CAM表含义及各层交换机介绍

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所谓CAM表是用于二层交换的地址表,通常称为CAM表,该表是MAC地址与出接口的对应关系,对于二层交换机和三层交换机都会维护这张表。

三层交换机基本特点

在概述部分中,我们给出了三层交换机的基本特点综述,主要有下列特点:
1. 二层交换和三层互通
2. 实现三层精确匹配查询
3. 专门针对局域网,特别是以太网进行了优化
4. 引入了一些在二层交换机和三层路由器上都不存在的特性
5. 实现了初步的BAS功能
一般来说,只要能做到第一点,就可以称为三层交换机了,但目前大多数流行的三层交换机都不局限于第一点,而是实现了上述的大部分功能。因此,为了更好的理解三层交换机,接下来我们对上述特点进行详细讲述。

2.1 二层交换和三层互通

三层交换机首先是一个交换机,即完成二层交换功能。在以太网上,跟普通的二层交换机一样,三层交换机也维护一张用于二层交换的地址表(通常称为CAM表),该表是MAC地址与出接口的对应关系。这样每当接收到一个以太网数据帧,三层交换机判断如果该数据帧不是发送给自己的(这个概念很重要,至于三层交换机怎么判断,在下面的讲述中会详细说明),则根据数据帧的目的MAC地址查询CAM表,如果能命中(所谓命中,就是在CAM表中找到与该MAC地址对应的转发项),则根据查询的结果,通常是一个出接口列表,来进行转发。如果不能命中,则向所有端口广播该数据帧。
交换机的这张CAM表可以通过多种方式获得,比如静态配置,动态学习,针对多播还可以通过各种多播协议,比如IGMP窥探,GMRP协议等方式获得(注意,多播转发表不能通过学习获得,而且多播转发项跟普通转发项不同的是,跟其对应的出口可能不止一个,而是一个出口集合,如果想详细了解多播的一些基础概念,请参考前面的专题资料)。但对于单播,最重要的一种建立方式是学习。
当交换机接收到一个数据帧,提取出该数据帧的目的MAC地址,并依此为根据进行CAM表查询,如果能查找到结果,则根据结果进行数据帧的转发,如果不能命中,则(向除接收端口外的)所有端口进行复制。在进行数据转发的同时,交换机还进行一个学习的过程,交换机把数据帧的源MAC地址提取出来,查询CAM表,看CAM表中是否有针对该MAC地址的转发项,如果没有,则把该MAC地址和接收到该MAC地址的端口绑定起来,插入CAM表项,这样当接收到一个发送到该MAC地址的数据帧时,就不需要向所有端口广播,而仅仅向这一个端口发送即可。需要注意的是,数据帧的转发是依据目的MAC地址查询CAM表,而CAM表的学习则是以源MAC地址为依据。
交换机动态学习的CAM表项并不是一成不变的,而是启动一个定时器,当该定时器递减到零时,该CAM表项被删除,每使用一次该CAM表项进行转发,则恢复定时器初始值。
上述情况是没有VLAN的工作过程,现在的交换机一般都实现了VLAN(即虚拟局域网,详细内容请参考以太网的有关教程),这样在交换机进行转发的CAM表就进行了变化,由原来的两项对应关系(MAC地址跟接口)变成了三项对应关系(MAC地址,VLAN ID,出口),这样当接收到一个数据帧的时候,交换机根据数据帧的目的MAC地址和VLAN ID两项来查询CAM表,找到接口后把该数据帧转发出去。
