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宽带通信网的发展过程、现状和发展趋势

2/14/2005来源:数据通信人气:11642

  隆克平 李云 陈前斌

  (重庆邮电学院光互联网及无线信息网络研究中心 重庆 400065)

  摘 要 本文分别从宽带骨干网和宽带接入网两个层面,对现有宽带通信网络技术作了概括介绍,讨论了它们的优缺点,给出了一些关键技术和展望了宽带通信网络的发展趋势。

  关键词 宽带网 骨干网 光互联网 接入

  1 引言

  通信是目前发展最快的领域之一,它是人们工作和生活必不可少的工具,也是现在和未来经济发展的基础平台之一。通信网络的发展经历了由窄带到宽带、由人工到智能、由单业务到综合业务的发展过程。21世纪,通信网络向提供宽带化、个人化、分组化和综合化方向发展的趋势更为明显。而目前技术发展和需求增长最快的是Internet和移动通信。

  宽带通信网是一种全数字化、高速、宽带、具有综合业务能力的智能化通信网络。宽带通信网的显著特点就是在信息数据传输上突破了速度、容量和时间空间的限制。宽带通信网络可大致分为宽带骨干网络和宽带接入网络两个层面。 本文分别从宽带骨干网络和宽带接入网络两个层面介绍通信网络技术的发展历史、现状,讨论了宽带通信网络的发展趋势。

  2 宽带骨干网络技术

  较早出现的宽带骨干网络的分组交换技术有X.25、帧中继,到后来的ip、ATM以及MPLS技术,经过几十年的发展,目前,IP技术成为主流的宽带网络技术,未来将朝着以光互联网技术为主流技术的超宽带信息网络方向发展。

  2.1 帧中继

  帧中继(FR:Frame Relay),是一种面向连接的快速分组交换技术。是八十年代初发展起来的一种数据通信技术,它是从X.25分组通信技术演变而来的。由于传输技术的发展,数据传输误码率大大降低,分组通信的差错恢复机制显得过于繁琐,帧中继将分组通信的三层协议简化为两层,即在OSI第二层以简化的方式传送数据,仅完成物理层和链路层核心层的功能,网络不进行纠错、重发、流量控制等,而将这些功能留给智能终端去处理。从而大大缩短了处理时间,提高了效率。但帧中继的最大问题是没有业务质量等级的相关规定,不能确保高业务的QoS要求。

  2.2 异步转移模式

  异步转移模式(ATM:Asynchronous Transfer Mode)[1]是一种快速分组交换技术,ITU-T推荐其为宽带综合业务数据网B-ISDN的信息传输模式。ATM将信息组织成信元,其包含的来自某用户信息的各个信元不需要周期性出现,这种传输模式是异步的。

  ATM信元是固定长度的分组,共有53个字节,分为2个部分。前面5个字节为信头,主要完成寻址的功能;后面的48个字节为信息段,用来装载来自不同用户,不同业务的信息。话音、数据、图像等所有的数字信息都要经过切割,封装成统一格式的信元在网中传递,并在接收端恢复成所需格式。由于ATM技术简化了交换过程,去除了不必要的数据校验,采用易于处理的固定信元格式,所以ATM交换速率大大高于传统的数据网,如x.25,DDN,帧中继等。

  ATM网络采用了一些有效的业务流量监控机制,对网上用户数据进行实时监控,把网络拥塞发生的可能性降到最小。对不同业务赋予不同优先级,网络对不同优先级的业务分配不同的网络资源。因此,ATM提供对话音、图像等实时业务的QoS保证。

  尽管ATM具有交换速度快、具有流量控制功能、提供服务质量保证和灵活的带宽分配等优点,但ATM的开销大,协议复杂,使得ATM设备的成本高,维护复杂。

  2.3 多协议标签交换

  多协议标签交换(MPLS:MultiPRotocol Label Switching)[2]属于第二层与第三层之间的一种交换技术,它引入了基于标签的机制,把选路和转发分开,由标签来规定一个分组通过网络的路径,数据传输通过标签交换路径(LSP)完成。

