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作者：乔桂红编

出版社：人民邮电出版社

出版时间：2014-09-01

书籍编号：30471080

ISBN：9787115361295

正文语种：中文

字数：318271

版次：3

所属分类：教材教辅-中职/高职

版权信息

书名：数据通信与计算机网（第3版）

作者：乔桂红

ISBN：9787115361295

版权所有 · 侵权必究

前言

在当今的信息化时代，随着数据业务、特别是 IP 业务的快速发展，使得数据通信技术与计算机技术的结合更加紧密，这种不断融合的发展趋势，引领着世界进入信息与网络时代。为适应这一形势的发展，本书在原教材的基础上进行了修订。

本书以“十二五”规划教材精神为指导，精心组织编写队伍，在修订过程中注重教、学、做结合的一体化教学，设计了实训教学项目，使教学与实践有机结合，着重培养学生的实践能力和创新能力。将教材与岗位技术标准对接，注重实训操作，以突出技能、重在应用为主，同时适当增加新技术的内容。

本书在每章的开始明确本章的学习重点和难点，引导读者深入学习，在相关章节编写了实训项目，使得理论与实践紧密结合。本书力求基本概念简明扼要，基本原理描述准确清晰，轻理论推导，重实训技能操作，并且特别注意以形象直观的图表形式来配合文字的叙述，以帮助读者全面理解本书内容。全书内容共分7章。

第1章介绍数据通信系统的构成、数据传输方式、数据传输速率和复用技术等。

第2章介绍差错控制的基本方式、编码和滑窗协议，重点介绍循环码的编解码和ARQ原理。

第3章介绍数据通信的交换方式，包括电路交换、报文交换、分组交换、IP交换、MPLS技术与NGN技术等，重点介绍分组交换方式。

第4章介绍数据通信协议，包括 OSI 参考模型，TCP/IP 模型，物理层、数据链路层和网络层的通信协议。

第5章介绍Internet网络，主要有IPv4和IPv6地址，网络层、传输层和应用层协议，以及RIP、OSPF等路由选择协议和相应的实训项目。

第6章介绍局域网的基本概念、拓扑结构和参考模型，各种以太网的结构及组建，局域网设备，局域网规划设计，局域网配置命令，局域网仿真设计。

第7章介绍数据通信的接入技术，包括有线接入和无线接入技术，重点介绍xDSL接入技术、光纤接入技术和无线接入技术。

本书由石家庄邮电职业技术学院乔桂红负责修订第1章和第2章，赵艳春负责修订第4章和第5章，范兴娟负责修订第3章和第6章，张震强负责修订第7章。全书由乔桂红统稿。本书的修订得到了陕西通信职业技术学院刘省贤老师的全力指导与帮助，同时本书还得到了石家庄邮电职业技术学院教务处领导的大力支持和帮助，在此表示最诚挚的谢意！

由于通信技术发展迅猛，编者水平有限，加上时间仓促，书中难免有错误和不妥之处，敬请广大读者批评指正。

编者

第1章 数据通信基础知识

【本章内容】

数据通信的基本概念、特点和数据通信系统的构成。

数据传输代码、传输速率、信道容量。

数据通信的主要性能指标和传输方式。

数字数据信号的数字编码与调制。

数据通信的复用技术、传输介质和数据通信网。

【本章重点、难点】

数据通信系统的构成。

数据传输速率、信道容量、传输方式和性能指标。

数据通信的数字编码和复用技术。

【本章学习的目的和要求】

掌握数据通信的基本概念、数据通信系统的构成。

掌握数据通信的数据传输速率、传输方式、信道容量和性能指标。

掌握数据通信的传输方式、复用技术和数字编码。

了解数据传输介质、数据通信网的构成和分类。

1.1 数据通信概述

随着社会的进步，传统的电话、电报通信方式已不能满足大信息量的需要，以数据作为信息载体的通信手段已成为人们的迫切要求。计算机出现以后，为了实现远距离的资源共享，计算机技术与通信技术相结合，产生了数据通信，所以说数据通信是为了实现计算机与计算机之间或终端与计算机之间信息交互而产生的一种通信技术，是计算机与通信相结合的产物。

