CN1953421A - 一种基于网络设备的带宽预留方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于网络设备的带宽预留方法及装置，用于突破硬件流队列数目上的限制。其中，在物理端口上分配至少两种硬件流队列，基于所述物理端口建立多个隧道；所述隧道在所述的硬件流队列类型中选择所入的硬件流队列类型；使选择入相同类型硬件流队列的隧道均入所述物理端口上分配的对应类型的一个硬件流队列。本发明突破了硬件流队列数目限制，从理论上可以满足用户对于MPLS TE规格的无限需求；不占用过多的硬件流队列。

Description

一种基于网络设备的带宽预留方法及装置

技术领域

本发明涉及网络技术，特别涉及MPLS TE的资源预留技术，具体的讲是一种基于网络设备的带宽预留方法及装置。

背景技术

传统的路由器选择最短的路径作为路由，不考虑带宽等因素。这样，即使某条路径发生拥塞，也不会将流量切换到其他的路径上。

流量工程(TE：Traffic Engineering)解决的是由于负载不均衡导致的拥塞。TE通过动态监控网络的流量和网络单元的负载，实时调整流量管理参数、路由参数和资源约束参数等，使网络运行状态达到理想状态，优化网络资源的使用，避免负载不均衡导致的拥塞。流量工程解决IGP缺点的一种方法是使用重叠模型(Overlay)，如IP over ATM、IP over FR等。重叠模型在网络的物理拓扑结构上提供一个虚拟拓扑结构，从而扩展了网络设计的空间，为支持流量与资源控制提供了许多重要功能，可以实现多种流量工程策略。然而，由于协议之间往往存在很大差异，重叠模型在可扩展性方面存在不足。为了在大型骨干网络中部署流量工程，必须采用一种可扩展性好、简单的解决方案。

多协议标记交换(MPLS)具有一些不同于IGP的特性，其中正有实现流量工程所需要的功能，例如：MPLS支持显式标签交换路径(LSP)路由；LSP较传统单个IP分组转发更便于管理和维护。

MPLS TE就是为这一需求而提出的。MPLS TE结合了MPLS技术与TE，通过建立到达指定路径的LSP隧道进行资源预留，使网络流量绕开拥塞节点，达到平衡网络流量的目的。

如图1所示为现有技术中MPLS TE组件的结构框图，其中包括报文转发单元、信息发布单元、路由选择单元和信令单元。其中：

报文转发单元基于标签，通过标签沿着预先建立好的LSP隧道进行报文转发。由于LSP隧道的路径可以指定，因而可避免IGP的弊端。

信息发布单元通过对现有IGP进行扩展，如在IS-IS协议中引入新的TLV，或者在OSPF中引入新的LSA，来发布链路状态信息，包括最大链路带宽，最大可预留带宽，当前预留带宽和链路颜色等。通过IGP扩展，在每个路由上，维护网络的链路属性和拓扑属性形成流量工程数据库TEDB，通过TEDB可以计算出满足各种约束条件的路径。

路径选择单元通过信息发布单元形成TEDB后，在每个入口路由器上可以指定LSP隧道经过的路径。这种显示路由可以是严格的，也可以是松散的；可以指定必须经过某个路由器，或者不经过某个路由器；可以逐跳指定，也可以指定部分跳。此外，还可以指定带宽等约束条件。路径选择单元通过CSPF算法，利用TEDB中的数据来计算满足指定约束的路径，它是最短路径优先算法的变种，具体是在当前拓扑结构中删除不满足条件的节点和链路，然后再通过SPF算法来计算。

信令单元通过信令动态建立LSP隧道可以避免逐跳配置的麻烦。普通的不带约束的LSP隧道可以通过LDP协议来建立，而带约束的LSP隧道的建立则可通过CR-LDP协议、或者RSVP-TE协议来完成。

在资源紧张的情况下，MPLS TE能够抢占低优先级LSP隧道带宽资源，满足大带宽LSP或重要用户的需求。同时，当LSP隧道故障或网络的某一节点发生拥塞时，MPLS TE可以通过备份路径和快速重路由FRR(Fast ReRoute)，提供保护。使用MPLS TE，网络管理员只需要建立一些LSP和旁路拥塞节点，就可以消除网络拥塞。MPLS TE的详细介绍可参考RFC2702(Requirements forTraffic Engineering Over MPLS)。

