CN1753389A - 波长路由光网络的实时软抢占方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光通信网络中降低建路阻塞率的技术领域，其特征在于：该发明利用负载加权法并结合Dijkstra最短路由算法来进行阻塞定位，然后，再利用交换路由法计算新到达的高优先级业务路由以及即将被抢占的已有网络业务路由，使它们能够同时建路成功。本发明还提出在阻塞定位前采用逐跳路由法或对不同波长的链路状态数据库采用Dijkstra最短路由算法或同时采用以上两种方法得到多个候选阻塞链路，以进行多次软抢占尝试。本发明可以有效降低网络中高优先级业务或整个网络的阻塞率，与此同时网络中已有业务的服务质量也得到保证。

Description

波长路由光网络的实时软抢占方法

技术领域

本发明描述一种在波长路由光网络中降低建路阻塞率，同时保证已有业务服务质量的方法，属于光网络通信技术领域。该方法特别适用于分布式波长路由的自动交换光网络。

背景技术

目前已有一些降低波长路由光网络建路阻塞率的方法，这些方法主要分为两类。第一类方法通过对实际网络业务的分布特性进行预测建立网络模型，并根据该模型合理设计网络拓扑并优化网络资源的分配，以达到降低网络阻塞率的目的。我们称这类方法为网络优化方法。第二类方法作用于阻塞发生之后，此时，优先级较高的业务以一定的概率抢占已有业务，从而保证高优先级业务建立成功。我们称这类方法为抢占方法。然而就目前来说，这两类方法均存在其各自问题如下：

1、对于网络优化方法，由于其作用于阻塞发生之前，其效果相比抢占方法在某些方面自然存在一定局限，表现为当阻塞已经发生时，该类方法便无能为力。此外，由于这类方法是依据特定的网络业务分布而设计的，当这种业务分布发生变化时，该方法便不能很好的达到其预期效果。

2、对于目前已有的抢占方法(为区别本发明所提出的软抢占方法，以下称该种抢占方法为硬抢占方法)，由于其降低网络阻塞率是以被抢占业务的中断为代价的，因而它不能保证这些业务的服务质量。此外，这类方法只能降低某一类高优先级业务的阻塞率，而对于网络整体阻塞率的降低，它没有任何帮助，甚至还有负面的作用。

发明内容

为了解决上述诸多问题，本发明提出这样一种波长路由光网络的软抢占方法，它能有效降低网络中高优先级业务或整个网络的阻塞率，与此同时，网络中已有业务的服务质量也得到有效保证。软抢占方法较硬抢占方法的本质不同之处在于，当网络阻塞发生时，前者会为即将被抢占的已有网络业务计算一条新路由，当且仅当这条新路由被计算出来且该业务按新路由改路成功时，新的业务才能进行抢占操作。(具体工作流程见图1)。而后者直接抢占已有网络业务，不考虑被抢占的业务能否找到新的路由并重新建立连接。

本发明的特征在于：

1、该发明是在自动交换光网络环境下实现的，在所述光网络控制平面的服务器中预设有开放最短路径优先协议的协议流程及其链路状态数据库，且所述服务器中还设有资源预留协议，便于光网络节点能够实时地得到网络中被占用链路的业务编号及其路由信息；所述的软抢占方法依次含有以下步骤：

步骤1：在所述光网络的链路状态发生改变时，该服务器对每一条被占用的链路，要在链路状态数据库中其所在的开销项上加上一个设定的权值B，该权值需远大于所述光网络中所有和这条链路有同一波长的链路的开销之和；同样，当有链路被释放时，在所述链路状态数据库中把该链路的开销减去该权值B；

步骤2：该服务器对步骤1所述的更新后的链路状态数据库用Dijkstra最短路由算法生成所述光网络的路由表；

步骤3：在一个新的高优先级业务到达时，在步骤2所述的光网络路由表中为该业务找出一条最短路由；

步骤4：根据步骤3的结果，按照开销大小对该最短路由进行分类，并根据分类结果采取下述不同的处理操作：

a：开销＜B，没有阻塞发生，对新业务正常建路；

b：B≤开销＜2B：阻塞发生，按步骤5处理；

c：开销≥2B：该服务器终止软抢占操作，退出；

步骤5：该服务器对于步骤4中b所述的路由，找到其唯一一条开销在B到2B之间的组成链路，定义它为阻塞链路；并通过资源预留协议得到占用该阻塞链路的业务编号及其业务路由信息，定义该业务为即将被抢占的已有网络业务；于是，得到两个待处理的业务对象：新到达的高优先级业务以及即将被抢占的已有网络业务，这种方法叫阻塞定位法；

