對(duì)典型分布式計(jì)算技術(shù)的分析和比較

1  概述

不同的人對(duì)于分布式計(jì)算的理解是不同的，我們可以用不同的方式定義分布式計(jì)算的具體含義。其中一種較為普遍的定義就是，分布式計(jì)算就是利用網(wǎng)絡(luò)把成千上萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，組成一臺(tái)虛擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)，并利用它們的空閑時(shí)間和存儲(chǔ)空間來(lái)完成單臺(tái)計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的超大規(guī)模計(jì)算事務(wù)的求解。分布式計(jì)算的最早形態(tài)出現(xiàn)在80年代末的Intel公司。隨著Internet的迅速發(fā)展和普及，分布式計(jì)算的研究在90年代后達(dá)到了高潮。Internet技術(shù)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)硬件的連通,Web則實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)頁(yè)的連通,而分布式計(jì)算技術(shù)的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)Internet上所有資源的全面連通。它要把整個(gè)Internet整合成一臺(tái)巨大的超級(jí)計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源、通信資源、軟件資源、信息資源、知識(shí)資源的全面共享,為現(xiàn)代信息技術(shù)開(kāi)創(chuàng)一個(gè)新的紀(jì)元。

分布式計(jì)算研究主要集中在分布式操作系統(tǒng)和分布式計(jì)算環(huán)境研究?jī)蓚€(gè)方面。但隨著Internet技術(shù)的飛速發(fā)展, 分布式計(jì)算的研究熱點(diǎn)也從以分布式操作系統(tǒng)為中心的傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)換到以網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺(tái)為中心的實(shí)用分布式技術(shù), 并取得了較大的成功。此外，在過(guò)去的20 多年間也涌現(xiàn)出了大量的分布式計(jì)算技術(shù)，如中間件技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)、移動(dòng)Agent技術(shù)、P2P技術(shù)以及最近推出的Web Service技術(shù)，它們?cè)谔囟ǖ姆秶鷥?nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用。但是，現(xiàn)有的分布式計(jì)算技術(shù)都存在著一些沒(méi)有解決的問(wèn)題，從而也影響了分布式計(jì)算技術(shù)的使用和普及。本文力爭(zhēng)通過(guò)介紹分布式計(jì)算技術(shù)的工作原理，以及對(duì)幾種典型的分布式計(jì)算技術(shù)的分析和比較，來(lái)發(fā)現(xiàn)它們共同面臨的一些問(wèn)題。除此之外，還簡(jiǎn)要介紹了一下存儲(chǔ)整合對(duì)解決分布式計(jì)算中出現(xiàn)的一些問(wèn)題所起到的作用。最后對(duì)分布式計(jì)算技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

下面就讓我們來(lái)看一下分布式計(jì)算技術(shù)的工作原理。

2  分布式計(jì)算技術(shù)的工作原理

要想實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算，首先就要滿(mǎn)足三方面的條件：

第一、計(jì)算機(jī)之間需要能彼此通信；

第二、需要有實(shí)施的“交通”規(guī)則（例如，決定誰(shuí)第一個(gè)通過(guò)，第二個(gè)做什么，如果某事件失敗會(huì)發(fā)生什么情況等）；

第三、計(jì)算機(jī)之間需要能夠彼此尋找。

只有滿(mǎn)足了這三點(diǎn)，分布式計(jì)算才有可能實(shí)現(xiàn)。

目前，一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包括了安裝了超輕量軟件代理客戶(hù)端系統(tǒng)，以及一臺(tái)或多臺(tái)專(zhuān)用分布計(jì)算管理服務(wù)器。此外，還會(huì)不斷有新的客戶(hù)端申請(qǐng)加入分布式計(jì)算的行列。當(dāng)代理程序探測(cè)到客戶(hù)端的CPU處于空閑時(shí)，就會(huì)通知管理服務(wù)器此客戶(hù)端可以加入運(yùn)算行列，然后就會(huì)請(qǐng)求發(fā)送應(yīng)用程序包?？蛻?hù)端接收到服務(wù)器發(fā)送的應(yīng)用程序包之后，就會(huì)在機(jī)器的空閑時(shí)間里運(yùn)行該程序，并且將結(jié)果返回給管理服務(wù)器。應(yīng)用程序會(huì)以屏保程序，或者直接在后臺(tái)運(yùn)行的方式執(zhí)行，不會(huì)影響用戶(hù)的正常操作。當(dāng)客戶(hù)端需要運(yùn)行本地應(yīng)用程序的時(shí)候，CPU的控制權(quán)會(huì)立即返回給本地用戶(hù)，而分布式計(jì)算的應(yīng)用程序也會(huì)中止運(yùn)行。