带宽保证是MPLS TE的基本属性，基于一定约束条件建立的LSP称为CR-LSP，与普通LSP不同，CR-LSP的建立不仅依赖路由信息，还需要满足其他一些条件，比如指定的带宽、选定的路径或QoS参数。在建立CR-LSP时，可以指定其带宽，CSPF可以根据带宽要求确定满足该特性的路径。RSVP-TE和CRLDP协议都可以携带带宽信息，在沿路径的各个节点实施带宽预留。CR-LSP(Constrained Route-Label Distribution Protocol)建立成功后，转发能够为对应的业务流提供所要求的带宽保证。

由于沿路径各节点需要带宽预留，就需要在各节点网络设备的硬件流队列上配置带宽保证来实现带宽预留。但硬件流队列的数目是有限的，就限制了网络设备MPLS TE的支持规格。在现有技术中，每条MPLS TE Tunnel(隧道)对应一个硬件流队列，在硬件流队列上配置带宽保证来实现带宽预留，实现方式如图2所示。

承诺访问速率(CAR)是一种带宽管理机制。通过配置CAR，网络管理员可以为不同的业务分配不同的带宽，定义业务占用的带宽超过分配额度时的处理策略，通过限制通过路由器某一端口的流量，很好地保证整个网络的QOS。CAR既可用于网络的入口也可用于网络的出口，网络管理员可以根据IP地址、服务端口区分不同的业务流。CAR利用令牌桶实现业务的带宽分配和测量功能，通过限制带宽资源的分配，以适应IP业务的流量突发的特点。对于超出分配带宽的业务，CAR利用访问列表制定处理策略，包括修改分组的优先级、丢弃分组等。管理员可以为不同的业务制定不同的CAR策略。

现有技术的缺点是，由于硬件流队列数目有限，限制了系统支持MPLS TE的规格。当某些用户需要大量MPLS TE，超过硬件流队列数目时，将无法满足需求。

发明内容

本发明提供一种基于网络设备的带宽预留方法及装置，以突破硬件流队列数目的限制，并可支持无限的MPLS TE规格。

本发明的技术方案为：一种基于网络设备的带宽预留方法，其包括以下步骤：在物理端口上分配至少两种硬件流队列；基于所述物理端口建立多个隧道；所述隧道在所述的硬件流队列中选择所入的硬件流队列；使选择入相同硬件流队列的隧道均入所述物理端口上分配的对应的一个硬件流队列。

所述的至少两种硬件流队列是指：保证转发流队列和快速转发流队列；所述的基于所述物理端口建立多个隧道是指：基于物理端口建立的多个MPLSTE隧道；其中，在物理端口上分配保证转发流队列，使所述物理端口建立的所有MPLS TE隧道中选择入保证转发流的隧道均入所述物理端口上分配的保证转发流队列；在所述的物理端口上分配快速转发流队列，使所述物理端口建立的所有MPLS TE隧道中选择入快速转发流的隧道均入所述物理端口上分配的快速转发流队列。

利用承诺访问速率(CAR：Committed Access Rate)程序在MPLS TE隧道上进行流量控制。

所述的承诺访问速率程序包括：根据预先设置的匹配规则对经所述MPLSTE隧道发送的数据包进行分类，如果是没有规定流量特性的数据包，就直接继续发送，并不需要经过令牌桶的处理；如果是需要进行流量控制的数据包，则会进入令牌桶中进行处理；如果所述令牌桶中有足够的令牌用来发送数据包，则允许数据包通过，数据包被继续发送下去，如果令牌桶中的令牌不满足数据包的发送条件，则数据包被丢弃。

当所述物理端口上有隧道带宽更改或者有新增和/或删除隧道时，利用平滑动态切换程序更新硬件流队列带宽限制。

所述的平滑动态切换程序包括：为所述的物理端口创建主硬件流队列和备硬件流队列；当更新主硬件流队列带宽限制时，先在备硬件流队列中进行新带宽限制配置，然后切换流量到备硬件流队列；当更新备硬件流队列带宽限制时，先在主硬件流队列中进行新带宽限制配置，然后切换流量到主硬件流队列。