  MPLS网络由核心部分的标签交换路由器(LSR)、边缘部分的标签边缘路由器(LER)组成。LSR可以看作是ATM交换机与传统路由器的结合,由控制单元和交换单元组成;LER的作用是分析IP包头,决定相应的传送级别和标签交换路径(LSP)。由于MPLS技术隔绝了标签分发机制与数据流的关系,因此,它的实现并不依赖于特定的数据链路层协议,可支持多种的物理和链路层技术(IP/ATM、以太网、PPP、帧中继、光传输等)。MPLS使用控制驱动模型初始化标签捆绑的分配及分发,用于建立标签交换路径(LSP),通过连接几个标签交换点来建立一条LSP。一条LSP是单向的,全双工业务需要两条LSP。同时,MPLS支持流量工程和业务的服务等级。

  由于MPLS结合了传统IP和ATM技术,具有实现简单,交换速度快和支持流量工程和业务的服务等级等优点,因此,MPLS受到人们的普遍重视。

  2.4 IP网络技术

  人们提出IP技术的动机是为了实现异种网络之间的互连,以达到资源共享和交换数据的目的。IPv4通过为网络节点分配一个32位的IP地址来达到唯一标识节点的目的,用户数据封装在IP分组中,为了将IP分组由源节点投递到目的节点,IP通过路由协议建立源节点到目的节点的路由,IP路由器根据目的IP地址和保存的路由表实现IP分组的逐跳(hop by hop)转发,直到目的节点。

  最初,IP技术主要是为一些简单的数据业务服务,如电子邮件、文件传输、远程登陆等。随着IP技术在Internet上的成功应用以及Internet的飞速发展,人们要求IP不仅能支持简单的数据业务,同时也能传送语音、图像等实时业务。为了保证语音、图像等实时业务的QoS,需要改进传统的尽力而为的IP技术,以提供QoS保证。目前,提供服务质量保证的IP QoS体系结构有InterServ和DiffServ两种,InterServ基于流预留资源,DiffServ基于类区分业务,对不同类型的业务,采用不同的队列调度策略。DiffServ由于在网络边界对业务流进行汇聚,不需要维护基于流的状态信息,因此,同InterServ相比,DiffServ具有良好的可扩展性,更适合大型的IP网络。

  随着Internet规模的增长,以及越来越多的移动终端接入Internet,IPv4的缺点逐渐显露出来,主要包括:地址空间紧张、不支持节点的移动性、安全性差、不提供QoS保证等。为了解决这些问题,IPv6应运而生,IPv6采用128位的地址空间,同时支持节点的移动性、提供QoS保证,并具有良好的安全性。因此,IPv6可能最终取代IPv4,但在IPv4向IPv6过渡的过程中,需要解决两者的互通问题,以及由此带来的安全问题。

  2.5 下一代互联网技术——光互联网及交换技术

  互联网(Internet)业务的急剧增长驱动了高速传输技术和高速交换/路由技术的需求。密集波分复用技术(DWDM)、吉比特(Gigabit)以太网与太比特(Terabit)级交换机/路由器的出现使得建立高效、大容量、高带宽的光纤网络成为可能。为了使得网络结构更具扩展性、灵活性和动态性,面向互联网业务的下一代光网络,已由IP-over-Sonet/SDH向IP-over-(D)WDM网络发展,IP-over-(D)WDM将成为下一代光互联网的首选结构。

  目前提出的实现IP-over-(D)WDM的交换技术方案有3种:光电路交换/波长路由(Optical Circuit Switching)、光分组/信元交换(Optical Packet Switching)和光突发交换(Optical Burst Switching)。光电路交换采用双向资源预留方式设置光通路,中间节点不需要光缓存,可提供服务质量保证;但是光电路交换是粗粒度的,不能实现统计复用,带宽利用率低,不适于传输突发速率的数据;对长距离网络来说,其环回时间与延迟长;由于波长数目有限,还不能建立全连接的网络,导致网络中负载的不均衡。光分组/信元交换能对DWDM的巨大带宽进行更灵活、更有效地分配和利用,然而光分组交换对光子器件提出了很高的要求,有很多关键技术(如快速严格同步、光缓存等)尚未解决。光突发交换(OBS)结合了电路交换和分组交换这两种交换的优点,同时又克服二者的不足,即在较低的光子器件要求下,实现面向IP的快速资源分配和高资源利用率。它是一种单向资源预留方案,其控制分组和数据突发(Data Burst:由去往同一出口地址和具有相同的属性的多个IP包会聚而成)在传输信道和传输时间上是分离的。控制分组先于数据突发(Data Burst)在特定密集波分复用(DWDM)信道中传送,核心交换节点/路由器根据控制分组中的信息和网络当前的状况为相应的数据突发建立全光通路,数据突发经过一段延迟(offset-time)后,在不需要确认的情况下直接在预先设置的全光通道中透明传输。不需要确认的单向预留方案减小了建立通道的延迟等待时间,提高了带宽利用率;而数据突发和控制分组的信道分离、适中的交换粒度及非时隙交换方式降低了对光子器件的要求和中间交换节点的复杂度,如中间节点可以不使用光缓存技术,不存在网络中的时隙同步问题等。

