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企業(yè)級(jí)超高性能存儲(chǔ)磁盤陣列

產(chǎn)品編碼：1231
計(jì)量單位：231
折扣率： 3
最后更新：2018-09-04
關(guān) 注度：8514
生產(chǎn)企業(yè)：北京迪藍(lán)科技有限公司

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產(chǎn)品詳細(xì)介紹磁盤陣列是由很多價(jià)格較便宜的磁盤，組合成一個(gè)容量巨大的磁盤組，利用個(gè)別磁盤提供數(shù)據(jù)所產(chǎn)生加成效果提升整個(gè)磁盤系統(tǒng)效能。利用這項(xiàng)技術(shù)，將數(shù)據(jù)切割成許多區(qū)段，分別存放在各個(gè)硬盤上。 [1]
磁盤陣列還能利用同位檢查（Parity Check）的觀念，在數(shù)組中任意一個(gè)硬盤故障時(shí)，仍可讀出數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)重構(gòu)時(shí)，將數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后重新置入新硬盤中。
由加利福尼亞大學(xué)伯克利分校（University of California-Berkeley）在1988年，發(fā)表的文章：“A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks”。文章中，談到了RAID這個(gè)詞匯，而且定義了RAID的5層級(jí)。伯克利大學(xué)研究目的是反映當(dāng)時(shí)CPU快速的性能。CPU效能每年大約成長30～50%，而硬磁機(jī)只能成長約7%。研究小組希望能找出一種新的技術(shù)，在短期內(nèi)，立即提升效能來平衡計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。在當(dāng)時(shí)，柏克萊研究小組的主要研究目的是效能與成本。
另外，研究小組也設(shè)計(jì)出容錯(cuò)（fault-tolerance），邏輯數(shù)據(jù)備份（logical data redundancy），而產(chǎn)生了RAID理論。研究初期，便宜（Inexpensive）的磁盤也是主要的重點(diǎn)，但后來發(fā)現(xiàn)，大量便宜磁盤組合并不能適用于現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境，后來Inexpensive被改為independent，許多獨(dú)立的磁盤組。
獨(dú)立磁盤冗余陣列（RAID，redundant array of independent disks）是把相同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在多個(gè)硬盤的不同的地方（因此，冗余地）的方法。通過把數(shù)據(jù)放在多個(gè)硬盤上，輸入輸出操作能以平衡的方式交疊，改良性能。因?yàn)槎鄠€(gè)硬盤增加了平均故障間隔時(shí)間（MTBF），儲(chǔ)存冗余數(shù)據(jù)也增加了容錯(cuò)。
磁盤陣列其樣式有三種，一是外接式磁盤陣列柜、二是內(nèi)接式磁盤陣列卡，三是利用軟件來仿真。
外接式磁盤陣列柜最常被使用大型服務(wù)器上，具可熱交換（Hot Swap）的特性，不過這類產(chǎn)品的價(jià)格都很貴。
內(nèi)接式磁盤陣列卡，因?yàn)閮r(jià)格便宜，但需要較高的安裝技術(shù)，適合技術(shù)人員使用操作。硬件陣列能夠提供在線擴(kuò)容、動(dòng)態(tài)修改陣列級(jí)別、自動(dòng)數(shù)據(jù)恢復(fù)、驅(qū)動(dòng)器漫游、超高速緩沖等功能。它能提供性能、數(shù)據(jù)保護(hù)、可靠性、可用性和可管理性的解決方案。陣列卡專用的處理單元來進(jìn)行操作。
