CN111835554A - 一种基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，其特征在于：包括7大功能模块：系统配置模块、仿真模型模块、仿真控制模块、性能分析模块、文件输出模块、可视化展示模块和数据管理模块。本发明设计7大功能模块且提供针对车辆网路由场景仿真模型及仿真流程，为车联网路由的真实精准仿真提供了全方位的功能支持。本发明提供2个仿真模型接口和1个路由协议算法接口以加载自定义仿真模型和自定义车联网路由协议算法，实现开放式路由仿真。本发明所设计平台具有良好的人机交互界面简单便捷进行仿真配置，提供车联网路由算法仿真结果性能分析功能，以及多种形式的可视化展示功能。

Description

一种基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台

技术领域

本发明涉及一种网络仿真平台，具体涉及一种基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台。

背景技术

随着网络技术的不断发展以及智能交通系统的逐渐普及，车辆自组织网络即车联网受到人们广泛关注。车联网是一种特殊的移动自组织网络，具有传统移动自组织网络的移动、无中心、多跳以及分布式等特点，同时与传统移动自组织网络也有一些差异，包括车辆节点具有高移动性、网络拓扑多变、链路条件不稳定、车辆节点运动具有一定规律以及节点分布不均等特性，大多传统的移动自组织网络路由算法无法有效地用于车联网场景，因此目前研究学者们纷纷提出了各种可以适应高速移动场景的车联网路由算法。由于受到基础设施不全面、搭建真实网络设备花销大、搭建所需时间长以及难以更改配置等因素限制，车联网路由算法的性能测试大多采用网络仿真平台进行仿真测试。

在网络仿真平台这一领域中，目前已经有多款具备广泛功能用途的网络模拟仿真软件和平台，如NS、OPNET等，这些网络模拟器功能强大且都具有路由仿真功能，但这些成熟的通用网络仿真器不是专为路由仿真设计的。因此车联网路由算法的仿真难以灵活的使用已有的仿真平台，在这些仿真平台中车联网路由算法装载以及仿真参数配置操作复杂，还需要用到一些专门的开发语言，在路由算法性能分析的功能上也有所欠缺，并且缺少仿真结果直观的可视化展示。因此对于针对性的车联网场景的路由仿真特性，我们需要开发一个针对性强、便于配置、可重构的车联网路由仿真平台，利用合理的架构设计一个信道、节点和网络流量模拟等方面与实际网络相同，可以通过友好的人机交互对仿真参数进行配置，真实、精准地进行路由仿真并且可以直接以多种形式可视化查看仿真结果的车联网路由仿真平台。

现有技术中有以下网络仿真器：

1.NS-2(Network Simulator,version 2)/NS-3(Network Simulator,version 3)是一款开源的免费网络仿真软件，是一种面向对象的网络仿真器，本质上是一个离散事件模拟器,主要用于传输层和应用层的协议、网络层的组播协议以及其他网络问题的仿真，使用C++和Otcl作为开发语言。

2.OPENT是目前最先进的网络仿真开发和应用平台，拥有丰富的构件库，界面友好，仿真精确，仿真输出支持图形表示。但该软件为商业软件，价格昂贵，不适合实验室研究课题使用。

以上两款较为常用的网络仿真器对于车联网路由仿真需求来说有以下几点不足：第一点是没有专为车联网场景设计的移动模型，难以对车联网中车辆节点运动规律以及分布特点进行模拟；第二点是加载自定义路由算法的接口复杂，操作繁琐，而且路由协议大多只支持C/C++语言编写；第三点是仿真参数配置复杂，NS2/3更是需要使用Otcl语言编写仿真脚本；第四点是缺少性能分析模块，而且仿真结果的可视化需要借助第三方软件。