步骤6：该服务器用交换路由法同时为步骤5中所述的两个属于不同源/目的节点的网络业务计算路由，所述方法依次含有以下步骤：

步骤6.1：该服务器备份链路状态数据库；

步骤6.2：更新步骤6.1中所述的数据库，模拟拆除即将被抢占的已有网络业务，释放其所占用的资源；

步骤6.3：更新步骤6.2中修改过的备份数据库，模拟建立新到达的高优先级业务，占用步骤4中b所述的开销在B到2B之间的路由资源；

步骤6.4：通过Dijkstra最短路由算法用步骤6.3中更新过的备份数据库重新为即将被抢占的已有网络业务计算最短路由，并根据不同的计算结果采取下述不同的处理操作：

若：所述计算得到的最短路由开销小于B，则把被抢占的已有网络业务切换到新计算的路由；然后按步骤4中b所述的路由建立新到达的高优先级业务；

若：所述计算得到的最短路由的开销大于或等于B，则该服务器终止正在进行的软抢占操作。

2、在所述步骤6中同时为步骤5中所述的两个属于不同源/目的节点的网络业务计算路由时，采用按以下步骤构成的穷举路由法：

步骤6.A：通过逐条路由的方法分别得到两个业务所有可能的路由，每个业务的具体路由计算方法如下：

首先，寻找源节点的邻居节点并把这些邻居节点分别存入不同的链表；

其次，依次逐个地为上述每一个链表中最后存入的一个节点查找其邻居节点，若该邻居节点在该链表中已存在，则抛弃该邻居节点；若该邻居节点是目的节点，则把该链表连同目的节点保存至路由表；若该邻居节点不属于所述的两种情况，则把该邻居节点以及该链表存入新的链表；当所有邻居节点寻找完毕，则删除上述所建立的相应链表；重复这项操作，直到没有链表存在；

再次，每次从两组网络业务路由中依次分别选出一个路由进行比较，若存在两个没有链路冲突并分别属于两个网络业务的路由，则通过资源预留协议同时建立两个业务；否则，该服务器退出软抢占操作。

3、在所述的步骤2～3中，服务器对步骤1所述的更新后的链路状态数据库的一个随机波长的子数据库用所述逐条路由的方法为新到达的高优先级业务找到多条路由，然后再按步骤4～5所述的阻塞定位法得到占用所述多条路由中每条路由的阻塞链路的业务编号及其业务路由信息，并把这些信息保存到候选阻塞链路数据库，以便为所述步骤6提供多次改路尝试，这种方法叫同波长候选阻塞链路法。

4、在所述的步骤3中，在一个新的高优先级业务到达时，服务器在每一个波长的光网络路由表中为新到达的高优先级业务分别找到一条最短路由，总共找到和光网络所配置的波长数目相同数量的多条路由，然后再按步骤4～5所述的阻塞定位法得到占用所述多条路由中每条路由的阻塞链路的业务编号及其业务路由信息，并把这些信息保存到候选阻塞链路数据库，以便为所述步骤6提供多次改路尝试，这种方法叫异波长候选阻塞链路法。

仿真结果(图5)显示，在采用软抢占方法后，网络阻塞率指标得到了很大的改善。从图中我们看到，在网络节点的业务载荷不是很大时(＜15Erlang)，软抢占方法能有效降低网络阻塞率，尤其对于轻负载网络(节点载荷小于6Erlang)，网络阻塞率更是大幅降低。同时，随着改路尝试次数的增加，网络阻塞率也能得到一定程度的降低。不过，对于网络负载非常重的情况，由于可用的网络资源相当有限，软抢占方法并不十分适用。

图6进一步反映了软抢占方法的工作效率。从图中我们看到，在节点的业务载荷较轻时，软抢占方法有着较高的改路成功率，特别是在该载荷小于2Erlang时，进行5次改路尝试的软抢占方法实现了100％或接近100％的改路成功率。这从侧面反映了该方法能大大降低网络阻塞率的原因。

