CN112468405B - 基于信用和反应型的数据中心网络拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于信用和反应型的数据中心网络拥塞控制方法，其步骤包括：在交换机处，其将数据通路和信用通路在物理信道上分开；信用包数据使用信用通路进行传输，正常数据包使用数据通路进行传输；接收端在接收到信用请求后会给发送端发送信用包，发送端根据收到的信用包发送数据；当未检测到网络处于拥塞状态时，采用基于主动型拥塞控制协议的信用反馈控制方法；当检测到网络处于拥塞状态时，采用基于显式拥塞控制的反馈控制方法，进入低发送速率模式。本方法通过使用ECN作为拥塞信号，打破了数据队列和信用利率限制器之间的隔离；基于ECN的新型高效反馈控制算法可以保证CCRP的高性能，而不会干扰网络中的其他流量。

Description

基于信用和反应型的数据中心网络拥塞控制方法

技术领域

本发明涉及数据中心网络领域，尤其涉及一种基于信用和反应型的数据中心网络拥塞控制方法。

背景技术

最近几年中，数据中心网络(DCN)的规模和链接速度在迅速增长。大型数据中心使用由Clos网络组成的浅层缓冲交换机来连接100,000多台计算机。在过去的十年中，其链接速度从10Gbps稳步提高到100Gbps。DCN的这些发展使数据中心的低延迟和高带宽通信成为可能，同时，其也对拥塞控制提出了一系列挑战。

针对DCN的拥塞控制问题，目前已经提出了很多反应性拥塞控制方法，反应性拥塞控制方法使用拥塞信号，例如数据包丢失，显式拥塞通知(ECN) 和网络延迟等，在拥塞发生后做出准确的响应，从而可以在长流量情况下保持系统良好的平均时延性能。但是，由于网络拥塞检测速度较慢，因此反应性协议方法很难在每个流程中都获取合适的速率。

针对该问题，主动拥塞控制方法近年来受到了很多关注。主动型拥塞控制协议方法(ExpressPass方法)具有零数据丢失，快速收敛，低缓冲区占用率和高利用率的优点。但是，当前的DCN，例如谷歌和亚马逊，仍主要部署基于ECN的反应性协议，因此，将主动型拥塞控制方法逐步部署到DCN中是未来数据中心的重要技术方向。尽管如此，在DCN中部署主动型基于信用的协议会给带宽分配的公平性带来很多挑战，特别是在多租户DCN中，如果将主动型方法与部署在实际DCN中的反应性协议方法进行简单混合，会造成严重的问题。

因此，在当前DCN中应用主动型协议方法面临着很多严峻挑战，其根本原因是由于检测网络拥塞的方法不同。反应性协议基于数据队列中使用的间接和被动拥塞信号来检测网络拥塞，例如丢包，ECN和网络延迟。以常见的反应型拥塞控制协议(DCTCP)为例，当队列长度超过交换机中的ECN 阈值时，数据包将使用拥塞经历(CE)代码点进行标记。然后，DCTCP可以通过简单地识别数据包是否在端主机上标记了ECN来检测拥塞。但是，主动型拥塞控制协议方法从信用队列获取拥塞信息。主动型拥塞协议下数据队列和信用队列之间存在明显的物理隔离，使用信用丢失率作为拥塞指标。当检测到拥塞时，会降低接收方的信用发送速率。因此，如果将主动型流量和反应型流量混合在网络中，则主动型的基于信用的拥塞控制机制无法检测到数据队列中的网络拥塞，即使队列长度超过了交换机中的缓冲区大小，也将以全速传输数据包。相反，反应型拥塞控制方法将连续降低其发送速率，直到其带宽占用率接近零为止，因为在数据队列中可能会使用CE代码点标记大量数据包。

基于信用的拥塞控制方法只能通过信用队列检测网络拥，导致其与反应式协议方法发生冲突，因此，本发明通过优化主动型协议方法的拥塞检测机制，使其也可以检测到拥塞，实现基于信用的协议和反应性协议方法的融合。

发明内容

针对数据中心网络中基于信用的拥塞控制方法通过信用队列检测网络拥，导致其与反应式协议方法发生冲突的问题，本发明公开了一种基于信用和反应型的数据中心网络拥塞控制方法(CCRP)，其步骤包括：

