DDM过程。在一个实施例中，数据库28根据时间用每时间周期T的一个条目进行索引。在每个时间周期结束时，DDM过程从在路由器10处的每个线卡收集DDM测量结果并将这些值存储在该时间周期的在数据库条目中。
例如，如果路由器A以T＝15分钟运行，在12h30，路由器A的DDM过程收集局部DDM测量结果[AA、AB、AC、AD]并将这些测量结果插入到时间条目12h15-12h30下的局部DDM数据库中。这即使在非常大的服务提供商的尺度上仍缩放地非常好。例如，每15分钟5000对计数(字节计数、分组计数)，每天产生3.8兆字节。
上述的时序规则确保将不同单元重组为与特定时间周期相关的矩阵是简单的。虽然为了维护它的局部DDM数据库路由器能够以良好的周期性(T＝15分钟)操作，但它能够以更低的频率(如每60分钟)发送它的BGP DDM更新。上面所述的多重定时假设被平衡利用。
在一个示例中，这里描述的实施例与诸如容量规划或运行报告之类的应用一起使用。应用可以在集中服务器上运行并且因此需要通过拉模型检索DDM测量结果。在一个实施例中，使用了YANG数据模型并且平衡利用了NETCONG接入。YANG是用于建模由网络配置协议(NETCONF)、NETCONF远程过程调用和NETCONF通知操纵的状态数据和配置的数据建模语言。XML(Extensible Markup Language，可扩展标记语言)和XMPP(Extensible Messaging andPresence Protocol，可扩展通讯和表示协议)也可以被使用。
DDM实施例的另一用途是让参与DDM的每个路由器10认知其它路由器的测量结果。这提供了弹性、灵活的拓扑和流量工程。关于弹性，在传统的网络中，在不对通过链路的实际流量进行考虑的情况下完成保护链路的需要和对备用路径的选择。如果路由器有需求矩阵，路由器能够计算哪些需求流过它的链路以及哪些需要被保护，并且因此相应地选择不同的保护技术。例如，如果有针对99.99％的流量的LFA(Loop Free Alternate，无循环交替)但仅有针对82％的路径的LFA，则局部LFA覆盖可以被发现。使用分布式需求矩阵，路由器10能够基于压紧的的或受保护的实际流量计算弹性，而不仅是基于路径/拓扑结构。
通过平衡利用IP/光学集成，路由器有能力使波的添加自动化，比如提供更加灵活的IP拓扑(响应于需求矩阵变化)。只要路径没有需求矩阵的视图，决定逻辑就是不完备的。实施例提供了DDM信息用于与诸如GMPLS(Generalized Multi-Protocol LabelSwitching，通用多协议标签交换协议)UNI(User Network Interface，用户网络接口)集成和DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing，密集波分复用)敏捷性之类的工具一起使用。
在另一示例中，在头端网络设备处的需求矩阵的可用性提供工具以提高基于头端的计算的效率，因为它能够将其它头端的需要考虑在内。
在另一实施例中，BGP-LS扩展用于传播由每个DDM路由器测量的单元。每个路由器例如通过IETF draft-gredler-bgp-te-01(“Advertising Link-State Information inBGP(公布BGP中的链路状态信息)”，H.Gredler et a1.，2011年7月11日)的扩展公布这些需求，以使得所有路由器知道网络中的所有需求。例如，路由器A能够使用上述会计方案本地计算局部需求([A，A]，[A，B]，[A，C]和[A，D])。路由器A通过BGP更新使用该新扩展公布这四个单元。路由器B、C和D也公布它们的DDM信息。因此，所有四个路由器(A、B、C、D)认知需求矩阵的十六个单元(本地的四个和通过BGP公告的十二个)。第三方应用能够收听这些BGP更新并且动态地认知需求矩阵及其整天的演变。BGP分布扩展作为API(ApplicationProgramming Interface，应用编程接口)进入到分布式需求矩阵计算机制中。
尽管已经根据示出的实施例描述了方法和装置，本领域的普通技术人员将很容易认识到在不脱离这些实施例的范围的情况下能够做出变化。因此，旨在所有包含在上述说明中和在附图中示出的内容都应被解释为说明性的而非限制意义的。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
在第一路由器处接收分组；
