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作者：张轶著

出版社：人民邮电出版社有限公司

出版时间：2017-08-01

书籍编号：30534798

ISBN：9787115462824

正文语种：中文

字数：678089

版次：1

所属分类：教材教辅-大学

版权信息

书名：现代交换原理与技术

作者：张轶

出版社：人民邮电出版社有限公司

出版时间：2017-08-01

ISBN：9787115462824

版权所有 · 侵权必究

内容提要

本书全面、系统地介绍了与互联网、通信网、智能网，以及光网络相关的主要交换技术，包括其基本概念、性能参数与比较、工作原理、典型设备配置等，并从通信技术发展与演进的角度对交换新技术进行了阐述。全书共分为三大部分，第一部分是基础篇，内容包括交换技术概述、交换技术理论基础；第二部分是实践篇，内容包括数字程控交换机的硬件和软件系统、信令系统的管理与配置、数据分组交换技术及性能分析、IP交换技术与路由；第三部分是未来篇，内容包括智能网络交换技术、软交换技术原理与网络配置、移动交换原理、光交换技术与光网络。

本书可作为高等院校理工科通信与电子类相关专业高年级本科生教材，也可作为信息学科研究生教材，或是工程技术人员的培训指导教程或参考书。

前言

无论在繁华的现代大都市，还是经济高速发展的北上广地区；无论是人潮如织的祖国内地，还是边陲口岸、广袤戈壁；无论春秋冬夏、寒来暑往，还是风霜雨雪、斗转星移；信息交换正为全人类服务着，帮助人们跨越时间与空间的鸿沟。

在信息技术的浪潮中，网络世界发生着翻天覆地的变革，以固定电话网络为代表的电信网、以计算机网络为代表的数据网络、以蜂窝网络为代表的移动无线网络，正进行着彼此之间的互联互通、相互融合。数字程控交换机拥有非常成熟的技术，并且是电信网、移动网、综合业务数字网的核心部件，起着关键作用。同时，随着人与人之间沟通方式的转变，以及对信息量需求的与日俱增，以IP网络和分组技术为基础的宽带数据网络正以迅猛的速度建设和发展着。

正因为交换技术发展日新月异，新的架构、新的技术非常丰富，而又受到篇幅的限制，不可能将方方面面的知识点都覆盖到，因此本书的结构设计是在基本原理和技术的基础上，尽可能将应用最为广泛的交换技术包含进来。具体来说，本书的结构内容包括三个大的部分——基础篇、实践篇、未来篇。在第一部分的基础篇中，第1章首先介绍了交换技术的产生背景、交换技术的基本原理与特性、电信网和数据交换网，以及各自的工作方式和层次模型，然后对交换技术的发展与演进做了概述，分析了交换机的各个功能子模块，介绍了目前市场上常见品牌的交换设备。第2章从话务基本理论出发，对交换系统的概率模型做了概要性描述，其次是关于服务质量和话务负载能力的讨论，并对交换机内部的典型交换单元做了介绍。

第二部分为实践篇，在第3章重点讲解了电路交换方式和公用电话交换网的硬件部分，与此相对应，电话交换网的软件设计部分则在第4章中详细介绍，包括软件的组成、程序的执行和管理等。第5章讲述了随路信令和共路信令，重点介绍7号信令的框架和相关配置。第6章介绍了各类分组交换方式，包括以太网交换方式、帧中继、ATM交换，最后介绍了分组交换网络的相关性能。第7章重点介绍非连接的IP交换技术和标签交换方式，具体包括几种典型的路由算法、高性能路由器的架构，以及MPLS。

第三部分为未来篇，包括智能网络交换、软交换和下一代网络，以及移动交换。具体来说，第8章介绍了智能业务交换，包括概念模型、固定智能网络和移动智能网络。第9章介绍下一代网络，包括基于软交换技术的NGN，软交换的相关设备、SIP协议、软交换的组网和路由问题。第10章介绍在移动通信网络中起关键作用的移动交换技术，包括蜂窝网络结构、切换与漫游、移动应用等。第11章介绍光交换技术与光网络，包括光纤通信的关键技术、光交换中的交换单元与交换机制、自动交换光网络的体系架构与光路由、以及光交换网络的未来演进方向。