3  幾種分布式計(jì)算技術(shù) 3.1  中間件技術(shù)

中間件是基礎(chǔ)軟件，是分布式系統(tǒng)中介于應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層的一個(gè)功能層次,它能夠屏蔽操作系統(tǒng)（或網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）的差異，實(shí)現(xiàn)分布式異構(gòu)系統(tǒng)之間的互操作。分布式應(yīng)用軟件借助這種軟件在不同的技術(shù)之間共享資源。中間件位于客戶(hù)機(jī)服務(wù)器的操作系統(tǒng)之上，管理計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)通信。它擴(kuò)展了C/S結(jié)構(gòu),形成了一個(gè)包括客戶(hù)端、中間件和服務(wù)器的多層結(jié)構(gòu)?；谥虚g件分布式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于中間件的分布式計(jì)算技術(shù)以中間件為橋梁,通過(guò)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到計(jì)算之處的計(jì)算方式,把網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的所有組件集成為一個(gè)連貫的可操作的異構(gòu)系統(tǒng),從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)“透明”的目的。

早期的中間件比較簡(jiǎn)單，僅具有消息通訊和事務(wù)管理功能。但隨著需求的多樣化，也產(chǎn)生了許多不同類(lèi)別的中間件產(chǎn)品，如：消息中間件(MOM ：Message-Oriented Middleware)、數(shù)據(jù)庫(kù)中間件(Database Middleware)、遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用中間件（RPC ：Remote Process Call）、對(duì)象請(qǐng)求代理中間件(ORB ：Object Request Broker)和事務(wù)處理中間件(TP Monitor：Transaction Process Monitor)。

圖1 中間件技術(shù)

3.2  網(wǎng)格技術(shù)

網(wǎng)格計(jì)算是通過(guò)Internet把分散在各處的硬件、軟件、信息資源連結(jié)成為一個(gè)巨大的整體,從而使得人們能夠利用地理上分散于各處的資源,完成各種大規(guī)模的、復(fù)雜的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理的任務(wù)。網(wǎng)格計(jì)算建立的是一種新型的Internet基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu),目標(biāo)是將與Internet互聯(lián)的計(jì)算機(jī)設(shè)施社會(huì)化。網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展非常迅速,數(shù)據(jù)網(wǎng)格、服務(wù)網(wǎng)格、計(jì)算網(wǎng)格等各種網(wǎng)格系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)得到廣泛的研究和實(shí)施。網(wǎng)格計(jì)算無(wú)疑是分布式計(jì)算技術(shù)通向計(jì)算時(shí)代的一個(gè)非常重要的里程碑。

網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)是有效進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算的重要基礎(chǔ),到目前為止比較重要的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)有兩個(gè): 一個(gè)是以Globus項(xiàng)目為代表的五層沙漏結(jié)構(gòu),它是一個(gè)以協(xié)議為中心的框架；另一個(gè)是與Web服務(wù)相融合的開(kāi)放網(wǎng)格服務(wù)結(jié)構(gòu)OGSA(Open Grid Services Architecture),它與Web 服務(wù)一樣都是以服務(wù)為中心。但是,所有的網(wǎng)格系統(tǒng)都有這樣一個(gè)基本的、公共的體系結(jié)構(gòu):資源層、中間件層和應(yīng)用層。

（1）網(wǎng)格資源層：它是構(gòu)成網(wǎng)格系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。包括Internet各種計(jì)算資源,這些計(jì)算資源通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接起來(lái)。

（2）網(wǎng)格中間件層:它是一系列工具和協(xié)議軟件。其功能是屏蔽資源層中計(jì)算資源的分布、異構(gòu)特性,向網(wǎng)格應(yīng)用層提供透明、一致的使用接口。

（3）網(wǎng)格應(yīng)用層:它是用戶(hù)需求的具體體現(xiàn)。在網(wǎng)格操作系統(tǒng)的支持下,提供系統(tǒng)能接受的語(yǔ)言、Web 服務(wù)接口、二次開(kāi)發(fā)環(huán)境和工具,并可配置支持工程應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)的軟件等。

3.3  移動(dòng)Agent技術(shù)

目前還沒(méi)有一個(gè)關(guān)于移動(dòng)Agent的確切定義，我們一般認(rèn)為移動(dòng)Agent是一類(lèi)能在自己控制之下從一臺(tái)計(jì)算機(jī)移動(dòng)到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的自治程序，它們能為分布式應(yīng)用提供方便的、高效的執(zhí)行框架。

