CN1561615A - 采用重传定时器改善传输协议性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用重传定时器改善传输协议性能的方法。所述重传定时器的超时(RTO)根据往返时间(RTT)统计量进行调整，所述统计量包括扩展估计。本发明的方法的特征基本上在于在上述往返时间(RTT)中引入抖动。这样，控制扩展以使确保其达到最小值，由此减小关于所述重传定时器的伪超时概率。

Description

采用重传定时器改善传输协议性能的方法
技术领域
本发明一般涉及用于电信系统的协议，更具体地说，涉及为通过网络可靠地传输数据而设计的协议，上述网络本身不保证所需要的可靠性。因此本发明尤其适于传输控制协议(TCP)类型的协议，上述传输控制协议类型的协议用于那些根据传输控制协议/因特网协议(TCP/IP)模型运行的系统。
背景技术
一般说来，为了可靠地传输数据，这些协议使用一种机制，该机制包括由接收数据单元的接收机确认以及由没有被确认的数据单元的发送机重传。一般提供重传定时器，以使在重传定时器超时之前如果没有接收到来自接收机的确认就自动执行重传。
需要解决的一个难题，特别是在TCP类型协议的情况下，是选择重传定时器的超时。这是由于在根据TCP/IP模型运行的系统中，传输延迟是不可预测的。在这种情况下，如果重传定时器的超时太短的话，可能引起不必要的重传，从而不必要地增加网络业务负荷，并且可能引入重传模糊；反之，如果重传定时器的超时太长的话，就会存在一种风险，即在传输延迟方面导致服务质量降低。
上述限制已经导致重传定时器的重传超时(RTO)作为传输往返时间(RTT)的统计量的函数而不断变化。因此建议使用如下形式的表达式：
RTO＝estimated_mean_RTT
+4*estimated_RTT_standard_deviation，
其中RTO是重传定时器的重传超时的当前值，estimated_mean_RTT是往返时间的平均值的当前估计值，以及estimated_RTT_standard_deviation是往返时间的标准偏差的当前估计值。变量estimated_mean_RTT和estimated_RTT_standard_deviation是通过对测量的RTT值求平均而获得的，所述RTT值是通过将接收确认的时间与发送相应数据的时间进行比较而获得的。
TCP将重传定时器的超时解释为IP网络中的拥塞，于是减少了发送比特速率。
关于TCP的更多详细资料可以具体查看W.Richard Stevens写的“TCP/IP Illustrated，Volume 1，The Protocols”。
目前，数量不断增加的TCP连接通过分组模式移动无线网络，诸如全球移动通信系统/通用分组无线业务(GSM/GPRS)网络以及通用移动电信系统(UMTS)网络)建立起来。
在这些移动无线网络中提供了具体的方法，用于通过无线接口可靠地传输数据。这些方法包括无线链路控制(RLC)协议，该协议包括使用自动重复请求(ARQ)技术重传未确认块。
然而，ARQ技术的使用导致传输时间作为实际所需的重复次数的函数而变化，该变化又直接取决于通信信道质量，在无线信道情况下所述通信信道质量变化剧烈。目前，虽然TCP允许RTO响应RTT的较慢变化而变化，但是其不能响应RTT的快速变化而改变RTO，比如当使用ARQ技术时例如如果无线条件突然降级时所发生的。RTT突然增加的另一个实例是重新选择小区，其中网络可以花若干秒钟确定移动终端的新位置然后继续传输。
RTT的突然变化就发生在这一情况下，于是可能导致重传定时器超时。
显然，在这里考虑的情况下，TCP的响应(即重传和比特速率减少)是不恰当的，因为，在该情况下，例如由于数据根据RLC协议重传，数据只是被延迟。具体地说，在该情况下数据被没有必要地重传，并且由于这种重传通常并不引起单一数据单元的重传，而是引起先行窗口(先行窗口的理论为本领域技术人员所公知，并且举例来说，在上述引用的文章中已经描述)中包括的全部数据单元的重传，从而加重了上述问题。尤其是，如果使用宽窗口(常规使用的一个值是64kilobyte)，这将意味着比特速率的重大损失。此外，这会产生重复确认，这又产生新的重传，等等。
