CN1254465A - 对动态分组交换网中的延迟进行均衡的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用发送和接收缓冲器对动态分组交换网中的延迟进行均衡的系统和方法。网络包括:多个用户接入站,每个用户接入站都装备了发送缓冲器(TB1;TB2)和接收缓冲器(RB1,RB2);多个交换机(SC);使用户接入站(UAS1,UAS2)互连的通信链路。通过通信链路与交换机(SC)和用户接入站(UAS1)相连的控制站(CC1)用于在用户接入站之间建立和改变传输路径,并且对用户接入站中的缓冲器进行控制,以便当改变传输路径时,对网络的分组传输进行均衡,并且免除分组速率加倍。系统还有缓冲转移特性,可以在从较长传输路径变化到较短传输路径后的一段时间内,将发送用户接入站中受控制的缓冲逐渐转移到接收用户接入站中的缓冲器。

Description

对动态分组交换网中的延迟 进行均衡的系统和方法

发明背景

发明领域

本发明总体上涉及数据的路由选择和传递，尤其涉及一种用于对动态分组交换网中的延迟进行均衡的系统和方法，此系统和方法能够为编址分组中的数据选择路由，并传递该数据。

相关技术的描述

电信网络用电信设施连接大量的用户设备。这些网络用传输系统、交换系统和用户设备在两点之间传输话音、图像和数据。网络中两点之间的实际线路称为链路，而链路的连接点称为节点。数据传输网中的用户设备可以是电话机、终端机、打印机、传真机、计算机等。

分组交换网设计成提供在网络上更有效地传递数据的方法。但是，分组交换网也可用来传输数字化的话音。将分组交换作为传输数据之手段的网络通常称为分组交换数据网(PSDN)。

一个分组是指，在PSDN上个别传送的、一个离散单元的数据消息。每个分组包含这样的控制信息，它可在消息到达其目的地之前按适当的序列对其进行重装。电路交换的消息要求在该消息的持续时间使用传输线，与之相反，由于分组只在其经过的短时间内占据网络的信道或路径，所以分组交换很有效率。当数据传输结束时，信道或路径可以用来传递其它的分组。PSDN的传输线配备了计算机化的交换机，控制通信业务传送路由选择和通信业务量。分组交换的一般特征是对被传输的分组进行自动检错和纠错。

图1示出了传统的使用数据分组交换的通信网络。用户和其它网络通过用户接入站(“UAS”)访问该网络，例如，如图1所示，用户接入站表示为UAS₁、UAS₂和UAS₃。其它网络N₁、N₂看作是类似的其它用户。用户接入站将用户数据发送给网络，并通过一个或多个交换机S_j从网络接收用户数据。为了在不同用户接入站的用户之间建立虚拟通信信道，可以通过由交换机S_j组成的网络来建立路径。数据分组从一个UAS到另一个UAS的传输延迟取决于所选的具体路径。

一般用T表示通过网络传输的延迟时间。例如，T可以是20毫秒。一般情况下，为网络虚拟连接所选的最长路径的传输延迟为10T。例如，对于T＝20毫秒，10T＝200毫秒。

数据分组的大小不必恒定。当处于ATM网络中时，可以固定数据分组的大小。但是，不能超过最长长度。分组的最长长度应使得在任何链路k_i或1_y上传输分组的等待时间短于T/10。链路k_i将用户接入站与诸交换机相连，而链路l_y将交换机与其它交换机相连。

有些分组交换数据网有许多动态方式，例如非地球同步轨道卫星上的分组交换机组成的网络。用户接入站UAS与交换机S_j之间的通信链路k_i是不固定的。一般，链路k_i的有效工作时间大约为15,000T(例如，对于T＝20毫秒，相当于5分钟)。当旧链路k_i取消时，建立新的链路，但新链路k_i几乎总是建立在一个新的交换机S_j上。例如，当链路k₂(图1)取消时，可以在UAS₁和S₂之间建立一条新的链路。在UAS和网络交换机S_j之间，至少存在一条链路。

诸交换机S_j之间的链路l_y是不固定的；它们的有效工作时间一般大约为30,000T(例如，对于T＝20毫秒，相当于10分钟)。但是，链路的组成模式必须满足某些条件。总会存在足够的链路，能够使任何一个UAS与其它UAS通信。有些链路k_i或l_y可以是固定的，或者其有效工作时间比上述情况长许多。