本发明还提供了一种基于网络设备的带宽预留装置，所述装置包括：物理端口和基于所述物理端口建立的多个隧道；所述装置还包括：硬件流队列分配单元，用于在物理端口上分配硬件流队列；硬件流队列选择单元，用于使所述隧道在所述的硬件流队列中选择所入的硬件流队列；硬件流队列对应单元，用于使选择入相同硬件流队列的隧道均入所述物理端口上分配的对应的一个硬件流队列。

所述的多个隧道是指多个MPLS TE隧道；并且，所述的硬件流队列分配单元包括：保证转发流队列分配单元，用于在物理端口上分配保证转发流队列；快速转发流队列分配单元，用于在物理端口上分配快速转发流队列；所述的硬件流队列选择单元，用于使所述多个MPLS TE隧道在所述的保证转发流队列和快速转发流队列中选择一个所入的硬件流队列；所述的硬件流队列对应单元，用于使所述多个MPLS TE隧道中所有选择入保证转发流的隧道均入所述物理端口上分配的保证转发流队列，使所述多个MPLS TE隧道中所有选择走快速转发流的隧道均入所述物理端口上分配的快速转发流队列。

本发明所述的装置还包括：带宽管理单元，利用承诺访问速率程序对所述的物理端口进行流量控制。

本发明所述的装置还包括，平滑动态切换单元，用于在所述物理端口上有隧道带宽更改或者有新增和/或删除隧道时更新硬件流队列带宽限制。

所述的平滑动态切换单元包括：硬件流队列创建单元，用于为所述的物理端口创建主硬件流队列和备硬件流队列；流量切换单元，当更新主硬件流队列带宽限制时，先在备硬件流队列中进行新带宽限制配置，然后切换流量到备硬件流队列；当更新备硬件流队列带宽限制时，先在主硬件流队列中进行新带宽限制配置，然后切换流量到主硬件流队列。

本发明的有益效果在于，突破硬件流队列数目限制，从理论上可以满足用户对于MPLS TE规格的无限需求；不占用过多的硬件流队列。

附图说明

图1是现有技术中MPLS TE组件结构示意图；

图2是现有技术中MPLS TE硬件流队列分配示意图；

图3是本发明基于物理端口的MPLS TE实现示意图；

图4是软CAR工作原理图；

图5是本发明基于物理端口的流队列分配改进示意图；

图6是本发明流队列初始配置状态示意图；

图7是本发明平滑动态切换后的流队列配置示意图；

图8是本发明另一平滑动态切换后的流队列配置示意图；

图9是本发明具体实施方式中路由设备的结构示意图；

图10是本发明装置的结构框图；

图11是本发明装置的具体实施方式的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。为突破硬件流队列数目的限制，按照物理端口进行分配，在每个物理端口上新分配流队列AF1/EF。基于某一物理端口建立的所有MPLS TE Tunnel(隧道)中，选择走AF1流的Tunnel都走所在物理端口新分配的AF1队列，选择走EF流的Tunnel都走所在物理端口新分配的EF队列。如此就基本不受硬件流队列数目的限制，从理论上可以支持不受限制的MPLS TE规格。基于物理端口的MPLS TE实现如图3所示。

其中带宽保证是通过承诺访问速率程序(以下程为软件CAR)来实现，软件CAR利用漏桶技术实现报文限流。如图4所示，系统按照规定的速率向令牌桶中存放令牌，经过此接口的报文依次取得令牌，取得令牌的报文继续转发，同时桶中的令牌相应减少；如果桶中的令牌不够，则报文丢弃，以此达到限速的目的。

