대부분의 분산 웹 시스템은 Domain Name System(DNS)을 이용하여 사용자 요청을 분산한다. DNS 기반 부하분산 시스템은 구성하기 쉬운 장점이 있지만, 주소 캐싱 매커니즘에 의해 서버들 사이의 부하 불균형이 발생한다. 또한, 서버의 상태를 파악하기 위해서 DNS의 수정이 필요하다. 본 논문에서는 DNS의 동적 갱신(dynamic update)과 라운드로빈 방법을 이용한 새로운 부하분산 기법을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 방법은 DNS의 수정 없이 동적인 부하분산을 한다. 본 논문에서 제안하는 시스템은 서버의 부하량에 따라 서버를 DNS 리스트에 동적으로 추가, 삭제한다. 부하가 많은 서버를 DNS 리스트에서 제거함으로써 사용자 응답시간이 빠르다. 동적인 부하분산을 위하여 CPU와 메토리 네트워크 자원의 사용률에 따른 부하분산 알고리즘을 제안한다. GUI 기반의 관리도구를 이용하여 손쉽게 제안하는 시스템을 관리할 수 있다. 실험을 통하여 본 논문에서 구현한 모듈들이 제안된 시스템의 성능에 많은 영향을 주지 않는다는 것을 보여준다. 또한 기존 라운드로빈 DNS와의 비교실험을 통하여 사용자 응답시간과 파일전송률이 더 빠르다는 것을 보여준다.
대부분의 분산 웹 시스템은 Domain Name System(DNS)을 이용하여 사용자 요청을 분산한다. DNS 기반 부하분산 시스템은 구성하기 쉬운 장점이 있지만, 주소 캐싱 매커니즘에 의해 서버들 사이의 부하 불균형이 발생한다. 또한, 서버의 상태를 파악하기 위해서 DNS의 수정이 필요하다. 본 논문에서는 DNS의 동적 갱신(dynamic update)과 라운드로빈 방법을 이용한 새로운 부하분산 기법을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 방법은 DNS의 수정 없이 동적인 부하분산을 한다. 본 논문에서 제안하는 시스템은 서버의 부하량에 따라 서버를 DNS 리스트에 동적으로 추가, 삭제한다. 부하가 많은 서버를 DNS 리스트에서 제거함으로써 사용자 응답시간이 빠르다. 동적인 부하분산을 위하여 CPU와 메토리 네트워크 자원의 사용률에 따른 부하분산 알고리즘을 제안한다. GUI 기반의 관리도구를 이용하여 손쉽게 제안하는 시스템을 관리할 수 있다. 실험을 통하여 본 논문에서 구현한 모듈들이 제안된 시스템의 성능에 많은 영향을 주지 않는다는 것을 보여준다. 또한 기존 라운드로빈 DNS와의 비교실험을 통하여 사용자 응답시간과 파일전송률이 더 빠르다는 것을 보여준다.
In most existing distributed Web systems, incoming requests are distributed to servers via Domain Name System (DNS). Although such systems are simple to implement, the address caching mechanism easily results in load unbalancing among servers. Moreover, modification of the DNS is necessary to load c...
In most existing distributed Web systems, incoming requests are distributed to servers via Domain Name System (DNS). Although such systems are simple to implement, the address caching mechanism easily results in load unbalancing among servers. Moreover, modification of the DNS is necessary to load considering the server's state. In this paper, we propose a new dynamic load balancing method using dynamic DNS update and round-robin mechanism. The proposed method performs effective load balancing without modification of the DNS. In this method, a server can dynamically be added to or removed from the DNS list according to the server's load. By removing the overloaded server from the DNS list, the response time becomes faster. For dynamic scheduling, we propose a scheduling algorithm that considers the CPU, memory, and network usage. We can select a scheduling policy based on resources usage. The proposed system can easily be managed by a GUI-based management tool. Experiments show that modules implemented in this paper have low impact on the proposed system. Furthermore, experiments show that both the response time and the file transfer rate of the proposed system are faster than those of a pure Round-Robin DNS.