在典型的系统中，包括许多控制站CS，它们具有与网络交换机S_j相通的通信链路。控制站CS的作用是控制网络，并建立和撤销虚拟连接。任何用户接入站UAS都至少可以与一个控制站CS通信。控制站CS的位置与本发明无关。假设可以预测网络的互连模式(链路k_i和l_y)，并且控制站CS可以就未来的任何时刻计算网络的互连模式。实际上，所需要的只是能够对现时建立的最长虚拟连接的持续时间计算未来的模式。故障会影响预测能力，但有方法处理故障。

如果两个网络用户之间的虚拟连接要延续比链路寿命长的时间，那么它必须在连接的寿命期间内采用不同的网络路径。假设动态互连模式(链路k_i和l_y)可以为虚拟连接的延续选择一系列的路径，并且每条路径至少可以使用1,200T时间(例如。对于T＝20毫秒，相当于4分钟)。当然，与任何其它类型的网络一样，这是在假设带宽的利用度。如果没有足够可用的带宽，就不能建立连接。将资源保留呼叫所期望的持续时间。如图2a所示，对于一系列连续时间间隔t₁，t₂，t₃，…，t_n中的每一个，都存在相应的路径P₁，P₂，P₃，…，P_n，由此在时间间隔t_i期间，用路径P_i进行虚拟连接。

参照图2b，第一路径P₁途经交换机S₁，S₃，S₄，S₅，S₉，S₁₀，S₁₁和S₁₃，而第二路径P₂途经交换机S₂，S₆，S₇，S₁₁和S₁₃。对于UAS₁和UAS₂之间的相同虚拟连接，在时间间隔t₁期间使用路径P₁，在时间间隔t₂期间使用路径P₂，等等。

在一条虚拟连接使用的多条网络路径中进行变化会出现问题。如图3所示，在UAS₁的用户U₁和UAS₂的用户U₂之间建立虚拟连接。在第一时间间隔t₁期间，使用路径P_A。在第二时间间隔t₂期间，使用路径P_B。路径P_A从UAS₁到UAS₂的传输延迟时间等于t_a，而路径P_B从UAS₁到UAS₂的传输延迟时间等于t_b。应该注意，传输延迟时间t_a和t_b不是使用路径P_A和P_B的时间，使用路径P_A和P_B的时间间隔用t₁和t₂表示。

首先假设t_a＜t_b(例如，t_a＝20毫秒，t_b＝100毫秒)，并且在UAS₂处没有缓冲。在时间间隔t₁结束后，虚拟连接用路径P_B代替路径P_A。沿路径P_B传播的第一数据分组将比其沿路径P_A传输时延迟t_b-t_a的时间到达UAS₂。这将在数据流中留下一段持续时间为t_b-t_a的静隙(例如，t_b-t_a＝80毫秒)，这段时间太长，对许多通信业务来说是不能接受的。这个问题还容易解决，但如以下所述，从较长路径P_B变化到短路径P_A会产生更难解决的问题。

现在假设在第一时间间隔t₁期间，使用路径P_B，并在第二时间间隔t₂期间，使用路径P_A(参见图4a和图4b)。同样，t_a是沿路径P_A的传输延迟，t_b是沿路径P_B的传输延迟，并且t_a＜t_b。在UAS₂或UAS₁处没有缓冲。

如图4a所示，现在假设路径P_A和P_B具有公用交换机S_C。当时间间隔t₁结束时，连接从路径P_B变到路径P_A。当数据分组首次沿路径P_A到达交换机S_C时，还有更早的数据分组仍在沿路径P_B传播(还存在分组间的间隔时间，但它对于所描述问题是可以忽略的)。将存在一段时间t_b-t_a，在这时间内，交换机S_C以两倍的正常速率从连接中接收分组。如果从交换机S_C到UAS₂的链路是充分利用(或者接近充分使用)的，那么交换机S_C必须对来自该连接的信元进行缓冲，缓冲时间要比t_b-t_a长得多。如果对此不进行纠正，那么将给其它虚拟连接造成延迟，并可能增加丢失信元的概率(这里，信元＝数据分组)。