1.1.1 数据通信的基本概念

数据是信息的表示形式，是信息的物理表现。所有信息都要用某种形式的数据表示和传播。例如，“汽车”可以使用文字、声音、图画等数据形式表示。信息是数据表示的含义，是数据的逻辑抽象。信息不会因数据的表示形式不同而改变。但在一般情况下并不严格地区分信息与数据，比如把数据帧也叫信息帧，传递数据也叫传递信息。

数据通信主要研究二进制编码信息的通信过程。无论信息采用什么数据形式表示，在数据通信系统中都必须转化成二进制编码。例如，轿车可以使用“轿车”、“Car”等文字或轿车图片表示。在计算机网络中传递这个信息时，文字和图片对于计算机来说都是不可识别的形状，此时必须对图形或文字进行二进制编码。例如，文字“Car”可以使用“01000011 01100001 01110010”的ASCII编码表示。

数据通信中传递的是二进制编码数据。数据通信不能理解成是传递数字的通信。例如，需要传递数字“123”，在数据通信中不能直接传送这个数字，可以使用“00110001 00110010 00110011”ASCII 编码表示，也可以使用二进制数“1111011”表示。当然，具体采用哪种形式取决于通信双方约定的协议。数据通信可以传递数字，也可以传递表示信息的任何数据，包括文字、图像、数字和声音。

数据通信的严格定义是依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息。它可实现计算机与计算机、计算机与终端或终端与终端之间的数据信息传递。

数据通信包括的内容有数据传输和数据传输前后的数据处理。数据传输指的是通过某种方式建立一个数据传输通道传输数据信号，它是数据通信的基础；数据处理是为了使数据更有效、可靠地传输，包括数据集中、数据交换、差错控制和传输规程等。

1.1.2 数据通信系统的构成

数据通信系统是指通过数据电路将分布在远端的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。

典型的数据通信系统主要由中央计算机系统、数据终端设备和数据电路3部分构成，如图1-1所示。

图1-1 数据通信系统的基本构成

1.数据终端设备

（1）功能

数据终端设备（DTE）是产生数据的数据源或接收数据的数据宿。它把人可识别的信息变成以数字代码表示的数据，并把这些数据送到远端的计算机系统，同时可以接收远端计算机系统的数据，并将它变为人可以理解的信息，即完成数据的接收和发送。

（2）组成

数据终端设备由数据输入设备（产生数据的数据源）、数据输出设备（接收数据的数据宿）和传输控制器组成。

数据输入/输出设备。数据输入/输出设备是操作人员与终端之间的界面，它把人可以识别的信息变换成计算机可以处理的信息或者相反的过程。数据的输入/输出可以通过键盘、鼠标、手写、声、光等手段。最常见的输入设备是键盘、鼠标和扫描仪，输出设备可以是显示器、打印机、绘图机、磁带或磁盘的写入部分、传真机和各种记录仪等。

传输控制器。传输控制器主要执行与通信网络之间的通信过程控制，由软件实现，包括差错控制、流量控制、接续和传输等通信协议的实现。

2.数据电路

（1）功能

数据电路位于数据终端设备和中央计算机系统之间，为数据通信提供一条传输通道。

（2）组成

数据电路由传输信道及两端的数据电路终接设备（DCE）组成。

传输信道。传输信道由通信线路和通信设备组成。通信线路一般采用电缆、光缆、微波和卫星等。通信设备可分为模拟通信设备和数字通信设备，从而使传输信道分为模拟传输信道和数字传输信道。

DCE。DCE 是 DTE 与传输信道之间的接口设备，其主要作用是信号变换，即将DTE发出的数据信号变换成适合信道传输的信号，或完成相反的变换。

当传输信道为模拟传输信道时，发送方将DTE送来的数字信号进行调制（频谱搬移），使其变成模拟信号送往信道，或进行相反的变换，这时DCE是调制解调器（Modem）。

当传输信道是数字信道时，DCE 实际是数字接口适配器，包含数据服务单元（DSU）与信道服务单元（CSU）。其完成码型转换、定时、同步等功能，常见的 DCE 设备有基带Modem、数据终端单元（DTU）等。

