李 瑋

(太原旅游職業(yè)學(xué)院 信息管理系，山西 太原 030032)

1 IPv4 及IPv6 網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的IP，即IPv4 定義的IP 地址的長(zhǎng)度為32 位，共有232(約43 億)個(gè)IP 地址。根據(jù)IPv4地址分類規(guī)則，占地址總量12%的D 類和E 類地址，2%的特殊地址和1%的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)地址不能分配給用戶使用，從而只有約85%的IPv4 地址能夠供網(wǎng)絡(luò)用戶分配使用。IPv4 地址資源地區(qū)分布的不合理又進(jìn)一步加劇了IP 地址短缺問(wèn)題。根據(jù)中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心(CNNIC)公布的數(shù)據(jù)，截至2012年8月30日，中國(guó)大陸IPv4 地址數(shù)量約為3.30 億個(gè)，居全球第二，但卻僅為美國(guó)IPv4地址數(shù)量的五分之一。據(jù)CNNIC 測(cè)算，中國(guó)目前擁有網(wǎng)民人數(shù)5.45 億，互聯(lián)網(wǎng)普及率為40.7%，是世界上網(wǎng)民人數(shù)最多的國(guó)家。國(guó)家發(fā)改委制定的《關(guān)于下一代互聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展建設(shè)的意見(jiàn)》提出“十二五”期間，我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)普及率達(dá)到45%以上，屆時(shí)中國(guó)網(wǎng)民數(shù)量將達(dá)到6.02 億，中國(guó)將成為了IPv4 地址短缺最為嚴(yán)重的國(guó)家。

網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換技術(shù)(Network Address Translation，NAT)通過(guò)使用少量的公有IPv4 地址代表內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)大量主機(jī)的私有IPv4 地址的形式，一定程度上緩解了IPv4 地址空間枯竭的問(wèn)題，但卻不能從跟本上解決這一問(wèn)題。首先，NAT 技術(shù)使用一個(gè)公有IPv4 地址代表多個(gè)私有IPv4 地址，背離了IP 地址結(jié)構(gòu)模型中每個(gè)IP 地址都標(biāo)識(shí)了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)計(jì)原則。其次，NAT 技術(shù)使得原本面向無(wú)連接的IP 協(xié)議在通信過(guò)程中必須面向連接。為保證通信的正常，NAT 必須維護(hù)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的私有IP 地址與外部網(wǎng)絡(luò)的公有IP 地址及其端口號(hào)的映射關(guān)系，這樣不僅降低了網(wǎng)絡(luò)的性能，而且增加了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的成本。第三，NAT 技術(shù)也違背了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型各層獨(dú)立的原則，增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度。最后，NAT 技術(shù)采用外部公有IP地址替代了內(nèi)部私有IP 地址，對(duì)外隱藏了內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因而不能保障端到端的網(wǎng)絡(luò)安全［1］。

IPv6 技術(shù)128 位的地址長(zhǎng)度形成了巨大的地址空間，在未來(lái)可預(yù)測(cè)的時(shí)間內(nèi)可以為全球所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供唯一的地址標(biāo)識(shí)，解決了因IPv4 地址短缺從而制約互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的問(wèn)題。IPv6 地址不只是網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，而且攜帶了表達(dá)路由器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的信息，從而減少了網(wǎng)絡(luò)中路由器路由表項(xiàng)的長(zhǎng)度，提高了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)乃俣?。IPv6 在網(wǎng)絡(luò)地址分配方案、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性方面的優(yōu)勢(shì)，為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和新業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。2011年12月23日國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議研究部署了發(fā)展我國(guó)下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)，明確了IPv6 網(wǎng)絡(luò)在未來(lái)五年發(fā)展的時(shí)間表和路線圖，標(biāo)志著我國(guó)IPv4 向IPv6 網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡階段已正式開(kāi)始。

