《高并發(fā)系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)派》-- 你值得擁有

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是什么？

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是連接物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)的重要橋梁，它負(fù)責(zé)將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，使其能夠與云端或其他設(shè)備進(jìn)行通信。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的作用是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與云端的無縫連接和數(shù)據(jù)交換。

為什么要搞物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)？

不要物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)行不行？直接使用設(shè)備連接云平臺(tái)不行嗎？

以下是一些情況下應(yīng)該使用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)：

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通常用于連接不同類型的設(shè)備和協(xié)議，以便它們可以相互通信和交換數(shù)據(jù)，并不是所有設(shè)備都能直接聯(lián)網(wǎng)。

1. 設(shè)備和協(xié)議多樣性：當(dāng)需要連接多種不同類型的設(shè)備和協(xié)議時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以充分發(fā)揮作用，幫助設(shè)備進(jìn)行互操作和數(shù)據(jù)交換。
2. 安全性要求高：在需要更高安全性的環(huán)境中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以控制訪問和加密數(shù)據(jù)傳輸。
3. 本地過濾和分析：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)過濾和分析，從而減少云上數(shù)據(jù)的傳輸量和延遲。
4. 離線設(shè)備管理：當(dāng)需要管理離線設(shè)備時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以作為離線設(shè)備的代理，幫助設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和數(shù)據(jù)上傳。

以下是一些情況下不應(yīng)該使用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)：

1. 單種設(shè)備和協(xié)議：當(dāng)只需要連接單一類型的設(shè)備和協(xié)議時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的使用會(huì)增加成本和復(fù)雜性。
2. 網(wǎng)絡(luò)通信無需過濾和加密：當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)具備足夠的安全性和過濾功能時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的使用則會(huì)增加不必要的成本。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作用？

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的中間件，連接低功耗、低帶寬、短距離的設(shè)備與云端服務(wù)器之間的通信，并提供對(duì)接云服務(wù)的接口和協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能。其作用如下：

1. 支持多種物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，如Zigbee、Z-Wave、BLE、WiFi等，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的相互通信和互聯(lián)互通。
2. 支持?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)處理和壓縮，減少數(shù)據(jù)傳輸量和傳輸時(shí)間，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。
3. 實(shí)現(xiàn)本地離線計(jì)算和云端計(jì)算的切換，能夠在斷網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行設(shè)備之間的控制和操作。
4. 提供通用API，支持對(duì)接各類物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，避免不同設(shè)備對(duì)接不同云平臺(tái)的麻煩。

因此，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要一環(huán)，將設(shè)備的通信、數(shù)據(jù)的傳輸、云服務(wù)之間的對(duì)接等聚合在一起，使得整個(gè)系統(tǒng)更加高效、穩(wěn)定、安全。如果設(shè)備直接連接云平臺(tái)，將無法處理大量的設(shè)備數(shù)據(jù)、協(xié)議轉(zhuǎn)換和設(shè)備的控制等問題，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)處理能力差、易發(fā)生故障等問題。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)原理

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件方面，網(wǎng)關(guān)通常搭載高性能的處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)和各種通信接口，如Wi-Fi、以太網(wǎng)、藍(lán)牙等。軟件方面，網(wǎng)關(guān)需要運(yùn)行基于Linux或Windows等操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序，同時(shí)還需要支持各種通信協(xié)議，如MQTT、HTTP等，以及安全性考慮。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)處理流程一般分為三步：

1. 設(shè)備采集；

2. 數(shù)據(jù)格式化；

3. 網(wǎng)絡(luò)傳輸；

首先，網(wǎng)關(guān)通過各種接口和傳感器從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中采集數(shù)據(jù)，隨后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化和處理，最終通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)平臺(tái)或其他設(shè)備。

如上圖所示：

• 北向接口與南向接口：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需要提供北向接口和南向接口。北向接口連接云端，用于將數(shù)據(jù)上傳到云端，提供數(shù)據(jù)分析、處理、存儲(chǔ)、管理等服務(wù)。南向接口連接設(shè)備端，用于實(shí)現(xiàn)與終端設(shè)備的通信。

• 存儲(chǔ)：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以存儲(chǔ)設(shè)備和傳感器的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，以便提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