3.中央计算机系统

（1）功能

中央计算机系统处理从数据终端设备输入的数据信息，并将处理结果向相应数据终端设备输出。

（2）组成

中央计算机系统由主机、通信控制器（又称前置处理机）及外围设备组成。

主机。主机又称中央处理机，由中央处理单元（CPU）、主存储器、输入/输出设备等组成，其主要功能是进行数据处理。

通信控制器。通信控制器是数据电路和计算机系统的接口，用于管理与数据终端相连接的所有通信线路，接收从远程DTE发来的数据信号，并向远程DTE发送数据信号。

当考察正在通信的一个 DTE 和中央计算机系统时，中央计算机系统等同于一个 DTE，这时通信控制器的作用与传输控制器相同。

一个中央计算机系统可通过通信线路连接多个数据终端，实现主机资源共享。在实际应用中数据通信系统的例子如图1-2所示。

4.数据线路、数据电路及数据链路的区别

数据线路（传输信道）：包括有线线路和无线线路，根据通信设备的不同有模拟信道和数字信道之分。

图1-2 数据通信系统示例

数据电路：数据线路+DCE，是物理上的概念。

数据链路（Data Link）：数据电路+控制装置（传输控制器和通信控制器），是逻辑上的概念。

数据线路是指实际的物理线路，是传输的基础。数据电路是在数据线路的基础上加信号变换装置（DCE）构成的。数据链路是由控制装置（传输控制器和通信控制器）和数据电路所组成的，它是在数据电路建立后，为了进行有效的数据通信，通过传输控制器和通信控制器，按照事先约定的传输控制规程来对传输过程进行控制，以使双方能够协调和可靠地工作，包括收发方同步、工作方式选择、差错检测与纠正和流量控制等。一般来说，只有建立起数据链路以后，通信双方才能真正有效地进行数据通信。

1.2 数据传输代码

在各种计算机和终端设备构成的数据通信系统中，内部信息是用二进制数表示的，而数据终端设备或计算机发出的数据信息则是由各种字母、数字或符号的组合来表示的。因而，为了实现正确的数据通信，需将二进制数和字母、数字或符号的对应关系做统一的规定，这种规定称为传输代码或编码。目前常用的传输代码有：ASCII、国际电报 2 号码（ITA2码）、EBCDIC、信息交换用汉字代码等。

1.ASCII

ASCII（IA5）称为美国信息交换用标准代码，1963 年由美国国家标准学会（ANSI）最早提出，后被ISO和原CCITT采纳并发展成为国际通用的信息交换用标准代码。

ASCII也称为国际5号码（IA5），是一种7单位代码，即以7位二进制码来表示一个字母、数字或符号。

7 位二进制共有27=128 种组合，可以表示128 个不同的数字、字母和符号，如表1-1 所示。其分配是：大、小写英文字母各26个，数字10个，图形符号33个，控制符号32个，还有一个DEL（删除）符号。表1-1中二进制为b7b6b5b4b3b2b1，其中b7为高位，b1为低位。

表1-1中第0列和第1列是32个控制字符集，称为C集（控制集）。C集不能被显示或打印，只产生控制功能，如回车、换行、移位等。C 集的 32 个控制字符从功能上可分为以下5大类。

表1-1 ASCII（IA5）编码表

（1）FE0～FE5为页面格式控制字符，用于控制所要打印或显示字符的位置。

（2）TC1～TC10 为传输控制字符，用于各种数据终端设备或系统之间的基本数据传输控制。

（3）DC1～DC4 为外围设备控制字符，用于控制同数据处理系统或数据通信系统相联系的设备，而不能用于控制通信传输。

（4）ISl～IS4为分隔字符，用于标识信息的构成。

（5）其他特殊功能控制字符，用于特殊功能控制。

表中的第 2～7 列除 SP（Space，空格）和 DEL（Delete，删除）两个字符外，其余均为可显示或打印用的图形字符，简称 G 集（图形字符集），包括大、小写英文字母各 26个，数字10个，图形符号32个，共94个。例如，“A”的代码为“1000001”。

代码在顺序传输过程中一般以 b1为第一位，b7为最后一位。为了提高可靠性，常在 b7之后附加一位b8用于奇偶校验。

ASCII 是当前在数据通信中使用最普遍的一种代码，我国在 1980 年颁布的国家标准GBl988-80“信息处理交换用的七位编码字符集”也是根据ASCII制定的，它与ASCII的差别只在于2/4位置上，将国际通用货币符号“¤”改为“￥”，在国内通用。

