JP2019500821A - パケット転送 - Google Patents

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Abstract

受信コアは、受信コアが位置する転送グループに対応するインターフェースである入力インターフェースからパケットを読み取り、受信コアは、読み取ったパケットを転送グループにおける転送コアに送信し、転送コアは、パケットを対応する出力インターフェースに送信することを含む。
【選択図】図2

Description

〔関連出願の相互参照〕
本願は、2015年12月30日に出願された出願番号が201511019401.2で、発明の名称が「パケット転送方法及び装置」である中国特許出願に基づく優先権を主張するものであり、この出願の全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
SMP(Symmetric Multi−Processing、対称型マルチプロセッシング)システムにおいて、複数のコア(core)は、共有のシステムバスを介してメモリにアクセスするとき、衝突が発生する可能性がある。このため、NUMA(Non−Uniform Memory Architecture、不均一メモリアーキテクチャ)モードで利用可能なNFV(Network Function Virtualization、ネットワーク機能仮想化)装置が提案されている。NUMAモードで利用するNFV装置は、複数のNUMAノード、すなわちNUMA−NODEを含むことができ、各ノードには、メモリ空間、例えば当該ノードのローカルメモリが割り当てられる。各NUMAノードは、制御コア、受信コア及び転送コアとして設定可能な複数のコアを含むことができる。転送コアは、複数のNUMAノード内に配置され、受信コアは、パケットをいずれかのNUMAノードにおける転送コアへ転送することができる。
受信コアは、パケットを受信する際に、当該受信コアが位置するNUMAノードのローカルメモリを使用することができる。しかし、当該パケットが別のNUMAノードにおける転送コアへ転送されるものである場合には、転送コアのパケットに対する読み取りにより、非ローカルメモリへのアクセス、例えばメモリに跨るアクセスが行われることになる。
図1は、本発明の一例におけるNFV装置の構成の模式図である。 図2は、本発明の一例におけるパケット転送方法のフローチャートである。 図3は、本発明の一例におけるパケット転送装置のハードウェア構成の模式図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の例における技術案を明確且つ完全に説明する。当然ながら、説明する例は本発明の例の一部に過ぎず、すべての例を網羅するものではない。本発明の例に基づいて当業者が創造的努力をせずに得られる他の例は、いずれも本発明の範囲内にある。
まず、NUMAモードのシステム構成を簡単に説明する。NUMAモードのシステム構成において、複数のコアはそれぞれ、異なるNUMAノードに属してもよい。各NUMAノードはいずれもそれ自身のローカルメモリを有する。
NUMAノードの周りには、NUMAノードに関連付けられる複数のNIC(Network Interface Card、ネットワークインターフェースカード)が配置されてもよい。1つのNICが受信したネットワークパケットは、このNICに関連付けられているNUMAノードを介して転送されることができる。
例えば、一種のNUMAモードのシステム構成において、コアが12個あり、これら12個のコアはそれぞれ2個のNUMAノード(NUMAノードA、NUMAノードB)に属する。12個のコアのうち2個のコアを受信コアとし、その他のコアのうち制御コア以外は、すべて転送コアとすることができる。ここで、この2個の受信コアはともに1つのNUMAノードA内に配置され、転送コアは、その一部がNUMAノードA内に配置され、他の一部がNUMAノードB内に配置されてもよい。各転送コアは機能的に均一であるので、受信コアが受信したパケットは転送コアのうちのいずれか1つへ送信されることが可能である。例えば、NUMAノードAにおける受信コアは、NICからパケットを受信すると、パケットをNUMAノードAのローカルメモリに記憶する。当該パケットがNUMAノードBにおける転送コアへ転送されるものである場合、NUMAノードBにおける転送コアはNUMAノードAのローカルメモリからパケットを読み取るが、この際に使用されるのはNUMAノードBのローカルメモリではない。そのため、NUMAノードに跨るアクセス、すなわちメモリに跨るアクセスの問題が発生し、転送効率が低下してしまう。NUMAノードの数の増加に伴い、メモリに跨るアクセスの発生頻度もそれに応じて高くなり、NFV装置のスループット性能を著しく低下させてしまう。