其所采用的信用包的大小设定为84B，网络链路容量的5％用于信用信息发送，而网络链路容量的剩余95％用于数据包信息发送。在交换机处，其将数据通路和信用通路在物理信道上分开。信用包数据使用信用通路进行传输，正常数据包使用数据通路进行传输。当发送端要发送数据给接收端时，首先会通过信用通路发送一个信用请求给接收端，这个请求中包含了需要发送的数据流的大小和源地址等信息。接收端在接收到信用请求后会给发送端发送信用包，发送端根据收到的信用包发送数据，一个信用包只能调度一个数据包。当未检测到网络处于拥塞状态时，采用基于主动型拥塞控制协议的信用反馈控制方法，即在链路容量允许的范围内尽可能多地发送数据包；当检测到网络处于拥塞状态时，采用基于显式拥塞控制(ECN)的反馈控制方法，进入低发送速率模式：在交换机上部署合理的ECN阈值，当网络中存在其他非主动型流量时，交换机中的数据队列长度将超过ECN阈值，交换机对数据包进行ECN标记，接收端在接收到带有ECN标记的数据包后，接收端立即自动降低发送速率。当在多个数据包往返时间(RTT)中，接收端不再收到带有ECN标记的数据包时，将发送更多的信用信息。

所述的网络拥塞状态的检测，使用ECN来检测数据队列的网络拥塞，使用瞬时队列长度作为ECN打标的判定基础。具体来说，在交换机数据队列中设定两个队列长度阈值Kmax和Kmin，将Kmin值设置为5KB，将Kmax值设置为200KB。如果交换机中的数据队列长度值在Kmin以下，数据会被当作普通数据进行转发操作，即进行拥塞标记的概率为0；如果交换机中的数据队列长度在Kmax以上，交换机会认为网络中发生了拥塞，数据包会被打上拥塞标记，即数据包被标记拥塞的概率为1。如果交换机中的数据队列长度在Kmin以上，在Kmax以下，则对数据包被标记拥塞的概率进行模拟计算，并根据计算结果概率来对数据包进行拥塞标记。

假定队列长度为Kmax时被标记拥塞的概率为Pmax，如果当前瞬时队列长度为X，且Kmin<X<Kmax，那么数据包被打上拥塞标记的概率为：Pmax×(X-Kmin)/(Kmax-Kmin)。

所述的对数据包进行拥塞标记，其具体方式为，修改数据包IP头数据的数值，数据包IP头数据中包含用于表示差分服务的TOS域，TOS域中的两个空闲数值位用于进行拥塞标记。当发送主机不支持ECN功能，数据包中剩余的这两个数值位被标记为00；当发送主机支持ECN功能，数据包中剩余的这两个数值位被标记为01或者10；当数据包经历拥塞时，数据包中剩余的这两个数值位被标记为11。

当采用主动型协议的数据流量与网络中的其他采用反应型协议的数据流量共存时，且交换机队列长度超过拥塞阈值时，数据包将被交换机打上拥塞的ECN标记。在接收端实现基于ECN的反馈拥塞控制方法。当数据包到达接收端时，接收端通过检测其接收的数据包是否标记有拥塞经历(CE)代码点来检测拥塞。ECN_ratio是被标记ECN的数据包数量与所有数据包数量的比值。当ECN_ratio值大于0时，判定数据链路为拥塞状态，否则判定数据链路为正常状态。

在判定数据链路为拥塞状态后，接收端启动基于ECN的反馈拥塞控制方法，其具体过程包括：

当判定网络处于正常状态时，即没有数据包被打上ECN标记时，则使用主动型拥塞控制协议方法，通过信用包来调度数据包。在最初的几个RTT中，网络趋向于以链路速率发送数据流量，在经过多个RTT之后，如果未获得任何带有ECN拥塞标记的数据包，并判定网络中没有其他采用反应型协议的数据流量。在这一阶段中，同时检测信用信息的丢包率，当信用信息丢包率小于设定的信用丢包阈值target_loss时，网络进入增速阶段，其相应的信用发送速率采用如下方式进行计算：

w＝(w+wmax)/2，

cur_rate＝(1-w)*tmp_rate+w*max_rate，

其中，w为计算因子，cur_rate为当前信用发送速率，tmp_rate为上一轮信用发送速率，max_rate为信用的最大发送速率，target_loss是设定的信用丢包阈值，为了减少本发明方法部署初期的攻击性，将target_loss值设置为0；wmax的取值范围为0.04≤wmax≤0.07。