现有的网络仿真器由于功能侧重点的不同，难以灵活的、兼容的适应车联网路由仿真需求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，具有良好的人机交互界面简单便捷进行仿真配置，通过针对车联网路由场景设计的仿真模型及仿真流程可以对车联网路由算法进行真实精准的仿真模拟，仿真结果可以通过多种形式可视化展示。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：一种基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，其特征在于：包括7大功能模块：系统配置模块、仿真模型模块、仿真控制模块、性能分析模块、文件输出模块、可视化展示模块和数据管理模块。

系统配置模块用于在本平台启动后，通过可视化界面对整个车联网路由算法的仿真进行参数配置。

仿真模型模块用于车联网路由仿真中所需模型的选择，可以从本平台内置模型中选择模型，也可以通过模型接口模块添加自定义模型，实现对车联网路由仿真场景灵活、开放性地配置。

仿真控制模块与本平台其它多个模块交互实现对车联网路由的运行状态模拟，模拟仿真结果作为性能分析模块的输入。

性能分析模块通过对仿真控制模块的输出数据进行计算分析，计算路由算法的性能指标，用于算法性能的分析和评价，性能分析结果可以可视化展示，也可以通过文件输出模块输出。

文件输出模块用于对仿真控制模块的模拟仿真过程和性能分析模块的性能分析结果进行输出。

可视化展示模块实现对车联网路由仿真过程及仿真结果的多种形式可视化展示功能。

数据管理模块通过与其余各个模块交互，实现对车联网路由仿真过程中的所有数据进行存储管理。

前述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，所述系统配置模块包括3个子模块：仿真参数配置模块、网络基础参数配置模块和模型算法配置模块。

前述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，所述仿真模型模块包括2个子模块：车辆移动模型模块和网络流量模型模块。其中每个模型模块中都包括了一些内置的仿真模型和一个用于加载自定义仿真模型的接口。

前述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，所述仿真控制模块包括6个子模块：事件驱动内核模块、路由协议算法模块、移动模型模块、流量模型模块、排队模型模块和概率丢包模型模块。其中路由协议算法模块中包括一些内置路由协议算法和一个用于加载自定义路由协议算法的接口，事件驱动内核模块是推动和管理整个仿真模拟流程的核心模块，与其他多个模块交互实现真实精准的路由仿真，具体仿真步骤包括：

步骤1：从系统配置模块获取系统配置结果，搭建仿真环境，通过车辆移动模型的交互进行网络拓扑初始化，通过网络流量模型的交互生成传输分组，事件驱动内核模块将每一个分组的一次传输规定为一个事件，随后仿真时钟置零，初始化系统状态，按照事件发生时间对事件进行排序，生成未来事件列表。本步骤中生成的车辆节点信息的数据格式如图3所示，生成的传输分组数据格式如图4所示。

步骤2：判断此时未来事件列表是否为空，若是则结束仿真；若否则跳转到步骤3。

步骤3：扫描当前事件列表，将仿真时钟置为当前事件列表中第一个待处理事件的发生时刻，并处理该事件。

步骤4：判断当前事件的传输分组是否到达分组TTL或分组过期时间，若是则丢弃该分组，并将该分组加入丢包列表中，跳转到步骤3；若否则跳转到步骤5。

步骤5：判断处理该分组的节点是否空闲，若否则将该传输分组事件发生时刻更新为当前节点的下一空闲时间，并记为一个新的未来事件加入到未来事件列表，更新未来事件列表后跳转到步骤3；若是则与仿真模型模块中的车辆移动模型交互更新车辆节点位置、速度信息。

步骤6：判断接收该分组的节点是否为该传输分组的目的节点，若是则成功接收该传输分组，并将其加入到成功接收列表中后跳转到步骤3；若否则与路由算法模块交互得到下一跳路由，随后还要与概率丢包模型交互判断是否丢包，若是则丢弃该分组，并将该分组加入丢包列表中，跳转到步骤3；若否则产生新的未来事件，将其添加到未来事件列表中，并更新未来事件列表后跳转到步骤3。

前述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，所述可视化展示模块中包括2个子模块：图表展示模块和动画演示模块。