附图说明

图1：软抢占方法工作流程图

图2：四节点单波长有向网络实例

图3：新业务请求被阻塞示意图

图4：软抢占方法处理阻塞示意图

图5：网络阻塞率特性比较图

图6：软抢占方法改路成功率示意图

具体实施方式

为达到上述目的，本发明具体通过以下方案实现：

1.阻塞定位：对于动态分布式波长路由光网络来说，每一个业务的路由计算都不是唯一的。这导致在网络阻塞发生时，发生阻塞的链路(link)以及造成该阻塞的已有网络业务存在多种可能。因此，对阻塞进行定位变得非常复杂。一种最简单的阻塞定位方法是穷举所有的阻塞可能，之后从中找出最优的。然而，穷举算法的时间复杂度相当大，这对于对实时性要求很高的动态光网络来说并不适用。为解决这个问题，本发明提出了一种巧妙而高效的“负载加权”阻塞定位方法。该方法遵循最小化受影响的网络已有业务的原则，通过对开放最短路径优先协议(OSPF：Open Shortest Path First)的链路状态数据库(linkstate database)以及其协议流程进行改进来实现。具体改进方法如下：

(1)当一条链路被占用时，改进后的“负载加权法”在链路状态数据库中将其链路的开销(cost)加上一个固定的权值B(该权值需远大于网络中所有和这条链路同一波长的链路开销之和)，而不是按照已有的OSPF协议将这条链路的信息直接从链路状态数据库中删除。

(2)同样当一条链路被释放时，改进后的“负载加权法”在链路状态数据库中将其链路的开销减去这个权值B，而不是按照已有的OSPF协议将这条链路的信息加入到链路状态数据库中。

表1A以及表1B描述了一个四节点单波长有向网络(图2)的链路状态数据库实例。在某一时刻，该网络中存在三个业务，它们占用了{4->2)、{2->1}、{3->4}、{4->1}以及{4->3}五条链路。假定1、2两个节点间链路的初始开销为3，其余各链路的初始开销为1。其中，表1A为采用“负载加权法”的链路状态数据库，表1B为采用已有OSPF协议的链路状态数据库。

  表1A  采用“负载加权法”的链路状态数据库

链路编号	起始节点	终止节点	…	链路开销
					12345678910	1112233444	2341414123	…………………………	311B+311B+1B+1B+1B+1

    表1B  采用已有OSPF协议的链路状态数据库

链路编号	起始节点	终止节点	…	链路开销
					12345	11123	23441	……………	31111

在链路状态数据库更新完毕之后，“负载加权法”采用Dijkstra最短路由算法生成网络路由表。由于新方法的采用，无论网络状态如何，任何两个节点对之间都有一条最短路由。这些路由将按照其开销大小进行分类：

(1)开销＜B：没有阻塞发生，新业务将正常建路。

(2)B≤开销＜2B：阻塞发生，同时准备采用软抢占方法解决这个阻塞。(仅对高优先级业务)

(3)开销≥2B：阻塞发生，但不打算采用软抢占方法解决这个阻塞，因为其将影响两个或两个以上的已有网络业务。

从上述分类中我们看到开销在B和2B之间的路由是软抢占方法处理的对象。由于一条路由的开销是组成该路由各个链路的开销之和，因此在这些链路中，有且只有一条开销在B和2B之间，该链路可被认为是阻塞发生的地点，下文称其为“阻塞链路”。至此，“负载加权法”便完成了阻塞定位。有了阻塞链路，便能通过资源预留协议(RSVP：ResourceReservation Protocol)得到组成占用该链路的网络业务路由的各条链路信息。这样，我们便有了两个待处理的业务对象：新到达的高优先级业务以及即将被抢占的已有网络业务。接下来，软抢占方法将同时为它们计算路由，以保证它们都能建立起来。

2.路由计算：已有OSPF协议的Dijkstra最短路由算法只能为某一个业务找到一条开销最小的路由，而无法同时为两个属于不同源/目的节点对的业务计算路由。为解决这个问题，本发明提出两种双业务路由算法，分别是“交换路由法”以及“穷举路由法”。