2.国际电报2号码

国际电报 2 号码（ITA2）是一种 5 单位代码，又称波多码，是起止式电传电报通信中的标准代码。目前在采用普通电传机作为终端的低速数据通信系统中，仍使用这种代码。

3.EBCDIC

EBCDIC 是扩充的二——十进制码的简称，是一种 8 单位代码。由于第 8 位用于扩充功能，不能用于奇偶校验，故这种码一般不用于远距离传输，而用于计算机的内部码，尤其为IBM机采用。

4.信息交换用汉字代码

信息交换用汉字代码是汉字信息交换用的标准代码，它适用于一般的汉字处理、汉字通信等系统之间的信息交换。其对于任何一个图形字符都采用两个字节表示，每个字节均采用国家标准GBl988-80“信息处理交换用的七位编码字符集”的7单位代码。

1.3 数据传输速率

数据传输速率是衡量系统传输能力的主要指标，通常可用调制速率、数据传信速率描述。

1.调制速率

调制速率反映信号波形变换的频繁程度，其定义是每秒传输信号码元（波形）的个数，又称符号速率、码元速率或波特率，记为NBd，单位为波特（baud）。

若一个信号码元的持续时间为 T （秒），则波特率NBd为

其中，T为码元宽带或码元持续时间长度。

例如，若 T=833×10-6秒，则调制速率NBd=1/T=1/(833×10-6)≈1 200baud。

图 1-3（a）所示为二电平信号码元，一个信号码元有两种状态，0 或 1；图 1-3（b）所示为四电平信号，一个码元有 4 种不同的状态，01、11、00 或10，因此每个信号码元可以是4种状态之一；图 1-3（c）所示为调频波，以 f1 表示代码“1”，f0表示代码“0”。

NBd=1/T （baud）

图1-3 数据信号举例

由此可见，对于调制速率，不论一个信号码元有多少状态，也不论一个信号码元用多少二进制代码表示，只计算一秒内所传输的信号码元（波形）的个数。这里的信号码元的持续时间长度 T 是信号码元中的最短时间长度。如图 1-3（a）所示的连续两个“1”代码，其信号正电压持续时间长度为2T，而不能以2T作为信号码元时间长度。

2.数据传信速率

数据传信速率是指每秒传输二进制码元的个数（或单位时间内传送的比特数），又称比特率，记为 R，单位为比特/秒（bit/s），有时用千比特/秒（kbit/s）、兆比特/秒（Mbit/s）、吉比特/秒（Gbit/s）等。它是反映传输速率的另一个指标。

比特一词是英文（binary digital）的缩写，在信息论中作为信息量的度量单位，其为最小的信息单位。在数字通信中习惯上用它来表征二进制代码中的位。在数据通信中，如果使用代码“1”或“0”的概率是相同的，则每个“1”或“0”含有 1bit 的信息量。因此传递了一个代码就相当于传递了1比特的信息，故数据传信速率又称信息传输速率。

根据实际需要，数据传信速率已形成国际标准系列，一般按 2n·150（bit/s）算式确定，式中 n 为整数。比如有 300bit/s、600bit/s、1 200bit/s、2 400bit/s……19 200bit/s 等速率，也有不按这一等式的速率，如14.4kbit/s、28.8kbit/s、33.6kbit/s、56kbit/s、64kbit/s等。

3.调制速率与传信速率的关系

以上所讲的调制速率和数据传信速率的物理意义是不同的，前者描述了单位时间内系统所传输的码元数，而后者说明系统在单位时间内所传输的信息量，两者具有不同的定义，不应混淆，但是它们之间有确定的关系。当数据信号是二进制脉冲（即二状态或二电平）时，调制速率和数据传信速率相同，当数据信号采用多进制（多电平制、多状态制）时，则两者的速率是不相同的。

例如，图1-3（b）与图1-3（a）相比，四进制中一个信号码元（T）包含2个代码。这样对于图 1-3（b）来说，它的调制速率 NBd=1/T=1/(833×10-6)≈1 200baud（当 T=833×10-6s），但它的传信速率R=2NBd=2 400bit/s（当T=833×10-6s）。

