大規(guī)模MPLS網(wǎng)絡(luò)中的新興技術(shù)

2019-11-03 10:23:33

字體：大中小

供稿：網(wǎng)友

楊洋，伍俊洪，李惠杰，林孝康

清華大學電子工程系微波與數(shù)字通信國家重點實驗室

　　摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大，選擇一個完善的網(wǎng)絡(luò)管理框架并有效降低標簽需求量對于MPLS網(wǎng)絡(luò)而言顯得十分重要。為此，探討了基于策略的MPLS管理以及Trainet等近年來出現(xiàn)的大規(guī)模MPLS網(wǎng)絡(luò)新興技術(shù)，并與現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)進行了比較。

　　關(guān)鍵詞：通信網(wǎng)；多協(xié)議標簽交換；可擴展性；基于策略的MPLS管理；Trainet

一、引言

　　多協(xié)議標簽交換，即MPLS（Multiprotocol Label Switching），是一種在通信網(wǎng)內(nèi)利用定長的標簽來引導數(shù)據(jù)高速傳輸和交換的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。自1997年由IETF（Internet Engineering Task Force）提出以來，MPLS技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，并被評為1999年十大熱門通信技術(shù)之一。但是隨著網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模越來越大，MPLS面臨著一些問題亟待解決。首先，MPLS對于一個完善的網(wǎng)絡(luò)管理框架的需求已經(jīng)變得非常迫切。網(wǎng)絡(luò)管理作為網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是保證網(wǎng)絡(luò)高效、安全運行的必要支撐手段，這在大規(guī)模通信網(wǎng)絡(luò)的運行中尤為明顯。MPLS作為新一代的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，必須借助完善的網(wǎng)絡(luò)管理功能才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。但MPLS技術(shù)的實現(xiàn)比較復雜，除了對底層介質(zhì)的要求很高之外，它還是一個軟件密度很大的協(xié)議結(jié)構(gòu)。此外，MPLS網(wǎng)絡(luò)管理要針對MPLS網(wǎng)絡(luò)的特點，如可變業(yè)務(wù)等級，多種業(yè)務(wù)類型，面向連接的環(huán)境等，還必須分離設(shè)備中軟件和硬件的功能管理，因此MPLS網(wǎng)絡(luò)管理框架的設(shè)計既是一個難點，同時又是一個研究熱點。目前MPLS可采用的網(wǎng)絡(luò)管理框架包括SNMPv3（Simple Network Management PRotocol version 3）網(wǎng)絡(luò)管理框架以及基于策略的MPLS管理框架等。SNMP在計算機網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用非常廣泛，但由于SNMP基于輪詢機制，是一種異步請求/響應(yīng)協(xié)議，因此存在一定的性能問題，并不是大規(guī)模MPLS網(wǎng)絡(luò)管理框架的理想選擇。相比之下，隨著基于策略的管理方法日漸成熟，基于策略的MPLS管理慢慢引起了人們的注意。它采用分層結(jié)構(gòu)，將設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)管理和服務(wù)管理分離，較為適合大規(guī)模MPLS網(wǎng)絡(luò)的管理，因此本文將重點討論這種方案，并對其與傳統(tǒng)網(wǎng)管方案的優(yōu)劣進行分析比較。

　　除了完善的網(wǎng)絡(luò)管理框架，在保持甚至提高MPLS網(wǎng)絡(luò)性能的基礎(chǔ)上，如何有效減小每個LSR以及整個網(wǎng)絡(luò)的標簽需求量對于大規(guī)模MPLS網(wǎng)絡(luò)來說也有著至關(guān)重要的意義。降低標簽需求量，就意味著提高了整個MPLS網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。FEC（Forwarding Equivalent Class）聚合、標簽合并等技術(shù)可以在一定程度上減小標簽的需求量，且這些技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在其它很多文獻中都有詳細介紹，因此本文將重點探討Trainet［1］這一最近出現(xiàn)的新技術(shù)，它可以有效降低標簽需求量，提高整個網(wǎng)絡(luò)的可擴展性，是在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大的情況下對MPLS技術(shù)的改進與發(fā)展。二、基于策略的MPLS管理