该伪超时和伪重传的问题在下面的文献中提及，举例来说：
-″TCP Performance over GPRS″，Michael Meyer著，WCNC 1999IEEE Wireless Communications and Networking Conference(目录号99TH8466)，第3卷部分，第3卷第1248-1252页，出版：Piscataway，NJ，美国，1999年。
-″The Eifel Algorithm：Making TCP Robust Against SpuriousRetransmission″，Reiner Ludwig、Randy H.Katz著，ComputerCommunication Review，第30卷，第1卷，第30-36页，2000年1月。
文献“The Eifel Algorithm：Making TCP Robust Against SpuriousRetransmission”提出了一个解决方案，该方案在于向TCP报头添加信息，该信息规定段正在被第一次传输还是被重传，该信息被复制成确认，由接收机送回该确认并且该确认使发送机能够检测伪重传，并因此限制其影响到单一分组重传，而不是到整个先行窗口的重传。尽管如此，该解决方案包括修改TCP，以及更新所有希望受益于上述增强的服务器和客户端。此外，在短的TCP连接情况下，比如在下载少量的超文本传输协议(HTTP)对象时遇到的那些TCP连接，甚至仅单一分组的重传就代表上述对象尺寸的百分之几十。
发明内容
本发明的一个特定目的是要通过消除或者至少显著地减少伪超时概率来避免上述的问题。更一般地说，本发明的一个目的是要改善上述协议的性能，并因此改善使用它们的电信系统的性能。
本发明的一方面在于一种采用重传定时器改善传输协议性能的方法，在该方法中，上述重传定时器的重传超时作为传输往返时间统计量的函数而变化，上述往返时间统计量包括扩展估计，该方法的特征基本上在于在上述往返时间中引入抖动来控制其扩展，以便保证其将上述重传定时器的伪超时概率减少到最小值。
根据另一特征，上述往返时间是通过将接收确认的时间与发送相应数据的时间进行比较而获得的，并且上述抖动是通过对上述确认的路由进行随机延迟而获得的。
根据另一特征，在根据传输控制协议/因特网协议(TCP/IP)模型运行的系统中，上述协议属于传输控制协议(TCP)类型，上述方法包括：
-第一步骤，其中通过分析进入的IP数据报的报头来检测TCP段，
-第二步骤，其中通过分析TCP段的报头来检测以这种方式检测的TCP段中的确认，以及
-第三步骤，其中随机地延迟以这种方式检测的确认的路由。
根据另一特征，在上述第二步骤期间，仅仅选择不传输系统应用层数据的TCP段中的确认。
根据另一特征，上述方法用于任意一个传输方向或者两个传输方向。
本发明进一步在于一种用于采用重传定时器来执行传输协议的电信系统的设备，其重传超时作为往返时间统计量的函数而变化，该往返时间统计量包括扩展估计，该设备的特征基本上在于它包括用于将抖动引入上述往返时间来控制其扩展从而保证其将上述重传定时器的伪超时的概率减少到最小值的装置。
根据另一特征，通过将接收确认的时间与发送相应数据的时间进行比较从而获得上述往返时间，以及用于将抖动引入上述往返时间的上述装置包括用于对上述确认的路由进行随机延迟的装置。
根据另一特征，上述系统按照传输控制协议/因特网协议模型运行，并且上述协议属于传输控制协议类型，上述设备包括：
-第一装置，用于通过分析进入的IP数据报的报头来检测TCP段，
-第二装置，用于通过分析上述TCP段的报头在以这种方式检测的TCP段中检测确认，以及
-第三装置，用于随机延迟以这种方式检测到的确认的发送。
根据另一特征，上述第二装置进一步包括用于仅仅选择在不传输系统应用层数据的TCP段中的确认的装置。
根据另一特征，为任一传输方向或两个传输方向提供用于将抖动引入上述往返时间的装置。
根据另一特征，上述系统按照传输控制协议/因特网协议模型运行，上述协议属于传输控制协议类型，并且通过分组模式移动无线网络建立起TCP连接，上述设备被提供在上述分组模式移动无线网络的设备中。