In most existing distributed Web systems, incoming requests are distributed to servers via Domain Name System (DNS). Although such systems are simple to implement, the address caching mechanism easily results in load unbalancing among servers. Moreover, modification of the DNS is necessary to load considering the server's state. In this paper, we propose a new dynamic load balancing method using dynamic DNS update and round-robin mechanism. The proposed method performs effective load balancing without modification of the DNS. In this method, a server can dynamically be added to or removed from the DNS list according to the server's load. By removing the overloaded server from the DNS list, the response time becomes faster. For dynamic scheduling, we propose a scheduling algorithm that considers the CPU, memory, and network usage. We can select a scheduling policy based on resources usage. The proposed system can easily be managed by a GUI-based management tool. Experiments show that modules implemented in this paper have low impact on the proposed system. Furthermore, experiments show that both the response time and the file transfer rate of the proposed system are faster than those of a pure Round-Robin DNS.
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문제 정의
또한 DNS 프로그램 교체에 의해 서비스가 중단될 수 있다. 따라서 본 논문에서는 DNS 프로토콜을 수정하지 않고 서비스 중단 없이 호환성을 유지하기 위하여 부하분산 모듈을 주가하는 방법을 사용한다.
따라서 본 논문에서는 기존 DNS를 이용한 부하분산방식의 단점을 해결하기 위해 DNS를 수정하지 않고 사용자 응답시간이 빠른 새로운 부하분산 시스템을 제안한다. 제안하는 시스템은 사용자 요청을 균형적으로 분배하기 위해 라운드로빈 DNS를 기반으로 하며, DNS를 수정하지 않기 위해 BIND에서 제공하는 동적 DNS 갱신(dynamic DNS update)[10,ll] 방식을 이용한 부하분산 모듈을 추가한다.
본 논문에서 제안한 부하분산 시스템의 효율성을 측정하기 위하여 DNS의 부하를 측정하는 실험을 하였다. DNS에 등록된 서버들을 증가시키면서 DNS의 CPU와 네트워크의 사용량을 측정하였다.
할 요구사항들을 살펴본다. 본 논문에서는 기존 DNS를 이용하여 동적인 부하분산을 할 수 있는 시스템 구축을 목표로 하고 있다. DNS를 이용한 부하분산 시스템을 구현하기 위해서 DNS 프로토콜을 수정한다면 기존 DNS를 모두 바꾸고 재구성해야 하기 때문에 많은 시간과 비용이 소요된다.
본 논문에서는 기존의 라운드로빈 DNS 방식의 단점을 보완하고 다양한 컨텐츠에 대하여 분산 웹 서버의 동적 부하 분산을 위하여 DNS를 이용한 새로운 방식의 부하분 산시스템을 제안하였다. 이 시스템은 기존 라운드로빈 DNS에 부하분산 모듈을 추가하여 DNS를 수정하지 않고 부하분산 시스템을 구성하였다.
표 1은 기존 DNS 기반 부하분산 방법들의 장점과 단점을 정리한 표이다. 본 논문에서는 이러한 단점을 보완한 DNS를 수정하지 않고 서버와 네트워크의 동적인 부하를 고려하는 부하분산 시스템을 제안한다.
불균형이 발생한다. 본 논문에서는 캐싱에 의한 부하의 불균형을 막기 위하여 TTL 값을 최소로 설정한다. 작은 TTL 값이 시스템에 미치는 영향을 측정하기 위하여 TTL 값을 0에서 20초까지 증가하면서 CPU와 네트워크의 사용률을 측정하였다.
본 장에서는 기존 DNS 기반 부하분산 시스템의 단점을 보완한 새로운 부하분산 시스템을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 DNS 기반의 부하분산 시스템은 라운드로빈 방식을 기반으로 하며, 부하가 많은 서버들을 감시하여 사용자 요청을 받지 못하도록 한다.
실험을 통하여 본 논문에서 구현한 DNS 기반 부하분산 시스템이 제대로 동작하는지 살펴보았다. 서버를 모니터링하고 부하를 측정하여 최적의 서버 리스트를 유지하는 동안 DNS에 부하가 많이 발생하지 않는 것올 보였다.
가설 설정
부하가 많은 서버에 사용자 요청을 할당하지 않음으로써 사용자 응답시간이 느려지는 것을 방지할 수 있다. 또한 제안하는 시스템의 가장 큰 장점은 DNS를 수정하지 않는다는 것이다.