　　　　1．MPLS策略框架

　　所謂策略，根據(jù)IETF的定義就是指一系列管理規(guī)則的集合。每條規(guī)則由條件和操作構(gòu)成，當網(wǎng)絡(luò)環(huán)境滿足規(guī)則的條件時執(zhí)行規(guī)則定義的相應(yīng)操作。而基于策略的管理，就是指網(wǎng)絡(luò)自動根據(jù)已確定的策略，去實施信息存取、傳輸以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的監(jiān)控與配置，提供優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)所必須的各項服務(wù)。

　　　　IETF策略框架如圖1所示，它由策略執(zhí)行點（PEP，即Policy Enforcement Points）、策略決策點（PDP，即Policy Decision Points）、管理控制臺以及用于存儲策略集、用戶和網(wǎng)絡(luò)資源信息的目錄服務(wù)器組成，其中PDP通常又稱為策略服務(wù)器。PEP是執(zhí)行和實現(xiàn)策略的實際網(wǎng)絡(luò)裝置，它接收來自設(shè)備的策略服務(wù)請求并轉(zhuǎn)發(fā)給PDP，同時觸發(fā)位于PDP中的策略決策引擎（PDE，即Policy Decision Engine），PDE將根據(jù)請求中的相關(guān)參數(shù)從目錄服務(wù)器中讀取資源信息和策略模式，通過推理和一致性的檢測來進行策略決策，并把結(jié)果發(fā)往PEP，由PEP具體執(zhí)行相關(guān)操作。而管理控制臺主要用于輸入和編輯策略，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。上述IETF策略框架主要通過對設(shè)備進行配置來管理基于DiffServ/IntServ的IP網(wǎng)絡(luò)，并未考慮MPLS的技術(shù)特點，因此必須對現(xiàn)有的策略框架進行相應(yīng)擴展以實現(xiàn)基于策略的MPLS管理。MPLS的策略框架［2］不能限于僅僅對單個設(shè)備進行管理，而是應(yīng)該根據(jù)相關(guān)策略實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)元素的一致性配置以支持MPLS網(wǎng)絡(luò)正常運行，并可實現(xiàn)自動的流量工程。

　　首先需要建立一個MPLS網(wǎng)絡(luò)模型以便進行探討。MPLS的設(shè)計實際上就是面向區(qū)分服務(wù)模型的，因此可以將MPLS與DiffServ結(jié)合在一起保證網(wǎng)絡(luò)QoＳ（Quality of Ｓervice）的實現(xiàn)。本文將基于單區(qū)域MPLS/DiffServ模型展開探討。

　　由于需在不同層次上對不同網(wǎng)絡(luò)元素進行基于策略的管理，因此可在圖1所示IETF策略框架的基礎(chǔ)之上設(shè)計一個三層結(jié)構(gòu)的策略服務(wù)器，從上至下依次為服務(wù)級策略、網(wǎng)絡(luò)級策略和設(shè)備級策略。這樣既可以明確不同層次的具體功能，又可以更好地定義PDE驅(qū)動事件。由于MPLS/DiffServ網(wǎng)絡(luò)可提供的服務(wù)目前還在探討之中，不很成熟，因此基于策略的服務(wù)級管理也還有待作進一步的研究與發(fā)展。下面將詳細討論設(shè)備級和網(wǎng)絡(luò)級的管理技術(shù)。

　　　　2．基于策略的設(shè)備級管理

　　設(shè)備級管理主要是指對MPLS/DiffServ路由器的DiffServ部分進行配置。策略服務(wù)器需要根據(jù)路由器的性能信息來作出與設(shè)備相關(guān)的決策并對其進行合理的配置。在MPLS/DiffServ網(wǎng)絡(luò)模型中，路由器的相關(guān)性能信息包括加權(quán)包調(diào)度器的可用性、可配置的隊列、鏈路帶寬、MPLS的信令協(xié)議信息等等，而策略服務(wù)器將要對轉(zhuǎn)發(fā)包調(diào)度器的權(quán)重、隊列的長度以及排隊規(guī)則等作出合理決策。

　　　　3．基于策略的網(wǎng)絡(luò)級管理

　　網(wǎng)絡(luò)級管理主要針對標簽交換路徑（LSP，即Label Switched Path），包括生存周期管理、信令控制、從流量到LSP的映射、LSP之間的映射以及LSP角色指定等內(nèi)容。