移動(dòng)Agent是一類(lèi)特殊的軟件Agent，可以看成是軟件Agent技術(shù)與分布式計(jì)算技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它除了具有軟件Agent的基本特性——自治性、響應(yīng)性、主動(dòng)性和推理性外，還具有移動(dòng)性，即它可以在網(wǎng)絡(luò)上從一臺(tái)主機(jī)自主地移動(dòng)到另一臺(tái)主機(jī)，代表用戶(hù)完成指定的任務(wù)。由于移動(dòng)Agent可以在異構(gòu)的軟、硬件網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中自由移動(dòng)，因此這種新的計(jì)算模式能有效地降低分布式計(jì)算中的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、提高通信效率、動(dòng)態(tài)適應(yīng)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并具有很好的安全性和容錯(cuò)能力。但目前，所有的移動(dòng)Agent系統(tǒng)還都很不成熟，存在著各種各樣的缺陷。所以，我們可以把目前的眾多Agent系統(tǒng)看成是實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，它們離真正實(shí)用的產(chǎn)品還有很大的距離。

3.4  P2P技術(shù)

P2P 系統(tǒng)由若干互聯(lián)協(xié)作的計(jì)算機(jī)構(gòu)成，是Internet上實(shí)施分布式計(jì)算的新模式。它把C/S與B/S系統(tǒng)中的角色一體化,引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式從集中式向分布式偏移,也就是說(shuō)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的核心從中央服務(wù)器向網(wǎng)絡(luò)邊緣的終端設(shè)備擴(kuò)散,通過(guò)服務(wù)器與服務(wù)器、服務(wù)器與PC機(jī)、PC機(jī)與PC機(jī)、PC機(jī)與WAP手機(jī)等兩者之間的直接交換而達(dá)成計(jì)算機(jī)資源與信息共享。

此外一個(gè)P2P系統(tǒng)至少應(yīng)具有如下特征之一：第一、系統(tǒng)依存于邊緣化（非中央式服務(wù)器）設(shè)備的主動(dòng)協(xié)作，每個(gè)成員直接從其他成員而不是從服務(wù)器的參與中受益；第二、系統(tǒng)中成員同時(shí)扮演服務(wù)器與客戶(hù)端的角色；第三、系統(tǒng)應(yīng)用的用戶(hù)能夠意識(shí)到彼此的存在，構(gòu)成一個(gè)虛擬或?qū)嶋H的群體。P2P技術(shù)已發(fā)展為一種重要的分布式計(jì)算技術(shù)，典型代表就是Napster。

3.5  Web Service技術(shù)

Web Service技術(shù)是對(duì)Web進(jìn)行擴(kuò)展,為相互間連接的軟件提供服務(wù)。Web Service技術(shù)是一種分布式應(yīng)用程序,它可以通過(guò)編程并使用標(biāo)準(zhǔn)的Internet協(xié)議,像HTTP和XML ,將功能展示在互聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部。Web Service結(jié)合了以組

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件為基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)模式以及Web的出色性能，一方面，Web Service和組件一樣，具有黑匣子的功能，可以在不關(guān)心功能如何實(shí)現(xiàn)的情況下重用；同時(shí)，與傳統(tǒng)的組件技術(shù)不同，Web Service可以把不同平臺(tái)開(kāi)發(fā)的不同類(lèi)型的功能塊集成在一起，提供相互之間的互操作。

我們也可以認(rèn)為Web Service技術(shù)是以Internet為載體,通過(guò)將緊密連接的、高效的n層計(jì)算技術(shù)與面向消息、松散聯(lián)接的Web概念相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Web服務(wù)是一種構(gòu)建在簡(jiǎn)單對(duì)象訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議(SOAP)之上的分布式應(yīng)用程序,其實(shí)質(zhì)是由XML通過(guò)HTTP 協(xié)議來(lái)調(diào)度的遠(yuǎn)過(guò)程調(diào)用。實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Web Service技術(shù)