利用軟件仿真的方式，是指通過網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)自身提供的磁盤管理功能將連接的普通SCSI卡上的多塊硬盤配置成邏輯盤，組成陣列。軟件陣列可以提供數(shù)據(jù)冗余功能，但是磁盤子系統(tǒng)的性能會(huì)有所降低，有的降低幅度還比較大，達(dá)30%左右。因此會(huì)拖累機(jī)器的速度，不適合大數(shù)據(jù)流量的服務(wù)器。
磁盤陣列作為獨(dú)立系統(tǒng)在主機(jī)外直連或通過網(wǎng)絡(luò)與主機(jī)相連。磁盤陣列有多個(gè)端口可以被不同主機(jī)或不同端口連接。一個(gè)主機(jī)連接陣列的不同端口可提升傳輸速度。
和當(dāng)時(shí)PC用單磁盤內(nèi)部集成緩存一樣，在磁盤陣列內(nèi)部為加快與主機(jī)交互速度，都帶有一定量的緩沖存儲(chǔ)器。主機(jī)與磁盤陣列的緩存交互，緩存與具體的磁盤交互數(shù)據(jù)。
在應(yīng)用中，有部分常用的數(shù)據(jù)是需要經(jīng)常讀取的，磁盤陣列根據(jù)內(nèi)部的算法，查找出這些經(jīng)常讀取的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在緩存中，加快主機(jī)讀取這些數(shù)據(jù)的速度，而對(duì)于其他緩存中沒有的數(shù)據(jù)，主機(jī)要讀取，則由陣列從磁盤上直接讀取傳輸給主機(jī)。對(duì)于主機(jī)寫入的數(shù)據(jù)，只寫在緩存中，主機(jī)可以立即完成寫操作。然后由緩存再慢慢寫入磁盤。
優(yōu)點(diǎn)
提高傳輸速率。RAID通過在多個(gè)磁盤上同時(shí)存儲(chǔ)和讀取數(shù)據(jù)來大幅提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量（Throughput）。在RAID中，可以讓很多磁盤驅(qū)動(dòng)器同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，而這些磁盤驅(qū)動(dòng)器在邏輯上又是一個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器，所以使用RAID可以達(dá)到單個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器幾倍、幾十倍甚至上百倍的速率。這也是RAID最初想要解決的問題。因?yàn)楫?dāng)時(shí)CPU的速度增長很快，而磁盤驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)傳輸速率無法大幅提高，所以需要有一種方案解決二者之間的矛盾。RAID最后成功了。
通過數(shù)據(jù)校驗(yàn)提供容錯(cuò)功能。普通磁盤驅(qū)動(dòng)器無法提供容錯(cuò)功能，如果不包括寫在磁盤上的CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）碼的話。RAID容錯(cuò)是建立在每個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器的硬件容錯(cuò)功能之上的，所以它提供更高的安全性。在很多RAID模式中都有較為完備的相互校驗(yàn)/恢復(fù)的措施，甚至是直接相互的鏡像備份，從而大大提高了RAID系統(tǒng)的容錯(cuò)度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定冗余性。
缺點(diǎn)
RAID0沒有冗余功能，如果一個(gè)磁盤（物理）損壞，則所有的數(shù)據(jù)都無法使用。
RAID1磁盤的利用率最高只能達(dá)到50%(使用兩塊盤的情況下)，是所有RAID級(jí)別中最低的。
RAID0+1以理解為是RAID 0和RAID 1的折中方案。RAID 0+1可以為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)安全保障，但保障程度要比 Mirror低而磁盤空間利用率要比Mirror高。