根据另一特征，上述分组模式移动无线网络属于全球移动通信系统/通用分组无线业务类型，并且上述设备属于服务GPRS支持节点或者网关GPRS支持节点类型，上述用于将抖动引入上述往返时间的装置被提供在子网相关会聚协议层实体、GPRS隧道协议层实体、或者具有中继功能并且位于SNDCP和GTP之上的实体中。
根据另一特征，上述移动无线网络属于通用移动电信系统类型并且上述设备属于第三代服务GPRS支持节点或者第三代网关GPRS支持节点类型，用于将抖动引入上述往返时间的上述装置被提供在GPRS隧道协议用户平面层实体、或者具有中继功能、位于GPRS隧道协议用户平面之上的实体。
本发明进一步在于含有上述种类的设备的分组模式移动无线网络设备。
本发明进一步在于含有上述种类的设备的移动台。
附图说明
在阅读完结合附图给出的本发明实施例的下列描述后，本发明的其他目的和特征将变得明显，其中：
-图1是一个描述本发明可应用于的系统的一个实例的图，举例来说其相应于GSM/GPRS分组模式移动无线网络的情况，
-图2是一个描述例如如图1所述的系统的分层结构的图，
-图3是一个描述本发明解决的问题的图，
-图4是一个描述用于执行本发明方法的装置的一个实例的图，
-图5是一个描述本发明可应用于的系统的一个实施例的图，举例来说其相应于UMTS分组模式移动无线网络，以及
-图6是一个描述例如如图5所述的系统的分层结构的图。
具体实施方式
图1表示系统的一个实例，该系统中可以通过分组模式移动无线网络建立起TCP连接。举例来说，上述分组模式移动无线网络是GSM/GPRS网络。
GSM/GPRS网络基本上包括：
-与移动台(MS)和基站控制器(BSC)通信的基站收发信机(BTS)，基站收发信机及其基站控制器的组合被称作基站子系统(BSS)，或者，更一般地说，无线接入网络，以及
-与BSS和网关GPRS支持节点(GGSN)进行通信的服务GPRS支持节点(SGSN)，网关GPRS支持节点(GGSN)本身与诸如IP网络的数据网络进行通信，该IP网络本身与主机HOST进行通信，如图1所示。SGSN和GGSN的组合通常称为核心网络。
在用于描述诸如图1所描述的系统的分层体系结构中，分成：
→根据TCP/IP模型：
●在主机HOST中：
-应用层，
-传输层，在该实例中为传输控制协议(TCP)层，
-网络层，在该实例中为因特网协议(IP)层，
-网络-主机层，又被分成两个层L2和L1，
●在移动台MS中：
-应用层，该应用层与上述HOST应用层进行对话，
-传输层，在该实例中为TCP层，该传输层与HOST传输层进行对话，
-网络层，在该实例中为IP层，
●在GGSN中：
-网络层，在该实例中为IP层，适合与HOST IP层(在图中所描述的简单的情况下)或者中间IP路由器进行对话，
-网络-主机层，又被分成适合与上述相应HOST层进行对话的两个层L2和L1，
→根据专用于GSM/GPRS系统的模型：
●在移动台MS中：
-适配层，用于使IP层与低层适配，该适配层被称作子网相关会聚协议(SNDCP)，
-链路层，又被分成逻辑链路控制(LLC)层、无线链路控制(RLC)层、以及介质访问控制(MAC)层，
-称作GSM RF层的物理层，
●在BSS中：
1)
-中继功能，用于在MS和SGSN之间路由LLC层数据单元，
2)
-与MS RLC层进行对话的RLC层，
-与MS MAC层进行对话的MAC层，
-与MS GSM RF层进行对话的GSM RF层，
3)
-BSS GPRS协议(BSSGP)层，
-网络业务层，
-L1bis层，
●在SGSN中：
1)
-中继功能，用于在MS和GGSN之间路由IP数据报，
2)
-与MS SNDCP层进行对话的SNDCP层，
-通过BSS的LLC层中继与MS LLC层进行对话的LLC层，
-与BSS BSSGP层进行对话的BSSGP层，
-与BSS网络业务层进行对话的网络业务层，
-与BSS L1bis层进行对话的L1bis层，
3)
-GPRS隧道协议(GTP)层，
-用户数据报协议/传输控制协议(UDP/TCP)层，
-IP层，
-L2层，
-L1层，
●在GGSN中：
-通过SGSN的IP层中继与MS IP层进行对话的IP层，