我們說(shuō)Web Service技術(shù)是新一代的分布式計(jì)算和處理技術(shù),主要是因?yàn)樗贗nternet 上表現(xiàn)出來(lái)的高度擴(kuò)展性。原有的中間件平臺(tái)技術(shù)都是基于C/S體系結(jié)構(gòu),這要求兩端必須是同質(zhì)的而且是緊密聯(lián)接的基礎(chǔ)體系,如果任何一端接口發(fā)生變化,另一端的程序必然會(huì)中斷。這種模型擴(kuò)展性是較差的,特別是無(wú)法擴(kuò)展到Internet ,這是受限于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、對(duì)象模型和編程語(yǔ)言的差異性；而Web Service技術(shù)是跨平臺(tái)的,聯(lián)接非常松散,采用的是性能穩(wěn)定的、基于消息的異步技術(shù),在改變?nèi)魏我欢私涌诘那闆r下,應(yīng)用程序仍可以不受影響地工作。它為集成分布式應(yīng)用中的中間件及其它組件提供了一個(gè)公共的框架,無(wú)須再考慮每一個(gè)組件的具體實(shí)現(xiàn)方式。

3.6  幾種技術(shù)的比較

Web Service技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)與基于中間件分布式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)相比,發(fā)現(xiàn)它們是非常相似的,可以把體系結(jié)構(gòu)中的Web程序看作中間件。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看,Web服務(wù)只是從側(cè)面對(duì)中間件平臺(tái)技術(shù)進(jìn)行革新,雖然所有服務(wù)之間的通信都以XML格式的消息為基礎(chǔ)，但調(diào)用服務(wù)的基本途徑主要還是RPC，而且具體實(shí)現(xiàn)并沒(méi)有提供一種全新的編程模式。

網(wǎng)格技術(shù)與基于中間件的分布式計(jì)算技術(shù)相比較,它依然以“中間件”為技術(shù)核心,在實(shí)現(xiàn)形式上并沒(méi)有太大的改變。然而經(jīng)過(guò)一系列的技術(shù)革新,網(wǎng)格系統(tǒng)中的技術(shù)內(nèi)涵已經(jīng)發(fā)生了深刻的變化。其一,基于中間件的分布式計(jì)算技術(shù)的資源主要是指數(shù)據(jù)和軟件,而網(wǎng)格計(jì)算的資源已經(jīng)延伸到所有用于共享的實(shí)體,包括硬件、軟件,甚至分布式文件系統(tǒng)、緩沖池等；其二,在Internet上,網(wǎng)格中間件層提供了與Web服務(wù)一樣優(yōu)秀的擴(kuò)展功能,打破了傳統(tǒng)分布式技術(shù)C/S模式的局限。

網(wǎng)格計(jì)算、Web Service等技術(shù)在異構(gòu)平臺(tái)上構(gòu)筑了一層通用的、與平臺(tái)無(wú)關(guān)的信息和服務(wù)交換設(shè)施,從而屏蔽了Internet中千差萬(wàn)別的差異,使信息和服務(wù)暢通無(wú)阻地在計(jì)算機(jī)之間流動(dòng)。網(wǎng)格計(jì)算與Web Service技術(shù)的共同載體是Internet。但兩者的不同之處在于,網(wǎng)格系統(tǒng)連接物理上分散的硬件資源,形成虛擬計(jì)算組織,從而使計(jì)算資源得到充分共享。而Web服務(wù)則是以商務(wù)應(yīng)用為背景,是基于網(wǎng)格系統(tǒng)之上的。網(wǎng)格系統(tǒng)為Web服務(wù)提供一個(gè)與硬件無(wú)關(guān)的虛擬計(jì)算機(jī)；而Web服務(wù)是架構(gòu)在虛擬計(jì)算機(jī)平臺(tái)上,與環(huán)境、語(yǔ)言無(wú)關(guān)的應(yīng)用集成平臺(tái)。

盡管各種分布式計(jì)算技術(shù)在理念、規(guī)范和實(shí)現(xiàn)等方面有較大的差異,但它們之間并不矛盾,而是一種承上啟下的關(guān)系,有時(shí)甚至是融合的。因此,各種分布式計(jì)算技術(shù)可以共同存在, 它們的相互結(jié)合也是非常有意義和現(xiàn)實(shí)的。

4  存儲(chǔ)整合

因?yàn)榉植际接?jì)算模式的核心常常是每個(gè)部門(mén)選擇各自不同的電腦系統(tǒng)，這樣就會(huì)造成由于數(shù)據(jù)格式的不統(tǒng)一所導(dǎo)致的管理困難，其次管理分布式計(jì)算中所用的大量存儲(chǔ)設(shè)備所需的費(fèi)用也是一筆龐大的開(kāi)支。這些都有悖于分布式計(jì)算技術(shù)的初衷。所以，存儲(chǔ)整合對(duì)分布式計(jì)算技術(shù)的發(fā)展起著不可低估的作用。