• 協(xié)議轉(zhuǎn)換：不同設(shè)備和傳感器可能使用不同的通信協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，將不同協(xié)議之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的與云臺(tái)交互的協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)互通。

• 設(shè)備管理：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以對(duì)連接的終端設(shè)備進(jìn)行管理，包括設(shè)備的配置、參數(shù)設(shè)置、故障處理等。

• 操作系統(tǒng)：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需要搭載操作系統(tǒng)才能運(yùn)行，一般采用嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux、Windows Embedded等。

• 硬件：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需要運(yùn)行軟件和驅(qū)動(dòng)程序來支持其各項(xiàng)功能。硬件方面，通常采用ARM等處理器，具有較高的計(jì)算能力和低功耗特性。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需要具備較高的安全性，以保障物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。一般來說，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需要實(shí)現(xiàn)以下安全措施：

1. 認(rèn)證和授權(quán)：實(shí)現(xiàn)用戶身份認(rèn)證，避免未經(jīng)授權(quán)的用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。
2. 加密通信：使用加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/li>
3. 安全協(xié)議：使用各種安全協(xié)議，如TLS/SSL等，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蜋C(jī)密性。
4. 防火墻：設(shè)置防火墻來保障系統(tǒng)的安全性。
5. 安全審計(jì)：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的操作記錄，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和應(yīng)對(duì)安全事件。

網(wǎng)關(guān)配置和升級(jí)：

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的配置和升級(jí)是系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具備以下特點(diǎn)：

1. 靈活性：支持配置自由靈活，能夠快速根據(jù)不同場(chǎng)景進(jìn)行調(diào)整。
2. 易用性：操作簡(jiǎn)單易懂，方便用戶進(jìn)行設(shè)置和管理。
3. 實(shí)時(shí)性：支持實(shí)時(shí)配置，可在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行快速響應(yīng)。
4. 可靠性：升級(jí)過程需要保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性，防止數(shù)據(jù)丟失或損壞。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)升級(jí)一般分為在線升級(jí)和離線升級(jí)兩種模式，離線升級(jí)需要手動(dòng)傳輸升級(jí)包進(jìn)行升級(jí)，而在線升級(jí)則可以通過網(wǎng)絡(luò)直接進(jìn)行下載和更新，是更為智能化和自動(dòng)化的升級(jí)方式。在升級(jí)之前，需要提前進(jìn)行備份和恢復(fù)操作，以防止數(shù)據(jù)丟失或者出現(xiàn)其他異常情況。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)升級(jí)需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的升級(jí)方案，保障系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實(shí)戰(zhàn)開發(fā)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的開發(fā)主要包括硬件和軟件方面的工作。在硬件方面，需要選擇合適的處理器、內(nèi)存和通信接口等組件，以及進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和裝配等工作。在軟件方面，需要編寫應(yīng)用程序，包括驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊等。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的開發(fā)流程一般包括設(shè)備接入、數(shù)據(jù)處理和連接云平臺(tái)等步驟。首先，需要通過各種接口將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到網(wǎng)關(guān)，隨后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化和處理。最后，通過各種通信協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與云端的數(shù)據(jù)交換。

我們可以選擇使用現(xiàn)有的開源網(wǎng)關(guān)框架進(jìn)行開發(fā)，例如Eclipse Kura或者Node-RED等等，或者直接使用編程語(yǔ)言和通信協(xié)議來設(shè)計(jì)自己的網(wǎng)關(guān)。
下面結(jié)合Python代碼進(jìn)行一個(gè)基于MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實(shí)戰(zhàn)開發(fā)的簡(jiǎn)單示例：

1. 安裝必要的庫(kù)和依賴項(xiàng) 我們需要安裝paho-mqtt庫(kù)來支持使用Python語(yǔ)言來連接MQTT服務(wù)器和客戶端。

pip install paho-mqtt

2. 設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)的基本業(yè)務(wù)邏輯 本示例中，我們的網(wǎng)關(guān)需要訂閱來自傳感器的數(shù)據(jù)，并將其傳送到云平臺(tái)上。我們還將實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換邏輯，將來自不同設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，例如傳感器類型、數(shù)據(jù)格式等信息的解析和分離。

import paho.mqtt.client as mqtt

# MQTT服務(wù)器地址和端口號(hào)
MQTT_HOST = "localhost"
MQTT_PORT = 1883

# 定義MQTT客戶端回調(diào)函數(shù)
def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print("Connected with result code " + str(rc))
    # 訂閱傳感器數(shù)據(jù)
    client.subscribe("sensors/#")