针对应用型高等院校信息类专业的教学特点，以及交换技术这门课程学习的实际需要，本教材具有以下特点，主要表现在以下几个方面。

1.系统完整。全书从通信网的角度将原理、技术与实际应用紧密结合。

2.突出重点。各类交换技术与相应网络有机结合，由产生的背景出发，有取有舍，将主流技术呈现给读者。

3.理论联系实际。在理论知识介绍的基础上，对实际性能配置加以补充。

4.知识融合与交叉。可读性强，知识点连成网络，便于记忆和理解。

5.编写人员均为各高校教学与科研的一线教师，且从教多年，讲授过包括交换技术、数据网络、通信原理在内的多门专业课程，对相关领域有较强的把握能力，且能将各自的研究方向与专业有机融合，形成重基础、强应用的特色教材。

本书主要由张轶完成，在编写过程中，得到了武汉纺织大学电子与电气工程学院领导与同仁的大力支持，同时，通信工程教研室给予了具有建设性的建议，感谢武汉纺织大学科技处、教务处领导的大力支持，感谢湖北省教育厅项目资助（No.17Q091）以及武汉纺织大学校基金的资助（No.155028），特别感谢人民邮电出版社在整个出版过程中付出的努力，以及为本教材的顺利出版付出的辛勤劳动。

为了配合教师授课，本书配备了多媒体PPT课件、电子教案，以及授课计划，可免费提供给任课教师教学使用。

由于通信技术与计算机网络的发展迅速，加之作者本身教学与研究水平的局限，书中的错误及信息的滞后在所难免，敬请广大读者在使用过程中批评指正。

编者

2017年7月

第一部分　基础篇

第1章 交换技术概述

本章作为全书的基础部分，主要介绍交换技术的基本概念及基本特征。首先说明通信网的工作方式、协议及分层模型，然后从交换发展的背景出发，理解交换的根本作用，以及交换技术在通信网络中的地位，最后从技术角度讲述目前的一些主要交换方式，包括模拟交换方式与数字交换方式、分布交换方式与程控交换方式、分组交换方式与电路交换方式、宽带交换方式与窄带交换方式等。同时，对交换机的主要工作参数进行简要描述，包括服务质量指标、可靠性，以及性能参数。

1.1 交换技术的基本概念

谈到交换，从广义上讲，任何数据的转发都可以叫做交换，但是，传统的、狭义的第二层交换技术，仅包括数据链路层的转发。本节将说明为什么需要交换技术和交换设备，并描述了交换的作用及基本特征。

1.1.1 交换技术的引入

通信（交换信息）的目的是在信息的源节点和目的节点之间传送信息，源节点和目的节点对应的就是各种通信终端，比如2个用户要想通话，最简单的就是各拿1个电话机，用1条通信线路连接起来，就可以实现最基本的通信，如图1-1所示。

图1-1 用1条通信线路连接的话音链路

当信息以电信号的形式传送时，由此构成的就是电信系统，1个电信系统至少应当由发送或接收信息的终端和传输信息的媒介组成，终端将包含信息的消息，如声音、数据、图像、视频等，转换成可以被传输媒介接收的电信号，同时，将来自传输媒介的电信号还原成原始消息，传输媒介则把电信号从一个地点传送到另一个地点，这种只涉及2个终端的通信，被称为点对点通信。典型的点到点通信系统如图1-2所示。

实现多个用户之间的通信，最简单、最直接的方式就是两两互相连接。这样的一种连接方式称为全互连方式。全互连方式很简单，也很直接，但存在下列问题。

（1）连接线对的数量随终端数的平方增加，当存在N个终端时，需要的连接线对数为：N(N-1)/2。

图1-2 点到点通信系统

（2）当这些终端分别位于相距很远的两地时，两地之间需要大量的长途线路。

（3）当增加到第N+1个终端时，必须增设N对线路。

（4）每个终端都有N-1对线与其他终端相连接，因而，每个终端都需要有N-1个线路接口。

全互连方式结构如图1-3所示。

图1-3 具有6个终端的全互连方式结构示意图

随着用户数量的增加，上述问题将会变得更加突出，为此，可以考虑在用户分布密集的中心安装1台设备，把每个用户的电话机或其他终端设备，用各自专用的线路连接到这台设备上，从而，使得这台设备相当于1个开关，当任意2个用户需要通信时，该设备可以立即将这2个用户之间的通信线路连通（称为“接续”），让用户进行通信，当用户通信完毕后，该设备又可以立即把2个用户之间的连接线断开。