将所述分组记录到与需求矩阵的单元相对应的需求中；
在所述第一路由器处的需求数据库中存储所述需求，所述需求数据库包括多个需求，所述多个需求是针对指定时间周期计算得出的并且与所述需求矩阵的单元相对应，所述单元中的每个单元标识在所述第一路由器处进入网络并且在另一路由器处离开所述网络的流量；
从所述网络中的其它路由器接收同与在所述其它路由器处进入所述网络的流量相关联的所述需求矩阵的单元相对应的需求，所接收的所述需求在所述其它路由器处计算和存储；以及
在所述第一路由器处生成所述需求矩阵。
2.如权利要求1所述的方法，其中，将所述分组记录到所述需求包括：将需求标记插入到转发信息库中。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述需求标记被分配给内部网关协议(IGP)节点路由器标识符。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述需求标记与界定网络流的元组相关联。
5.如权利要求2所述的方法，进一步包括：将所述需求标记同相关路径一起插入到转发信息库更新。
6.如权利要求1所述的方法，其中，将所述分组记录到所述需求包括：利用网络流量流收集过程。
7.如权利要求1所述的方法，其中，存储在所述其它路由器中的第二路由器处的需求是针对第二时间周期存储的，并且其中，所述时间周期中的一个时间周期是另一所述时间周期的倍数。
8.如权利要求1所述的方法，进一步包括：接收来自所述其它路由器的所述需求和来自位于所述网络的边缘的其它路由器的需求。
9.如权利要求1所述的方法，进一步包括：当接收到对存储在所述需求数据库中的所述需求的请求时，将所述需求传送到集中服务器。
10.如权利要求1所述的方法，进一步包括：在边界网关协议(BGP)公告中将所述需求数据库中的所述需求从所述第一路由器传送到所述其它路由器。
11.一种装置，包括：
处理器，所述处理器用于在第一路由器处将接收到的分组记录到与需求矩阵的单元相对应的需求中，在包括多个需求的需求数据库中存储所述需求，所述多个需求是针对指定时间周期计算得出的并且与所述需求矩阵的单元相对应，所述单元中的每个单元标识在所述第一路由器处进入网络并且在另一路由器处离开所述网络的流量，处理从所述网络中的其它路由器接收的需求，所接收的所述需求同与在所述其它路由器处进入所述网络的流量相关联的所述需求矩阵的单元相对应并且在所述其它路由器处被计算和存储；以及
存储器，所述存储器用于存储所述需求数据库。
12.如权利要求11所述的装置，其中，将所述分组记录到所述需求包括：将需求标记插入到转发信息库中。
13.如权利要求11所述的装置，其中，所述处理器能够进一步操作来处理从所述其它路由器和位于所述网络的边缘的其它路由器接收到的需求。
14.如权利要求11所述的装置，其中，所述处理器被配置为：以第一频率更新所述需求数据库和以更低的频率传送所述需求。
15.如权利要求11所述的装置，其中，存储在所述其它路由器中的第二路由器处的需求是针对第二时间周期被存储的，并且其中所述时间周期中的一个时间周期是另一所述时间周期的倍数。
16.一种设备，包括：
用于将在第一路由器处接收到的分组记录到与需求矩阵的单元相对应的需求中的装置；
用于在所述第一路由器处的需求数据库中存储所述需求的装置，所述需求数据库包括针对指定时间周期计算得出的并且与所述需求矩阵的单元相对应的多个需求，所述单元中的每个单元标识在所述第一路由器处进入网络并且在另一路由器处离开所述网络的流量；
用于从所述网络中的其它路由器接收同与在所述其它路由器处进入所述网络的流量相关联的所述需求矩阵的单元相对应的需求的装置，所接收的所述需求在所述其它路由器处被计算和存储；以及
用于在所述第一路由器处生成所述需求矩阵的装置。
17.如权利要求16所述的设备，其中，在所述路由器中的每个路由器处计算和存储的所述需求与时间周期相关联，并且其中所述时间周期有公倍数。
18.如权利要求16所述的设备，其中，来自所述其它路由器的所述需求是在边界网关协议(BGP)公告中接收的。
19.如权利要求16所述的设备，其中，用于将所述分组记录到所述需求的装置包括：用于将需求标记插入到转发信息库中的装置。
20.如权利要求19所述的设备，进一步包括：用于将所述需求标记同相关路径一起插入到转发信息库更新中的装置。
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