如图4b所示，如果路径P_A和P_B没有公用交换机，那么UAS₂必须将两条链路维持一段时间t_b-t_a，在该段时间内，它以两倍的正常速率获得信元。这也将给其它的虚拟连接增加延迟，并增加丢失信元的概率。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种改进的能够为编址分组中的数据选择路由，并传递该数据的系统和方法，该系统和方法克服了动态分组交换网中的上述问题。

本发明的另一个目的是提供一种系统和方法，用于均衡动态分组交换数据网中的延迟，并且免除改变传输路径时分组速率加倍。

在以下的描述中将叙述本发明的其它目的、优点和新颖特征。本领域的技术人员通过阅读本说明书或实践本发明，将明白本发明的这些目的、优点和新颖特征。本发明的目的和优点由所附的权利要求书实现和获得。

为了实现上述和其它目的并符合本发明的宗旨，如这里实施和概述的那样，本发明的设备包括用于对动态分组交换网中的延迟进行均衡的系统，该系统包括缓冲装置，用于缓冲网络的分组传输，以便当改变网络的传输路径时，对分组传输延迟进行均衡，并且免除分组速率加倍。

最好，缓冲装置包括第一缓冲装置，用于在接收用户接入站缓冲分组传输，以便当从一条传输路径变化到另一条传输路径时，对网络的分组延迟进行均衡。缓冲装置最好还包括第二缓冲装置，用于在发送用户接入站缓冲分组传输，以便当从网络的较长传输路径变化到较短传输路径时，免除分组速率加倍。第二缓冲装置的控制装置当从网络的较长传输路径变化到较短传输路径时，立即在发送用户接入站提供第一数量的缓冲，并且提供一种装置用于在从较长路径变化到较短传输路径后的一段时间内，将第一数量的缓冲从所述第二缓冲装置逐渐转换到所述第一缓冲装置。

在本发明的另一方面，根据本发明的目的，其设备包括一动态分组交换网，该网络包括：第一和第二用户接入站，每个用户接入站都至少具有一个缓冲器，用来对分组传输进行延迟；由交换机和通信链路组成的网络，通信链路使第一和第二用户接入站互连。控制站具有与交换机和用户接入站相连的通信链路，提供用于在第一和第二用户接入站之间建立并改变传输路径的装置，以及用于控制第一和第二用户接入站中缓冲器的装置，以便对不同的传输路径均衡网络的分组传输延迟。

最好，控制站还包括用于控制第一和第二用户接入站中缓冲器的装置，以便当从网络的较长传输路径变化到较短传输路径时，免除分组速率加倍。用于控制第一和第二用户接入站中缓冲器的装置包括使第二用户接入站中的缓冲器延迟从第一用户接入站接收到的分组，延迟时间足以使每个传输路径的总传输延迟时间等于最长传输路径的传输延迟时间。

最好，用于控制第一和第二用户接入站中缓冲器的装置还包括一种装置，用于使第一用户接入站中的缓冲器延迟从第一用户接入站向第二用户接入站发送的分组，以便当从较长传输路径变化到较短传输路径时，免除分组速率加倍。用于控制缓冲器的装置最好还包括在从较长传输路径变化到较短传输路径后的一段时间内，将第一用户接入站中缓冲器提供的缓冲逐渐转移到第二用户接入站中缓冲器的装置。

在本发明的另一方面，根据本发明目的，其方法是一种用于对动态分组交换网中的延迟进行均衡的方法，该方法包括以下步骤：提供第一和第二用户接入站以及由交换机和通信链路组成的网络，其中每个接入站都至少具有一个缓冲器，用于对分组传输进行延迟，而通信链路使第一和第二用户接入站互连；在第一和第二用户接入站之间建立和改变穿越由交换机和通信链路组成的网络的传输路径；控制第一和第二用户接入站中的缓冲器，以便使所有传输路径均衡网络的分组传输延迟。

该方法最好还包括下述步骤，即控制第一和第二用户接入站中的缓冲器，以便当从较长传输路径变化到较短传输路径时，免除分组速率加倍。该方法还包括以下步骤，即在从网络的第一较长路径变化到网络的第二较短路径后，将来自第一用户接入站之缓冲器的缓冲逐渐转移到第二用户接入站中的缓冲器。