2 IPv4 to IPv6 過(guò)渡技術(shù)分析

IPv6 取代IPv4 將會(huì)一是個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，要分階段逐步的進(jìn)行。在每一個(gè)過(guò)渡階段，首先要保證IPv6 網(wǎng)絡(luò)與IPv4 網(wǎng)絡(luò)互通從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡。目前已經(jīng)出現(xiàn)了多種過(guò)渡技術(shù)和互通方案，用于解決IPv4 to IPv6 過(guò)渡時(shí)期的不同階段、不同環(huán)境下的互通問(wèn)題;其中最基本的三種過(guò)渡技術(shù)分別是:雙協(xié)議棧技術(shù)、隧道技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換－協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)。

2.1 雙協(xié)議棧技術(shù)

雙協(xié)議棧技術(shù)(Dual Stack)是指在一個(gè)系統(tǒng)(主機(jī)或路由器)同時(shí)支持IPv4 和IPv6 兩套協(xié)議棧。IPv4 和IPv6 是兩種基于相同的底層平臺(tái)的功能相似的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，加載于兩種協(xié)議上的傳輸層TCP 和UDP 協(xié)議也基本沒(méi)有區(qū)別，因此支持雙協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能同時(shí)與支持IPv4 協(xié)議或IPv6 協(xié)議的節(jié)點(diǎn)通信［2］。IPv4/IPv6 節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)鏈路層接收到數(shù)據(jù)包后，根據(jù)數(shù)據(jù)包頭中IP 數(shù)據(jù)包的包頭版本號(hào)來(lái)確定應(yīng)該使用的協(xié)議棧。在IPv4 和IPv6 數(shù)據(jù)包的包頭的前四位為版本號(hào)字段，如果IP 數(shù)據(jù)包的版本號(hào)為4(01002)，則該IP 數(shù)據(jù)包由IPv4 協(xié)議棧進(jìn)行處理;如果版本號(hào)為6(01102)，則該IP 數(shù)據(jù)包由IPv6 協(xié)議棧來(lái)處理。

由于雙棧節(jié)點(diǎn)同時(shí)支持IPv4 和IPv6 兩種協(xié)議棧，所以在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定使用哪一種協(xié)議棧來(lái)進(jìn)行通信，在此過(guò)程中，數(shù)據(jù)包的目的地址是進(jìn)行路由選擇的主要參數(shù)。如節(jié)點(diǎn)A 向節(jié)點(diǎn)B 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，源節(jié)點(diǎn)A 為支持雙協(xié)議棧的節(jié)點(diǎn)。如果目的節(jié)點(diǎn)B 支持IPv4 協(xié)議，即目的地址為IPv4 地址，則使用IPv4 協(xié)議棧與節(jié)點(diǎn)B 進(jìn)行通信;如果目的地址為IPv4 兼容的IPv6 地址，則將IPv6 數(shù)據(jù)包封裝在IPv4 數(shù)據(jù)包中，使用IPv4 協(xié)議棧進(jìn)行通信;如果目的地址為非IPv4 兼容的IPv6 地址，則使用IPv6 協(xié)議棧進(jìn)行通信;如果應(yīng)用層程序使用域名作為目的地址，則需通過(guò)域名服務(wù)器獲得相應(yīng)的IP 地址后，根據(jù)上述情況決定協(xié)議棧使用的類型。以上工作模式將隨著IPv4 網(wǎng)絡(luò)向IPv6 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)過(guò)渡技術(shù)的成熟和完善作出相應(yīng)的調(diào)整。

2.2 隧道技術(shù)