一般而言，对于四电平信号，需要 2 位二进制码元表示，可表示 22 种不同的状态， R=2NBd（bit/s）。对于八电平信号，需要 3 位二进制码元表示，可表示 23 种不同的状态， R=3NBd（bit/s）。以此类推，若一个信号波形有M个电平，则需要用log2M个二进制码元表示。调制速率与数据传信速率的关系为

R=NBd log2M （bit/s）

可见，在相同码元周期（T）的情况下，每个码元可以变化的状态数越多，传送的数据也越多。据此通常可用增加信号码元的可变状态数（M）来提高数据传信速率。但是信号码元的宽度 T 受到信道带宽的限制，码元的可变状态数的增加会引起接收方错误判决的增多，因此在一定信道的条件下数据传信速率不可以无限增加。

1.4 信道容量

信道容量是指在单位时间内所能传送的最大信息量，即信道的最大传信速率，单位是比特/秒（bit/s）。其与数据传信速率的区别是：前者表示信道的最大传信速率，是信道传输数据能力的极限，而后者是实际的数据传输速率，就像公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样。

1.模拟信道的信道容量

模拟信道的信道容量可以根据香农（Shannon）定律计算。香农定律指出：在信号平均功率受限的高斯白噪声信道中，信道的极限信息传输速率（信道容量）为

其中，S 为信号功率，N 为噪声功率，S/N 是平均信号噪声功率比，通常把信噪比表示成10log（S/N）分贝（dB），B为信道带宽，C为信道容量。

【例1-1】 若信道带宽为3 000Hz，信号噪声功率比为30dB，求信道容量。

解 因为 10log2(S/N)=30，所以 S/N=1030/10=1 000，即当信号噪声功率比为 30dB时，信号功率比噪声功率大1 000倍，则该信道容量为

可见，信道容量是在一定S/N下信道能达到的最大传信速率，实际通信系统的传信速率要低于信道容量，但随着技术进步，可接近极限值。

2.数字信道的信道容量

数字信道的信道容量可以依据奈奎斯特（Nyquist）定理计算。奈奎斯特定理指出：带宽为BHz的信道，所能传送信号的最高码元速率（即调制速率）为2B波特。因此，数字信道的信道容量C可表示为

C=2Blog2M（bit/s）

其中，M为码元符号所能取的离散值个数，即指M进制。

【例1-2】 设数字信道的带宽为 3 000Hz，采用 16 进制传输，计算无噪声时该数字信道的通信容量。

解 C=2Blog2M=2×3 000×log216=24 000（bit/s）

当存在噪声时，传送将出现差错，从而造成信息的损失和信道容量的降低。

1.5 数据通信系统的主要性能指标

数据通信系统的性能指标主要有两个，可靠性指标和有效性指标。可靠性指标用于衡量系统的传输质量，有效性指标用于衡量系统的传输效率。

1.可靠性指标

由于数据信号在传输过程中不可避免地会受到外界的噪声干扰，信道的不理想也会带来信号畸变，当噪声干扰和信号畸变达到一定程度时就可能导致接收的差错。常用误码（比特）率（即指二进制码元在传输中出错的概率）来衡量数据通信系统可靠性的指标。从传统的理论讲，当所传送的数字序列无限长时，误码率等于被传错的二进制码元数与所传码元总数之比，即

误码率（Pe）＝接收出现差错的比特数（Ne）/总的发送比特数（N）

在计算机网络通信系统中要求误码率低于 10-6。传统的铜线信道误码率在 10-6 以下，光纤信道误码率在10-9以下。

2.有效性指标

衡量系统有效性的主要指标是频带利用率。它反映了数据传输系统对频带资源的利用水平和有效程度。频带利用率是指单位频带内的调制速率或传信速率，即每赫兹的波特数（baud/Hz）或每赫兹每秒的比特数（bit/(s·Hz)）。用公式表示为

η＝系统的调制速率（baud）/系统的频带宽度（Hz） （baud/Hz）

η＝系统的传信速率（bit/s）/系统的频带宽度（Hz） （bit/(s·Hz)）

一般来说，数据传输系统所占的频带越宽，传输信号的能力就越大。若两个传输系统的传信速率相同，但所占频带不同，则它们的传输效率也不同。

1.6 数据信号的传输方式

数据传输方式是指数据在信道上传送所采取的方式。如按数据代码传输的顺序可以分为并行传输和串行传输，如按数据传输的同步方式可分为同步传输和异步传输，如按数据传输的流向和时间关系可分为单工、半双工和全双工数据传输，如按数据传输的频带可分为基带传输和频带传输。