メモリに跨るアクセスの発生をできるだけ減らして転送効率を向上させるために、本発明の例では、パケット転送方法を提供している。当該方法によれば、パケットを転送する過程において、受信コア及び転送コアは同一のNUMAノードにあるように限定されることにより、パケットの受信及び転送はいずれもローカルメモリを利用して行われることが可能となる。上記した例において、NUMAノードAにおける受信コアが受信したパケットが当該NUMAノードAにおける転送コアへ送信されるものであれば、この2つのコアはともにローカルメモリを利用してパケットの転送を達成することができる。これに基づいて、本発明のパケット転送方法において、パケット転送過程における各コアの役割は、同一のNUMAノードにおいてパケットの転送を達成するように再設定される。
初期化設定
この初期化設定は、NFV装置における各NUMAノード、及びNUMAノードにおける各コアを再設定する操作を含み、NFV装置における1つの特定のコアによって実行され得る。例えば、1つのNFV装置におけるすべてのコアに番号を付け、番号が最小または最大のコアを当該特定のコアとして初期化設定を実行させてもよい。初期化設定の過程において、当該特定のコアはそれ自身を制御コアとして設定する。例えば、図1に示すように、2つのNUMAノードが示されており、各NUMAノードの間はQPI(QuickPath Interconnect、クイックパスインターコネクト)バス20を介して接続することができる。各NUMAノードはいずれもローカルメモリ(ローカルメモリ13、14)を有する。図1において、番号が0から11までの12個のコアがあり、番号が0のコアが制御コアであると仮定する。
この初期化設定は、以下のことを含む。
転送グループの作成
あるNFV装置は、NUMAモードで利用され、複数のNUMAノードを含み、各NUMAノードは複数のコアを含むと仮定する。すべてのNUMAノードをトラバースして、NUMAノード毎に、当該NUMAノードにおけるすべてのコアを含む1つの対応する転送グループ(Forwarding Group)を作成することができる。これらのコアは、転送グループの初期化の過程において、それぞれ受信コアまたは転送コアとして設定することができる。転送グループの初期化の過程が完了すると、受信コア及び転送コアと転送グループとの対応関係が形成される。例えば、この対応関係は、各コアの役割、及び各コアと各コアが属する転送グループとの間の対応関係を定義したコア役割表で示してもよい。コア役割表は、メモリに記憶されて、パケットを転送する際に呼び出されてもよい。なお、受信コア及び転送コアと転送グループとの対応関係は、上記したコア役割表で示すことに限定されず、上記した対応関係を示すことができるものであればよい。
上記した方法により作成した各転送グループは、パケットの転送を独立して達成することができる。つまり、パケット転送は、この転送グループにおけるコアによって実現することができ、他の転送グループ(すなわち、他のNUMAノード)におけるコアを使用する必要がない。図1を参照すると、2つのNUMAノードに対して、それぞれ1つの転送グループ、すなわち転送グループ21及び転送グループ22を作成することができる。
転送グループにおけるコアの設定
転送グループ毎に、当該転送グループにおけるすべてのコアをトラバースして、コア毎に役割を設定する。ここでの役割は受信コアまたは転送コアであってもよい。例えば、各転送グループにおいて1つの受信コアを設定し、当該転送グループにおけるその他のコアを転送コアとして設定することができる。転送グループにおけるコアの数が多い場合には、パケット転送のストレスを軽減するために、2つ以上の受信コアを設定してもよい。制御コアは、そのうちの1つの転送グループに属し、例えば転送グループ21には制御コアがさらに含まれている。
転送グループにおけるコアの役割の設定
例えば、上記の特定のコアはそれ自身を制御コアとして設定する。
一例において、転送グループに制御コアが含まれていない場合、制御コアは、予め設定されたルールに従って、当該転送グループにおける少なくとも1つのコアを受信コアとして設定し、その他のコアをすべて転送コアとして設定する。例えば、この制御コアは、転送グループにおいて番号が最小または最大のコアを受信コアとして設定し、その他のコアをすべて転送コアとして設定することができる。図1を参照して説明すると、転送グループ22には制御コア(control)が含まれておらず、制御コア(control)は、転送グループ22における6個のコアのうち番号が最小のコアを受信コア(Data−Rx1)として設定し、その他のコアをすべて転送コア(Data−Fwd4からData−Fwd8までの合計5個の転送コア)として設定することができる。