  因此,光突发交换(OBS)被认为是下一代全光互联网理想的交换模式,已成为国际上一个热门研究方向,目前的研究主要课题集中在:边缘路由器的突发会聚机制及offset-time管理、网络核心节点交换结构和控制管理、控制/数据信道的调度算法、仅以突发丢包率为参数的OBS层的QoS支持等。典型的研究包括:美国纽约州立大学Buffalo分校的Qiao等对OBS经过比较深入的研究,提出了一种JET(Just Enough Time)信令协议,并研究了基于该协议的核心节点的结构和性能。该协议能在WDM层实现基本的区分服务,支持一定的服务质量(仅以突发丢包率为QoS参数)。该小组还开展了OBS交换中的组播和MPLS(多协议标签交换)在OBS交换中的运用研究,提出了MPLS与OBS相结合的方案--标签光突发交换(LOBS)。为了降低复杂性,Y. Wei等建议采用JIT(Just In Time)信令协议,JIT协议提供尽力而为的服务,不支持WDM层的QoS。英国伦敦大学学院(UCL)的P. Bayvel等人提出了一种波长路由光突发交换(WR-OBS)方案,并对其性能进行了研究,该方案以波长路由为基础,更接近电路交换的概念,可以提供有服务质量(QoS)保证,但网络的灵活性和带宽利用率低,而且虽然原理上可以以波长为标签实现MPLS,但由于涉及到对波长的操作,一些(G)MPLS操作(如标签栈、标记交换路径——LSP融合等)难以实现。阿尔卡特研究中心的Xiong[6] 等人研究了OBS网络的控制结构和数据信道调度算法。从事这方面的研究还有美国德克萨斯大学、伊利诺斯州技术学院、意大利的罗马大学等。国内一些大学和研究机构,近年来也开展了相关预研工作。

  既然IP-over-WDM作为下一代光互联网的理想网络结构,光突发交换(OBS)又作为IP-over-WDM网络中首选的交换模式,而目前互联网上大量的应用需要服务质量(QoS)支持,区分服务(DiffServ)由于其扩展性和易于采用电子交换/路由技术实现,而成为一种好的IP QoS解决方案,已被IETF标准化并得到国际上的广泛研究。因此,在WDM层支持IP QoS便成为IP-over-WDM网络中的一个挑战性课题,我们在这方面进行了探索和研究[7,8],提出了IP DiffServ over OBS网络体系结构、节点功能模型及其关键算法。

  3 宽带接入网络技术

  3.1 有线宽带接入网技术

  目前,有线宽带接入网技术主要有铜线接入、光纤接入和基于有线电视网的混合光纤同轴接入。

  3.1.1 铜线宽带接入技术

  铜线宽带接入技术也就是xDSL技术,主要包括高比特率的用户数字环路(HDSL)、非对称用户数字环路(ADSL)和甚高比特率的用户数字环路(VDSL)。

  HDSL利用现有铜线用户线中的两对或三对双绞线来提供全双工的1.5/2Mbit/s数字连接能力。其基本原理是:局端机接收交换机来的标准一次群信号,然后加上所需的用于同步和维护的HDSL开销,进行数字信号处理和线路编码,形成具有HDSL帧的线路信号并送给双绞线传输。在用户侧的远端机对收到的线路信号进行解码和信号处理,减小传输损伤,去掉HDSL开销并恢复标准一次群信号。