1.6.1 并行传输与串行传输

1.并行传输

并行传输指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输。常用的是将构成一个字符的几位二进制码同时分别在几个并行的信道上传输，另外加一条“选通”线用来通知接收设备，以指示各条信道上已出现某一字符信息，可对各条信道上的信号进行取样了。图1-4给出了一个采用8 单位二进制码构成一个字符进行并行传输的示意图。

图1-4 并行传输示意图

并行传输的主要优点是：①系统采用多个信道并行传输，一次传送一个字符，因此收、发双方不存在字符同步的问题，不需要额外的措施来实现收发双方的字符同步；②传输速度快，一位（比特）时间内可传输一个字符。

并行传输的主要缺点是：①通信成本高，每位传输要求一个单独的信道支持，因此如果一个字符包含8个二进制位，则并行传输要求8个独立的信道支持；②不支持长距离传输，由于信道之间的电容感应，远距离传输时，可靠性较低，适于设备之间的距离较近时采用，例如，计算机和打印机之间的数据传送。

2.串行传输

串行传输指的是组成字符的若干位二进制码排列成数据流以串行的方式在一条信道上传输。通常传输顺序为由高位到低位，传完一个字符再传下一个字符，因此收、发双方必须保持字符同步，以使接收方能够从接收的数据比特流中正确区分出与发送方相同的一个个字符。这就需要外加同步措施，这是串行传输必须解决的问题。

在铜线系统中，串行传输方式的一条信道总是使用两根信号线，而并行传输方式中的信号线数目和并行传输的数据位数有关。在远距离通信系统中，通信线路的成本是最高的，所以并行传输方式一般只在系统的内部或短距离的系统之间使用。计算机网络中的通信方式一般都是串行传输方式，通信课程中涉及的内容一般都是针对串行传输方式的。

1.6.2 异步传输与同步传输

在串行传输方式中，数据是按位传输的，发送方和接收方必须按照相同的时序发送和接收数据，才能够进行正确的数据传送。根据传输时序的控制技术可以分为异步传输方式和同步传输方式。

1.异步传输

异步传输方式是收、发双方不需要传输时钟同步信号的传输时序控制技术。RS-232C接口一般使用异步传输方式（RS-232C 的 9 针连接器只能使用异步传输方式）。异步传输方式的传输时序控制简单，一般用于字节（字符）数据传输。

异步传输方式一般以字符为单位传输，不论字符所采用的代码为多少位，在发送每一个字符代码时，都要在前面加上一个起始位，长度为1个码元长度，极性为“0”，表示一个字符的开始；后面加上一个终止位，长度为 1、1.5 或 2 个码元长度（对于国际电报 2 号码，终止位长度为1.5个码元长度；对于国际5号码或其他代码，终止位长度为1个或2个码元长度），极性为“1”，表示一个字符的结束。字符可以连续发送，也可以单独发送。当不发送字符时，连续发送“止”信号，即保持“1”状态。因此，每个字符的起始时刻可以是任意的（这正是称为异步传输的含义），但在同一字符内部各码元长度相等。接收方可以根据字符之间从终止位到起始位的跳变，即由“1”→“0”的下降沿来识别一个字符的开始，然后从下降沿以后T/2秒（T为接收方本地时钟周期）开始每隔T秒进行取样，直到取样完整个字符，从而正确地区分一个个字符，这种字符同步方法又称为起止式同步。图 1-5（a）表示异步传输的情况。

异步传输方式比较简单，收发双方的时钟信号不需要严格同步。缺点是对每个字符都需加入起始位和终止位（即增加了2～3bit），降低了传输效率。如字符采用国际5号码，起始位为1位，终止位为1位，并采用1位奇偶校验位，则传输效率η=7/(7＋1＋1＋1)=70%。

2.同步传输

同步传输是以固定的时钟节拍来发送数据信号的，因此在一个串行数据流中，各信

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