(1)交换路由法

“交换路由法”就是交换两个业务路由计算的顺序，即先计算新到达的高优先级业务路由，假设建路成功，更新备份的链路状态数据库。之后根据更新后的备份数据库重新计算即将被抢占的已有网络业务路由。具体算法流程分为以下四步：

A、进行初始化：备份链路状态数据库。

B、更新备份数据库，模拟拆除即将被抢占的已有网络业务，释放其所占用的资源。

C、更新备份数据库，模拟建立新到达的高优先级业务，占用上文计算得到的开销在B到2B之间的路由资源。

D、通过Dijkstra最短路由算法用步骤C中的备份数据库重新为即将被抢占的已有网络业务计算最短路由：

I)该路由的开销小于B：没有阻塞发生，将通过RSVP协议同时建立两个业务。这样，即将被抢占的已有网络业务将被切换到新计算的路由，而新到达的高优先级业务也能成功建立起来，网络阻塞被解决。

II)该路由的开销大于等于B：无法同时为两个业务找到路由，网络阻塞无法解决。

“交换路由法”覆盖了绝大多数情况，也就是说，两个业务的路由均存在而该算法不能将其找出的概率很低。然而，这种坏情况还是存在的。为解决这个问题，本发明提出了另一种“穷举路由法”。

(2)穷举路由法

“穷举路由法”就是穷举两个业务所有可能的路由，并从中找出其不相冲突的一对路由。为了降低穷举算法的时间复杂度，本发明采用逐跳路由的方法得到每一个业务的所有可能路由。具体算法流程如下：

A、通过逐跳路由的方法分别得到两个业务所有可能的路由，每个业务的具体路由计算方法如下：

I)寻找源节点的邻居节点并将它们存入不同的链表。

II)依次为上述每一个链表最后的节点查找其邻居节点，若它在该链表中已存在，则抛弃它；若它是目的节点，则将该链表连同目的节点保存至路由表。对于其他情况则将这个邻居节点以及该链表存入新的链表。当所有邻居节点寻找完毕后，删除该链表。

III)重复II)的操作，直到没有链表存在。

B、将两个业务的路由逐一比较(每次从两组路由中分别选出一个进行比较)：

I)存在两个没有链路冲突并分别属于两个业务的路由：能通过RSVP协议同时建立两个业务，从而网络阻塞被成功解决。

II)不存在上述路由：无法同时为两个业务找到路由，网络阻塞无法解决。

3、多次改路尝试：以上对于软抢占方法的描述均建立在进行一次改路尝试的基础之上。如果该次改路失败，则认为网络阻塞无法解决。不过，如果能进行多次改路尝试，网络阻塞率还会进一步降低。然而，上文所描述的阻塞定位方法只能找到一个最优的阻塞链路，如果希望进行多次改路尝试，还需要找出一些候选阻塞链路，然后采用上文提到的路由计算方法进行多次改路尝试。为此，本发明提出两种寻找候选阻塞链路的方法，分别是“同波长候选阻塞链路法”以及“异波长候选阻塞链路法”。

(1)同波长候选阻塞链路法

该方法只需改变阻塞定位的路由计算方法：用“逐跳路由法”代替Dijkstra最短路由算法。“逐跳路由法”在上文已经进行过描述，通过它能找到多条路由。在得到这些路由后，用之前的阻塞定位法得到每条路由的阻塞链路及其业务信息，并将其保存到候选阻塞链路数据库。

(2)异波长候选阻塞链路法

该方法在进行阻塞定位的路由计算时，依然采用Dijkstra最短路由算法，只不过需要为每一个波长找到一条最短路由，之后的操作同“同波长候选阻塞链路法”。需要指出的是，若使用该方法，最大改路次数将受到网络波长数的限制。

此外，如果希望得到更多的改路次数，可同时使用以上两种方法。

下面通过一个具体的网络实例说明本发明所提出的软抢占方法的实施方式。

如图2所示，某一时刻在这个四节点网络中存在三个业务。此时一个新的业务(业务4)提出了一个由节点2到节点1的建路请求(见图3)。

对于这个请求，一共存在三条可能的路由，分别是2->1、2->4->1以及2->4->3->1，其开销分别为B+3、1+(B+1)＝B+2以及1+(B+1)+1＝B+3。(可由表1A计算得到)。按照软抢占方法的工作流程(见图1)，系统查询由最新的链路状态数据库(见表1A)生成的路由表。由于该路由表保存的是开销最小的路由，因此查询到的这个由节点2到节点1的路由为2->4->1，其开销为B+2。