-与SGSN GTP层进行对话的GTP层，
-与SGSN UDC/TCP层进行对话的UDP/TCP层，
-与SGSN IP层进行对话的IP层，
-与SGSN L2层进行对话的L2层，
-与SGSN L1层进行对话的L1层。
分层体系结构的更多详细资料可以查看由第三代合作项目(3GPP)所发表的技术规范3GPP TS 03.60，版本7.6.0，1998年发行版。
按照TCP来交换数据单元(也被称作TCP段)。上述TCP段包含在分组(也被称作IP数据报)中，该分组按照IP进行交换，并且该IP数据报包含在帧(也被称作LLC帧)中，该帧按照LLC协议进行交换。在RLC/MAC层对LLC帧进行分段，从而形成块，该块称作RLC数据块。RLC数据块在物理层被转换为通过无线接口传输所需要的格式。
GSM/GPRS系统的详细说明可以查看由相应标准组织所发表的相应技术规范。
如上所指出，TCP采用重传定时器并且重传定时器的重传超时(RTO)根据下列表达式连续改变：
RIO＝estimated_mean_RTT
+4*estimated_RTT_standard_deviation
其中RTO是重传定时器的超时的当前值，estimated_mean_RTT是平均往返时间的当前估计值，并且estimated_RTT_standard_deviation是往返时间的标准偏差的当前估计值。变量estimated_mean_RTT和estimated_RTT_standard_deviation是通过对测量的RTT值求均值而获得的，所述RTT值是通过将接收确认的时间与发送相应数据的时间进行比较而获得的。
本申请人已经注意到伪重传定时器超时发生在RTT对于连续的TCP段相对恒定的时期之后，即在RTT标准偏差低的那段时期之后，RTT经受突然或者瞬时增加(称作″假信号脉冲″)时，该突然或者瞬时增加使RTT增加到当前RTO值以上。
例如，该问题可以参考图3进行说明。图3描述RTT采样的集合(在此从1到21进行编号)，以及RTO所获得的对应值。在该实例中，RTT样本17到20具有几乎恒定值，该恒定值引起RTO当前值的逐渐减少，并且样本21经受突然增加(假信号脉冲)，从而导致该样本上升超过RTO的当前值，该RTO的当前值不能足够快速地调整以考虑到该情况。
为了防止出现该问题，本发明建议将故意的相位变化(抖动)引入往返时间RTT，从而控制其扩展(尤其是该实例中的标准偏差)，以便保证将伪重传定时器超时的概率减少到最小值。换句话说，本发明避免出现RTT为几乎恒定值的期间，或者人为地增加RTT标准偏差(或者，更一般地说，其扩展的任何参数特征)，或者人为地增加重传定时器的重传超时RTO以便减少伪重传定时器超时的概率，或者考虑快速地和连续地增加RTT，在RTO和RTT之间保持足够的余量。
本发明的另一个优点为不用修改TCP的现有执行就可以获得该结果。
由于实际上引入的抖动只能是延迟，因此这增加了estimated_mean_RTT值。仅仅通过配置执行TCP(这种窗口的原理也是本技术领域技术人员所公知的，并且例如在上述的文章中描述)的软件来增加用户TCP窗口的宽度，可以补偿任何产生的问题。
接下来描述用于对确认路由进行随机延迟的算法的一个实例。
采用下列表示法：
ack_1，ack_2，...，ack_n，...表示一系列接收到的TCP确认，
T_ack_1，T_ack_2，...，T_ack_(n)，...，表示接收TCP确认的时间，
T_forward_ack_1，T_forward_ack_2，...，T_forward_ack_(n)，...，表示在应用延迟之后重传TCP确认的时间。
N是当前接收到的TCP确认的索引。
T_forward_ack_(N)是通过以下表达式确定的，例如：
T_forward_ack_(N)＝T_ack_(N)+rand()*Max_Delay其中rand()是函数，该函数用于提供在[0，1]范围内的随机数，并且Max_Delay是预定的最大时间延迟。
Max_Delay有利地是可以由移动无线网络运营商配置的参数。因此人为引入的扩展可以根据需要而扩充并且适合本发明所应用于的各种情况。
本发明还提供一种用于执行根据本发明的方法的设备。