# 處理傳感器數(shù)據(jù)
def process_sensor_data(topic, payload):
    # 解析傳感器ID和數(shù)據(jù)
    sensor_id = topic.strip().split("/")[-1]
    data_type, data_value = payload.strip().split(":")
    # 打印傳感器數(shù)據(jù)
    print("Received data from sensor {} : {} = {}".format(sensor_id, data_type, data_value))
    # TODO：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和上傳到云平臺(tái)等操作

# 定義MQTT客戶端消息回調(diào)函數(shù)
def on_message(client, userdata, msg):
    print("Received message: " + msg.payload.decode())
    process_sensor_data(msg.topic, msg.payload.decode())

# 連接MQTT服務(wù)器并開始循環(huán)監(jiān)聽傳感器數(shù)據(jù)
client = mqtt.Client()
client.on_connect = on_connect
client.on_message = on_message
client.connect(MQTT_HOST, MQTT_PORT, 60)
client.loop_forever()

3. 編寫傳感器模擬程序來模擬傳感器數(shù)據(jù)的發(fā)送 為了測(cè)試我們的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，我們需要編寫一個(gè)模擬程序來模擬傳感器數(shù)據(jù)的發(fā)送。這可以用Python的MQTT客戶端模塊來實(shí)現(xiàn)。

import paho.mqtt.client as mqtt
import time
from random import randint

# MQTT服務(wù)器地址和端口號(hào)
MQTT_HOST = "localhost"
MQTT_PORT = 1883

def simulate_sensor():
    # 模擬傳感器數(shù)據(jù)
    sensor_id = "sensor-" + str(randint(1, 10))
    temperature = str(randint(20, 30))
    humidity = str(randint(30, 50))

    # 發(fā)布傳感器數(shù)據(jù)
    client = mqtt.Client()
    client.connect(MQTT_HOST, MQTT_PORT, 60)
    client.publish("sensors/" + sensor_id, "temperature:" + temperature, qos=1)
    client.publish("sensors/" + sensor_id, "humidity:" + humidity, qos=1)
    client.disconnect()
    print("Published sensor data from " + sensor_id)

if __name__ == '__main__':
    while True:
        simulate_sensor()
        time.sleep(5)

以上就是一個(gè)簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實(shí)戰(zhàn)開發(fā)示例，用Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了基于MQTT協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸和處理功能。實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)開發(fā)使用的技術(shù)和工具非常多樣化，需要根據(jù)具體的需求和應(yīng)用場(chǎng)景來選擇最適合的解決方案。

邊緣計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的碰撞

邊緣計(jì)算的理解

邊緣計(jì)算是一種分布式計(jì)算模式，它將計(jì)算和數(shù)據(jù)處理部分從傳統(tǒng)的中央服務(wù)器轉(zhuǎn)移到與數(shù)據(jù)源最近的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)上。這些邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)包括網(wǎng)絡(luò)邊緣、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)以及其他物聯(lián)設(shè)備和傳感器。

邊緣計(jì)算的目標(biāo)是在提供更高的數(shù)據(jù)響應(yīng)速度的同時(shí)降低傳輸帶寬和存儲(chǔ)需求。與傳統(tǒng)的云計(jì)算不同，邊緣計(jì)算側(cè)重于通過將嵌入式設(shè)備和傳感器之類的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的計(jì)算能力轉(zhuǎn)移到這些設(shè)備附近的邊緣設(shè)備上來提高數(shù)據(jù)處理效率，從而降低響應(yīng)時(shí)間和延遲。