그러나 1초 이상일 경우에는 많이줄어들어는 것을 볼 수 있다. 온라인 방송이나 온라인교육과 같은 서비스들이 DNS에서 응답한 서버의 IP를가지고 오는 서비스 초기화 시간보다 서비스 받는 시간이 길기 때문에 한 클라이언트가 작은 TTL 값 동안 많은 질의가 발생하지 않는다고 가정한다.
반면에 TTL 값을 작게 함으로써 DNS의 처리가 많아져 부하가 증가할 수 있다. 하지만 인터넷 방송이나 VOD 서비스 같은 자원 사용이 많고 서비스 받는 시간이 긴 서비스에서는 크게 고려하지않아도 된다고 가정한다.
제안 방법
이 시스템은 기존 라운드로빈 DNS에 부하분산 모듈을 추가하여 DNS를 수정하지 않고 부하분산 시스템을 구성하였다. DNS 리스트에 둥록된 서버들의 부하 정보를 주기적으로 검사하여 한 서버로 집중될 수 있는 사용자의 요청을 효율적으로 분산한다. 분산 웹 시스템이 제공하는 서비스에 따라 CPU와 메모리, 네트워크 자원 사용량이 모두 다르다.
DNS 서버는 CPU 가 P-III 800MHz 이며 메모리 512MB, 100Mbps 이더넷 카드를 가지고 있다. DNS 응용프로그램을 위해 BIND 9를 설치하고 TSIG 키를 설정하였다. 실험에 사용한 도메인은 초기에 4대의 서버를 라운드로빈 방식으로 설정한 vdns.
하였다. DNS에 등록된 서버들을 증가시키면서 DNS의 CPU와 네트워크의 사용량을 측정하였다. 각 서버의 모니터링 에이전트가 DNS의 모니터링 데몬으로 부하정보를 주기적으로 보내기 때문에 부하정보 전송 주기에 따른 부하량도 측정하였다.
DNS에 등록된 서버들을 증가시키면서 DNS의 CPU와 네트워크의 사용량을 측정하였다. 각 서버의 모니터링 에이전트가 DNS의 모니터링 데몬으로 부하정보를 주기적으로 보내기 때문에 부하정보 전송 주기에 따른 부하량도 측정하였다. 그림 11은 서버의 수가 20대에서 200 대까지 증가할 때 부하정보 전송 주기에 따른 네트워크의 부하량을 보여준다.
다음은 본 논문에서 제안한 시스템인 DLBDNS와 라운드로빈 DNS를 이용한 부하분산 시스템의 평균 응답시간과 평균 파일 전송 속도를 측정하였다. 본 실험에서는 시스템의 성능을 측정하기 위하여 HTTP 부하생성프로그램인 SIEGE121]를 이용하였다.
부하가 많은 서버들을 DNS 리스트에서 삭제함으로써 시스템의 응답시간이 느려지는것을 막을 수 있다. 동적 부하분산을 위하여 시스템이제공하는 컨텐츠의 종류에 따라 CPU와 메모리, 네트워크의 자원 사용량에 가중치를 다르게 적용하여 서버들의 부하를 측정하는 알고리즘을 제안한다. 또한 본 논문에서 제안하는 시스템은 GUI 기반의 관리 도구를 사용하여 DNS를 손쉽게 관리할 수 있다.
첫째, 본 논문에서 구현한 시스템의 기능들을 수행하고 제대로 작동되는지 실험한다. 둘째, 본 논문에서 구현한 DNS 기반 부하분산 시스템의 효율성을 살펴보기 위하여 DNS의 네트워크와 CPU 의 부하량 변화를 측정하였다. 셋째, 작은 TTL 값이 시스템에 미치는 영향을 측정한다.
분산 웹 시스템이 제공하는 서비스에 따라 CPU와 메모리, 네트워크 자원 사용량이 모두 다르다. 따라서 서비스의 종류에 따라 각 자원의 사용량에 가중치를 다르게 적용하여 부하를 측정하는 정책을 사용한다. 라운드로빈 방식과 동적 갱신 프로토콜을 사용하여 부하가 많은 서버는 DNS 리스트에서 동적으로 삭제한다.