一般说来，按照本发明的设备包括用于将抖动引入往返时间来控制其扩展的装置，以便保证其将伪重传定时器超时的概率减少到最小值。
通过将接收确认的时间与发送相应数据的时间进行比较可以获得往返时间本身，这些装置本身有利地包括用于对确认路由进行随机延迟的装置。
一般说来，本发明可以在任何电信系统设备中实现，例如图1和2所描述的类型的系统的任意设备。
本发明有利地在分组模式移动无线网络设备中实现，例如图1和2所描述的类型的系统中的SGSN或者GGSN。
在这种情况下，本发明没有在TCP层本身执行，而是在诸如SNDCP或者GTP层中执行，例如，或者在SGSN的情况下在这两个协议之间的中继功能中执行，或者在GGSN的情况下在GTP层中执行。在IP层水平上交换的数据单元、分组或者IP数据报可以在这些层中的任何层上被恢复。
通常，各层添加报头到数据单元，这些数据单元是在把这些数据单元传到更低一层之前其从较高一层接收的。在该实例中IP数据报报头包含指示协议类型(例如TCP或者UDP)的字段并且TCP段报头包含预留给TCP确认的字段。
在这种情况下，如图4所描述，为执行本发明可以提供：
-第一装置MI，用于通过分析进入的IP数据报的报头来检测TCP段，
-第二装置M2，用于通过分析那些TCP段中的报头检测以这种方式的TCP段中包含的确认，以及
-第三装置M3，用于随机延迟以这种方式检测的确认的路由。
第二装置有利地进一步包括用于仅仅选择在不传输应用层数据的TCP段中包括的确认的装置。
当然，上述装置也可以采用软件的形式。
在全球移动通信系统/通用分组无线业务(GSM/GPRS)分组模式移动无线网络的情况下，上述装置可以被提供在子网相关会聚协议(SNDCP)层实体、或者GPRS隧道协议(GTP)层实体或者在SNDCP和GTP之间的中继功能、服务GPRS支持节点(SGSN)、或者网关GPRS支持节点(GGSN)中。
按照本发明的设备还可以用于移动台。
此外，由于本发明可以用于两个传输方向，在各个可能的执行情形中每个设备将视情况而被认为是发送机(源)或者接收机(目的地)。
此外，在前面描述中提及的GSM/GPRS网络仅仅是本发明可应用于的移动无线网络的一个实例。
本发明当然可以应用于其他类型的网络，尤其是UMTS网络。
这样，图5表示系统的一个实例，该系统中可以通过UMTS分组模式移动无线网络来建立起TCP连接。
在该UMTS中，无线接入网络被称作UMTS陆地无线接入网络(UTRAN)，基站被称作节点B，基站控制器被称作无线网络控制器(RNC)，而SGSN和GGSN分别被称作3G-SGSN和3G-GGSN，其中3G代表第三代。
一般说来，UMTS还由一些标准覆盖并且可以在由相应标准组织所发表的相应技术规范中获得更多信息参考。
图6表示诸如图5所描述的系统的分层体系结构。这种体系结构在此不再详细地描述，首先因为其具有与图2所示体系结构相同的一些地方，并且其次因为更多详细资料能够从第三代合作项目(3GPP)所发表的技术规范3GPP TS 23.060，版本4.1.0，第4版发行中获得。
在这类系统中本发明所解决的问题完全与已经关于GSM/GPRS系统描述的相同。
同样地，本发明可以在图5和6所描述的类型的系统的任何设备中执行。
本发明有利地在分组模式移动无线网络设备中，诸如3G-SGSN或者3G-GGSN，例如，在图5和6所描述的类型的系统中执行。
在该系统类型中，本发明可以执行在GPRS隧道协议用户平面(GTP-U)层实体上，例如，该实体的角色是要将接入网(UTRAN)的用户IP业务传输到核心网络，然后在核心网络内部，或者在具有延迟功能并且位于GTP-U层之上的实体中。
按照本发明的设备还可以应用于移动台(MS)或者用户设备(UE)。
本发明还在于分组模式移动无线网络设备(诸如SGSN，3G-SGSN，GGSN或者3G-GGSN)，该设备含有用于执行本发明的设备。
本发明还在于移动台(MS)或者用户设备(UE)，上述移动台或者用户设备含有用于执行本发明的设备。

Claims (15)