1、RAID 0
RAID 0是最早出現(xiàn)的RAID模式，即Data Stripping數(shù)據(jù)分條技術(shù)。RAID 0是組建磁盤陣列中最簡單的一種形式，只需要2塊以上的硬盤即可，成本低，可以提高整個(gè)磁盤的性能和吞吐量。RAID 0沒有提供冗余或錯(cuò)誤修復(fù)能力，但實(shí)現(xiàn)成本是最低的。
RAID 0示意圖
RAID 0示意圖
RAID 0最簡單的實(shí)現(xiàn)方式就是把N塊同樣的硬盤用硬件的形式通過智能磁盤控制器或用操作系統(tǒng)中的磁盤驅(qū)動(dòng)程序以軟件的方式串聯(lián)在一起創(chuàng)建一個(gè)大的卷集。在使用中電腦數(shù)據(jù)依次寫入到各塊硬盤中，它的最大優(yōu)點(diǎn)就是可以整倍的提高硬盤的容量。如使用了三塊80GB的硬盤組建成RAID 0模式，那么磁盤容量就會(huì)是240GB。其速度方面，各單獨(dú)一塊硬盤的速度完全相同。最大的缺點(diǎn)在于任何一塊硬盤出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)受到破壞，可靠性僅為單獨(dú)一塊硬盤的1/N。
為了解決這一問題，便出現(xiàn)了RAID 0的另一種模式。即在N塊硬盤上選擇合理的帶區(qū)來創(chuàng)建帶區(qū)集。其原理就是將原先順序?qū)懭氲臄?shù)據(jù)被分散到所有的四塊硬盤中同時(shí)進(jìn)行讀寫。四塊硬盤的并行操作使同一時(shí)間內(nèi)磁盤讀寫的速度提升了4倍。
在創(chuàng)建帶區(qū)集時(shí)，合理的選擇帶區(qū)的大小非常重要。如果帶區(qū)過大，可能一塊磁盤上的帶區(qū)空間就可以滿足大部分的I/O操作，使數(shù)據(jù)的讀寫仍然只局限在少數(shù)的一、兩塊硬盤上，不能充分的發(fā)揮出并行操作的優(yōu)勢(shì)。另一方面，如果帶區(qū)過小，任何I/O指令都可能引發(fā)大量的讀寫操作，占用過多的控制器總線帶寬。因此，在創(chuàng)建帶區(qū)集時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，慎重的選擇帶區(qū)的大小。
帶區(qū)集雖然可以把數(shù)據(jù)均勻的分配到所有的磁盤上進(jìn)行讀寫。但如果我們把所有的硬盤都連接到一個(gè)控制器上的話，可能會(huì)帶來潛在的危害。這是因?yàn)楫?dāng)我們頻繁進(jìn)行讀寫操作時(shí)，很容易使控制器或總線的負(fù)荷超載。為了避免出現(xiàn)上述問題，建議用戶可以使用多個(gè)磁盤控制器。最好解決方法還是為每一塊硬盤都配備一個(gè)專門的磁盤控制器。
雖然RAID 0可以提供更多的空間和更好的性能，但是整個(gè)系統(tǒng)是非常不可靠的，如果出現(xiàn)故障，無法進(jìn)行任何補(bǔ)救。所以，RAID 0一般只是在那些對(duì)數(shù)據(jù)安全性要求不高的情況下才被人們使用。 [
2、RAID 1
RA
RAID 1示意圖
RAID 1示意圖
ID 1稱為磁盤鏡像，原理是把一個(gè)磁盤的數(shù)據(jù)鏡像到另一個(gè)磁盤上，也就是說數(shù)據(jù)在寫入一塊磁盤的同時(shí)，會(huì)在另一塊閑置的磁盤上生成鏡像文件，在不影響性能情況下最大限度的保證系統(tǒng)的可靠性和可修復(fù)性上，只要系統(tǒng)中任何一對(duì)鏡像盤中至少有一塊磁盤可以使用，甚至可以在一半數(shù)量的硬盤出現(xiàn)問題時(shí)系統(tǒng)都可以正常運(yùn)行,當(dāng)一塊硬盤失效時(shí)，系統(tǒng)會(huì)忽略該硬盤，轉(zhuǎn)而使用剩余的鏡像盤讀寫數(shù)據(jù)，具備很好的磁盤冗余能力。雖然這樣對(duì)數(shù)據(jù)來講絕對(duì)安全，但是成本也會(huì)明顯增加，磁盤利用率為50%，以四塊80GB容量的硬盤來講，可利用的磁盤空間僅為160GB。