隧道技術(shù)是一種封裝技術(shù)，它用一種協(xié)議類型的頭部封裝另一種協(xié)議類型的數(shù)據(jù)包，后者將前者當(dāng)作它下層的數(shù)據(jù)鏈路。例如，在IPv4 網(wǎng)絡(luò)向IPv6 網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡的初級(jí)階段，IPv4 網(wǎng)絡(luò)保持現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，IPv6 網(wǎng)絡(luò)孤島之間要進(jìn)行通信，則需將整個(gè)IPv6 報(bào)文封裝在IPv4 數(shù)據(jù)包中，以此在當(dāng)前的IPv4 網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。隧道技術(shù)的實(shí)現(xiàn)包括封裝、解封裝和隧道管理三個(gè)步驟。封裝是指在隧道起始點(diǎn)形成一個(gè)IPv4 包頭，將IPv6 數(shù)據(jù)報(bào)作為IPv4 數(shù)據(jù)包的負(fù)載，從而組合成一個(gè)IPv4 數(shù)據(jù)包;解封裝是封裝的逆過(guò)程，即在隧道終結(jié)點(diǎn)去掉IPv4 包頭，還原IPv6 數(shù)據(jù)包;隧道管理是指隧道的建立和拆除，以及隧道配置信息的維護(hù)等。對(duì)于采用隧道技術(shù)不需要對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模的更新與改造，只需要對(duì)IPv6 數(shù)據(jù)包在隧道的起始端和終結(jié)端進(jìn)行封裝和解封裝，封裝后所形成的IPv4 數(shù)據(jù)包的源地址和目的地址分別是隧道入口和隧道出口的IPv4 地址，并且在IPv4數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程中不產(chǎn)生新的要求，因此技術(shù)上比較容易實(shí)現(xiàn)。但是隧道技術(shù)的核心是將IPv6報(bào)文封裝在IPv4 數(shù)據(jù)包中經(jīng)由IPv4 網(wǎng)絡(luò)傳輸，從而隧道技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)IPv4 主機(jī)與IPv6 主機(jī)之間的直接通信。

目前可用的隧道技術(shù)種類較多，包括手動(dòng)配置隧道、自動(dòng)配置隧道、6over4、6to4、Teredo 等多種方式。手動(dòng)配置隧道通過(guò)通信兩端網(wǎng)絡(luò)手動(dòng)協(xié)作配置的方式完成，適用于通信頻度較高的網(wǎng)絡(luò)，由于每一條隧道都需要進(jìn)行手動(dòng)配置，所以加重了網(wǎng)絡(luò)管理的負(fù)擔(dān)。自動(dòng)配置隧道的建立和拆除是自動(dòng)完成的，適用于通信頻度較低的站點(diǎn)之間的連接。6over4 是一種以隧道端點(diǎn)的IPv4地址采用鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制來(lái)建立隧道的自動(dòng)隧道技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)的前提是IPv4 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施必須支持組播。6to4 是一種采用從站點(diǎn)的IPv4 地址派生出的特殊IPv6 地址的自動(dòng)隧道技術(shù)，在這種隧道機(jī)制下不會(huì)在IPv4 路由表中引入新的條目，在IPv6 的路由表中也只增加了一條表項(xiàng)，是一種對(duì)邊界路由器性能要求較低的隧道技術(shù)。以上隧道技術(shù)均不支持為解決IPv4 地址短缺而廣泛采用的NAT 技術(shù)，因此微軟開(kāi)發(fā)了把IPv6 數(shù)據(jù)包作為UDP 凈載荷，從而通過(guò)采用傳統(tǒng)NAT 技術(shù)的IPv4 網(wǎng)絡(luò)的Teredo 隧道技術(shù)。此外，專門針對(duì)Teredo 技術(shù)對(duì)稱類型NAT 用戶的因素，由中國(guó)科學(xué)院研究提出的Silkroad 隧道技術(shù)，采用客戶端－服務(wù)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用隧道服務(wù)器的有狀態(tài)特性，為所有類型的NAT 用戶提供了雙向的IPv6連接［3］。表1 對(duì)以上各種隧道技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)特征進(jìn)行了對(duì)比和分析。