  ADSL在一对铜线上支持上行速率512Kbps~1Mbps,下行速率1Mbps~8Mbps,有效传输距离在3~5公里范围以内。ADSL采用频分复用方式将上行和下行信道分离,原有的电话信号占据最低的频段300~3400Hz,而高比特率的下行信号则占据高频段,总的工作频段限制在1MHz以内。

  VDSL是xDSL技术中最快的一种,在一对铜质双绞电话线上,下行速率为13Mbps~52Mbps,上行速率为1.5Mbps~2.3Mbps。但VDSL的传输距离较短,一般只在几百米以内。VDSL是一种传输距离很短的宽带接入技术,当ONU离终端用户很近时,可与FTTC、FTTB等结合用。

  总的说来,xDSL技术允许多种格式的数据、话音和视频信号通过铜线从局端传给远端用户,可以支持高速Internet/Intranet访问、在线业务、视频点播、电视信号传送、交互式娱乐等。其主要优点是能在现有90%铜线资源上传输高速业务,解决光纤不能完全取代铜线"最后一公里"的问题。但DSL技术也有其不足之处。它们的覆盖面有限(只能在短距离内提供高速数据输),并且一般高速传输数据是非对称的,仅仅能单向高速传输数据(通常是网络的下行方向)。因此,这些技术只适合一部分应用。可作为宽带接入的过渡技术。

  3.1.2 光纤接入技术

  光纤接入网又称光纤用户环路(FITL), 它是在交换局中设有光线路终端(OLT),在用户侧有光网络单元(ONU),OLT和ONU之间用光纤连接。ONU可以用多种方式连接用户,一个ONU可以连接多个用户。根据ONU与用户的距离,光纤接入网FITL又有多种方式,有光纤到路边(FTTC)、光纤到大楼(FTTB)、以及光纤到户(FTTH)等几种形式。从光纤接入网是否含有电源,可分成有源光网络(AON)和无源光网络(PON)两大类。

  从光接入网系统接入方式看,目前FITL有两接入方式:综合的FITL系统和通用的FITL系统。综合的FITL系的主要特点是通过一个开放的高速数字接口与数字交换机相连,这种方式代表了FITL的主要发展方向。通用的FITL系统在FITL和交换机之间需要应用一个局内终端设备,在北美称之为局端(COT)。其功能是进行数模转换并将来自FITL系统的信号分解为单个的话带信号,以音频接口方式经音频主配线架与交换机相连。这种方式适合于任何交换机环境,包括模拟交换机和尚不具备标准开放接口的数字交换机。然而,由于需要增加局内终端设备、音频主配线架和用户交换终端,因而这种方式的成本和维护费用要比综合的FITL系统高。

  传统的时分复用方式(TDM PON)、频分复用FDM PON、波分复用WDM PON和ATM PON方式。其中,APON采用ATM技术进行信号传输、复用,即所谓的APON方式,使其具有多业务、多比特率支持能力,并动态分配带宽,这时带宽可统计复用,因而信道资源利用率高。由于PON是共用的,OLT是共用的,加上采用ATM后带宽是共享的,因此APON的突出优点是成本较低。

  光接入网由于采用光纤作为传输介质,具有传输距离远,带宽大,维护费用低等特点,是有线宽带接入技术的理想方案,代表了宽带接入网的发展方向。但由于其初期投资大,很难在短期内得到广泛应用。

  3.1.3 混合光纤同轴接入

  混合光纤同轴接入(HFC:Hybrid Fiber Coaxial)是一种新型的宽带接入技术,采用光纤到服务区,而在进入用户的“最后1公里”采用同轴电缆。它融数字与模拟传输为一体,集光电功能于一身,同时提供较高质量和较多频道的传统模拟广播电视节目、较好性能价格比的电话服务、高速数据传输服务和多种信息增值服务,以及交互式数字视频应用。

  HFC的主要结构由模拟前端、数字前端、光纤传输网络、同轴电缆传输网络、光节点、网路接口单元和用户终端设备等技术组成。模拟前端的主要功能是将模拟电视信号调制在HFC所规定的50~450MHz或550MHz的频段。数字前端提供对数字图像的压缩调制、数字电话信号的调制以及用户信息的路由选择等功能。光纤传输网络的主要作用是将所有接入到HFC的信息复用成一群信息流,然后将其变换为光信号后传送。光节点主要进行光电和电光转换。网络接口单元的主要作用是:一是将电话、数据和电视信号分开,二是将这些业务信号分送到不同的用户设备。