但如果交换机根据MAC地址和VLAN ID查询CAM表失败,即没有跟该MAC和VLAN ID的对应关系,则交换机把该数据帧向该VLAN包含的(除接收端口以外的)所有端口上复制。如果只根据CAM表来确定一个VLAN包含哪些端口,则必须遍历整个CAM表,这样如果CAM表的规模非常大(一般情况下是4K以上),则效率特别低,所以一般的交换机上在实现VLAN时,还创建另外一张表,即VLAN配置表,该表包含了VLAN ID和所有端口的对应关系,即只要根据VLAN ID查询该表,就可以找到该VLAN包含的所有端口,这样在进行VLAN内广播的时候,就非常容易。
另外一个问题出现了,就是数据帧的VLAN ID是怎样获得的。交换机一般根据下列原则来给一个数据帧附加上VLAN ID:
1、如果接收到数据帧的端口是一个非TAG端口,且数据帧是一个普通数据帧,则附加上该端口的默认VLAN ID;
根据农基文的理解:当一个非TAG端口收到了一个数据帧,且含有VLAN ID时,做判断,如果VLAN ID=端口PVID,则可以接收;否则,丢弃。
2、如果接收到数据帧的端口是一个TAG端口,而数据帧是一个普通数据帧,则附加上该端口的默认VLAN ID;
3、如果接收到数据帧的端口是一个TAG端口,数据帧自己携带了VLAN ID(通过802.1Q协议),则该数据帧的VLAN ID就是携带的VLAN ID。
需要注意的是,实现VLAN的交换机在查询CAM表进行转发之前,首先给该数据帧附加上VLAN ID。
以上功能都是二层功能,作为一台三层交换机,上述功能是必须实现的,但三层交换机的最根本特点还是VLAN间的互通。
在三层交换机上,VLAN之间的互通是通过实现一个虚拟VLAN接口来实现的,即针对每个VLAN,交换机内部维护了一个与该VLAN对应的接口,该接口对外是不可见的,是一个虚拟的接口,但该接口有所有物理接口所具有的特性,比如有MAC地址,可配置最大传输单元和传输的以太网帧类型等。在上述的说明中,我们提到了当交换机接收到一个数据帧时,判断是不是发给自己的,判断的依据便是查看该MAC地址是不是针对接收数据帧所在VLAN的接口MAC地址,如果是,则进行三层处理,若不是,则进行二层处理,按照上述流程进行转发。
既然实现了三层转发,交换机必须维护一个三层转发表,该表可以是基于最长匹配查询的FIB表,也可以是基于目的网络层地址精确匹配的三层转发表,这跟实现的厂家设备有关。这样当交换机接收到一个数据帧,该数据帧的目的MAC地址跟该数据帧所在VLAN对应的VLAN接口的MAC地址相同,则进行三层转发。转发的过程是查询三层转发表,查找的结果是一个(或多个,当数据帧是多播的时候)出口和相应的二层封装数据,交换机于是把该数据帧所携带的三层数据帧(比如,是IP或IPX数据报)进行修改,比如修改校验和,在IP协议中还进行TTL字段递减,然后重新计算CHECKSUM,完成这些后,就把该三层数据包进行二层封装(根据三层转发表查找的结果),从相应的接口发送出去。
这个三层转发表的形成跟二层转发表(CAM表)的形成有很大的不同,它是通过查询路由表并经过其它协议(比如ARP协议)形成的。在后面介绍典型产品实例的时候,我们以例子来讲述三层转发表的形成。
& 本部分有下列要点:
1、三层交换机有二层交换机所有功能,比如基于MAC地址的过滤(也就是基于MAC地址的单播转发),生成树协议等;
2、三层交换机通过为每个VLAN分配一个VLAN接口完成VLAN之间的互通,VLAN接口有自己的MAC地址和IP地址,凡目的MAC地址是VLAN接口的数据帧,交换机都进行三层转发或自己接收—取决于目的IP地址是否是交换机的接口地址。