软件CAR对于ISP来说，对用户送入网络中的流量进行控制是十分必要的。对于企业网，对某些应用的流量进行控制也是一个有力的控制网络状况的工具。网络管理者可以使用软件CAR来对流量进行控制。软件CAR利用令牌桶(Tocken Bucket，TB)进行流量控制。图4为软件CAR进行流量控制的基本处理过程示意图。首先，根据预先设置的匹配规则来对报文进行分类，如果是没有规定流量特性的报文，就直接继续发送，并不需要经过令牌桶的处理；如果是需要进行流量控制的报文，则会进入令牌桶中进行处理。如果令牌桶中有足够的令牌可以用来发送报文，则允许报文通过，报文可以被继续发送下去。如果令牌桶中的令牌不满足报文的发送条件，则报文被丢弃。这样，就可以对某类报文的流量进行控制。令牌桶按用户设定的速度向桶中放置令牌，并且，用户可以设置令牌桶的容量，当桶中令牌的量超出桶的容量的时候，令牌的量不再增加。当报文被令牌桶处理的时候，如果令牌桶中有足够的令牌可以用来发送报文，则报文可以通过，可以被继续发送下去，同时，令牌桶中的令牌量按报文的长度做相应的减少。当令牌桶中的令牌少到报文不能再发送时，报文被丢弃。令牌桶是一个控制数据流量的很好的工具。当令牌桶中充满令牌的时候，桶中所有的令牌代表的报文都可以被发送，这样可以允许数据的突发性传输。当令牌桶中没有令牌的时候，报文将不能被发送，只有等到桶中生成了新的令牌，报文才可以发送，这就可以限制报文的流量只能是小于等于令牌生成的速度，达到限制流量的目的。

带宽调整，当物理端口上有Tunnel带宽更改或者有新增/删除Tunnel时，需要更新硬件流队列带宽限制。在有流量的情况下，更新硬件流队列参数很容易导致单板重启等异常。本具体实施方式利用平滑动态切换的方式来解决该带宽调整问题。

为每个物理端口创建主队列AF1/EF和备队列AF1’/EF’，改进后的流队列分配示意图如图5所示：

其中主备队列的分配是为了实现流量平滑切换而用，举例描述实现原理：

1)初始状态为基于同一物理端口创建Tunnel1和Tunnel2，带宽保证分别为10M和20M，都选择出队列为AF流。如此以来，AF流需要分配30M带宽，具体分配如图6所示。

2)在Tunnel1和Tunnel2上有大流量报文时，Tunnel1更改带宽保证为20M。需要先在AF’流中配置为40M，然后切换流量到AF’流上，实现流队列平滑动态切换，不会影响报文的发送，具体分配如图7所示。

3)当基于该物理端口上新建Tunnel3并配置带宽保证50M时，先在AF流中配置90M，然后切换流量到AF流上，具体分配如图8所示。

4)以此类推，当硬件流队列带宽保证需要更改时，在两条流队列之间平滑切换。

本发明所描述的方法适用于网络节点设备，如图9所示是作为网络节点设备之一的路由器设备。该路由器设备主要分为路由处理系统、转发支撑部分和快速转发部分三个组成要素，其中：

路由处理系统为主控软件子系统，主要完成系统的集中控制与管理功能，包括路由协议、系统安全实施、系统配置与维护、系统运行控制与管理、网管代理等，是整个系统的控制管理中枢。

转发支撑部分运行于接口板的控制CPU，主要任务是配合路由支持单元支持好数据通道的快速转发，具体包括链路协议、转发信息表的下发和维护、统计/告警/状态信息的采集上报、协议数据报文的中转控制等。

快速转发部分运行于网络处理器中，主要完成业务数据报文的快速转发，以及转发统计原始数据的采集维护。

本发明的具体实施方式是关于MPLS TE方面在路由器设备中的具体实现，路由处理系统主要根据隧道的(Tunnel)的创建、删除、更新等动作在软件CAR参数、流队列分配及参数设置上进行调整，并下发给转发支撑单元。如图10所示，在路由处理系统中具有硬件流队列分配单元，用于在物理端口上分配硬件流队列；硬件流队列选择单元，用于使所述隧道在所述的硬件流队列中选择所入的硬件流队列；硬件流队列对应单元，用于使选择入相同硬件流队列的隧道均入所述物理端口上分配的对应的一个硬件流队列。例如(如图11所示)，在物理端口上分配至少两种硬件流队列。作为硬件流队列分配单元的保证转发流队列分配单元在物理端口上分配保证转发流队列，硬件流队列选择单元，用于使所述隧道选择所入的硬件流队列为保证转发流队列；硬件流队列对应单元，使所述物理端口建立的所有MPLS TE隧道中选择走保证转发流的隧道都走所述物理端口上分配的保证转发流队列；作为硬件流队列分配单元的快速转发流队列分配单元在所述的物理端口上分配快速转发流队列，硬件流队列选择单元，用于使所述隧道选择所入的硬件流队列为快速转发流队列；硬件流队列对应单元，使所述物理端口建立的所有MPLS TE隧道中选择走快速转发流的隧道都走所述物理端口上分配的快速转发流队列。