另外，出現(xiàn)硬盤故障的RAID系統(tǒng)不再可靠，應(yīng)當(dāng)及時(shí)的更換損壞的硬盤，否則剩余的鏡像盤也出現(xiàn)問題，那么整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)崩潰。更換新盤后原有數(shù)據(jù)會(huì)需要很長時(shí)間同步鏡像，外界對(duì)數(shù)據(jù)的訪問不會(huì)受到影響，只是這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的性能有所下降。因此，RAID 1多用在保存關(guān)鍵性的重要數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。
RAID 1主要是通過二次讀寫實(shí)現(xiàn)磁盤鏡像，所以磁盤控制器的負(fù)載也相當(dāng)大，尤其是在需要頻繁寫入數(shù)據(jù)的環(huán)境中。為了避免出現(xiàn)性能瓶頸，使用多個(gè)磁盤控制器就顯得很有必要。
3、RAID0+1
從RA
RAID0+1示意圖
RAID0+1示意圖
ID 0+1名稱上我們便可以看出是RAID0與RAID1的結(jié)合體。在我們單獨(dú)使用RAID 1也會(huì)出現(xiàn)類似單獨(dú)使用RAID 0那樣的問題，即在同一時(shí)間內(nèi)只能向一塊磁盤寫入數(shù)據(jù)，不能充分利用所有的資源。為了解決這一問題，我們可以在磁盤鏡像中建立帶區(qū)集。因?yàn)檫@種配置方式綜合了帶區(qū)集和鏡像的優(yōu)勢(shì)，所以被稱為RAID 0+1。把RAID0和RAID1技術(shù)結(jié)合起來，數(shù)據(jù)除分布在多個(gè)盤上外，每個(gè)盤都有其物理鏡像盤，提供全冗余能力，允許一個(gè)以下磁盤故障，而不影響數(shù)據(jù)可用性，并具有快速讀/寫能力。RAID0+1要在磁盤鏡像中建立帶區(qū)集至少4個(gè)硬盤。
4、RAID: LSI MegaRAID、Nytro和Syncro
MegaRAID、Nytro和Syncro都是LSI 針對(duì)RAID而推出的解決方案，并且一直在創(chuàng)造更新。
LSI MegaRAID的主要定位是保護(hù)數(shù)據(jù)，通過高性能、高可靠的RAID控制器功能，為數(shù)據(jù)提供高級(jí)別的保護(hù)。LSI MegaRAID在業(yè)界有口皆碑。
LSI Nytro的主要定位是數(shù)據(jù)加速，它充分利用當(dāng)今備受追捧的閃存技術(shù)，極大地提高數(shù)據(jù)I/O速度。LSI Nytro包括三個(gè)系列：LSI Nytro WarpDrive加速卡、LSI Nytro XD 應(yīng)用加速存儲(chǔ)解決方案和LSI Nytro MegaRAID 應(yīng)用加速卡。Nytro MegaRAID主要用于DAS環(huán)境，Nytro WarpDrive加速卡主要用于SAN和NAS環(huán)境，Nytro XD解決方案由Nytro WarpDrive加速卡和Nytro XD 智能高速緩存軟件兩部分構(gòu)成。
LSI Syncro的定位主要用于數(shù)據(jù)共享，提高系統(tǒng)的可用性、可擴(kuò)展性，降低成本。
LSI通過MegaRAID提供基本的可靠性保障;通過Nytro實(shí)現(xiàn)加速;通過Syncro突破容量瓶頸，讓價(jià)格低廉的存儲(chǔ)解決方案可以大規(guī)模擴(kuò)展，并且進(jìn)一步提高可靠性。
5、RAID2：帶海明碼校驗(yàn)