2.2 三层精确匹配查询

在路由器上,每当接收到一个数据报,路由器便进行路由表的查询来找出该数据报的下一跳,然后通过相应的接口发送出去。路由器查询路由表采用的是最长匹配算法,在以前的路由器中,最长匹配算法采用软件实现,而且实现起来非常复杂,导致了效率特别低。
我们可以设想,能否改变这种最长匹配的查找思想,而采用精确匹配的查找技术实现呢?可以引入一个高速缓冲区,用来存放精确查询所需要的信息(一般是三层IP地址跟出口的对应fib表,还关联有一些二层封装信息Arp表,比如链路层头等),当接收到一个需要进行三层转发的数据帧的时候,路由器先查询高速缓冲区(采用精确匹配算法,即直接根据目的IP地址进行索引),如果命中,则根据查询出的信息进行数据的转发,如果不能命中,则查询路由表(采用最长匹配算法),根据查询的结果进行转发,同时更新相应的精确查询缓冲区,这样当到达同一个目的地的数据报来的时候,就可以直接查询精确匹配缓冲区进行转发了。
跟CAM表一样,精确匹配查询项也有一个定时机制,超过了一定的时间限制就从缓冲区中删除掉,跟CAM表不同的是,三层精确匹配查询项跟路由表同步,每当路由表变化,必定修改精确转发缓冲区,来保证跟路由表的同步。
如果数据链路层是以太网,网络层是IP,则这个三层高速转发缓冲区是通过ARP协议建立的,我们说明它的工作过程。
开始的时候,三层交换机只有一张用于路由的路由表(该路由表是通过路由协议建立的),而精确匹配的三层转发表为空,这样当三层交换机接收到一个需要进行三层交换的数据帧时,它首先查询三层精确匹配缓冲区,因为三层转发表为空,查询失败,于是,三层交换机通过最长匹配算法查询路由表(根据数据报的目的IP地址),查询的结果是一个出口(一般是一个VLAN接口)和一个下一跳。于是,有两中可能的情况:
1、数据报的目的地址跟VLAN接口不在同一个网段;
2、数据报的目的地址跟VLAN接口在同一个网段。
在第一种情况下,三层交换机通过ARP解析来解析下一跳IP地址,获得下一跳的MAC地址后,三层交换机把接收的数据帧进行二层封装,然后发送给下一跳。在第二种情况下,三层交换机直接解析数据报的目的IP地址,获得目的IP地址对应的主机MAC地址后,直接把该数据帧发送给目的主机。不论哪种情况,交换机进行ARP解析的时候,都会获得一个IP地址跟出口的对应关系,同时还通过ARP协议获得了下一跳的MAC地址,于是,三层交换机会把这些数据组合成一个三层精确匹配项,并插入到三层精确匹配缓冲区里面。这样当到达同一目的地的数据报到来后,三层交换机使用精确匹配算法直接查询高速缓冲区,根据查询的结果进行转发。
需要说明的是,实现三层精确匹配并不是三层交换机必须具备的特性。在一些低端交换机的场合下,最长匹配查询采用软件实现,效率特别低,因而引入三层精确匹配算法,这是合理而且必须的,但对一些高端场合,就不适应了,在一些高端交换机上,最长匹配算法都是基于硬件实现的,而且采用了效率很高的树查找算法,其效率跟精确匹配算法相差无几,而且只采用最长匹配算法还减少了精确匹配缓冲区和路由表的同步问题,因而在一些基于硬件实现的三层交换机上,精确匹配不是必须的。在后面介绍典型实例分析的时候,我们会介绍仅仅采用最长匹配算法实现高端三层的交换机。
& 本部分有下列要点:
1、三层交换机为了提高效率,采用了精确匹配查找算法,在一些高端三层交换机上,该特性不是必须的,因为采用最长匹配查找算法的效率并不一定比采用精确匹配查找算法效率差。