存儲(chǔ)整合是指多個(gè)異構(gòu)型主機(jī)共享集中式存儲(chǔ)。針對(duì)不同的環(huán)境和要求，有許多不同的整合方法，但主要有以下三種形式：

（1）從存儲(chǔ)在多個(gè)服務(wù)器上轉(zhuǎn)變?yōu)榇鎯?chǔ)在單個(gè)服務(wù)器上。此模式可以降低管理工作的復(fù)雜性和對(duì)數(shù)據(jù)中心占地面積的要求；

（2）直接將多個(gè)異構(gòu)型服務(wù)器附加到一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備上。此模式極大降低了存儲(chǔ)成本，同時(shí)也可以簡(jiǎn)化管理；

（3）整合到存儲(chǔ)局域網(wǎng)上（SAN）。此模式既有利于提高工作效率，降低管理工作的復(fù)雜性，同時(shí)還可以提高可擴(kuò)展性，可用性和數(shù)據(jù)可訪(fǎng)問(wèn)性。

所以，在分布式計(jì)算技術(shù)越來(lái)越得到廣泛應(yīng)用的今天，存儲(chǔ)整合技術(shù)也顯示出它重要的地位。

5  共同存在的問(wèn)題

通過(guò)上面對(duì)幾種技術(shù)的分析和比較，我們不難發(fā)現(xiàn)它們均存在著一些共同的問(wèn)題。

（1）標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題

目前，幾乎所有的分布式計(jì)算技術(shù)都沒(méi)有完整的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，雖然已開(kāi)始這方面的工作，標(biāo)準(zhǔn)的缺乏使得分布式計(jì)算技術(shù)研究分散，很難形成穩(wěn)定的研究方向，從而在很大程度上制約了分布式計(jì)算技術(shù)的發(fā)展。

（2）軟件方法問(wèn)題

軟件方法學(xué)是軟件能夠進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的前提。但缺乏可行的軟件方法學(xué)使得分布式計(jì)算軟件的質(zhì)量、開(kāi)發(fā)進(jìn)度等很難得到保證，沒(méi)有工業(yè)化生產(chǎn)方式，分布式計(jì)算系統(tǒng)的普及將十分困難。

（3）異構(gòu)問(wèn)題

現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)異構(gòu)的環(huán)境，分布式計(jì)算技術(shù)首先需要解決異構(gòu)環(huán)境的互操作問(wèn)題。而要解決異構(gòu)環(huán)境的互操作問(wèn)題，首要的任務(wù)是如何互相識(shí)別。目前，既不可能要求所有的資源用同一種方式描述，又沒(méi)有方法可智能地識(shí)別這些資源，這就導(dǎo)致任何一種分布式計(jì)算技術(shù)只能在一定的范圍內(nèi)使用。

（4）安全性問(wèn)題

分布式計(jì)算技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)就是不斷增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，整個(gè)平臺(tái)的安全性方面的問(wèn)題就會(huì)極為嚴(yán)重。

6  展望

隨著Internet上的硬件、軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)等資源急速膨脹,其關(guān)聯(lián)關(guān)系不斷發(fā)生變化,但是到目前為止,所有這些資源的共享和社會(huì)化程度還很低,基本上是各自為政,相互間缺乏有效的交互、協(xié)作與協(xié)同能力。因此要?jiǎng)?chuàng)建大型的、松散的、健壯的分布式系統(tǒng)還必須以先進(jìn)技術(shù)和大量勞動(dòng)為基礎(chǔ),除了各種資源本身的技術(shù)和管理之外,關(guān)鍵的因素是標(biāo)準(zhǔn)的建立,從底層信號(hào)的傳輸?shù)綇?fù)雜業(yè)務(wù)的流程等各種不同的層次都要形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。此外到目前為止，所有的分布式計(jì)算技術(shù)都或多或少存在沒(méi)有解決的問(wèn)題，還沒(méi)有哪一種技術(shù)被所有的研究者認(rèn)同為分布式計(jì)算技術(shù)研究的方向，也沒(méi)有哪一種技術(shù)能實(shí)現(xiàn)完全意義上的分布式計(jì)算，滿(mǎn)足所有分布式計(jì)算的需求。

所以對(duì)多種現(xiàn)有分布式計(jì)算技術(shù)的綜合研究，吸取所有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，合理地解決分布式計(jì)算的需求，越來(lái)越被人們所重視。從某種意義上說(shuō)它也表明了今后分布式計(jì)算技術(shù)研究的方向。

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