転送グループに制御コアが含まれている場合、制御コアは、予め設定されたルールに従って、転送グループにおけるそれ自身以外の少なくとも1つのコアを受信コアとして設定し、その他のコアをすべて転送コアとして設定する。最初のNUMAノードに制御コアが含まれていると仮定する場合、この転送グループにおける制御コア以外のコアのうち番号が最小または最大のコアを受信コアとして設定し、制御コア及び受信コア以外のその他のコアをすべて転送コアとして設定することができる。図1を参照して説明すると、転送グループ21における6個のコアのうち、番号が最小のコアは制御コア(control)であり、制御コア(control)以外のその他の5個のコアのうち、番号が最小のコアを受信コア(Data−Rx0)として設定し、その他のコアをすべて転送コア(Data−Fwd0からData−Fwd3までの合計4個の転送コア)として設定することができる。
上記設定により、転送グループ21は、1個の制御コア、1個の受信コア(Data−Rx0)、4個の転送コア(Data−Fwd0からData−Fwd3まで)を含むことができる。また、転送グループ22は、1個の受信コア(Data−Rx1)、5個の転送コア(Data−Fwd4からData−Fwd8まで)を含むことができる。これから分かるように、この例において、各転送グループはいずれも受信コア及び転送コアを含む。これにより、受信コアは、パケットを受信すると、パケットを当該受信コアが属する転送グループにおける転送コアに送信して処理するだけでよい。
4個のNUMAノードを含み、かつ各NUMAノードにおけるコアの数が6個であるNFV装置を例とする。表1には、この装置のNUMAリソースの配分が示されている。
これに対応して、このNFV装置のNUMAノード毎に転送グループを作成し、かつ各転送グループにおけるコアに対して設定を行う。表2に示すように、4つの転送グループを有し、各転送グループは1つの受信コアを含んでも良い。
転送グループに対応する入力インターフェースの設定
転送グループを作成した後、転送グループ毎に、対応する入力インターフェースを設定し、転送グループは当該入力インターフェースから受信したパケットを転送することができる。
一例では、転送グループに対してインターフェースを割り当てる方法を提供する。例えば、NICは、通常、あるソケット(socket)に関連付けられており、当該ソケットは1つのNUMAノードに対応する。このため、NICに関連付けられているNUMAノードを識別し、当該NICのインターフェースを当該NUMAノードの転送グループに割り当てることができる。あるインターフェースがパケットを受信した場合、当該インターフェースに対応する転送グループにおける受信コアは、当該インターフェースからパケットを読み取ることができる。このインターフェースを、入力インターフェースと称してもよい。
図1を例にすると、転送グループ21及び転送グループ22の周りには、NIC1からNIC8までの8個のNICが配置されている。NIC2のインターフェースを転送グループ21に割り当て、転送グループ21における受信コア(Data−Rx0)は、当該インターフェースからNIC2により受信したパケットを読み取って転送することができる。また、NIC3のインターフェースを転送グループ22に割り当て、転送グループ22における受信コア(Data−Rx1)は、当該インターフェースからNIC3により受信したパケットを読み取って転送することができる。このようなインターフェースの割り当て方法によって、NICと転送グループとの間の伝送距離を短くし、損失を低減することが可能となる。
一例では、転送グループに対してインターフェースを割り当てる別の方法を提供する。コマンドライン方法を用いてインターフェース設定コマンドを入力して、当該コマンドによって、あるNICのインターフェースをあるNUMAノードに対応する転送グループに割り当てるように指定することができる。このような方法は、NICのインターフェースと転送グループとの対応関係を動的に調整する面で有利である。例えば、そのうちの1つの転送グループのパケットのトラフィック量が大きく、負荷が重い場合、当該転送グループに対応するインターフェースの一部を他の転送グループに割り当てることができる。すなわち、インターフェース設定コマンドによって、転送グループに対応するインターフェースの中から一部のインターフェースを削除するとともに、削除された一部のインターフェースを他の転送グループに割り当て、インターフェースと転送グループとの新たな対応関係を確立してもよい。