引入交换设备之后的网络连接如图1-4所示。

图1-4 基于交换设备的网络连接示意图

这台设备能够完成任意2个用户之间交换信息的任务，所以称之为交换设备或交换机，也可以看成是1个交换节点。当引入交换设备后，用户之间的通信方式就由点对点通信，转变为通信网，也即常说的交换式通信网络。

1.1.2 交换的作用

根据国际组织IEEE的定义，交换机的作用是在任意选定的2条用户线之间，建立和释放1条通信链路。换句话说，交换机应能为连接到本机的任意2个用户之间建立1条通信链路，并能随时根据要求释放该链路。

最基本的通信网仅包含1台交换机，每个用户（电话机或通信终端）通过1条专用的用户环线（简称用户线），与交换机中的相应接口相连接，实际应用的用户线是1对绞合的塑胶线，如图1-5所示。

图1-5 用户通过1台交换机互连组成通信网

在由1台交换机组成的通信网结构中，每个通信终端通过1对专门的用户环线，连到交换机的线路接口，交换机负责监测各个用户状态。需要时，在2个用户之间建立和释放通信连路。但是当用户多时，连接管理复杂性急剧上升，并且用户分布区域较大时，用户线的投资代价占主要部分。

1.1.3 交换机的基本特征

交换机（switch）意为“开关”，是1种用于电（光）信号转发的网络设备，它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供电信号通路，最常见的交换机是以太网交换机，其他常见的还有电话语音交换机、光纤交换机等。

交换（switching）是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法，把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术的统称。

从广义上来看，网络交换机分为2种：广域网交换机和局域网交换机。广域网交换机主要应用于电信领域，提供通信用的基础平台。而局域网交换机则应用于局域网络，用于连接终端设备，如PC机及网络打印机等。从传输介质和传输速度上可分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等。从规模应用上又可分为企业级交换机、部门级交换机和工作组交换机等。各厂商划分的尺度并不是完全一致的，一般来讲，企业级交换机都是机架式，部门级交换机可以是机架式（插槽数较少），也可以是固定配置式，而工作组级交换机为固定配置式（功能较为简单）。

1.2 交换式通信网

利用多台交换机组成的通信网络，汇接交换机互连多个端局交换机，用于疏导本交换区各交换机之间的互通业务，端局交换机连接用户终端，用户交换机在信令方式上相当于用户电话机。

1.2.1 公共交换电信网

交换节点的基本功能是，实现任意入线与任意出线之间的互连，这是交换系统最基本的功能，交换节点可以控制包括本局接续、出局接续、入局接续，以及转接接续在内的4种接续类型。

（1）本局接续：指在本局范围内各用户线之间的接续。

（2）出局接续：指用户线与出中继线之间的接续。

（3）入局接续：指入中继线与用户线之间的接续。

（4）转接接续：指入中继线与出中继线之间的接续。

多台交换机组成的公共交换电信网如图1-6所示。

图1-6 多台交换机组成的通信网

用户环路常以模拟方式传送300～3400Hz话音信号，数据链路采用PCM时分复用，每个用户占用64kbit/s带宽，常以2Mbit/s或更高速率的复用群传送话音/数据，信令网是专门用来传送各交换机之间的通信操作指令，以及维护信令的数据通信的分组交换网络。

节点是构成网络的核心，因此，交换设备是通信网的核心，其基本作用是为网络中的任意用户构建通话连接。交换节点的功能包括监视功能、信令功能、连接功能，以及控制功能。

（1）监视功能：发现和判断用户的呼叫请求。

（2）信令功能：接收和分析地址信号，按目的地址选路，并转发信号。

（3）连接功能：按需实现任意端口之间的信息传送。

（4）控制功能：控制连接的建立与释放。

终端包括电话、传真、计算机、视频终端和PBX等，它们是信息的产生者和使用者，主要功能如下。

（1）用户信息的处理：用户信息的发送和接收，将信息转换成适合传输的信号及相应的反变换。

（2）信令信息的处理：产生和识别连接建立、业务管理等控制信息。

传输系统（transmission system）为信息传送提供通道，并实现网络节点的互连，包括线路接口、传输媒介、交叉连接设备等。

传输系统的主要目标是提高物理线路的利用率。传输系统通过采用复用技术，如频分复用、时分复用、码分复用、波分复用等技术的同时，为保证交换节点正确接收和识别传输的数据流，交换节点必须与传输系统协调一致，保持帧同步和位同步，并遵守相同的传输技术体制（如SDH、WDM）等。