2.3 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換－協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換－協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)(NAT－PT，Network Address Translation－ Protocol Translation)，是通過(guò)修改報(bào)頭來(lái)轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)地址，從而實(shí)現(xiàn)IPv4 和IPv6 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的互通。支持NAT－PT 的路由器將來(lái)自IPv6 網(wǎng)絡(luò)的IPv6 報(bào)文報(bào)頭去掉，并從中提取源地址、目的地址、源端口號(hào)和目的端口號(hào)等信息，組成IPv4 包頭，即將IPv6 報(bào)文轉(zhuǎn)換成IPv4 報(bào)文，使數(shù)據(jù)能夠通過(guò)IPv4 網(wǎng)絡(luò)傳輸。IPv4 報(bào)文在到達(dá)目的地后，再通過(guò)上述過(guò)程的逆過(guò)程將IPv4 報(bào)文轉(zhuǎn)換成IPv6 報(bào)文。NAT－PT 技術(shù)適用于純IPv4 站點(diǎn)和純IPv6 站點(diǎn)之間的通信。NAT－PT 技術(shù)包括靜態(tài)NAT－PT、動(dòng)態(tài)NAT－PT 和結(jié)合ALG 的動(dòng)態(tài)NAT－PT 三種主要類型。靜態(tài)NAT－PT 技術(shù)是通過(guò)NAT－PT 網(wǎng)關(guān)靜態(tài)的實(shí)現(xiàn)IPv4 地址和IPv6 地址一一對(duì)應(yīng)的綁定。報(bào)文在到達(dá)NAT－PT 網(wǎng)關(guān)路由器時(shí)，路由器獲取報(bào)文的目的地址，并根據(jù)配置檢測(cè)該地址所對(duì)應(yīng)的靜態(tài)地址映射信息，并對(duì)報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)換。靜態(tài)NAT－PT 原理簡(jiǎn)單，但由于要實(shí)現(xiàn)IPv4 地址與IPv6 地址的一一對(duì)應(yīng)，從而增加了配置和維護(hù)的成本，并且需要消耗大量的IPv4 地址，無(wú)法解決IPv4 地址短缺的問(wèn)題。在動(dòng)態(tài)NAT－PT 技術(shù)中，NAT－PT 網(wǎng)關(guān)向IPv6 網(wǎng)絡(luò)通告一個(gè)96 位的地址前綴，并結(jié)合IPv4 網(wǎng)絡(luò)目的主機(jī)的32 為IPv4 地址構(gòu)成IPv6 報(bào)文中目的地址。在IPv6 主機(jī)向IPv4 主機(jī)發(fā)送的報(bào)文到達(dá)NAT－PT 網(wǎng)關(guān)路由器時(shí)，路由器從IPv6 報(bào)文中提取其中的IPv4地址信息，作為轉(zhuǎn)換后的IPv4 報(bào)文的目的地址，并從地址池中取得一個(gè)IPv4 地址來(lái)替換IPv6 報(bào)文的源地址，從而實(shí)現(xiàn)IPv6 報(bào)文到IPv4 報(bào)文的轉(zhuǎn)換。動(dòng)態(tài)NAT－PT 技術(shù)克服了靜態(tài)NAT－PT配置復(fù)雜、IPv4 地址消耗大的缺點(diǎn)，但因?yàn)樵趨f(xié)議轉(zhuǎn)換過(guò)程中，IPv4 報(bào)文的源地址是有NAT－PT網(wǎng)關(guān)從地址池中隨機(jī)分配的，IPv4 主機(jī)之前并不知道IPv6 主機(jī)地址，因此動(dòng)態(tài)NAT－PT 只能由IPv6 主機(jī)一側(cè)首先發(fā)起連接［4］。為解決這一問(wèn)題，引入了結(jié)合應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)(ALG，Application Level Gateway)的動(dòng)態(tài)NAT－PT 技術(shù)。由于某些應(yīng)用在凈載荷中包含有IP 地址，因此通過(guò)ALG對(duì)報(bào)文靜載荷中的IP 地址進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，從而可以是IPv4 主機(jī)一側(cè)也可以主動(dòng)向IPv6 主機(jī)發(fā)起連接。

表1 主要隧道技術(shù)特征對(duì)比

3 IPv4 to IPv6 過(guò)渡技術(shù)應(yīng)用分析

在IPv4 網(wǎng)絡(luò)向IPv6 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展研究過(guò)程中，各種不同的過(guò)渡的技術(shù)更具起特有的技術(shù)特點(diǎn)適用與不用的發(fā)展階段和應(yīng)用場(chǎng)景，以下針對(duì)三大類型的過(guò)渡技術(shù)分別作出分析。