2.3 针对局域网进行优化

传统的路由器提供丰富的接口种类,比如E1/T1,ISDN,Frame-Relay,X.25,POS,ATM,SMDS等,每种接口对应不同的封装类型,而且每种接口所对应的最大传输单元和最大接收单元都不相同,这样存在数据报分片的概率相当大,概括起来,这些特性使得路由器的转发效率特别低。
而三层交换机是由二层交换机发展起来的,而且其发展过程中一直遵循为局域网服务的指导思想,没有过多的引入其它接口类型,而只提供跟局域网有关的接口,比如以太网接口,ATM局域网仿真接口等,这样接口类型单纯,大部分情况下三层交换机只提供以太网接口,这样在多种类型接口路由器上所碰到的问题就彻底消除了,比如,最大传输单元问题,由于各个接口都是以太网接口,一般不存在冲突的问题,分片的概率就大大降低了。
接口类型单纯的另外一个好处就是在进行数据转发的时候,内部经过的路径比较单纯。现在的通信处理器一般都是集中在一块ASIC芯片上的,而且不同的接口类型有不同的ASIC芯片进行处理。这样如果接口类型比较单一,所需要的ASIC芯片就相对单一,交互起来必定流畅,使用ASIC芯片本身带的功能就可以完成多个接口之间的数据交换,但如果接口类型不统一,则必须有一个转换机构来完成这些芯片之间的数据交换,效率上大大影响。
目前成熟的以太网接口速率最高可以达到1G(虽然10G的以太网已经商用,但还不是很普遍),如果需要更高的速率,只能采用链路聚合的方式把几个GE端口聚合成一个物理端口,虽然逻辑上是可行的,但实现起来可能会遇到这样那样的问题,比如聚合的链路不能跨越同一块处理板,芯片本身的问题等,于是有些交换机抛弃了这种纯粹以太网接口的解决方案,而引入了其它的接口类型作为上行接口,比如STM-16的POS接口(2.5G POS接口)等。这些接口用于上行连接核心层设备。
& 本部分有下列要点:
1、三层交换机专门针对局域网进行了优化,采用的接口类型比较单纯,一般只提供以太网接口,但有些交换机为了提高上行链路的效率,也提高了高速的POS接口。
二层、三层、四层交换机的区别
 二层交换技术是发展比较成熟,二层交换机属数据链路层设备,可以识别数据包中的MAC地址信息,根据MAC地址进行转发,并将这些MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个地址表中。具体的工作流程如下:
(1) 当交换机从某个端口收到一个数据包,它先读取包头中的源MAC地址,这样它就知道源MAC地址的机器是连在哪个端口上的;
(2) 再去读取包头中的目的MAC地址,并在地址表中查找相应的端口;
(3) 如表中有与这目的MAC地址对应的端口,把数据包直接复制到这端口上;
(4) 如表中找不到相应的端口则把数据包广播到所有端口上,当目的机器对源机器回应时,交换机又可以学习一目的MAC地址与哪个端口对应,在下次传送数据时就不再需要对所有端口进行广播了。
  不断的循环这个过程,对于全网的MAC地址信息都可以学习到,二层交换机就是这样建立和维护它自己的地址表。
  从二层交换机的工作原理可以推知以下三点:
(1) 由于交换机对多数端口的数据进行同时交换,这就要求具有很宽的交换总线带宽,如果二层交换机有N个端口,每个端口的带宽是M,交换机总线带宽超过N×M,那么这交换机就可以实现线速交换;
(2) 学习端口连接的机器的MAC地址,写入地址表,地址表的大小(一般两种表示方式:一为BEFFER RAM,一为MAC表项数值),地址表大小影响交换机的接入容量;
(3) 还有一个就是二层交换机一般都含有专门用于处理数据包转发的ASIC (Application specific Integrated Circuit)芯片,因此转发速度可以做到非常快。由于各个厂家采用ASIC不同,直接影响产品性能。
  以上三点也是评判二三层交换机性能优劣的主要技术参数,这一点请大家在考虑设备选型时注意比较。
  (二)路由技术
  路由器工作在OSI模型的第三层—网络层*作,其工作模式与二层交换相似,但路由器工作在第三层,这个区别决定了路由和交换在传递包时使用不同的控制信息,实现功能的方式就不同。工作原理是在路由器的内部也有一个表,这个表所标示的是如果要去某一个地方,下一步应该向那里走,如果能从路由表中找到数据包下一步往那里走,把链路层信息加上转发出去;如果不能知道下一步走向那里,则将此包丢弃,然后返回一个信息交给源地址。
  路由技术实质上来说不过两种功能:决定最优路由和转发数据包。路由表中写入各种信息,由路由算法计算出到达目的地址的最佳路径,然后由相对简单直接的转发机制发送数据包。接受数据的下一台路由器依照相同的工作方式继续转发,依次类推,直到数据包到达目的路由器。
  而路由表的维护,也有两种不同的方式。一种是路由信息的更新,将部分或者全部的路由信息公布出去,路由器通过互相学习路由信息,就掌握了全网的拓扑结构,这一类的路由协议称为距离矢量路由协议;另一种是路由器将自己的链路状态信息进行广播,通过互相学习掌握全网的路由信息,进而计算出最佳的转发路径,这类路由协议称为链路状态路由协议。
  由于路由器需要做大量的路径计算工作,一般处理器的工作能力直接决定其性能的优劣。当然这一判断还是对中低端路由器而言,因为高端路由器往往采用分布式处理系统体系设计。
  (三)三层交换技术
  近年来的对三层技术的宣传,耳朵都能起茧子,到处都在喊三层技术,有人说这是个非常新的技术,也有人说,三层交换嘛,不就是路由器和二层交换机的堆叠,也没有什么新的玩意,事实果真如此吗?下面先来通过一个简单的网络来看看三层交换机的工作过程。