　　從概念上講，RAID 2 同RAID 3類似，兩者都是將數(shù)據(jù)條塊化分布于不同的硬盤上，條塊單位為位或字節(jié)。然而RAID 2 使用一定的編碼技術(shù)來提供錯(cuò)誤檢查及恢復(fù)。這種編碼技術(shù)需要多個(gè)磁盤存放檢查及恢復(fù)信息，使得RAID 2技術(shù)實(shí)施更復(fù)雜。因此,在商業(yè)環(huán)境中很少使用。下圖左邊的各個(gè)磁盤上是數(shù)據(jù)的各個(gè)位，由一個(gè)數(shù)據(jù)不同的位運(yùn)算得到的海明校驗(yàn)碼可以保存另一組磁盤上。由于海明碼的特點(diǎn)，它可以在數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤的情況下將錯(cuò)誤校正，以保證輸出的正確。它的數(shù)據(jù)傳送速率相當(dāng)高，如果希望達(dá)到比較理想的速度，那最好提高保存校驗(yàn)碼ECC碼的硬盤，對(duì)于控制器的設(shè)計(jì)來說，它又比RAID3，4或5要簡單。沒有免費(fèi)的午餐，這里也一樣，要利用海明碼，必須要付出數(shù)據(jù)冗余的代價(jià)。輸出數(shù)據(jù)的速率與驅(qū)動(dòng)器組中速度最慢的相等。
　　6 、RAID3：帶奇偶校驗(yàn)碼的并行傳送
　　這種校驗(yàn)碼與RAID2不同，只能查錯(cuò)不能糾錯(cuò)。它訪問數(shù)據(jù)時(shí)一次處理一個(gè)帶區(qū)，這樣可以提高讀取和寫入速度。校驗(yàn)碼在寫入數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生并保存在另一個(gè)磁盤上。需要實(shí)現(xiàn)時(shí)用戶必須要有三個(gè)以上的驅(qū)動(dòng)器，寫入速率與讀出速率都很高，因?yàn)樾ｒ?yàn)位比較少，因此計(jì)算時(shí)間相對(duì)而言比較少。用軟件實(shí)現(xiàn)RAID控制將是十分困難的，控制器的實(shí)現(xiàn)也不是很容易。它主要用于圖形（包括動(dòng)畫）等要求吞吐率比較高的場(chǎng)合。不同于RAID 2，RAID 3使用單塊磁盤存放奇偶校驗(yàn)信息。如果一塊磁盤失效，奇偶盤及其他數(shù)據(jù)盤可以重新產(chǎn)生數(shù)據(jù)。如果奇偶盤失效，則不影響數(shù)據(jù)使用。RAID 3對(duì)于大量的連續(xù)數(shù)據(jù)可提供很好的傳輸率，但對(duì)于隨機(jī)數(shù)據(jù)，奇偶盤會(huì)成為寫操作的瓶頸。
　　7、RAID4：帶奇偶校驗(yàn)碼的獨(dú)立磁盤結(jié)構(gòu)
　　RAID4和RAID3很象，不同的是，它對(duì)數(shù)據(jù)的訪問是按數(shù)據(jù)塊進(jìn)行的，也就是按磁盤進(jìn)行的，每次是一個(gè)盤。在圖上可以這么看，RAID3是一次一橫條，而RAID4一次一豎條。它的特點(diǎn)和RAID3也挺象，不過在失敗恢復(fù)時(shí)，它的難度可要比RAID3大得多了，控制器的設(shè)計(jì)難度也要大許多，而且訪問數(shù)據(jù)的效率不怎么好。
　　8、RAID5：分布式奇偶校驗(yàn)的獨(dú)立磁盤結(jié)構(gòu)
　　從它的示意圖上可以看到，它的奇偶校驗(yàn)碼存在于所有磁盤上，其中的p0代表第0帶區(qū)的奇偶校驗(yàn)值，其它的意思也相同。RAID5的讀出效率很高，寫入效率一般，塊式的集體訪問效率不錯(cuò)。因?yàn)槠媾夹ｒ?yàn)碼在不同的磁盤上，所以提高了可靠性。但是它對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟⑿行越鉀Q不好，而且控制器的設(shè)計(jì)也相當(dāng)困難。RAID 3 與RAID 5相比，重要的區(qū)別在于RAID 3每進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸，需涉及到所有的陣列盤。而對(duì)于RAID 5來說，大部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸只對(duì)一塊磁盤操作，可進(jìn)行并行操作。在RAID 5中有“寫損失”，即每一次寫操作，將產(chǎn)生四個(gè)實(shí)際的讀/寫操作，其中兩次讀舊的數(shù)據(jù)及奇偶信息，兩次寫新的數(shù)據(jù)及奇偶信息。