雙協(xié)議棧技術(shù)是一種IPv4 向IPv6 網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡技術(shù)中應(yīng)用較為簡(jiǎn)單的技術(shù)。但是雙協(xié)議棧技術(shù)需要升級(jí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)后才能獨(dú)立的運(yùn)行兩種協(xié)議棧，設(shè)備的升級(jí)將在過(guò)渡過(guò)程中產(chǎn)生較大遷徙成本。雙協(xié)議棧技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中要根據(jù)情況決定使用協(xié)議棧的類型，需要為兩種協(xié)議棧配置路由協(xié)議，同步存儲(chǔ)所有路由表，加重路由器的負(fù)荷。同時(shí)由于在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中要使用到IPv4 地址，也無(wú)法從根本上解決IPv4 地址短缺的問(wèn)題。因此，雙協(xié)議棧技術(shù)將作為一種IPv4 網(wǎng)絡(luò)向IPv6 網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)早期階段的過(guò)渡技術(shù)存在，并結(jié)合其它過(guò)渡技術(shù)共同使用，不適宜大面積推廣和普及。

隨著IPv6 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將出現(xiàn)許多的IPv6 網(wǎng)絡(luò)“孤島”，應(yīng)用隧道技術(shù)，可以借助現(xiàn)有的IPv4 骨干網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)局部的IPv6“孤島”之間的互通，是實(shí)現(xiàn)IPv4 向IPv6 平滑過(guò)渡的一種有效解決方案?，F(xiàn)有隧道技術(shù)種類較多，其技術(shù)特點(diǎn)也不盡相同，因此具有很好的靈活性，適用于較多的應(yīng)用場(chǎng)景。采用隧道技術(shù)在不對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模改造和升級(jí)的基礎(chǔ)上，就可以實(shí)現(xiàn)IPv6“孤島”之間的互連，是一種實(shí)現(xiàn)成本較低的過(guò)渡技術(shù)。由于可以解決IPv4 網(wǎng)絡(luò)向IPv6 網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過(guò)程中早期階段IPv6“孤島”之間以及IPv6 網(wǎng)絡(luò)占據(jù)主導(dǎo)地位之后的IPv4“孤島”之間的互連，隧道技術(shù)在次演進(jìn)過(guò)程中將被大量使用。

由于隧道技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)純IPv6 節(jié)點(diǎn)和純IPv4 節(jié)點(diǎn)之間的互通，NAT－PT 技術(shù)將是隧道技術(shù)的一種有效補(bǔ)充。NAT－PT 技術(shù)在不修改現(xiàn)有IPv4 網(wǎng)絡(luò)的前提下，僅需要在IPv6 與IPv4 網(wǎng)絡(luò)邊沿增加NAT－PT 網(wǎng)關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)IPv4 網(wǎng)絡(luò)與IPv6 網(wǎng)絡(luò)的互通，是一種較為實(shí)用的過(guò)渡技術(shù)，但是在網(wǎng)絡(luò)連接過(guò)程中，同一會(huì)話的請(qǐng)求和響應(yīng)都需要通過(guò)NAT－PT 網(wǎng)關(guān)，從而對(duì)NAT－PT 網(wǎng)關(guān)的性能要求非?？量?，成為制約NAT－PT 技術(shù)大面積推廣和普及的瓶頸。NAT－PT 技術(shù)是實(shí)現(xiàn)IPv6 網(wǎng)絡(luò)與IPv4 海洋之間通信的一種有效方案，適用于IPv4 向IPv6 網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡的整個(gè)發(fā)展過(guò)程。

4 總結(jié)

從IPv4 網(wǎng)絡(luò)向IPv6 網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程，IPv4 網(wǎng)絡(luò)和IPv6 網(wǎng)絡(luò)將在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)共同存在。在此期間，如何解決好IPv4 網(wǎng)絡(luò)和IPv6 網(wǎng)絡(luò)之間的互通問(wèn)題將是一個(gè)現(xiàn)實(shí)而關(guān)鍵的問(wèn)題。本文在對(duì)比三類過(guò)渡技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合過(guò)渡時(shí)期不同階段的特點(diǎn)，分析了三類過(guò)渡技術(shù)的適用性。隨著這一過(guò)程的逐步推進(jìn)，三類過(guò)渡技術(shù)也將不斷的發(fā)展和完善，最后實(shí)現(xiàn)IPv4到IPv6 網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)過(guò)渡。

［1］楊云江，高鴻峰.IPv6 技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

［2］封紅旗，胡冬艷.IPv4/IPv6 雙棧網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010(30).

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