业务节点（service node）包括业务控制点（SCP）、智能外设（IP）、语音信箱（VMS），以及因特网上各种服务器等，由连接在网络边缘的计算机、数据库系统组成，所实现的功能包括以下几方面。

（1）实现独立于交换节点的控制逻辑。

（2）实现对交换节点业务控制。

（3）提供智能化、个性化、差异化服务。

基本业务的呼叫建立、执行控制在交换节点实现，但很多新的电信业务则转移到业务节点中。

1.2.2 数据交换网

在多个数据终端设备（DTE）之间，数据交换是在任意2个终端设备之间，建立临时的数据通路的过程。

数据交换可以分为：电路交换、报文交换和分组交换。电路交换原理与电话交换原理基本相同，电路交换所存在的问题是电路的利用率低，双方在通信过程中的空闲时间，电路资源不能得到充分利用。

报文交换的原理是当发送方的信息到达交换节点时，先存放在外存储器中，待中央处理机分析报头，确定转发路由，并在与此路由相应的输出电路上进行排队，等待输出。一旦电路空闲，立即将报文从外存储器取出后发出，这就提高了这条电路的利用率。报文交换虽然提高了电路的利用率，但报文经存储转发后会产生较大的时延。

分组交换也是一种存储转发交换方式，但与报文交换不同，它是把报文划分为一定长度的分组，以分组为单位进行存储转发，这就不但保留了报文交换方式提高电路利用率的优点，同时克服了时延大的缺点。

1.2.3 通信网的类型及工作方式

通信网是将一定数量的节点（包括端系统、交换机）和连接这些节点的传输系统有机地组织在一起的，按照约定的规则或协议完成任意用户间信息交换的通信体系，用户使用它可以克服空间、时间等障碍进行有效的信息交换。

通信网的类型按照信号方式、服务区域、业务类型、服务对象、活动方式等划分，可以包括不同的类别。

（1）按信号方式划分：分为模拟通信网和数字通信网。

（2）按服务区域划分：分为本地/长途或LAN/MAN/WAN。

（3）按业务类型划分：分为电话通信网（PSTN、PLMN）、数据通信网（X.25、FR、Internet）。

（4）按服务对象划分：可以分为公用通信网和专用通信网。

（5）按活动方式划分：可以分为固定通信网和移动通信网。

在通信网中，网络将信息由信源传送至信宿具有2种工作方式：面向连接（connection oriented，CO）、无连接（connectionless，CL）。面向连接型节点和无连接型节点的结构如图1-7所示。

图1-7 面向连接型节点和无连接型节点的结构示意图

面向连接网络依赖发送方和接收方之间的通信和阻塞，以管理双方的数据传输，网络系统需要在发送数据之前，先建立连接的一种特性，面向连接网络类似于电话系统，在开始通信前必须先进行1次呼叫和应答。

面向连接的服务（connection-oriented service）就是通信双方在通信时，要事先建立1条通信线路，其过程包括建立连接、使用连接和释放连接3个过程。

无面向连接服务（connectionless service），是不要求发送方和接收方之间的会话连接，发送方只是简单地开始向目的地发送数据分组，此业务不如面向连接的方法可靠，但对于周期性的突发传输很有用，系统不必为发送传输到的目的端，以及从其中接收传输的系统保留状态信息，无连接网络提供最小的服务，仅仅是连接，无连接服务的优点是通信比较迅速，使用灵活方便，连接开销小，但可靠性也相对较低，不能防止报文的丢失、重复或失序，适合于突发数据量业务。