附图概述

结合附图阅读本发明的描述，将更清楚本发明，其中，

图1是一示意图，示出了传统动态分组交换数据网的概观；

图2a示出了对传统动态分组交换数据网之一系列连续时间间隔的资源分配；

图2b是一示意图，示出了在传统虚拟连接的(例如)两个间隔中所用的路径；

图3是一示意图，示出了一条虚拟连接，它在传统动态分组交换数据网的两个用户之间使用不同的路径；

图4a是一示意图，示出了传统动态分组交换数据网之两个用户之间的虚拟连接中用的两条路径和一个公用交换机；

图4b是一示意图，示出了两条路径，它们用分立链路接入传统动态分组交换数据网之接收用户接入站；

图5a是本发明一较佳实施例的示意图，在该实施例中，每个用户接入站用一缓冲系统对网络中的延迟进行均衡；

图5b是本发明的示意图，示出两条路径，它们用分立链路接入接收用户接入站；

图5c是本发明的示意图，示出了本发明在三条传输路径上进行延迟均衡的延迟均衡系统；

图6a和6b是流程图，示出了本发明对动态分组交换数据网中的延迟进行均衡的步骤。

较佳实施例的详细描述

现在详细描述本发明的一较佳实施例，附图中画出其一例。

参照图5a、5b、6a和6b，描述一种对数据分组通过动态交换数据网而产生的延迟进行均衡的系统和方法。本发明的系统还免除沿一条连接所用的两条路径在公用交换机处的数据分组速率加倍，或者免除接收UAS处的数据分组速率加倍。

如图5a和5b所示，每个用户接入站UAS使用两个缓冲器。接收缓冲器RB_n用于延迟分组，以便使该延迟与虚拟连接所用最长路径的延迟均衡。发送缓冲器TB_n用于当从一条路径变化到另一条较短路径时，免除数据分组速率加倍。控制站CS具有与网络交换机S_j相通的通信链路，而用户接入站UAS起控制缓冲器和网络虚拟连接的作用。与缓冲器TB_n和RB_n来往的通信在每个用户接入站的交接单元CC_n处合并。以下描述缓冲器的细节，以及它们在分组网中的工作情况。

首先，描述虚拟连接从路径P_A变化到较长路径P_B的情况。路径在接收用户接入站UAS₂之前有一公用交换机S_C(图5a)，或者路径通过两条链路进入接收用户接入站UAS₂，不用公用交换机(图5b)。例如，连接开始时使用路径P_A。沿路径P_A传播的分组从UAS₁到UAS₂经历传输延迟时间t_a。当虚拟连接从路径P_A转移到P_B时，沿路径P_B传播的分组从UAS₁到UAS₂经历传输延迟时间t_b。

为了均衡路径P_A和P_B的传输延迟时间，可以在缓冲器RB₂中对沿路径P_A传播的分组延迟一段时间t_b-t_a。另一方面，在RB₂中不延迟沿路径P_B传播的分组。虚拟连接从路径P_A转移到路径P_B后，沿路径P_B传播的第一个分组在沿路径P_A传播的最后一个分组离开缓冲器RB₂之后才到达RB₂。数据分组流中没有间隙，并且无论使用路径P_A或P_B，从U₁到U₂的传输延迟时间是相同的。

接下来，描述虚拟连接从路径P_B变化到较短路径P_A的情况。在用路径P_B连接时，传输延迟为t_b，并且在TB₁或RB₂处不对分组延迟。当变化到较短路径P_A时，本发明通过在TB₁中对沿路径P_A传输的分组延迟t_b-t_a时间，来避免使分组速率加倍。按这种方式，沿路径P_A传播的第一分组将在沿路径P_B传播的最后一个分组到达S_C或UAS₂后才到达S_C(图5a)或UAS(图5b)。这就免除数据分组速率加倍，并且均衡了路径P_A和P_B的传输延迟时间。