转发支撑部分，根据路由处理系统控制表项的下发进行整理并通知快速转发单元进行修改；快速转发单元主要完成业务数据的快速转发，在转发过程中根据上层下发的控制参数执行软件CAR、流队列选择、入流队列等操作。例如(如图11所示)，转发支撑部分具有软件CAR单元，用于对所述的物理端口进行流量控制。

快速转发部分，利用带宽管理单元对带宽进行管理，其中带宽管理单元利用软件CAR参数的下发提供了单条Tunnel的带宽保证，流队列的选择确定了报文下行入的是主流队列还是备流队列，硬件流队列参数的配置保证了该物理端口上所有Tunnel流量的快速转发。例如(如图11所示)，快速转发部分具有平滑动态切换单元，用于在所述物理端口上有隧道带宽更改或者有新增和/或删除隧道时更新硬件流队列带宽限制。所述的平滑动态切换单元包括：硬件流队列创建单元，用于为所述的物理端口创建主硬件流队列和备硬件流队列；流量切换单元，当更新主硬件流队列带宽限制时，先在备硬件流队列中进行新带宽限制配置，然后切换流量到备硬件流队列；当更新备硬件流队列带宽限制时，先在主硬件流队列中进行新带宽限制配置，然后切换流量到主硬件流队列。

在硬件流队列为AF1的情况下，硬件流队列创建单元为所述的物理端口创建主AF1流队列和备AF1流队列；流量切换单元，当更新主AF1流队列带宽限制时，先在备AF1流队列中进行新带宽限制配置，然后切换流量到备AF1流队列；当更新备AF1流队列带宽限制时，先在主AF1流队列中进行新带宽限制配置，然后切换流量到主AF1流队列。

在硬件流队列为EF的情况下，硬件流队列创建单元为所述的物理端口创建主EF流队列和备EF流队列；流量切换单元，当更新主EF流队列带宽限制时，先在备EF流队列中进行新带宽限制配置，然后切换流量到备EF流队列；当更新备EF流队列带宽限制时，先在主EF流队列中进行新带宽限制配置，然后切换流量到主EF流队列。

在本发明的具体实施方式中，MPLS TE仅使用了AF1和EF两条流，但是作为硬件流的BE、AF2、AF3、AF4等流同样使用本发明。MPLS TE也仅是本发明的应用之一。

本发明的另一具体实施方式是关于在ATM接口下，有多条永久型虚电路(PVC)需要带宽保证时，为节省流队列，同样也可采用本发明基于接口分配流队列。

在ATM接口建立两个硬件流队列，用于使ATM接口建立的所有PVC中选择走两个硬件流之一的PVC都走所述物理端口上分配的对应的硬件流队列。

利用软件CAR在PVC上进行流量控制，即根据预先设置的匹配规则对经所述PVC发送的数据包进行分类，如果是没有规定流量特性的数据包，就直接继续发送，并不需要经过令牌桶的处理；如果是需要进行流量控制的数据包，则会进入令牌桶中进行处理；如果所述令牌桶中有足够的令牌用来发送数据包，则允许数据包通过，数据包被继续发送下去，如果令牌桶中的令牌不满足数据包的发送条件，则数据包被丢弃。

当接口上有PVC带宽更改或者有新增和/或删除隧道时，采用平滑动态切换方式更新硬件流队列带宽限制。具体步骤为：为对应硬件流队列创建主硬件流队列和备硬件流队列，当更新主硬件流队列带宽限制时，先在备硬件流队列中进行新带宽限制配置，然后切换流量到备硬件流队列；当更新备硬件流队列带宽限制时，先在主硬件流队列中进行新带宽限制配置，然后切换流量到主硬件流队列。