1.2.4 通信网协议及分层模型

通信协议（protocol）是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。通过通信信道和设备互连起来的、多个不同地理位置的数据通信系统，要使其能协同工作，实现信息交换和资源共享，它们之间必须具有共同的语言，交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵循某种互相都能接受的规则，这个规则就是通信协议。

协议定义了数据单元使用的格式，信息单元应该包含的信息与含义、连接方式、信息发送和接收的时序，从而确保网络中数据顺利地传送到确定的地方。

在计算机通信中，通信协议用于实现计算机与网络连接之间的标准，网络如果没有统一的通信协议，信息传递就无法识别，通信协议是通信各方事前约定的通信规则，可以简单地理解为，各计算机之间进行相互会话所使用的共同语言，2台计算机在进行通信时，必须使用通信协议。

通信协议主要由以下3个要素组成。

（1）语法：即如何通信，包括数据的格式、编码和信号等级（电平的高低）等。

（2）语义：即通信内容，包括数据内容、含义，以及控制信息等。

（3）定时规则（时序）：即何时通信，明确通信的顺序、速率匹配和排序。

分层通信体系结构的基本概念，是将通信功能分为若干个层次，每一个层次完成一部分功能，各个层次相互配合共同完成通信的功能。

每一层只和直接相邻的2层打交道，它利用下一层提供的功能，向高一层提供本层所能完成的服务。

每一层是独立的，隔层都可以采用最适合的技术来实现，每一个层次可以单独进行开发和测试，当某层技术进步发生变化时，只要接口关系保持不变，则其他层不受影响。

每一层实现相对独立的功能，下层向上层提供服务，上层是下层的用户，各个层次相互配合共同完成通信的功能。

将网络体系进行分层就是把复杂的通信网络协调问题进行分解，再分别处理，使复杂的问题简化，以便网络的理解及各部分的设计和实现。协议仅针对某一层，为同等实体之间的通信制定，易于实现和维护，灵活性较好，结构上可分割。

OSI七层参考模型如图1-8所示。

图1-8 OSI七层参考模型

传输控制协议是局域网中常用的通信协议簇（transport control protocol/internet protocol，TCP/IP）的历史应当追溯到Internet的前身—ARPAnet时代，为了实现不同网络之间的互连，美国国防部于1977年到1979年间制定了TCP/IP体系结构和协议，TCP/IP是由一组具有专业用途的多个子协议组合而成的，这些子协议包括TCP、IP、UDP、ARP、ICMP等，TCP/IP凭借其实现成本低、在多平台间通信安全可靠，以及可路由性等优势迅速发展，并成为Internet中的标准协议。

TCP/IP的参考模型如图1-9所示。

图1-9 TCP/IP四层参考模型

TCP/IP已经成为局域网中的首选协议，在操作系统（如Windows7、Windows XP、Windows Server2003等）中已经将TCP/IP作为其默认安装的通信协议。

1.3 交换技术的发展与演进

从1876年贝尔发明电话（点到点人工接续方式），以及1878年发明第一台交换机开始，电话交换已经从电路交换方式发展到了分组交换和包交换的阶段，但整个交换是从电路交换方式发展起来的。

其中，电路交换方式的整个发展经历了3个阶段：人工交换阶段、机电式自动交换方式阶段、电子式自动交换方式阶段。下面分别介绍几种典型的交换技术的发展，并从这几种交换技术不同阶段的发展过程中，体会交换的本质思想和实现原理。

特别是人工交换阶段，虽然它很原始，功能很简单，但它却最能直观地反映出交换的本质思想，通过对人工交换的学习，既可以理解交换的原理，也可以了解交换的起源。

1.3.1 交换技术的发展阶段

1876年贝尔发明电话，基于人工接续实现了点到点连接，1889年发明步进制交换机，随后，出现了机动制交换机（用硬件控制接续过程），1932年出现纵横制交换机，第二次世界大战后，长途网络实现自动化，1965年AT&T推出第1台程控交换机，实现空分开关模拟交换。1970年首先在法国拉尼翁，开通第1台数字程控交换机，开创了数字化语音网络新时期（用程序控制接续）。

数据网络和分组交换，始于20世纪70年代，CCITT建立了1个称作X.25的标准协议，ISO通过了OSI七层框架协议，为世界上任何计算机间通信提供了条件，Internet技术、路由器、IP技术，现已成为NGN的技术基础。