転送グループとインターフェースとの対応関係は、制御コアが転送グループに対して対応するインターフェースを割り当てる際にメモリに記録してもよい。その後、パケットを転送する際に、受信コアは、この記憶されている対応関係で規定したこれらのインターフェースを介して、NICが受信したパケットを読み取ることができる。
上記した初期化設定を経て、NFV装置におけるNUMAノード毎に対応する転送グループが作成されるとともに、転送グループのコア毎に役割が設定され、また、転送グループ毎に対応する入力インターフェースが設定される。そして、NFV装置における各転送グループは、パケットの転送を開始することができる。各転送グループは、独立して、それぞれパケットの転送を実行してもよい。これにより、メモリに跨るアクセスをできるだけ減らし、このNFV装置のパケット転送のスループット性能も向上する。
以下、図2を参照して、本発明の例によるパケット転送方法を説明する。このパケット転送方法は以下のステップを含みうる。
ステップ201において、転送グループにおける受信コアは、受信コアが位置する転送グループに対応するインターフェースである入力インターフェースからパケットを読み取る。
転送グループ21を例にする。図1における矢印線で示したパケット転送経路を参照すると、この転送グループ21における受信コア(Data−Rx0)は、NIC2のインターフェースを介してパケットを読み取ることができる。
この例において、1つの転送グループに対応する入力インターフェースの数は、複数個例えば3個または8個などであってもよい。転送グループにおける受信コアは、当該転送グループに対応するすべての入力インターフェースをトラバースし、入力インターフェースがパケットを受信すると、パケットを読み取ることができる。
ステップ202において、当該転送グループにおける受信コアは、読み取ったパケットを当該転送グループにおける転送コアに送信する。
本発明では、受信コアが属する転送グループの中から転送コアを選択することができる。ステップ201においてパケットを読み取った受信コアは、メモリに記録されている受信コア及び転送コアと転送グループとの対応関係を検索して、当該受信コアが属する転送グループにおける転送コアを特定する。そして、特定した転送コアの中からパケット転送を行う転送コアを選択する。例えば、転送グループ21における受信コア(Data−Rx0)は、パケットを読み取った後、パケットを転送コア(Data−Fwd2)に送信してもよい。転送グループの中から転送コアを選択する際、以下の2つの方法を採用することができる。1つの方法は、ストリームごとに選択する方法である。すなわち、受信コアは、ある定められた5タプルのパケットを自身が属する転送グループにおける1つの定められた転送コアに送信する。もう1つの方法は、パケットごとに選択する方法である。すなわち、転送グループにおける転送コアをトラバースしてパケット転送を行う。例えば、パケット1を転送コア1に送信し、パケット2を転送コア2に送信し、パケット3を転送コア3に送信し、パケット4を転送コア4に送信し、パケット5を転送コア1にさらに送信し、パケット6を転送コア2に送信するなどの形態であってもよい。パケットごとに選択する場合、このようなラウンドロビンの方法を採用してもよい。当然ながら、転送コアを選択する方法は、上記した2つの方法に限定されず、その他のポリシーに基づいて選択することも可能であり、例えば転送コアの優先順位に基づいて選択してもよい。
ステップ203において、当該転送コアは、パケットを対応する出力インターフェースに送信する。
転送コアは、パケットを受信すると、転送ルールに従ってパケットを続いて転送し(例えば、パケットの宛先アドレスに応じて対応する出力インターフェースを選択し)、出力インターフェースからパケットを送信する。図1に示すように、Data−Fwd2は、Data−Rx0から送信されたパケットを受信すると、パケットをNIC8に送信することができる。
転送グループ22を例にすると、当該転送グループ22は、同様に、上記したステップ201〜ステップ203に示す転送方法に従ってパケットの転送を行うことができる。図1に示すように、受信コア(Data−Rx1)は、NIC3により受信したパケットを読み取り、パケットを当該Data−Rx1と同一の転送グループ22に位置する転送コア(Data−Fwd7)に送信し、さらにData−Fwd7によりNIC6からパケットを送信する。
NUMAシステムアーキテクチャによるNFV装置について言えば、この装置のプロセッサのリソースを効率的で、かつ相対的に独立した複数の転送グループに分割することにより、異なるNUMAノードに跨ることによるロスを避け、システム全体のスループット能力を大幅に向上させることができる。また、本発明の例における転送グループは、仮想マシンまたはベアメタル形態のNFV製品であってもよい。