接下来，参照图5c，描述本发明关于向一个比路径P_A长的新路径P_C转变的情况。假设用路径P_B、P_A和P_C连接，并且(按此次序)它们的传输延迟分别为t_b、t_a和t_c。与上文相同，还假设t_a＜t_b，以及t_a＜t_c＜t_b。在三条路径中，路径P_B的延迟时间最长。当从路径P_B变化到较短路径P_A时，使用上述过程。如上所述，在发送缓冲器TB₁处，将分组缓冲并延迟一段时间t_b-t_a，但在接收缓冲器RB₂中不延迟。如果系统仅仅一直等待到从路径P_A变化到P_C，那么在分组流中将出现间隙t_c-t_a，并且总的延迟为(t_b-t_a)+t_c，由于t_c-t_a为正，所以总延迟比t_b要大。

避免上述问题的方法是，在使用路径P_A期间，将虚拟连接的分组缓冲从TB₁转移到RB₁。在本发明的一个例子中，假设每条路径至少使用12,000T(例如，对于T＝20毫秒，相当于4分钟)，其中T是网络的一般传输延迟。还假设在最长路径P_B上传输的最大传输延迟为10T(例如，对于T＝20毫秒，为200毫秒)。

为均衡总延迟而施加的缓冲延迟等于两条路径上的传输时差。因此，缓冲延迟也受到最长时间10T的限制。在连接时间12,000T(路径P_A，最短工作时间)中传输的平均分组数是时间10T(最大缓冲延迟)中传输的平均分组数的1,200倍。因此，在TB₁处缓冲的分组数是虚拟连接在12,000T内传递的分组数的1/1200，12,000T是任何路径使用时间的下限，尤其对于路径P_A。

通过用大于该连接平均速率1/1000的速率从TB₁向RB₂发送分组，可将缓冲从缓冲器TB₁转移到RB₂。该过程所化时间1000(t_c-t_a)，该时间短于10,000T，也短于使用路径P_A的时间。在该时间内，在RB₂处对分组延迟足够的时间，使总延迟等于t_b。在过程开始时，在TB₁处将分组延迟t_b-t_a，而在RB₂处不延迟。在过程结束时，在TB₁处不延迟分组，而在RB₂处延迟t_b-t_a。

在1000(t_b-t_a)期间，缓冲器TB₁中的延迟从t_b-t_a线性地变为零，而在缓冲器RB₂中，延迟从零线性地变为t_b-t_a。在缓冲转移结束时，缓冲器TB₁处没有延迟，而在使用路径P_A接近结束时，RB₂处的延迟为t_b-t_a。当变化到路径P_C时，传输延迟为t_c，它比t_a的时间长。现在从UAS₂输出到用户U₂的分组流中没有间隙。沿路径P_C传播的第一个分组将比其沿路径P_A传播时延迟t_c-t_a时间到达缓冲器RB₂。在这段时间里，与U₂的连接由缓冲器RB₂提供。对于沿路径P_C传播的分组，缓冲器RB₂处的延迟为t_b-t_c。如上所述，包括缓冲的总传输延迟等于t_b。

为了实现上述延迟均衡过程，必须保留网络的1/1000(0.1％)带宽，用于缓冲转移。

对于相反方向上的连接，按类似的方式，用缓冲器TB₂和RB₁来均衡延迟，并且消除分组流的间隙。关于路径至少必须使用12000T的要求不需要加在连接所用的最后一个路径上。

参照图6a和6b，以下用一系列过程步骤，描述依照本发明对动态分组网络中的延迟进行均衡的方法。

在图6a中，示出了延迟均衡过程的起始步骤。过程从确定将被使用的路径P_max开始，该路径具有最大延迟时间t_max(例如，在上例中，为P_b和t_b)。如果数据传输的持续时间不确定，系统将使用t_max的上限。然后，控制系统设定第一路径P_s，其传输延迟为t_s。如果t_s＜t_max，那么系统将在RB₂中对分组延迟t_max-t_s，但在TB₁中不延迟。如果t_s＝t_max，那么系统在TB₁或RB₂中不对分组延迟。