  组网比较简单
  使用IP的设备A————————三层交换机————————使用IP的设备B
  比如A要给B发送数据,已知目的IP,那么A就用子网掩码取得网络地址,判断目的IP是否与自己在同一网段。
  如果在同一网段,但不知道转发数据所需的MAC地址,A就发送一个ARP请求,B返回其MAC地址,A用此MAC封装数据包并发送给交换机,交换机起用二层交换模块,查找MAC地址表,将数据包转发到相应的端口。
  如果目的IP地址显示不是同一网段的,那么A要实现和B的通讯,在流缓存条目中没有对应MAC地址条目,就将第一个正常数据包发送向一个缺省网关,这个缺省网关一般在*作系统中已经设好,对应第三层路由模块,所以可见对于不是同一子网的数据,最先在MAC表中放的是缺省网关的MAC地址;然后就由三层模块接收到此数据包,查询路由表以确定到达B的路由,将构造一个新的帧头,其中以缺省网关的MAC地址为源MAC地址,以主机B的MAC地址为目的MAC地址。通过一定的识别触发机制,确立主机A与B的MAC地址及转发端口的对应关
系,并记录进流缓存条目表,以后的A到B的数据,就直接交由二层交换模块完成。这就通常所说的一次路由多次转发。
  以上就是三层交换机工作过程的简单概括,可以看出三层交换的特点:
  由硬件结合实现数据的高速转发。
  这就不是简单的二层交换机和路由器的叠加,三层路由模块直接叠加在二层交换的高速背板总线上,突破了传统路由器的接口速率限制,速率可达几十Gbit/s。算上背板带宽,这些是三层交换机性能的两个重要参数。
  简洁的路由软件使路由过程简化。
  大部分的数据转发,除了必要的路由选择交由路由软件处理,都是又二层模块高速转发,路由软件大多都是经过处理的高效优化软件,并不是简单照搬路由器中的软件。
  结论
  二层交换机用于小型的局域网络。这个就不用多言了,在小型局域网中,广播包影响不大,二层交换机的快速交换功能、多个接入端口和低谦价格为小型网络用户提供了很完善的解决方案。
  路由器的优点在于接口类型丰富,支持的三层功能强大,路由能力强大,适合用于大型的网络间的路由,它的优势在于选择最佳路由,负荷分担,链路备份及和其他网络进行路由信息的交换等等路由器所具有功能。
  三层交换机的最重要的功能是加快大型局域网络内部的数据的快速转发,加入路由功能也是为这个目的服务的。如果把大型网络按照部门,地域等等因素划分成一个个小局域网,这将导致大量的网际互访,单纯的使用二层交换机不能实现网际互访;如单纯的使用路由器,由于接口数量有限和路由转发速度慢,将限制网络的速度和网络规模,采用具有路由功能的快速转发的三层交换机就成为首选。
  一般来说,在内网数据流量大,要求快速转发响应的网络中,如全部由三层交换机来做这个工作,会造成三层交换机负担过重,响应速度受影响,将网间的路由交由路由器去完成,充分发挥不同设备的优点,不失为一种好的组网策略,当然,前提是客户的腰包很鼓,不然就退而求其次,让三层交换机也兼为网际互连。
  第四层交换的一个简单定义是:它是一种功能,它决定传输不仅仅依据MAC地址(第二层网桥)或源/目标IP地址(第三层路由),而且依据TCP/UDP(第四层) 应用端口号。第四层交换功能就象是虚IP,指向物理服务器。它传输的业务服从的协议多种多样,有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他协议。这些业务在物理服务器基础上,需要复杂的载量平衡算法。在IP世界,业务类型由终端TCP或UDP端口地址来决定,在第四层交换中的应用区间则由源端和终端IP地址、TCP和UDP端口共同决定。
  在第四层交换中为每个供搜寻使用的服务器组设立虚IP地址(VIP),每组服务器支持某种应用。在域名服务器(DNS)中存储的每个应用服务器地址是VIP,而不是真实的服务器地址。
  当某用户申请应用时,一个带有目标服务器组的VIP连接请求(例如一个TCP SYN包)发给服务器交换机。服务器交换机在组中选取最好的服务器,将终端地址中的VIP用实际服务器的IP取代,并将连接请求传给服务器。这样,同一区间所有的包由服务器交换机进行映射,在用户和同一服务器间进行传输。
  第四层交换的原理
  OSI模型的第四层是传输层。传输层负责端对端通信,即在网络源和目标系统之间协调通信。在IP协议栈中这是TCP(一种传输协议)和UDP(用户数据包协议)所在的协议层。
  在第四层中,TCP和UDP标题包含端口号(portnumber),它们可以唯一区分每个数据包包含哪些应用协议(例如HTTP、FTP等)。端点系统利用这种信息来区分包中的数据,尤其是端口号使一个接收端计算机系统能够确定它所收到的IP包类型,并把它交给合适的高层软件。端口号和设备IP地址的组合通常称作“插口(socket)”。 1和255之间的端口号被保留,他们称为“熟知”端口,也就是说,在所有主机TCP/IP协议栈实现中,这些端口号是相同的。除了“熟知”端口外,标准UNIX服务分配在256到1024端口范围,定制的应用一般在1024以上分配端口号. 分配端口号的最近清单可以在RFc1700”Assigned Numbers”上找到。TCP/UDP端口号提供的附加信息可以为网络交换机所利用,这是第4层交换的基础。
 