前述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，所述数据管理模块包括2个子模块：局部数据管理模块和全局数据管理模块。

前述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，本平台层次化架构共包括5层：人机交互层、路由仿真层、数据管理层、数据处理层和数据应用层。

前述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，本平台层次化架构的人机交互层通过系统配置模块对路由仿真层所需的仿真参数、网络基础参数、仿真模型和车联网路由算法进行配置；路由仿真层根据人机交互层的参数配置结果对车联网路由进行模拟仿真，并将仿真结果输出到数据管理层；数据管理层对路由仿真层的仿真结果和数据处理层的数据进行记录和输出；数据处理层对数据管理层中的仿真结果数据进行处理分析后回传到数据管理层；数据应用层通过数据管理层获取相应数据进行多种形式的可视化展示。

本发明的有益效果包括：

(1)本平台使用Python开发，支持添加Python语言编写的车联网路由协议算法，而且由于Python中提供大量的机器学习依赖库，本平台对基于机器学习的车联网路由协议算法的仿真十分友好；

(2)本平台中车联网路由仿真通过系统配置模块的可视化界面直接实现仿真环境搭建，用户无需了解仿真平台的底层代码，直接通过简单友好的图形界面即可对仿真的环境及参数进行配置。

(3)本平台基于事件驱动内核，在仿真模拟过程中将事件按照时间顺序排序，并根据事件队列中下一个待处理事件的发生时刻来推动仿真时间，更真实高效地模拟现实的路由过程。

(4)设计功能聚焦、可重配置的车联网专用路由仿真平台，根据车联网场景设计真实可靠的路由仿真流程，平台内置多种针对车联网路由场景的仿真模型及常用车联网路由算法，用户可以自由搭建仿真环境。

(5)本平台的仿真模型模块中提供了车辆移动模型接口和网络流量模型接口，用户可以根据自己的仿真需求设计自定义模型，通过对应的接口载入，提供了开放式的仿真场景搭建。

(6)本平台的仿真控制模块中提供了路由协议算法接口，用户可以通过该接口简单便捷地载入自定义车联网路由算法，实现了开放式路由仿真。

(7)对于路由算法的仿真来说，算法的性能指标分析相当重要，本平台的性能分析模块在仿真结束后可以直接计算出5项路由算法性能的重要评价指标，并且可以直接通过图表的形式直观展示出多种车联网路由算法间的性能指标对比，不需要借助第三方软件进行路由算法的性能分析及结果可视化。

(8)本平台提供动画演示功能，可以将整个路由过程中的车辆节点移动及分组传输路径可视化重现，为路由仿真分析提供参考。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的总体架构图；

图2为本发明的车联网路由仿真流程；

图3为本发明的车辆节点信息数据结构；

图4为本发明的传输分组数据结构；

图5为本发明的平台层次化架构图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一

本发明实施例一提供一种基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，如图1所示，包括7大功能模块：系统配置模块、仿真模型模块、仿真控制模块、性能分析模块、文件输出模块、可视化展示模块和数据管理模块。

其中系统配置模块用于在基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台启动后，通过可视化界面对整个车联网路由算法的仿真进行参数配置。

仿真模型模块用于车联网路由仿真中所需模型的选择，可以从本平台内置模型中选择模型，也可以通过模型接口模块添加自定义模型，实现对车联网路由仿真场景灵活、开放性地配置。