　　生存周期管理是指將基于策略的管理思想植入LSP的整個生存周期，包括建立、釋放和更新LSP等一系列操作。這些操作的觸發(fā)和中止都應(yīng)該由策略服務(wù)器來控制。

　　信令協(xié)議必須在策略管理的控制下實現(xiàn)（參見圖2）。舉個簡單的例子，當建立一條有QoＳ參數(shù)要求的LSP時，策略服務(wù)器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源情況以及其它性能參數(shù)將會做出允許、拒絕或者是更為精細的決策，例如提供一個較小的帶寬值。

　　流量映射主要由MPLS域的邊緣LSR完成，但是如果建立了隧道，那么核心LSR也有可能建立流量到LSP的映射。流量映射的策略可以根據(jù)實際需要制定，例如可以將去往同一出口LSR的流量映射到同一條LSP上。

　　　　MPLS的一個重要應(yīng)用就是流量工程，在基于策略的MPLS管理技術(shù)中，流量工程的實現(xiàn)可以視為從LSP到其它LSP的映射。這種映射的原理和流量映射近似，只是在策略服務(wù)器中需要進行映射的對象不同而已，由此可以容易地實現(xiàn)自動流量工程。

　　　　4．基于策略的MPLS管理與傳統(tǒng)網(wǎng)管的比較

　　通過對基于策略的MPLS管理和傳統(tǒng)MPLS網(wǎng)管運行機制的分析可以將兩者的優(yōu)劣做如下比較：

　　　　(1)在基于策略的管理方案中，整個網(wǎng)絡(luò)被視為一個整體，可利用策略信息模型對其進行建模，策略信息存放在一個邏輯意義上集中的服務(wù)器內(nèi)，易于進行全局管理。而在傳統(tǒng)網(wǎng)管模式中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、接口、隊列等對象的管理都基于設(shè)備級數(shù)據(jù)模型，其控制方式也彼此獨立，難以進行全局管理與協(xié)調(diào)；

　　　　(2)可以在基于策略的MPLS管理中引入面向?qū)ο蟮牟呗孕畔⒛Ｐ停@樣網(wǎng)絡(luò)發(fā)生的變化可通過策略結(jié)構(gòu)體的形式進行描述。基于策略的管理系統(tǒng)可以自動修改網(wǎng)絡(luò)行為，從而避免了在多個LSR中分別修改管理信息，提高了網(wǎng)管的效率。而在傳統(tǒng)網(wǎng)管模式中，一旦網(wǎng)絡(luò)狀況發(fā)生變化或引入新的業(yè)務(wù)，相關(guān)LSP中所有LSR的管理信息庫都要進行相應(yīng)的修改，效率十分低下；

　　　　(3)在基于策略的MPLS網(wǎng)絡(luò)管理中，還可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)元素角色的不同制定相應(yīng)的策略，這是傳統(tǒng)網(wǎng)管所難以實現(xiàn)的。例如可以為每條LSP指定一個“LSP角色”，以便于策略服務(wù)器根據(jù)不同LSP的角色進行合理決策，實現(xiàn)相應(yīng)的操作。一條LSP可以是“首要”、“次要”、“備份”以及“隧道”等不同角色。“次要”LSP可以用來分擔“首要”LSP的流量，使網(wǎng)絡(luò)資源的利用趨于均衡。當“首要”LSP出現(xiàn)故障時，可以啟用“備份”LSP，這樣網(wǎng)絡(luò)將更加可靠。而“隧道”LSP可以用來為其它LSP提供路由服務(wù)，實現(xiàn)流量工程。

　　通過上述比較可以發(fā)現(xiàn)，基于策略的MPLS管理降低了網(wǎng)管的復雜性，符合網(wǎng)絡(luò)運行的內(nèi)在規(guī)律，提高了大規(guī)模MPLS網(wǎng)絡(luò)的性能。但是應(yīng)當看到這種網(wǎng)管模式也存在著一些有待改進的問題。目前基于策略的MPLS管理框架中檢測策略沖突的機制不夠完善，同時策略條件和相應(yīng)操作的定義通用性不強，因此在不同的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)可能導致策略編輯出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象。此外，還應(yīng)該繼續(xù)完善基于策略的服務(wù)級管理，實現(xiàn)用戶請求到相關(guān)服務(wù)的映射，并且在多區(qū)域中實現(xiàn)互操作。