하는 것을 보였다. 또한 본 논문에서 구현한 각모듈들이 DNS에 많은 부하를 주지 않는 것을 볼 수 있었고 작은 TTL 값이 제안된 시스템에 미치는 영향을 측정하여 적합한 최소의 TTL 값을 측정하였다.
서버의 증가에 따라 부하 상태 정보를 주고받는 네트워크 부하가 증가할 것을 고려하여 UDP 패킷을 이용하여 통신하도록 한다. 또한 서버의 상태를 파악하기 위한 하트비트 패킷의 역할도 하도록 하여 추가적인 네트워크 부하를 줄이도록 한다.
셋째, 작은 TTL 값이 시스템에 미치는 영향을 측정한다. 마지막으로 기존 라운드로빈 DNS와의 성능을 비교 분석한다.
본 논문에서 제안하는 DNS 기반 부하분산 시스템의 구조는 그림 1에서 보는 것처럼 BIND와 동적 갱신 모듈, 모니터링 도구, 관리 도구로 구성되어 있다. DNS 서버는 라운드로빈 방식으로 서비스하도록 설정한다.
보완한 새로운 부하분산 시스템을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 DNS 기반의 부하분산 시스템은 라운드로빈 방식을 기반으로 하며, 부하가 많은 서버들을 감시하여 사용자 요청을 받지 못하도록 한다. 제안하는 시스템은 DNS 소프트웨어인 BIND를 그대로 사용하면서 부하분산을 할 수 있도록 모듈을 추가한다.
제안하는 시스템은 DNS 소프트웨어인 BIND를 그대로 사용하면서 부하분산을 할 수 있도록 모듈을 추가한다. 본 논문에서는 BIND를 재시동 하지 않고 동적으로 DNS 리스트를 갱신할 수 있도록 BIND의 동적 갱신 프로토콜을 사용한다. 동적 갱신 프로토콜을 이용하여 동적으로 서버들의 추가 또는 삭제가 가능하기 때문에 손쉬운 확장성을 보장할 수 있다.
본 논문에서는 동적인 부하분산을 위하여 그림 5와 같은 최적의 서버 유지 알고리즘을 수행한다. DNS에 등록된 서버는 n 대가 있다고 가정하며, 사용된 기호의 의미는 다음과 같다.
SIEGE는 실제 사용자의 행동을 대신하는 쓰레드를 생성하여 웹 서버에 접속하는 사용자 요청을 발생시킨다. 본 실험에서는 SIEGE를 이용하여 클라이언트가 30개에서 100개까지 증가하면서 DNS 시스템에서 둥록된 웹 서버에 3MB의 미디어 파일들을 125번 요청하도록 하였다. DNS 시스템에 등록된 서버는 4대의 웹 서버들이다.
그림 3에서보는 것과 같이 모니터링 도구는 모니터링 데몬과 모니터링 에이전트로 구성된다. 서버의 증가에 따라 부하 상태 정보를 주고받는 네트워크 부하가 증가할 것을 고려하여 UDP 패킷을 이용하여 통신하도록 한다. 또한 서버의 상태를 파악하기 위한 하트비트 패킷의 역할도 하도록 하여 추가적인 네트워크 부하를 줄이도록 한다.
모니터링 데몬은 에이전트에서 보내는 부하정보 패킷을 이용하여 서버가 동작하는지 판단한다. 에이전트가 보내는 UDP 패킷이 3번의 주기 동안 도착하지 않았을 경우에는 생성하였던 정보 파일을 삭제하도록 한다. 삭제된 서버는 DNS 정보에서 자동으로 삭제되도록 한다.
본 논문에서는 기존의 라운드로빈 DNS 방식의 단점을 보완하고 다양한 컨텐츠에 대하여 분산 웹 서버의 동적 부하 분산을 위하여 DNS를 이용한 새로운 방식의 부하분 산시스템을 제안하였다. 이 시스템은 기존 라운드로빈 DNS에 부하분산 모듈을 추가하여 DNS를 수정하지 않고 부하분산 시스템을 구성하였다. DNS 리스트에 둥록된 서버들의 부하 정보를 주기적으로 검사하여 한 서버로 집중될 수 있는 사용자의 요청을 효율적으로 분산한다.