本発明はさらに、パケット転送装置を提供する。このパケット転送装置は、図3に示すハードウェア構成を採用することができる。図1に比べて、図3は、パケット転送装置における各ハードウェアモジュールの間の接続関係をより明確に示している。図3に示すように、このパケット転送装置は、受信コア及び転送コアに加えて、パケット転送制御ロジックのための機械可読命令が記憶されている不揮発性記憶媒体301をさらに含みうる。図3に示す各部は、内部バス302を介して互いに通信可能である。同一の転送グループに属する複数のコアは、1つのNUMAノードに対応してもよい。また、前記受信コア及び転送コアは、前記機械可読命令を実行することにより以下の操作を実現することができる。前記受信コアは、前記受信コアが位置する転送グループに対応するインターフェースである入力インターフェースからパケットを読み取る。前記受信コアは、読み取ったパケットを前記転送グループにおける転送コアに送信する。前記転送コアは、前記パケットを対応する出力インターフェースに送信する。
このパケット転送装置は、制御コアによって初期化設定を行い、パケット転送装置におけるNUMAノード毎に対応する転送グループを作成し、転送グループにおける各コアを受信コア、転送コアまたは制御コアとして設定することができる。また、このパケット転送装置は、各転送グループに対して対応するインターフェースを割り当てることにより、転送グループにおける受信コアが当該インターフェースからパケットを読み取るようにすることもできる。
初期化設定が完了すると、このパケット転送装置には、複数の独立した転送グループが形成され、それぞれ独立してパケットの転送処理を実行することになる。パケットを転送する際に、各転送グループは、いずれも本発明における上記したパケット転送方法に従ってパケットの転送処理を行うことができる。例えば、受信コアは、パケットを受信すると、パケットを同一の転送グループにおける転送コアに送信することにより、メモリに跨るアクセスをできるだけ減らし、このパケット転送装置のパケット転送のスループット性能も向上する。
本発明で使用される専門用語は、単に特定の例を説明するためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明及び特許請求の範囲で使用される単数形「1つ」、「前記」及び「当該」は、文脈が明確に他のことを示唆していない以上、複数形も含むものである。また、本明細書で使用される用語「及び/又は」とは、関連する1つ又は複数の記載品目のいずれか又は全ての可能な組み合わせを含む。
以上で説明する例は本発明の例の一部に過ぎず、すべての例を網羅するものではない。本発明の例に基づいて当業者が創造的努力をせずに得られる他の例は、いずれも本発明の範囲内にある。
以上の説明は、本発明の好適な例に過ぎず、本発明を限定するものではない。本発明の趣旨および原理を逸脱しない範囲内で行われる任意の変更、同等の置換、改良などはいずれも、本発明の範囲に含まれる。

Claims (12)

  1. パケット転送方法であって、ネットワーク機能仮想化(NFV)装置における不均一メモリアーキテクチャ(NUMA)ノードのいずれかに適用される方法において、前記NUMAノードは受信コアと転送コアを含む1つの転送グループを含み、
    前記方法は、
    受信コアは、当該受信コアが位置する転送グループに対応するインターフェースである入力インターフェースからパケットを読み取り、
    前記受信コアは、読み取ったパケットを前記転送グループにおける転送コアに送信し、
    前記転送コアは、前記パケットを対応する出力インターフェースに送信することを含む、パケット転送方法。
  2. 前記受信コアが入力インターフェースからパケットを読み取る前に、
    前記NFV装置における1つの特定のコアは、前記NUMAノードに対して当該NUMAノードにおけるすべてのコアを含む前記転送グループを作成し、
    前記特定のコアは、前記転送グループにおけるコアを制御コア、受信コアまたは転送コアとして設定し、
    前記特定のコアは、前記転送グループに対して対応する入力インターフェースを設定することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記特定のコアは、前記転送グループにおけるコアを制御コア、受信コアまたは転送コアとして設定することは、
    前記特定のコアはそれ自身を制御コアとして設定し、
    前記転送グループに前記制御コアが含まれていない場合、前記制御コアは、予め設定されたルールに従って、前記転送グループにおける少なくとも1つのコアを前記受信コアとして設定し、前記転送グループにおけるその他のコアをすべて前記転送コアとして設定し、