仿真控制模块与本平台其它多个模块交互实现对车联网路由的运行状态模拟，模拟仿真结果作为性能分析模块的输入。

性能分析模块通过对仿真控制模块的输出数据进行计算分析，计算路由算法的性能指标，用于算法性能的分析和评价，性能分析结果可以可视化展示也可以通过文件输出模块输出。

文件输出模块用于对仿真控制模块的模拟仿真过程和性能分析模块的性能分析结果进行输出。

可视化展示模块实现对车联网路由仿真过程及仿真结果的多种形式可视化展示功能。

数据管理模块通过与其余各个模块交互，实现对车联网路由仿真过程中的所有数据进行存储管理。

前述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，所述系统配置模块包括3个子模块：仿真参数配置模块、网络基础参数配置模块和模型算法配置模块。其中仿真参数配置模块实现对整体仿真过程的仿真次数、仿真时间等参数进行配置；网络基础参数配置模块实现对通信半径、分组TTL、分组过期时间、数据传输速率和最大链路错误概率等参数的配置；模型算法配置模块实现路由协议算法的选择、车辆移动模型的选择及其模型参数的配置和网络流量模型的选择及其模型参数的配置。通过以上各子模块的系统配置实现对路由仿真的环境搭建。

前述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，所述仿真模型模块包括2个子模块：车辆移动模型模块和网络流量模型模块。其中车辆移动模型模块中包括双向车道移动模型、交叉路口移动模型和丁字路口移动模型等可供选择的内置车辆移动模型和一个用于加载自定义车辆移动模型的车辆移动模型接口，每个车辆移动模型均包括车辆节点位置、速度初始化和车辆节点位置、速度更新两部分，为路由仿真模块提供动态的网络拓扑；网络流量模型模块中包括随机发送分组模型、CBR流量模型和泊松流模型等可供选择的内置网络流量模型和一个用于加载自定义网络流量模型的网络流量模型接口，为路由仿真模块生成传输分组。

前述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，所述仿真控制模块包括6个子模块：事件驱动内核模块、路由协议算法模块、移动模型模块、流量模型模块、排队模型模块和概率丢包模型模块。其中事件驱动内核模块对整个车联网路由仿真过程中的事件按照时间进行排序，并根据事件队列中下一个待处理事件的发生时刻来推动仿真时间，以实现真实高效的车联网路由仿真；路由协议算法模块包括随机路由、GPSR等内置路由协议算法和一个用于加载自定义路由协议算法的路由协议算法接口；移动模型模块通过与前述仿真模型模块中车辆移动模型子模块交互实现对车联网路由仿真过程中的车辆节点位置、速度初始化和车辆节点位置、速度更新；流量模型模块通过与前述仿真模型模块中网络流量模型子模块交互生成车联网路由仿真过程中的传输分组；排队模型实现队列管理功能；概率丢包模型实现对实际网络链路错误状况进行模拟。

前述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，所述仿真控制模块的车联网路由仿真流程如图2所示。包含以下步骤：

步骤1：从系统配置模块获取系统配置结果，搭建仿真环境，通过车辆移动模型的交互进行网络拓扑初始化，通过网络流量模型的交互生成传输分组，事件驱动内核模块将每一个分组的一次传输规定为一个事件，随后仿真时钟置零，初始化系统状态，按照事件发生时间对事件进行排序，生成未来事件列表。本步骤中生成的车辆节点信息的数据格式如图3所示，生成的传输分组数据格式如图4所示。

步骤2：判断此时未来事件列表是否为空，若是则结束仿真；若否则跳转到步骤3。

步骤3：扫描当前事件列表，将仿真时钟置为当前事件列表中第一个待处理事件的发生时刻，并处理该事件。

步骤4：判断当前事件的传输分组是否到达分组TTL或分组过期时间，若是则丢弃该分组，并将该分组加入丢包列表中，跳转到步骤3；若否则跳转到步骤5。

步骤5：判断处理该分组的节点是否空闲，若否则将该传输分组事件发生时刻更新为当前节点的下一空闲时间，并记为一个新的未来事件加入到未来事件列表，更新未来事件列表后跳转到步骤3；若是则与仿真模型模块中的车辆移动模型交互更新车辆节点位置、速度信息。