본 논문에서는 캐싱에 의한 부하의 불균형을 막기 위하여 TTL 값을 최소로 설정한다. 작은 TTL 값이 시스템에 미치는 영향을 측정하기 위하여 TTL 값을 0에서 20초까지 증가하면서 CPU와 네트워크의 사용률을 측정하였다. 실험에 사용한 클라이언트는 4000개이며 gethostbynameO 시스템 콜을 이용하여 DNS에 쿼리를 보내어 평균을 구했다.
본 논문에서 제안하는 DNS 기반의 부하분산 시스템은 라운드로빈 방식을 기반으로 하며, 부하가 많은 서버들을 감시하여 사용자 요청을 받지 못하도록 한다. 제안하는 시스템은 DNS 소프트웨어인 BIND를 그대로 사용하면서 부하분산을 할 수 있도록 모듈을 추가한다. 본 논문에서는 BIND를 재시동 하지 않고 동적으로 DNS 리스트를 갱신할 수 있도록 BIND의 동적 갱신 프로토콜을 사용한다.
제안하는 시스템은 사용자 요청을 균형적으로 분배하기 위해 라운드로빈 DNS를 기반으로 하며, DNS를 수정하지 않기 위해 BIND에서 제공하는 동적 DNS 갱신(dynamic DNS update)[10,ll] 방식을 이용한 부하분산 모듈을 추가한다. 서버들의 상태를 파악하기 위해 모니터링 모듈을 추가한다.
다양한 실험을 한다. 첫째, 본 논문에서 구현한 시스템의 기능들을 수행하고 제대로 작동되는지 실험한다. 둘째, 본 논문에서 구현한 DNS 기반 부하분산 시스템의 효율성을 살펴보기 위하여 DNS의 네트워크와 CPU 의 부하량 변화를 측정하였다.
대상 데이터
실험에 사용된 DNS 서버는 실제 네임서버 ns.grid.or.kr을서비스하고 있는 시스템을 사용하였다. DNS 서버는 CPU 가 P-III 800MHz 이며 메모리 512MB, 100Mbps 이더넷 카드를 가지고 있다.
DNS 응용프로그램을 위해 BIND 9를 설치하고 TSIG 키를 설정하였다. 실험에 사용한 도메인은 초기에 4대의 서버를 라운드로빈 방식으로 설정한 vdns.grid.or.kr을 사용하였다. 각 서버는 CPU가 P-IV 3GHz, 메모리 1GB, 100Mbps 이더넷 카드를 가지고 있으며, 운영체제는 리눅스를 설치하였다.
작은 TTL 값이 시스템에 미치는 영향을 측정하기 위하여 TTL 값을 0에서 20초까지 증가하면서 CPU와 네트워크의 사용률을 측정하였다. 실험에 사용한 클라이언트는 4000개이며 gethostbynameO 시스템 콜을 이용하여 DNS에 쿼리를 보내어 평균을 구했다.
이론/모형
평균 파일 전송 속도를 측정하였다. 본 실험에서는 시스템의 성능을 측정하기 위하여 HTTP 부하생성프로그램인 SIEGE121]를 이용하였다. SIEGE는 실제 사용자의 행동을 대신하는 쓰레드를 생성하여 웹 서버에 접속하는 사용자 요청을 발생시킨다.
성능/효과
펄(perl)을 이용하여 만든 DNS 이다. Ibnamed는 기존 DNS 프로토콜을 수정하지 않고 만들었으며, 기존 DNS 응용프로그램인 BIND와도 호환이 가능하도록 구현되었다. Ibnamed는 서버들의 부하를 동적으로 파악하여 부하가 가장 작은 쪽으로 사용자 요청을 연결하는 방법을 사용한다.
서버의 수가 증가하면서 CPU 사용률이 증가하는 것을 볼 수있다. 네트워크 사용률과 마찬가지로 부하정보 전송 주기가 길어질수록 CPU 부하는 작아지고 전송 주기가 짧아질수록 CPU 사용률이 증가하는 것을 볼 수 있다. 서버가 200대일 경우 최대 1.
첫째, DNS는 서버의 상태를 모르기 때문에 부하가 많은 서버나 서비스를 할 수 없는 서버에 사용자 요청을 할당할 수 있다. 둘째, DNS의 캐싱은 DNS가 모든 사용자 요청을 제어하지 못하게 하므로 부하의 불균형을 가지고 온다.