考虑到B远大于网络中10条链路的原始开销之和14，B+2介于B和2B之间，存在网络阻塞。根据工作流程，将采用软抢占方法解决阻塞。

查询组成路由2->4->l的两条链路，发现其中的4->1开销为B+1，介于B和2B之间。因此确定该链路为阻塞链路。同时通过查询得到占用该链路的业务为业务2，路由为3->4->1。

之后备份链路状态数据库，并在备份数据库中模拟释放业务2(路由为3->4->1)的资源。释放资源后的备份数据库见表2A。

紧接着在备份数据库中模拟建立业务4(路由为2->4->1)。建立业务4后的备份数据库见表2B。

之后根据表2B所示的备份链路状态数据库计算备份路由表，并在该表中查询业务2(节点3到节点1)的新路由，开销最小的路由为3->1，其开销为1，小于B，阻塞解决。之后业务2被切换到路由3->1，而业务4抢占原业务2所占用的链路资源(4->1)，建路成功(路由为2->4->1)。(见图4)

至此，一个完整建路流程结束。

      表2A  释放业务2资源后的备份数据库

链路编号	起始节点	终止节点	…	链路开销
					12345678910	1112233444	2341414123	…………………………	311B+31111B+1B+1

       表2B  建立业务4后的备份数据库

链路编号	起始节点	终止节点	…	链路开销
					12345678910	1112233444	2341414123	…………………………	311B+3B+111B+1B+1B+1

图1说明：这是一个采用软抢占方法的网络节点的路由模块工作流程图。

图2说明：这是一个有四个节点的单波长有向Mesh网及其业务示意图。本发明通过该图说明软抢占方法在进行阻塞定位时链路状态数据库的生成方式。其中，在某一个时刻网络中存在三个已有业务：业务l，路由为4->2->1；业务2，路由为3->4->1；业务3，路由为4->3。

图3说明：在图2所示的网络中，一个从节点2到节点1的新业务请求(业务4)到达。由于该业务所有可能的路由资源均被网络的三个已有业务占用，这个请求被阻塞。

图4说明：这是软抢占方法处理图3中所发生的阻塞的示意图。通过该方法，业务2被切换到路由3->1上。此时业务4找到一条路由2->4->1，阻塞被解决。

图5说明：这是采用和不采用软抢占方法的网络仿真阻塞率比较图。该仿真基于美国自然科学基金网(NSFNET)的网络拓扑(14个节点、21条8波长双向光纤链路)。假定所有业务均可在阻塞发生时软抢占其他业务。业务到达遵循泊松过程，并平均分配在各个节点上。业务服务时间遵循负指数分布，平均服务时间为1秒。同时假定网络中不引入波长转换机制。

图6说明：这是同一仿真条件下的软抢占方法改路成功率示意图。图中三条曲线分别代表了1次尝试、2次尝试以及5次尝试下的软抢占方法改路成功率。该指标反映了该方法解决网络阻塞的能力。

本发明所述的在波长路由光网络中降低建路阻塞率的方法，不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全能被用于各种适合本发明之领域，熟悉本领域的人员可容易地实现本发明另外的优点和对其进行修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念的精神和范围的情况下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图示示例。

Claims (4)

1、波长路由光网络的实时软抢占方法，其特征在于，该方法是在自动交换光网络环境下实现的，在所述光网络控制平面的服务器中预设有开放最短路径优先协议的协议流程及其链路状态数据库，且所述服务器中还设有资源预留协议，便于光网络节点能够实时地得到网络中被占用链路的业务编号及其路由信息；所述的软抢占方法依次含有以下步骤：

步骤1：在所述光网络的链路状态发生改变时，该服务器对每一条被占用的链路，要在链路状态数据库中其所在的开销项上加上一个设定的权值B，该权值需远大于所述光网络中所有和这条链路有同一波长的链路的开销之和；同样，当有链路被释放时，在所述链路状态数据库中把该链路的开销减去该权值B；