邊緣計(jì)算提供了以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 更高的數(shù)據(jù)響應(yīng)速度：邊緣計(jì)算能夠在更靠近數(shù)據(jù)來源的地方處理數(shù)據(jù)，因此可以更快地響應(yīng)數(shù)據(jù)請(qǐng)求。
2. 降低帶寬需求：邊緣計(jì)算可以在邊緣設(shè)備上處理數(shù)據(jù)，從而避免將大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒敕?wù)器帶來的帶寬需求。
3. 提高安全性：由于邊緣設(shè)備通常是在企業(yè)或組織的邊緣處，因此對(duì)于潛在的攻擊者來說，它們被認(rèn)為是難以訪問的。
4. 提高系統(tǒng)可靠性：除了更快的響應(yīng)速度和更低的帶寬需求外，邊緣計(jì)算還可以從獨(dú)立的邊緣設(shè)備中恢復(fù)系統(tǒng)，從而提高基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)的可靠性。
   

邊緣計(jì)算的目的是將計(jì)算任務(wù)盡可能地靠近用戶，從而減少網(wǎng)絡(luò)延遲和帶寬，提高應(yīng)用的性能和用戶體驗(yàn)。在上圖中，當(dāng)用戶設(shè)備需要進(jìn)行一些計(jì)算任務(wù)時(shí)，這些任務(wù)可以通過邊緣設(shè)備進(jìn)行處理，而邊緣設(shè)備可以將一部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫嗽O(shè)備進(jìn)行處理，再將處理后的結(jié)果返回給用戶設(shè)備。這種分布式計(jì)算模式可以適用于各種場(chǎng)景，例如智能家居、智能交通等。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)結(jié)合邊緣計(jì)算

在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中使用邊緣計(jì)算，需要考慮以下設(shè)計(jì)原則：

1. 選擇合適的邊緣設(shè)備。邊緣設(shè)備應(yīng)該具備足夠的計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間和通信能力，能夠完成數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和傳輸?shù)热蝿?wù)。
2. 定義合理的邊緣計(jì)算模型。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)該根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求，采用適當(dāng)?shù)倪吘売?jì)算模型，如Spark、Flink、TensorFlow等，來處理數(shù)據(jù)和生成智能決策。
3. 建立安全的通信和存儲(chǔ)機(jī)制。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需要建立安全的通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制，保證傳輸過程中的數(shù)據(jù)安全和完整性，同時(shí)防止攻擊者通過網(wǎng)關(guān)獲取敏感信息或控制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

相較于傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，基于邊緣計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)多了以下內(nèi)容：

1. 更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。邊緣計(jì)算將數(shù)據(jù)處理推向了設(shè)備端，可以更快地處理和分析海量數(shù)據(jù)。
2. 更高的實(shí)時(shí)性和響應(yīng)速度。邊緣計(jì)算可以在設(shè)備端進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析和決策，減少了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的延遲。
3. 更好的可擴(kuò)展性和靈活性。邊緣計(jì)算可以靈活地根據(jù)業(yè)務(wù)需求選擇不同的計(jì)算和存儲(chǔ)模型，并且可以根據(jù)需求進(jìn)行擴(kuò)展和優(yōu)化。
4. 更高的安全性和可靠性。邊緣計(jì)算可以將一部分敏感數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在設(shè)備端，減少了數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以利用邊緣計(jì)算來處理和分析設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的功能：

1. 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理：通過在網(wǎng)關(guān)上運(yùn)行輕量級(jí)的邊緣計(jì)算資源，可以快速地對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如數(shù)據(jù)的過濾、聚合、轉(zhuǎn)換等操作，從而減少數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)的開銷，提高數(shù)據(jù)處理和分析的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。
2. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理：通過在網(wǎng)關(guān)上部署數(shù)據(jù)庫(kù)等相關(guān)服務(wù)，可以將設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在本地進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，避免了對(duì)云端數(shù)據(jù)中心的依賴，從而提高數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。同時(shí)，還可以根據(jù)需求在本地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、分析和可視化展示。
3. 邊緣智能化：通過在網(wǎng)關(guān)上部署人工智能等相關(guān)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的智能化分析和處理，如機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言處理等技術(shù)。這樣可以進(jìn)一步提供更加智能化和個(gè)性化的設(shè)備服務(wù)和管理。
   總的來說，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)利用邊緣計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)更加高效和智能化的設(shè)備數(shù)據(jù)處理和管理，從而提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性和智能化程度。

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總之，邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是要依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計(jì)算資源將數(shù)據(jù)和計(jì)算移到離用戶更近的邊緣設(shè)備上，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的快速、高效和安全。
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