这样ATM接口下的PVC数目也可以突破硬件流队列的限制。

本发明技术方案带来的有益效果为：突破硬件流队列数目限制，满足用户对于MPLS TE规格的无限需求；不占用过多的硬件流队列。

因此以上具体实施方式仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

Claims (11)

1.一种基于网络设备的带宽预留方法，其特征是包括以下步骤：

在物理端口上分配至少两种硬件流队列；

基于所述物理端口建立多个隧道；

所述隧道在所述的硬件流队列类型中选择所入的硬件流队列类型；

使选择入相同硬件流队列类型的隧道均入所述物理端口上分配的对应的一个硬件流队列。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的至少两种硬件流队列是指：保证转发流队列和快速转发流队列；所述的基于所述物理端口建立多个隧道是指：基于物理端口建立的多个MPLS TE隧道；其中，

在物理端口上分配保证转发流队列，使所述物理端口建立的所有MPLS TE隧道中选择入保证转发流的隧道均入所述物理端口上分配的保证转发流队列；

在所述的物理端口上分配快速转发流队列，使所述物理端口建立的所有MPLS TE隧道中选择入快速转发流的隧道均入所述物理端口上分配的快速转发流队列。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，利用承诺访问速率程序在MPLSTE隧道上进行流量控制。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的承诺访问速率程序包括：根据预先设置的匹配规则对经所述MPLS TE隧道发送的数据包进行分类，如果是没有规定流量特性的数据包，就直接继续发送，并不需要经过令牌桶的处理；如果是需要进行流量控制的数据包，则会进入令牌桶中进行处理；

如果所述令牌桶中有足够的令牌用来发送数据包，则允许数据包通过，数据包被继续发送下去，如果令牌桶中的令牌不满足数据包的发送条件，则数据包被丢弃。

5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征是，当所述物理端口上有隧道带宽更改或者有新增和/或删除隧道时，利用平滑动态切换程序更新硬件流队列带宽限制。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的平滑动态切换程序包括：为所述的物理端口创建主硬件流队列和备硬件流队列；

当更新主硬件流队列带宽限制时，先在备硬件流队列中进行新带宽限制配置，然后切换流量到备硬件流队列；

当更新备硬件流队列带宽限制时，先在主硬件流队列中进行新带宽限制配置，然后切换流量到主硬件流队列。

7.一种基于网络设备的带宽预留装置，所述装置包括：物理端口和基于所述物理端口建立的多个隧道；其特征是还包括：

硬件流队列分配单元，用于在物理端口上分配硬件流队列；

硬件流队列选择单元，用于使所述隧道在所述的硬件流队列中选择所入的硬件流队列；

硬件流队列对应单元，用于使选择入相同硬件流队列的隧道均入所述物理端口上分配的对应的一个硬件流队列。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征是，所述的多个隧道是指多个MPLSTE隧道；并且，所述的硬件流队列分配单元包括：

保证转发流队列分配单元，用于在物理端口上分配保证转发流队列；

快速转发流队列分配单元，用于在物理端口上分配快速转发流队列；

所述的硬件流队列选择单元，用于使所述多个MPLS TE隧道在所述的保证转发流队列和快速转发流队列中选择一个所入的硬件流队列；

所述的硬件流队列对应单元，用于使所述多个MPLS TE隧道中所有选择入保证转发流的隧道均入所述物理端口上分配的保证转发流队列，使所述多个MPLS TE隧道中所有选择走快速转发流的隧道均入所述物理端口上分配的快速转发流队列。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征是还包括：带宽管理单元，利用承诺访问速率程序对所述的物理端口进行流量控制。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征是还包括，平滑动态切换单元，用于在所述物理端口上有隧道带宽更改或者有新增和/或删除隧道时更新硬件流队列带宽限制。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征是，所述的平滑动态切换单元包括：

硬件流队列创建单元，用于为所述的物理端口创建主硬件流队列和备硬件流队列；

流量切换单元，当更新主硬件流队列带宽限制时，先在备硬件流队列中进行新带宽限制配置，然后切换流量到备硬件流队列；当更新备硬件流队列带宽限制时，先在主硬件流队列中进行新带宽限制配置，然后切换流量到主硬件流队列。

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