1.一种采用重传定时器改善传输协议性能的方法，在所述方法中，上述重传定时器的重传超时(RTO)作为往返时间(RTT)统计量的函数而变化，上述往返时间(RTT)统计量包括扩展估计，该方法其特征在于：在上述往返时间(RTT)中引入抖动来控制其扩展，以便保证其将上述重传定时器的伪超时概率减少到最小值。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：上述往返时间是通过将接收确认的时间与发送相应数据的时间进行比较来获得的，并且上述抖动是通过随机地延迟上述确认的路由来获得的。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于：在按照传输控制协议/因特网协议(TCP/IP)模型运行的系统中，上述协议属于传输控制协议(TCP)类型，上述方法包括：
-第一步骤，其中通过分析进入的IP数据报的报头来检测TCP段，
-第二步骤，其中通过分析TCP段的报头来检测以这种方式检测的TCP段中的确认，以及
-第三步骤，其中随机延迟以这种方式检测的确认的路由。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于：在上述第二步骤期间，仅仅选择不传输系统应用层数据的TCP段中的确认。
5.根据权利要求1到4中的任一权利要求的方法，其特征在于：该方法用于任一传输方向或者两个传输方向。
6.一种用于采用重传定时器来执行传输协议的电信系统的设备，重传定时器的重传超时(RTO)作为往返时间(RTT)统计量的函数而变化，该往返时间统计量包括扩展估计，该设备其特征在于：它包括装置，该装置用于将抖动引入上述往返时间(RTT)来控制其扩展，从而保证其将上述重传定时器的伪超时概率减少到最小值。
7.根据权利要求6的设备，其特征在于：上述往返时间是通过将接收确认的时间与发送相应数据的时间进行比较而获得的，并且用于将抖动引入上述往返时间(RTT)的上述装置包括用于对上述确认的路由进行随机延迟的装置。
8.根据权利要求6或7的设备，其特征在于：上述系统按照传输控制协议/因特网协议(TCP/IP)模型运行，并且上述协议属于传输控制协议(TCP)类型，上述设备包括：
-第一装置(M1)，用于通过分析进入的IP数据报的报头来检测TCP段，
-第二装置(M2)，用于通过分析上述TCP段中的报头来检测以这种方式检测的TCP段中的确认，以及
-第三装置(M3)，用于随机延迟以这种方式检测的确认的发送。
9.根据权利要求8的设备，其特征在于：上述第二装置进一步包括用于仅仅选择不传输系统应用层数据的TCP段中的确认的装置。
10.根据权利要求6到9中的任一权利要求的设备，其特征在于：为任一传输方向或两个传输方向提供用于将抖动引入上述往返时间(RTT)的装置。
11.根据权利要求6到10中的任一权利要求的设备，其特征在于：上述系统根据传输控制协议/因特网协议(TCP/IP)模型运行，上述协议属于传输控制协议(TCP)类型，并且通过分组模式移动无线网络来建立起TCP连接，上述设备被提供在上述分组模式移动无线网络设备中。
12.根据权利要求11的设备，其特征在于：上述分组模式移动无线网络属于全球移动通信系统/通用分组无线业务(GSM/GPRS)类型，并且上述设备属于服务GPRS支持节点(SGSN)或者网关GPRS支持节点(GGSN)类型，用于将抖动引入上述往返时间(RTT)的上述装置被提供在子网相关会聚协议(SNDCP)层实体、GPRS隧道协议(GTP)层实体、或者具有延迟功能并且位于SNDCP和GTP之上的实体中。
13.根据权利要求11的设备，其特征在于：上述移动无线网络属于通用移动电信系统(UMTS)类型而上述设备属于第三代服务GPRS支持节点(3G-SGSN)或者第三代网关GPRS支持节点(3G-GGSN)类型，用于将抖动引入上述往返时间(RTT)的上述装置被提供在GPRS隧道协议用户平面(GTP-U)层实体或者具有延迟功能且位于GPRS隧道协议用户平面之上的实体中。
14.分组模式移动无线网络设备，其特征在于：它包含根据权利要求11到13中的任一个的设备。
15.一种移动台，其特征在于：它包含根据权利要求11到13中的任一个的设备。
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