    前記転送グループに前記制御コアが含まれている場合、前記制御コアは、予め設定されたルールに従って、前記転送グループにおけるそれ自身以外の少なくとも1つのコアを前記受信コアとして設定し、前記転送グループにおけるその他のコアをすべて前記転送コアとして設定することを含む、請求項2に記載の方法。
  4. 前記受信コアは、読み取ったパケットを前記転送グループにおける転送コアに送信することは、
    前記受信コアは、受信コア及び転送コアと転送グループとの対応関係を取得し、
    前記受信コアは、前記対応関係に基づいて前記転送グループにおける転送コアを特定し、
    前記受信コアは、読み取ったパケットを特定した転送コアに送信することを含む、請求項3に記載の方法。
  5. 前記転送グループに対して対応する入力インターフェースを設定することは、
    前記制御コアは、前記NUMAノードに関連付けられているネットワークインターフェースカードを識別し、前記ネットワークインターフェースカードのインターフェースを前記入力インターフェースとして前記NUMAノードの転送グループに割り当てることを含む、請求項3に記載の方法。
  6. 前記転送グループに対して対応する入力インターフェースを設定することは、
    前記制御コアは、インターフェース設定コマンドに応じて、特定のインターフェースを前記入力インターフェースとして前記転送グループに割り当てることを含む、請求項3に記載の方法。
  7. パケット転送装置であって、受信コアと、転送コアと、機械可読命令が記憶されている不揮発性機械可読記憶媒体とを含み、同一の転送グループに属する受信コア及び転送コアは、1つの不均一メモリアーキテクチャ(NUMA)ノードに対応し、
    前記受信コアは、前記機械可読命令を実行することにより、
    当該受信コアが位置する転送グループに対応するインターフェースである入力インターフェースからパケットを読み取り、
    読み取ったパケットを前記転送グループにおける転送コアに送信し、
    前記転送コアは、前記機械可読命令を実行することにより、
    前記パケットを対応する出力インターフェースに送信する、パケット転送装置。
  8. 前記パケット転送装置の1つの特定のコアである制御コアをさらに含み、
    前記機械可読命令により、前記制御コアは、
    前記NUMAノードに対して当該NUMAノードにおけるすべてのコアを含む前記転送グループを作成し、
    前記転送グループにおけるコアを制御コア、受信コアまたは転送コアとして設定し、
    前記転送グループに対して対応する入力インターフェースを設定する、請求項7に記載の装置。
  9. 前記転送グループにおけるコアを制御コア、受信コアまたは転送コアとして設定する際に、前記機械可読指令により、前記制御コアはさらに、
    それ自身を制御コアとして設定し、
    前記転送グループに前記制御コアが含まれていない場合、予め設定されたルールに従って、前記転送グループにおける少なくとも1つのコアを前記受信コアとして設定し、前記転送グループにおけるその他のコアをすべて前記転送コアとして設定し、
    前記転送グループに前記制御コアが含まれている場合、予め設定されたルールに従って、前記転送グループにおけるそれ自身以外の少なくとも1つのコアを前記受信コアとして設定し、前記転送グループにおけるその他のコアをすべて前記転送コアとして設定する、請求項8に記載の装置。
  10. 前記受信コアが読み取ったパケットを前記転送グループにおける転送コアに送信する際に、前記機械可読指令により、前記受信コアはさらに、
    受信コア及び転送コアと転送グループとの対応関係を取得し、前記対応関係に基づいて前記転送グループにおける転送コアを特定し、
    読み取ったパケットを特定した転送コアに送信する、請求項9に記載の装置。
  11. 前記転送グループに対して対応する入力インターフェースを設定する際に、前記機械可読指令により、前記制御コアはさらに、
    前記NUMAノードに関連付けられているネットワークインターフェースカードを識別し、前記ネットワークインターフェースカードのインターフェースを入力インターフェースとして前記NUMAノードの転送グループに割り当てる、請求項9に記載の装置。
  12. 前記転送グループに対して対応する入力インターフェースを設定する際に、前記機械可読指令により、前記制御コアはさらに、
    インターフェース設定コマンドに応じて、特定のインターフェースを前記入力インターフェースとして前記転送グループに割り当てる、請求項9に記載の装置。
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