　　9、RAID6：帶有兩種分布存儲(chǔ)的奇偶校驗(yàn)碼的獨(dú)立磁盤結(jié)構(gòu)
　　名字很長，但是如果看到圖，大家立刻會(huì)明白是為什么，請(qǐng)注意p0代表第0帶區(qū)的奇偶校驗(yàn)值，而pA代表數(shù)據(jù)塊A的奇偶校驗(yàn)值。它是對(duì)RAID5的擴(kuò)展，主要是用于要求數(shù)據(jù)絕對(duì)不能出錯(cuò)的場(chǎng)合。當(dāng)然了，由于引入了第二種奇偶校驗(yàn)值，所以需要N+2個(gè)磁盤，同時(shí)對(duì)控制器的設(shè)計(jì)變得十分復(fù)雜，寫入速度也不好，用于計(jì)算奇偶校驗(yàn)值和驗(yàn)證數(shù)據(jù)正確性所花費(fèi)的時(shí)間比較多，造成了不必須的負(fù)載。我想除了軍隊(duì)沒有人用得起這種東西。
　　10、RAID7：優(yōu)化的高速數(shù)據(jù)傳送磁盤結(jié)構(gòu)
　　RAID7所有的I/O傳送均是同步進(jìn)行的，可以分別控制，這樣提高了系統(tǒng)的并行性，提高系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)的速度；每個(gè)磁盤都帶有高速緩沖存儲(chǔ)器，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以使用任何實(shí)時(shí)操作芯片，達(dá)到不同實(shí)時(shí)系統(tǒng)的需要。允許使用SNMP協(xié)議進(jìn)行管理和監(jiān)視，可以對(duì)校驗(yàn)區(qū)指定獨(dú)立的傳送信道以提高效率。可以連接多臺(tái)主機(jī)，因?yàn)榧尤敫咚倬彌_存儲(chǔ)器，當(dāng)多用戶訪問系統(tǒng)時(shí)，訪問時(shí)間幾乎接近于0。由于采用并行結(jié)構(gòu)，因此數(shù)據(jù)訪問效率大大提高。需要注意的是它引入了一個(gè)高速緩沖存儲(chǔ)器，這有利有弊，因?yàn)橐坏┫到y(tǒng)斷電，在高速緩沖存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)就會(huì)全部丟失，因此需要和UPS一起工作。當(dāng)然了，這么快的東西，價(jià)格也非常昂貴。
　　11、RAID10：高可靠性與高效磁盤結(jié)構(gòu)
　　這種結(jié)構(gòu)無非是一個(gè)帶區(qū)結(jié)構(gòu)加一個(gè)鏡象結(jié)構(gòu)，因?yàn)閮煞N結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此可以相互補(bǔ)充，達(dá)到既高效又高速的目的。大家可以結(jié)合兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)來理解這種新結(jié)構(gòu)。這種新結(jié)構(gòu)的價(jià)格高，可擴(kuò)充性不好。主要用于數(shù)據(jù)容量不大，但要求速度和差錯(cuò)控制的數(shù)據(jù)庫中。
　　12、RAID53：高效數(shù)據(jù)傳送磁盤結(jié)構(gòu)
　　越到后面的結(jié)構(gòu)就是對(duì)前面結(jié)構(gòu)的一種重復(fù)和再利用，這種結(jié)構(gòu)就是RAID3和帶區(qū)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一，因此它速度比較快，也有容錯(cuò)功能。但價(jià)格十分高，不易于實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)樗械臄?shù)據(jù)必須經(jīng)過帶區(qū)和按位存儲(chǔ)兩種方法，在考慮到效率的情況下，要求這些磁盤同步真是不容易。

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