步骤6：判断接收该分组的节点是否为该传输分组的目的节点，若是则成功接收该传输分组，并将其加入到成功接收列表中后跳转到步骤3；若否则与路由算法模块交互得到下一跳路由，随后还要与概率丢包模型交互判断是否丢包，若是则丢弃该分组，并将该分组加入丢包列表中，跳转到步骤3；若否则产生新的未来事件，将其添加到未来事件列表中，并更新未来事件列表后跳转到步骤3。

前述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，所述性能分析模块中包含5项车联网路由算法基本性能指标：分组送达率、平均转发次数、平均端到端时延、时延抖动和吞吐量。

前述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，所述文件输出模块负责输出保存了整个仿真过程的Trace文件、保存了整个仿真中车辆节点移动轨迹和分组传输轨迹的动态跟踪文件和前述性能分析模块中的保存性能分析结果的仿真结果文件。其中Trace文件可以用于仿真后的分析研究，动态跟踪文件可以导入到可视化展示模块中的动画展示子模块进行动画展示，仿真结果文件可以导入到可视化展示模块中的图表展示子模块对多种车联网路由算法分析比较。

前述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，所述可视化展示模块中包括2个子模块：图表展示模块和动画演示模块。其中图表展示模块通过载入多种车联网路由仿真算法的仿真结果文件绘制性能对比折线图，其中包括分组送达率、平均转发次数、平均端到端时延、时延抖动和吞吐量这5项的性能对比子图；动画展示模块中包括车辆移动轨迹和分组传输路径两项内容的动态展示，其实现是通过导入前述结果输出模块中文件输出子模块所导出的动态跟踪文件自动生成动画，并可以通过可视化界面设置动画播放速度以及其他展示内容。

前述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，所述数据管理模块包括2个子模块：局部数据管理模块和全局数据管理模块。其中局部数据管理模块负责存储管理单次仿真过程中的动态数据；全局数据管理模块负责存储管理多次仿真后的仿真结果数据、性能分析数据和输出数据等。

如图5所示，本平台层次化架构总共包括5层：人机交互层、路由仿真层、数据管理层、数据处理层和数据应用层。本平台层次化架构的人机交互层包括系统配置模块，通过系统配置模块对路由仿真层所需的仿真参数、网络基础参数、车辆移动模型、网络流量模型和车联网路由算法进行选择及配置；路由仿真层包括仿真模型模块和仿真控制模块，根据人机交互层的参数配置结果结合仿真模型搭建仿真环境，并根据设定的车联网路由协议算法对车联网路由进行模拟仿真，并将仿真结果数据及仿真过程跟踪数据输出到数据管理层；数据管理层包括数据管理模块和文件输出模块，对路由仿真层的仿真结果及仿真过程跟踪数据和数据处理层的性能分析数据进行记录和输出；数据处理层包括性能分析模块，对数据管理层中的仿真结果数据进行处理分析后回传到数据管理层；数据应用层包括可视化展示模块通过从数据管理层获取相应数据进行多种形式的可视化展示。

尽管已经公开具体的实例实施例，但是本领域技术人员将理解，在不违离本发明的精神和范围的情况下可以对所述具体实施例做出改变。

Claims (8)

1.一种基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，其特征在于：包括7大功能模块：系统配置模块、仿真模型模块、仿真控制模块、性能分析模块、文件输出模块、可视化展示模块和数据管理模块；

系统配置模块用于在本平台启动后，通过可视化界面对整个车联网路由算法的仿真进行参数配置；

仿真模型模块用于车联网路由仿真中所需模型的选择，可以从本平台内置模型中选择模型，也可以通过模型接口模块添加自定义模型，实现对车联网路由仿真场景灵活、开放性地配置；