步骤2：该服务器对步骤1所述的更新后的链路状态数据库用Dijkstra最短路由算法生成所述光网络的路由表；

步骤3：在一个新的高优先级业务到达时，在步骤2所述的光网络路由表中为该业务找出一条最短路由；

步骤4：根据步骤3的结果，按照开销大小对该最短路由进行分类，并根据分类结果采取下述不同的处理操作：

a：开销＜B，没有阻塞发生，对新业务正常建路；

b：B≤开销＜2B：阻塞发生，按步骤5处理；

c：开销≥2B：该服务器终止软抢占操作，退出；

步骤5：该服务器对于步骤4中b所述的路由，找到其唯一一条开销在B到2B之间的组成链路，定义它为阻塞链路；并通过资源预留协议得到占用该阻塞链路的业务编号及其业务路由信息，定义该业务为即将被抢占的已有网络业务；于是，得到两个待处理的业务对象：新到达的高优先级业务以及即将被抢占的已有网络业务，这种方法叫阻塞定位法；

步骤6：该服务器用交换路由法同时为步骤5中所述的两个属于不同源/目的节点的网络业务计算路由，所述方法依次含有以下步骤：

步骤6.1：该服务器备份链路状态数据库；

步骤6.2：更新步骤6.1中所述的数据库，模拟拆除即将被抢占的已有网络业务，释放其所占用的资源；

步骤6.3：更新步骤6.2中修改过的备份数据库，模拟建立新到达的高优先级业务，占用步骤4中b所述的开销在B到2B之间的路由资源；

步骤6.4：通过Dijkstra最短路由算法用步骤6.3中更新过的备份数据库重新为即将被抢占的已有网络业务计算最短路由，并根据不同的计算结果采取下述不同的处理操作：

若：所述计算得到的最短路由开销小于B，则把被抢占的已有网络业务切换到新计算的路由；然后按步骤4中b所述的路由建立新到达的高优先级业务；

若：所述计算得到的最短路由的开销大于或等于B，则该服务器终止正在进行的软抢占操作。

2、根据权利要求1所述的波长路由光网络的实时软抢占方法，其特征在于：在所述步骤6中同时为步骤5中所述的两个属于不同源/目的节点的网络业务计算路由时，采用按以下步骤构成的穷举路由法：

步骤6.A：通过逐条路由的方法分别得到两个业务所有可能的路由，每个业务的具体路由计算方法如下：

首先，寻找源节点的邻居节点并把这些邻居节点分别存入不同的链表；

其次，依次逐个地为上述每一个链表中最后存入的一个节点查找其邻居节点，若该邻居节点在该链表中已存在，则抛弃该邻居节点；若该邻居节点是目的节点，则把该链表连同目的节点保存至路由表；若该邻居节点不属于所述的两种情况，则把该邻居节点以及该链表存入新的链表；当所有邻居节点寻找完毕，则删除上述所建立的相应链表；重复这项操作，直到没有链表存在；

再次，每次从两组网络业务路由中依次分别选出一个路由进行比较，若存在两个没有链路冲突并分别属于两个网络业务的路由，则通过资源预留协议同时建立两个业务；否则，该服务器退出软抢占操作。

3、根据权利要求1所述的波长路由光网络的实时软抢占方法，其特征在于：在所述的步骤2～3中，服务器对步骤1所述的更新后的链路状态数据库的一个随机波长的子数据库用所述逐条路由的方法为新到达的高优先级业务找到多条路由，然后再按步骤4～5所述的阻塞定位法得到占用所述多条路由中每条路由的阻塞链路的业务编号及其业务路由信息，并把这些信息保存到候选阻塞链路数据库，以便为所述步骤6提供多次改路尝试，这种方法叫同波长候选阻塞链路法。

4、根据权利要求1所述的波长路由光网络的实时软抢占方法，其特征在于：在所述的步骤3中，在一个新的高优先级业务到达时，服务器在每一个波长的光网络路由表中为新到达的高优先级业务分别找到一条最短路由，总共找到和光网络所配置的波长数目相同数量的多条路由，然后再按步骤4～5所述的阻塞定位法得到占用所述多条路由中每条路由的阻塞链路的业务编号及其业务路由信息，并把这些信息保存到候选阻塞链路数据库，以便为所述步骤6提供多次改路尝试，这种方法叫异波长候选阻塞链路法。

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