当信用信息丢包率大于设定的信用丢包阈值target_loss时，网络进入减速阶段，其相应的信用发送速率采用如下方式进行计算：

cur_rate＝(1-credit_loss_rate)*tmp_rate，

w＝max(wmin,w/2)，

max()表示取其括号中的两个变量的最大值，credit_loss_rate为信用包的实际丢包率。

当检测到ECN_ratio大于被打上ECN拥塞标记的数据量的阈值target_ECN_ratio时，判定网络处于拥塞状态，进行如下操作：

ECN_a＝(1-g)*ECN_a+g*ECN_ratio，

tmp_rate＝(1-(target_ECN_ratio+ECN_a)/2)*cur_rate，

ECN_a为中间计算量，g为设定的权重值，其取值为0.5。在浅缓冲交换环境中，为确保交换机中的平均队列长度在ECN阈值左右，targetECNratio设置为0。

本发明的有益效果为：本方法通过使用ECN作为拥塞信号，打破了数据队列和信用利率限制器之间的隔离；基于ECN的新型高效反馈控制算法可以保证CCRP的高性能，而不会干扰网络中的其他流量。评估结果表明，本方法可以大大缩小ExpressPass等基于信用的主动协议与DCQCN等传统被动协议之间的竞争差异。与Expresspass等基于信用的主动协议相比，本方法可以完美地收敛，并同时实现高利用率，公平性，小的FCT和较低的缓冲区占用率。因此，本发明在数据中心基于信用拥塞控制协议的部署中具有很高的适用性。

附图说明

图1为本方法与现有网络拥塞控制方法的公平性测试结果。

图2为本方法与现有网络拥塞控制方法的收敛性测试结果。

具体实施方式

为了更好的了解本发明内容，这里给出一个实施例。

本发明公开了一种基于信用和反应型的数据中心网络拥塞控制方法 (CCRP)，其步骤包括：

该方法中所采用的信用包的大小设定为84B，网络链路容量的5％用于信用信息发送，而网络链路容量的剩余95％用于数据包信息发送。在交换机处，其将数据通路和信用通路在物理信道上分开。信用包数据使用信用通路进行传输，正常数据包使用数据通路进行传输，二者互不干扰。当发送端要发送数据给接收端时，首先会通过信用通路发送一个信用请求给接收端，这个请求中包含了需要发送的数据流的大小和源地址等信息。接收端在接收到信用请求后会给发送端发送信用包，发送端根据收到的信用包发送数据，一个信用包只能调度一个数据包。当未检测到网络处于拥塞状态时，采用基于主动型拥塞控制协议的信用反馈控制方法，即在链路容量允许的范围内尽可能多地发送数据包；当检测到网络处于拥塞状态时，采用基于显式拥塞控制(ECN) 的反馈控制方法，进入低发送速率模式：在交换机上部署合理的ECN阈值，当网络中存在其他非主动型流量时，交换机中的数据队列长度将超过ECN阈值，交换机对数据包进行ECN标记，接收端在接收到带有ECN标记的数据包后，接收端立即自动降低发送速率。当多个数据包往返时间(RTT)中，接收端不再收到带有ECN标记的数据包时，将发送更多的信用信息。

所述的网络拥塞状态的检测，使用ECN来检测数据队列的网络拥塞，使用瞬时队列长度作为ECN打标的判定基础。具体来说，在交换机数据队列中设定两个队列长度阈值Kmax和Kmin，将Kmin值设置为5KB，将Kmax值设置为200KB。如果交换机中的排队数据长度值在Kmin以下，数据会被当作普通数据进行转发操作，即进行拥塞标记的概率为0；如果交换机中的排队数据长度在Kmax以上，交换机会认为网络中发生了拥塞，数据包会被打上拥塞标记，即数据包被标记拥塞的概率为1。如果交换机中的排队长度在Kmin以上，在Kmax以下，则对数据包被标记拥塞的概率进行模拟计算，并根据计算结果概率来对数据包进行拥塞标记。