클라이언트 수가 증가하면서 파일 전송률의 감소 폭이 라운드로빈 DNS는 크지만 DLBDNS는 작다. 따라서 DLBDNS가 라운드로빈 DNS보다 효율적인 부하 분산을 한다는 것을 알 수 있다
동적 부하분산을 위하여 시스템이제공하는 컨텐츠의 종류에 따라 CPU와 메모리, 네트워크의 자원 사용량에 가중치를 다르게 적용하여 서버들의 부하를 측정하는 알고리즘을 제안한다. 또한 본 논문에서 제안하는 시스템은 GUI 기반의 관리 도구를 사용하여 DNS를 손쉽게 관리할 수 있다.
실험을 통하여 본 논문에서 추가한 모듈들이 기존 DNS 시스템에 영향을 크게 미치지 않는 것을 보였다. 또한 본 논문에서 제안한 시스템이 기존 라운드로빈 DNS보다 성능이 우수하고 효율적으로 부하를 분산하는 것을 보였다.
본 논문에서 구현한 DNS 기반 부하분산 시스템은 관리 도구의 GUI를 통해 DNS를 재시동 하지 않고 DNS 리스트를 손쉽게 관리할 수 있다. 그림 5는 관리 도구를 이용하여 DNS 의 서버 리스트를 동적으로 추가하는 그림이다.
TTL 값을 0으로 설정하였을 때보다 TTL 값을 크게 할수록 DNS에 부하를 줄여주기 때문에 응답시간이 빠르다는 것을 볼 수 있다. 본 논문에서 제안한 시스템은 앞에서 실험한 네트워크과 CPU의 사용률을 고려하면 TTL 값이 2초알 때 가장 효율적인 성능을 보인다는 것을 알 수 있다.
파일 전송률에 관한 실험 결과이다. 본 실험 결과에서 사용자 응답시간과 파일 전송률이 DLBDNS가 라운드로빈 DNS보다 빠른 성능을 보였다. 클라이언트의 수가 증가하면서 네트워크 부하가 증가하기 때문에 사용자 응답시간이 증가하는 것을 볼 수 있다.
서버 리스트를 유지하는 과정에서 부하가 많이 발생하면 시스템 전체에 영향을 미칠 수 있다. 본 실험에서 동적 갱신 모듈과 모니터링 도구가 DNS 시스템의전체 성능에 미치는 영향이 크지 않다는 것을 알 수 있다. 또한 부하정보 전송 주기는 네트워크와 CPU의 사용률과 트레이드오프 관계가 있는 것을 볼 수 있다.
시스템이 제대로 동작하는지 살펴보았다. 서버를 모니터링하고 부하를 측정하여 최적의 서버 리스트를 유지하는 동안 DNS에 부하가 많이 발생하지 않는 것올 보였다. 또한 작은 TTL 값이 시스템에 미치는 영향을 측정하여 적합한 최소의 TTL 값을 측정할 수 있다.
실험을 통하여 본 논문에서 구현한 DNS 기반 부하분산 시스템이 기존 라운드로빈 DNS보다 효율적으로 부하분산 하는 것을 보였다. 또한 본 논문에서 구현한 각모듈들이 DNS에 많은 부하를 주지 않는 것을 볼 수 있었고 작은 TTL 값이 제안된 시스템에 미치는 영향을 측정하여 적합한 최소의 TTL 값을 측정하였다.
GUI 기반의 관리 도구는 관리자가 손쉽게 DNS를 관리할 수 있도록 인터페이스를 제공한다. 실험을 통하여 본 논문에서 추가한 모듈들이 기존 DNS 시스템에 영향을 크게 미치지 않는 것을 보였다. 또한 본 논문에서 제안한 시스템이 기존 라운드로빈 DNS보다 성능이 우수하고 효율적으로 부하를 분산하는 것을 보였다.
그러나 DNS 기반 부하분산 방법은 다음과 같은 두 가지 문제점이 있다. 첫째, DNS는 서버의 상태를 모르기 때문에 부하가 많은 서버나 서비스를 할 수 없는 서버에 사용자 요청을 할당할 수 있다. 둘째, DNS의 캐싱은 DNS가 모든 사용자 요청을 제어하지 못하게 하므로 부하의 불균형을 가지고 온다.
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