  HFC的主要优点是基于现有的有线电视网络,提供窄带、宽带及数字视频业务,因此,成本较低,将来可方便地升级到光纤到户(FTTH)。但缺点是必须对现有有线电视网络进行改造,以提供双向业务的传送。

  3.2 宽带无线接入技术

  宽带无线接入技术系统是未来几年内通信市场发展的一个热点。目前宽带无线接入技术主要有以下几种:LMDS(Local Multipoint Distribute System,本地多点分配系统)[4]、MMDS(Multipoint Multichannel Distribute System,多点多信道分配系统)[5]、无线局域网[6]等。

  3.2.1 本地多点分配系统(LMDS)

  LMDS系统通常由基础骨干网、基站、用户终端设备和网管系统组成。骨干网可由ATM或IP的核心交换平台及因特网、PSTN网互连模块等组成。基站实现骨干网与无线信号的转换,可支持多个扇区,以扩充系统容量。一般来说,用户终端都有室外单元(含定向天线和微波收发设施)和室内单元(含调制解调模块及网络接口NUI)。LMDS系统可采用的调制方式主要为相移键控(PSK)和正交幅度调制(QAM)。无线双工方式一般为频分双工(FDD),多址方式为频分多址(FDMA)或时分多址(TDMA)。

  LMDS的主要优点是可同时支持话音、数据和图像业务的传送,且初期投资少,容易扩容和升级。缺点是传输距离段,同时易受天气和地形限制的影响。

  3.2.2 多点多信道分配系统(MMDS)

  MMDS(Multichannel Multipoint Distribution System)是服务商向用户提供宽带数据和话音业务的一种固定无线接入方案。MMDS工作频段集中在2-5GHz,可用带宽2×31.5MHz(上、下行)。3.5G MMDS频段具有良好的传播特性,传输距离可达10km。MMDS频谱不受雨衰的影响,但可被建筑物衰减。在通常情况下,该频段需要视线传播,但对于一些较下方的阻挡物有一定的抵抗力。

  MMDS可提供点对点面向连接的数据业务、点对多点业务、点对点无连接型网络业务。与LMDS相比,MMDS不受雨衰影响,适用于用户分散、容量较小的场合。MMDS基站端与网络侧接口包括T1/E1、100Base-T和OC-3,用户侧接口包括T1/E1、10Base-T。因此,MMDS提供的带宽比较有限,MMDS的建设成本相对于LMDS要低些。

  3.3.3 无线局域网

  一般来说,凡是采用无线传输媒体的计算机局域网都可称为无线局域网。这里的无线媒体可以是无线电波、红外线或激光。无线局域网的基础还是传统的有线局域网,是有线局域网的扩展和替换。它只是在有线局域网的基础上通过无线HUB、无线访问节点(AP)、无线网桥、无线网卡等设备使无线通信得以实现。

  无线局域网的组网方式包括有中心和无中心两种模式。当采用有中心的模式时,由接入点AP对无线信道进行集中式管理,当采用无中心的方式时,各移动终端分布式地随机访问信道。

  在物理层,无线局域网可采用外+FHSS(或DSSS)、DSSS+补码键控以及OFDM多中方式。在MAC子层,无线局域网可采用PCF和DCF两种方式。

  无线局域网为移动终端提供一种访问广域网的方式,也可由多个移动终端自由组网,共享资源。它主要支持数据业务的传送,也可提供语音和图像业务的传送。

  无线局域网的主要优点投资少,移动终端可以动态,临时组网,支持移动终端的漫游。缺点是覆盖范围有限,带宽相对较小,且存在潜在的安全问题。

  4 宽带通信网的发展趋势

  目前,通信网可大体分为两种,即电路通信网和数据通信网络,前者包括公共交换电话网(PSTN)和公用陆地移动通信网(PLMN);后者包括分组通信网、数字数据网、帧中继、ATM网络以及IP网络。电路通信网和数据通信网处于分离状态,网络之间的互连通过接入服务器(AS)或网关(GW)完成。这使得整个通信网络具有如下显著缺点:业务与网络捆绑,业务提供不灵活;设备间需要通过标准化的规程互通; 不同网络的控制协议不同。