假定队列长度为Kmax时被标记拥塞的概率为Pmax，如果当前瞬时队列长度为X，且Kmin<X<Kmax，那么数据包被打上拥塞标记的概率为：Pmax×(X-Kmin)/(Kmax-Kmin)。

所述的对数据包进行拥塞标记，其具体方式为，修改数据包IP头数据的数值，数据包IP头数据中包含用于表示差分服务的TOS域，TOS域中的两个空闲数值位用于进行拥塞标记。当发送主机不支持ECN功能，数据包中剩余的这两个数值位被标记为00；当发送主机支持ECN功能，数据包中剩余的这两个数值位被标记为01或者10；当数据包经历拥塞时，数据包中剩余的这两个数值位被标记为11。

当采用主动型协议的数据流量与网络中的其他采用反应型协议的数据流量共存时，且交换机队列长度超过拥塞阈值时，数据包将被交换机打上拥塞的ECN标记。在接收端实现基于ECN的反馈拥塞控制方法。当数据包到达接收端时，接收端通过检测其接收的数据包是否标记有CE代码点来检测拥塞。ECN_ratio是被标记ECN的数据包数量与所有数据包数量的比值。当ECN_ratio值大于0时，判定数据链路为拥塞状态，否则判定数据链路为正常状态。

在判定数据链路为拥塞状态后，接收端启动基于ECN的反馈拥塞控制方法，其具体过程包括：

当判定网络处于正常状态时，即没有数据包被打上ECN标记时，则使用主动型拥塞控制协议方法，通过信用包来调度数据包。在最初的几个RTT中， CCRP趋向于以链路速率发送数据流量，在经过多个RTT之后，如果未获得任何带有ECN拥塞标记的数据包，并判定网络中没有其他采用反应型协议的数据流量。在这一阶段中，同时检测信用信息的丢包率，当信用信息丢包率小于设定的信用丢包阈值target_loss时，网络进入增速阶段，其相应的信用发送速率采用如下方式进行计算：

w＝(w+wmax)/2，

cur_rate＝(1-w)*tmp_rate+w*max_rate，

其中，w为计算因子，cur_rate为当前信用发送速率，tmp_rate为上一轮信用发送速率，max_rate为信用的最大发送速率，target_loss是设定的信用丢包阈值，为了减少本发明方法部署初期的攻击性，将target_loss值设置为0；wmax的取值范围为0.04≤wmax≤0.07。在这里的实验中，wmax设置为0.06。

当信用信息丢包率大于设定的信用丢包阈值target_loss时，网络进入减速阶段，其相应的信用发送速率采用如下方式进行计算：

cur_rate＝(1-credit_loss_rate)*tmp_rate，

w＝max(wmin,w/2)，

max()表示取其括号中的两个变量的最大值，credit_loss_rate为信用包的实际丢包率。

当检测到ECN_ratio大于被打上ECN拥塞标记的数据量的阈值target_ECN_ratio时，判定网络处于拥塞状态，进行如下操作：

ECN_a＝(1-g)*ECN_a+g*ECN_ratio，

tmp_rate＝(1-(target_ECN_ratio+ECN_a)/2)*cur_rate，

ECN_a为中间计算量，g为设定的权重值，其取值为0.5。在浅缓冲交换环境中，为确保交换机中的平均队列长度在ECN阈值左右，targetECNratio设置为0。这里通过定义targetECNratio来提供一个接口以提高DCN的前馈兼容性。

这里将主动型拥塞控制协议的代表Expresspass与反应型拥塞控制协议的代表DCQCN进行混合并进行评估。

这里从两个角度衡量CCRP的性能：(i)公平性，(ii)收敛速度。所有实验均使用OMNeT++模拟器完成，CCRP/ExpressPass与DCQCN的比率为 1：1。图1为本方法与现有网络拥塞控制方法的公平性测试结果。图2为本方法与现有网络拥塞控制方法的收敛性测试结果。

首先，这里测量利用率，因为使用ECN的好处之一就是利用率高。Expresspass必须提供链路带宽的5％来传输信用，因此CCRP和Expresspass的利用率接近95％。这里在相同的多协议网络环境中比较了CCRP，Expresspass和DCQCN的性能，结果表明这三个协议都可以充分利用网络带宽。基于信用的协议和基于ECN的协议共存的网络的利用率为95％，而仅基于ECN的协议的利用率接近100％。