在图6b中，示出了当切换路径时对网络中的延迟进行均衡的过程步骤。当改变路径时，如果要缓冲的话，就在RB₂处缓冲。当前的路径是P_C，其传输延迟为t_c，新路径为P_N，其传输延迟为t_n。如果t_n＝t_c，那么控制系统不进行缓冲或延迟变化。但是如果t_n＞t_c，那么在RB₂处，将对沿路径P_N传播的分组进行缓冲，延迟长度为t_max-t_n。路径改变之前，缓冲延迟为t_max-t_c，而改变之后，缓冲延迟为t_max-t_n。如果t_n＜t_c，那么控制系统将在缓冲器TB₁中进行缓冲，延迟长度为t_c-t_n。然后，在使用路径P_N期间，系统用上述过程逐渐将缓冲从TB₁逐渐转移到RB₂。在缓冲转移过程结束时，所有缓冲延迟将在RB₂处，并且等于t_max-t_n。总的传输延迟总是t_max。

循环在使用最后一个路径期间终止。如果过程处于缓冲转移过程的中间，则没有困难。用恒定延迟t_max将网络中剩余的分组传递给U₂。

需要时可以减小能用任何路径(除最后一个)的最小时间长度。例如，如果路径必须能用的最短时间为1200T(代替12000T)，那么必要时缓冲必须以10倍的速率从TB₁转移到RB₂。这意味着，在缓冲转移过程中，每一百个分组多发送一个分组。为此，要求保留1％的可用带度。如果有更大的带度进行转移，那么可以多传送一点。

应该理解，本发明不限于以上所述和附图所示的准确结构或过程步骤，并且不脱离本发明的范围可以进行各种修改和变化。本发明的范围只由所附的权利要求书限制。

Claims (10)

1.一种用于对动态分组交换网中的延迟进行均衡的系统，其特征在于，包括：

缓冲装置，用于缓冲网络中的分组传输，以便对网络的分组传输延迟进行均衡，并且免除改变网络传输路径时分组速率加倍。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述缓冲装置包括第一缓冲装置，用于在接收用户接入站缓冲分组传输，以便当从一条传输路径变化到另一条传输路径时，对分组通过网络的延迟进行均衡。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述缓冲装置还包括第二缓冲装置，用于在发送用户接入站缓冲分组传输，以便当从网络的较长传输路径变化到较短传输路径时，免除分组速率加倍。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括对所述第二缓冲装置进行控制的装置，用于当从网络的较长传输路径变化到较短传输路径时，立即在发送用户接入站提供第一数量的缓冲，并提供一种装置，用于在从较长传输路径变化到较短传输路径后的第一时间段内，将所述第一数量的缓冲从所述第二缓冲装置逐渐转换到所述第一缓冲装置。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，在第二时间段使用所述较短的传输路径，并且所述第一时间段短于所述第二时间段。

6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，网络的第一较长路径P_B具有传输延迟t_b，网络的第二较短路径P_A具有传输延迟t_a，所述传输延迟t_b大于所述传输延迟t_a，并且还包括对所述第二缓冲装置进行控制的装置，用于当从所述第一较长路径P_B变化到所述第二较短路径P_A时，立即在发送用户接入站提供一定量的缓冲，该缓冲量足以使分组传输延迟等于t_b和t_a之差。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括在从所述第一较长路径P_B变化到所述第二较短路径P_A后的第一时间段内，将第二缓冲装置提供的缓冲转移到第二缓冲装置的装置，从而在所述第一时间段结束时，所述第一缓冲装置在接收用户接入站提供一定量的缓冲，该缓冲量足以使分组传输延迟等于t_b和t_a之间的差，并且所述第二缓冲装置在发送用户接入站不提供缓冲。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一时间段短于使用第二路径P_A的总时间。

9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述转移装置在所述第一时间段内将所述第二缓冲装置提供的缓冲逐渐转移到所述第一缓冲装置。

10.一种动态分组交换网络，其特征在于，包括：

第一用户接入站，它至少具有一个缓冲器，用来对分组传输进行延迟；

第二用户接入站，它至少个有一个缓冲器，用来对分组传输进行延迟；

由交换机和通信链路组成的网络，通信链路使第一和第二用户接入站互连；和

至少一个具有与交换机和用户接入站相连的通信链路的控制站，所述控制站具有在第一和第二用户接入站之间建立并改变传输路径的装置，以及用于控制第一和第二用户接入站中缓冲器的装置，以便对不同的传输路径均衡网络的分组传输延迟。

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