仿真控制模块与本平台其它多个模块交互实现对车联网路由的运行状态模拟，模拟仿真结果作为性能分析模块的输入；

性能分析模块通过对仿真控制模块的输出数据进行计算分析，计算路由算法的性能指标，用于算法性能的分析和评价，性能分析结果可以可视化展示，也可以通过文件输出模块输出；

文件输出模块用于对仿真控制模块的模拟仿真过程和性能分析模块的性能分析结果进行输出；

可视化展示模块实现对车联网路由仿真过程及仿真结果的多种形式可视化展示功能；

数据管理模块通过与其余各个模块交互，实现对车联网路由仿真过程中的所有数据进行存储管理。

2.根据权利要求1所述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，其特征在于：所述系统配置模块包括3个子模块：仿真参数配置模块、网络基础参数配置模块和模型算法配置模块。

3.根据权利要求1所述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，其特征在于：所述仿真模型模块包括2个子模块：车辆移动模型模块和网络流量模型模块；其中每个模型模块中都包括了一些内置的仿真模型和一个用于加载自定义仿真模型的接口。

4.根据权利要求1所述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，其特征在于：所述仿真控制模块包括6个子模块：事件驱动内核模块、路由协议算法模块、移动模型模块、流量模型模块、排队模型模块和概率丢包模型模块；其中路由协议算法模块中包括一些内置路由协议算法和一个用于加载自定义路由协议算法的接口，事件驱动内核模块是推动和管理整个仿真模拟流程的核心模块，与其他多个模块交互实现真是精准的路由仿真，具体仿真步骤包括：

步骤1：从系统配置模块获取系统配置结果，搭建仿真环境，通过车辆移动模型的交互进行网络拓扑初始化，通过网络流量模型的交互生成传输分组，事件驱动内核模块将每一个分组的一次传输规定为一个事件，随后仿真时钟置零，初始化系统状态，按照事件发生时间对事件进行排序，生成未来事件列表；步骤2：判断此时未来事件列表是否为空，若是则结束仿真；若否则跳转到步骤3；

步骤3：扫描当前事件列表，将仿真时钟置为当前事件列表中第一个待处理事件的发生时刻，并处理该事件；

步骤4：判断当前事件的传输分组是否到达分组TTL或分组过期时间，若是则丢弃该分组，并将该分组加入丢包列表中，跳转到步骤3；若否则跳转到步骤5；

步骤5：判断处理该分组的节点是否空闲，若否则将该传输分组事件发生时刻更新为当前节点的下一空闲时间，并记为一个新的未来事件加入到未来事件列表，更新未来事件列表后跳转到步骤3；若是则与仿真模型模块中的车辆移动模型交互更新车辆节点位置、速度信息；

步骤6：判断接收该分组的节点是否为该传输分组的目的节点，若是则成功接收该传输分组，并将其加入到成功接收列表中后跳转到步骤3；若否则与路由算法模块交互得到下一跳路由，随后还要与概率丢包模型交互判断是否丢包，若是则丢弃该分组，并将该分组加入丢包列表中，跳转到步骤3；若否则产生新的未来事件，将其添加到未来事件列表中，并更新未来事件列表后跳转到步骤3。

5.根据权利要求1所述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，其特征在于：所述可视化展示模块中包括2个子模块：图表展示模块和动画演示模块。

6.根据权利要求1所述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，其特征在于：所述数据管理模块包括2个子模块：局部数据管理模块和全局数据管理模块。

7.根据权利要求1所述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，其特征在于：本平台层次化架构共包括5层：人机交互层、路由仿真层、数据管理层、数据处理层和数据应用层。

8.根据权利要求7所述的基于事件驱动内核的车联网路由仿真平台，其特征在于：本平台层次化架构的人机交互层通过系统配置模块对路由仿真层所需的仿真参数、网络基础参数、仿真模型和车联网路由算法进行配置；路由仿真层根据人机交互层的参数配置结果对车联网路由进行模拟仿真，并将仿真结果输出到数据管理层；数据管理层对路由仿真层的仿真结果和数据处理层的数据进行记录和输出；数据处理层对数据管理层中的仿真结果数据进行处理分析后回传到数据管理层；数据应用层通过数据管理层获取相应数据进行多种形式的可视化展示。

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