CCRP旨在优化反馈控制算法并降低基于信用的主动协议的侵略性，以便它们可以与网络中的其他传统“被动”流量共存。因此，公平是这里评估中最重要的指标。这里主要做了两个实验来测量多协议网络中CCRP的公平性。这里通过使用in那教的公平性指数来计算每个流在100毫秒间隔内的平均带宽，结果如图1的（ a ）部分 所示。由于基于信用的协议具有攻击性，因此Expresspass和DCQCN之间的公平性很差。此外，随着更多并发流量注入网络，Expresspass将遭受数据包丢失的困扰，公平性将进一步恶化。相反，如图1的（ a ）部分所示，CCRP 的性能要比Expresspass好得多。这里将此改进归因于CCRP中基于ECN的反馈控制。如图1的 （ b ）和（ c ）部分 所示，两种流量之间的公平性是通过CCRP/ Expresspass与DCQCN之比来评估的。该度量仅关注不同流量之间的不公平，而忽略了由数据包丢失引起的内部不公平。结果还表明，CCRP与其他“反应性”流量共存时可以确保公平。

当网络中共存CCRP/ExpressPass和DCQCN时，这里做了一系列实验来模拟它们的收敛。具体来说，有四种类型的主机(A到D)。A型计算机(运行ExpressPass或CCRP，发送方)连接C型计算机(运行ExpressPass或CCRP 反馈控制，接收方)，B型计算机(运行DCQCN，发送方)通过10Gbps链接连接到D型计算机(运行DCQCN，接收方)通过支持ECN的交换机。A到C 和B到D通过相同的路径。交换机创建两个连接以同时从发送方A和D获取两个大流量。由于ωmax是CCRP中基于ECN的反馈控制算法的最重要变量之一，因此在这里的实验中，这里将ωmax设置为0.03-0.07。

从图2的 （ b ），（ c ），（ d ），（ e ）部分 可以看出，当ωmax在0.04至0.07之间时，CCRP 可以大大降低Expresspass的攻击性，并与DCQCN完美收敛。如图2 的（ e ）部分所示，当将攻击因子设置为0.07时，收敛速度仅比DCQCN慢100毫秒。相反，图2 的（ f ）部分显示具有DCQCN的ExpressPass无法在多协议网络中实现收敛。但是，当ωmax太小(ωmax＝0.03)时，如图2 的（ a ）部分 所示，尽管CCRP也可以帮助DCQCN 抢占带宽，但是收敛的结果并不理想。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种基于信用和反应型的数据中心网络拥塞控制方法,其特征在于，其步骤包括：

其所采用的信用包的大小设定为84B，网络链路容量的5％用于信用信息发送，而网络链路容量的剩余95％用于数据包信息发送；在交换机处，其将数据通路和信用通路在物理信道上分开；信用包数据使用信用通路进行传输，正常数据包使用数据通路进行传输；当发送端要发送数据给接收端时，首先会通过信用通路发送一个信用请求给接收端，这个信用请求中包含了需要发送的数据流的大小和源地址信息；接收端在接收到信用请求后会给发送端发送信用包，发送端根据收到的信用包发送数据，一个信用包只能调度一个数据包；当未检测到网络处于拥塞状态时，采用基于主动型拥塞控制协议的信用反馈控制方法，即在链路容量允许的范围内尽可能多地发送数据包；当检测到网络处于拥塞状态时，采用基于显式拥塞控制ECN的反馈控制方法，进入低发送速率模式：在交换机上部署合理的ECN阈值，当网络中存在其他非主动型流量时，交换机中的数据队列长度将超过ECN阈值，交换机对数据包进行ECN标记，接收端在接收到带有ECN标记的数据包后，接收端立即自动降低发送速率；当在多个数据包往返时间RTT中，接收端不再收到带有ECN标记的数据包时，接收端将发送更多的信用信息；