宽带交换技术主要用来交换大块数据业务和视频业务，快速电路交换和帧中继，用于解决数据分组交换的节点处理速度问题。ATM交换是将数据组装成定长的短分组，利用电路交换机制实现高速数据交换。基于IP交换的多协议标记交换（MPLS），是IP技术和ATM交换相结合的产物。

随着光器件及波分复用技术的发展和不断成熟，光交换技术已经成为实现NGN的一项核心技术，当前分为空分机制的光路交换（ODX）、时空结合的光突发交换（OBS），只完成光层交换。

软交换技术是将呼叫控制和业务处理分离，采用开放式结构，方便新业务的开发和部署。软交换也称作呼叫代理、媒体网关控制器，是实现传统程控交换机“呼叫控制”功能的实体。

1.3.2 电路交换技术的发展

电路交换（circuit switching，CS）是通信网中最早出现的一种交换方式，也是应用最普遍的一种交换方式，主要应用于电话通信网中，完成电话交换。

1891年3月10日，阿尔蒙·B·史端乔获得了发明“步进制自动电话接线器”的专利权。1892年11月3日，用史端乔发明的接线器制成的“步进制自动电话交换机”，在美国印第安纳州的拉波特城投入使用，这便是世界上第一个自动电话局。

1919年，瑞典的电话工程师帕尔姆格伦和贝塔兰德发明了一种自动接线器，叫做“纵横制接线器”，并申请了专利。1929年，瑞典松兹瓦尔市建成了世界上第一个大型纵横制电话局，拥有3500个用户。

“纵横制”的名称来自纵横接线器的构造，它由一些纵棒、横棒和电磁装置构成，控制通过电磁装置的电流，可吸动相关的纵棒和横棒动作，使得纵棒和横棒在某个交叉点接触，从而实现接线的工作。

1965年5月，美国贝尔系统的1号电子交换机问世，它是世界上第一部开通使用的程控电话交换机。1970年，法国开通了世界上第一部程控数字交换机，采用时分复用技术和大规模集成电路。随后世界各国都大力开发。进入20世纪80年代，程控数字电话交换机开始在世界上普及。

程控数字交换与数字传输相结合，可以构成综合业务数字网，不仅实现电话交换，还能实现传真、数据、图像通信等的交换。程控数字交换机处理速度快，体积小、容量大，灵活性强，服务功能多，便于改变交换机功能，便于建设智能网，向用户提供更多、更方便的电话服务。因此，它已成为当代电话交换的主要制式。

电话通信的过程是：首先摘机，听到拨号音后拨号，交换机找寻被叫，向被叫振铃同时向主叫送回铃音，此时表明在电话网的主被叫之间已经建立起双向的话音传送通路；当被叫摘机应答，即可进入通话阶段；在通话过程中，任何一方挂机，交换机会拆除已建立的通话通路，并向另一方送忙音，提示挂机，从而结束通话。

从电话通信过程的描述可以看出，电话通信分为3个阶段：呼叫建立、通话、呼叫拆除。电话通信的过程，即电路交换的过程，因此，相应的电路交换的基本过程可分为连接建立、信息传送和连接拆除3个阶段。

1.3.3 IP交换技术概述

1996年，美国Ipsilon公司提出了一种专门用于在ATM网上传送IP分组的技术，称之为IP交换（IP switch）。

它只对数据流的第1个数据包进行路由地址处理，按路由转发，随后按已计算的路由在ATM网上建立虚电路VC，以后的数据包沿着VC以直通（cut-through）方式进行传输，不再经过路由器。

采用IP交换技术可以将数据包的转发速度提高到第2层交换机的速度，IP交换基于IP交换机，可被看作是由IP路由器和ATM交换机组合而成，其中的“ATM交换机”去除了所有的ATM信令和路由协议，并受“IP路由器”的控制。

1.3.4 标记交换技术

标签交换（tag switching）是由Cisco公司于1996年提出的，它是一种利用附加在IP数据分组上的标签（tag）进行快速转发的IP交换技术。

由于标签短小，所以根据标签建立的转发表也就很小，这样可以快速简便地查找转发表，从而大大提高了数据分组的传输

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