   “熟知”端口号举例:
    应用协议     端口号
    FTP        20(数据)
             21(控制)
    TELNET     23
    SMTP      25
    HTTP       80
    NNTP      119
    NNMP      16
             162(SNMP traps)
             
  TCP/UDP端口号提供的附加信息可以为网络交换机所利用,这是第四层交换的基础。
  具有第四层功能的交换机能够起到与服务器相连接的“虚拟IP”(VIP)前端的作用。
  每台服务器和支持单一或通用应用的服务器组都配置一个VIP地址。这个VIP地址被发送出去并在域名系统上注册。
  在发出一个服务请求时,第四层交换机通过判定TCP开始,来识别一次会话的开始。然后它利用复杂的算法来确定处理这个请求的最佳服务器。一旦做出这种决定,交换机就将会话与一个具体的IP地址联系在一起,并用该服务器真正的IP地址来代替服务器上的VIP地址。
  每台第四层交换机都保存一个与被选择的服务器相配的源IP地址以及源TCP 端口相关联的连接表。然后第四层交换机向这台服务器转发连接请求。所有后续包在客户机与服务器之间重新影射和转发,直到交换机发现
会话为止。
 
  在使用第四层交换的情况下,接入可以与真正的服务器连接在一起来满足用户制定的规则,诸如使每台服务器上有相等数量的接入或根据不同服务器的容量来分配传输流。
  如何选用合适的第四层交换
  
  a.速度
  为了在企业网中行之有效,第四层交换必须提供与第三层线速路由器可比拟的性能。也就是说,第四层交换必须在所有端口以全介质速度*作,即使在多个千兆以太网连接上亦如此。千兆以太网速度等于以每秒488000 个数据包的最大速度路由(假定最坏的情形,即所有包为以及网定义的最小尺寸,长64字节)。
  b.服务器容量平衡算法
  依据所希望的容量平衡间隔尺寸,第四层交换机将应用分配给服务器的算法有很多种,有简单的检测环路最近的连接、检测环路时延或检测服务器本身的闭环反馈。在所有的预测中,闭环反馈提供反映服务器现有业务量的最精确的检测。
  c.表容量
  应注意的是,进行第四层交换的交换机需要有区分和存贮大量发送表项的能力。交换机在一个企业网的核心时尤其如此。许多第二/ 三层交换机倾向发送表的大小与网络设备的数量成正比。对第四层交换机,这个数量必须乘以网络中使用的不同应用协议和会话的数量。因而发送表的大小随端点设备和应用类型数量的增长而迅速增长。第四层交换机设计者在设计其产品时需要考虑表的这种增长。大的表容量对制造支持线速发送第四层流量的高性能交换机至关重要.
  d.冗余
  第四层交换机内部有支持冗余拓扑结构的功能。在具有双链路的网卡容错连接时,就可能建立从一个服务器到网卡,链路和服务器交换器的完全冗余系统。

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