当采用主动型协议的数据流量与网络中的其他采用反应型协议的数据流量共存时，且交换机队列长度超过拥塞阈值时，数据包将被交换机打上拥塞的ECN标记；在接收端实现基于ECN的反馈拥塞控制方法；当数据包到达接收端时，接收端通过检测其接收的数据包是否标记有拥塞经历代码点来检测拥塞；ECN_ratio是被标记ECN的数据包数量与所有数据包数量的比值；当ECN_ratio值大于0时，判定数据链路为拥塞状态，否则判定数据链路为正常状态。

2.如权利要求1所述的基于信用和反应型的数据中心网络拥塞控制方法，其特征在于，其步骤包括：

网络拥塞状态的检测，使用ECN来检测数据队列的网络拥塞，使用瞬时数据队列长度作为ECN打标的判定基础；具体来说，在交换机数据队列中设定两个队列长度阈值Kmax和Kmin，将Kmin值设置为5KB，将Kmax值设置为200KB；如果交换机中的数据队列长度值在Kmin以下，数据被当作普通数据进行转发操作，即进行拥塞标记的概率为0；如果交换机中的数据队列长度在Kmax以上，交换机会认为网络中发生了拥塞，数据包会被打上拥塞标记，即数据包被标记拥塞的概率为1；如果交换机中的数据队列长度大于Kmin同时小于Kmax，则对数据包被标记拥塞的概率进行模拟计算，并根据计算结果概率来对数据包进行拥塞标记；

假定队列长度为Kmax时被标记拥塞的概率为Pmax，如果当前瞬时队列长度为X，且Kmin<X<Kmax，那么数据包被打上拥塞标记的概率为：Pmax×(X-Kmin)/(Kmax-Kmin)。

3.如权利要求1所述的基于信用和反应型的数据中心网络拥塞控制方法，其特征在于，其步骤包括：

所述的对数据包进行拥塞标记，其具体方式为，修改数据包IP头数据的数值，数据包IP头数据中包含用于表示差分服务的TOS域，TOS域中的两个空闲数值位用于进行拥塞标记；当发送主机不支持ECN功能时，数据包中剩余的这两个数值位被标记为00；当发送主机支持ECN功能时，数据包中剩余的这两个数值位被标记为01或者10；当数据包经历拥塞时，数据包中剩余的这两个数值位被标记为11。

4.如权利要求1所述的基于信用和反应型的数据中心网络拥塞控制方法，其特征在于，

在判定数据链路为拥塞状态后，接收端启动基于ECN的反馈拥塞控制方法，其具体过程包括：

当判定网络处于正常状态时，即没有数据包被打上ECN标记时，则使用主动型拥塞控制协议方法，通过信用包来调度数据包；在最初的几个RTT中，网络趋向于以链路速率发送数据流量，在经过多个RTT之后，如果未获得任何带有ECN拥塞标记的数据包，并判定网络中没有其他采用反应型协议的数据流量；在这一阶段中，同时检测信用信息的丢包率，当信用信息丢包率小于设定的信用丢包阈值target_loss时，网络进入增速阶段，其相应的信用发送速率采用如下方式进行计算：

w＝(w+wmax)/2，

cur_rate＝(1-w)*tmp_rate+w*max_rate，

其中，w为计算因子，cur_rate为当前信用发送速率，tmp_rate为上一轮信用发送速率，max_rate为信用的最大发送速率，target_loss是设定的信用丢包阈值，为了减少部署初期的攻击性，将target_loss值设置为0；wmax的取值范围为0.04≤wmax≤0.07；

当信用信息丢包率大于设定的信用丢包阈值target_loss时，网络进入减速阶段，其相应的信用发送速率采用如下方式进行计算：

cur_rate＝(1-credit_loss_rate)*tmp_rate，

w＝max(wmin,w/2)，

max()表示取其括号中的两个变量的最大值，credit_loss_rate为信用包的实际丢包率；

当检测到ECN_ratio大于被打上ECN拥塞标记的数据量的阈值target_ECN_ratio时，判定网络处于拥塞状态，进行如下操作：

ECN_a＝(1-g)*ECN_a+g*ECN_ratio，

tmp_rate＝(1-(target_ECN_ratio+ECN_a)/2)*cur_rate，

其中，ECN_a为中间计算量，g为设定的权重值，其取值为0.5；在浅缓冲交换环境中，为确保交换机中的平均队列长度在ECN阈值左右，target ECN ratio设置为0。

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