  随着数据通信网络业务的不断丰富,技术的不断更新,整个网络将演变成IP作为整个网络的核心,以ATM、IP、SDH、以太网以及各种无线接入技术作为整个网络的边缘和接入的方式。以DWDM方式的IP over SDH或IP over Optical为传输手段,负责整个高速信息网络的传输。整个网络将以IP协议作为统一通信协议,两个通信网的业务将完全进行融合。网络的特征将只在网络的边缘地带才能够显示出来,在此时骨干网络只起信息传输的作用,业务特性只能在网络的边缘实现。

  为了使两个通信网络的业务在IP层面实现融合,需要解决一系列技术问题,例如,如何对语音和图像业务提供QoS保证、如何实现对整个网络资源的管理和分配、以及如何随时随地提供宽带接入等。为了解决这些问题,我们认为IP与MPLS的结合、光纤接入技术以及宽带无线接入技术将成为未来宽带通信网络的主流技术。原因在于:

  ·IP与MPLS结合,代表宽带分组交换网络的发展方向。IP以其实现简单,支持异种网络的互连等优点,在Internet上得到广泛应用。通过采用IP技术,能实现各种网络技术的互连互通,并实现真正意义上的“三网合一”。由于MPLS具有快速转发,支持流量工程,并提供QoS保证等优点,因此,MPLS可作为下一代网络的管理和控制面技术。通过IP与MPLS的结合,能有效支持语音、数据和图像业务的传送,并使网络具有良好的可扩展性,易于管理和维护。

  ·光纤接入技术是“最后一公里”问题的最终解决方案。光纤以其大带宽、易于维护、抗干扰、抗腐蚀等优点,已逐渐在接入网中得到应用。随着光纤、光器件价格的进一步下降,光接入网将最终成为宽带到家的首先方案。

  ·宽带无线接入技术是未来通信网发展的主要方向之一。无线接入技术以其成本低廉、不受地理环境的约束、支持用户的移动性等优点,将成为光纤接入技术的重要补充,使人们实现真正意义上的个人通信的目的。

  5 结论

  本文分别从宽带骨干网和宽带接入网两个层面,介绍了宽带网络技术的发展过程和现状,并讨论了宽带通信网的发展趋势。

  参 考 文 献

  [1] http://www.atmforum.com

  [2] R. Callon., P. Doolan, N. Feldman, A. Fredette, G. Swallow and A. Viswanathan, "A Framework for Multiprotocol Label Switching", Internet draft , May 1997.

  [3] Bharat Doshi,Subra Dravida, "A Simple Data Link(SDL) Protocol For Next Generation Packet Network," IEEE Journal on Selected Area in Comm.,Vol.18,No.10,Oct.,2000.

  [4] B. Cornaglia, et. aL, "LMDS systems: A possible solution for wireless ATM access networks", Proceedings IEEE International onference on ATM (IATM'98). Colmar, France. 1998.

  [5] Himket Sari, "Broadband radio access to homes and businesses: MMDS and LMDS", omputer Networks Journal, Vol. 31, pp. 379-393, 1999.

  [6] IEEE standard for wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications, 1999 Edition.

  [7] Keping Long , Rodney S. Tucker , Chonggang Wang. A New Framework and Burst Assembly for IP DiffServ over Optical Burst Switching Networks. GlobeCom2003. San Francisco, USA, Dec. 1-5,2003.

  [8] Keping Long, R. S. Tucker and Seen-Yoon OH, "Fairness scheduling algorithms for supporting QoS in optical burst switching networks", Proceedings of the SPIE's International Symposium: Asia-Pacific Optical and Wireless Communications (APOC), Shanghai, CHINA, 2002.

  隆克平 1968年5月出生于四川通江县,现为电子科技大学、重庆大学兼职博士生导师,重庆邮电学院通信与信息学院院长、教授,光互联网及无线信息网络研究中心主任,IEEE会员、澳大利亚墨尔本大学电子工程系Research Fellow.已主持承担和完成国家级、省部级及国际国内合作项目等科研项目20余项,主要研究方向:光互联网结构及交换技术、宽带网络理论与技术,已发表学术论文120余篇,其中,已被SCI、EI、ISTP三大检索收录论文60余篇,申请国际专利4项(已授权两项),出版译著2部。


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