三、Trainet技術(shù)

　　　　1．Trainet技術(shù)思想

　　　　Trainet是MPLS的一個擴展方案，因其運行機制類似大型市區(qū)的地鐵網(wǎng)絡(luò)而得名。Trainet技術(shù)對MPLS的改進主要基于兩點。首先，引入〈標簽，跳數(shù)〉對代替?zhèn)鹘y(tǒng)MPLS網(wǎng)絡(luò)中使用的標簽，其中跳數(shù)表示在標簽指定的LSP上數(shù)據(jù)包還要經(jīng)過的LSR個數(shù)。這就如同地鐵乘客在中途需要知道還有幾站才能到達目的地一樣，所以在Trainet方案中LSP被稱作列車線路（TL，即Train-Line）。當跳數(shù)值為0時，數(shù)據(jù)包到達目的LSR。第二個改進思想是利用多個〈標簽，跳數(shù)〉對組成序列使得不同TL前后銜接，構(gòu)成一條多TL路由，就如同地鐵乘客在到達目的地之前要多次換乘不同列車一樣。下面將詳細討論拓撲驅(qū)動的TL建立和多TL路由技術(shù)。

　　　　2．拓撲驅(qū)動的TL建立

　　討論拓撲驅(qū)動的TL建立有2個前提條件。首先，在Trainet中任意2個LSR之間都有TL直接互通；其次，這條TL由最短路徑算法建立。

　　根據(jù)上述條件，建立從源節(jié)點R到任意目的節(jié)點的TL需要構(gòu)造一個以R為根的最短路徑樹。利用OSPF（Open Shortest Path First）的思想，可以通過在相鄰LSR之間不斷交換最短路徑信息來更新當前的最短路徑樹，這樣，TL可以隨著網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化得到相應(yīng)更新。在R的ILM（Incoming Label Map）表中，到達該最短路徑樹的任何一個葉子節(jié)點將有一條不同的TL，而在FEC表中對應(yīng)于每個目的節(jié)點有一個〈標簽，跳數(shù)〉對，其中標簽所指定的TL會經(jīng)過此目的結(jié)點，跳數(shù)表示數(shù)據(jù)包從R傳到目的節(jié)點需要經(jīng)過的LSR數(shù)目。可以證明，至少需要為最短路徑樹的每個葉子節(jié)點分發(fā)一個不同的TL標簽，才能實現(xiàn)從根結(jié)點出發(fā)只經(jīng)過一條TL就可到達任意目的結(jié)點。

　　　　3．多TL路由技術(shù)

　　在多TL路由的實現(xiàn)過程中利用了MPLS的堆棧機制。每個LSR都將對到達數(shù)據(jù)包頭最上層〈標簽，跳數(shù)〉對中的跳數(shù)值進行檢查，在大于0的情況下對跳數(shù)值作減1處理并根據(jù)標簽指定的TL繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，否則將彈出當前的最上層〈標簽，跳數(shù)〉對，然后根據(jù)新的最上層標簽所指定的TL對數(shù)據(jù)包進行轉(zhuǎn)發(fā)。這種情況下也可以在TL的倒數(shù)第二跳就彈出標簽，這樣TL的目的LSR可直接將數(shù)據(jù)包在新的TL上進行轉(zhuǎn)發(fā)，這通常被稱作倒數(shù)第二跳彈出機制，已在MPLS網(wǎng)絡(luò)中廣泛采用。

　　如果需要建立的顯式路由所經(jīng)過的路徑都已經(jīng)被網(wǎng)絡(luò)已有的不同TL覆蓋，那么根據(jù)每個LSR中TL信息存儲的不同情況，可分別討論2種多TL顯式路由的建立技術(shù)。

　　一種情況是每個LSR中都存有從自身經(jīng)過的所有TL的詳細信息，這包括每條TL的具體路由以及從該LSR到每條TL途經(jīng)的各個LSR之間的跳數(shù)值等等。這種情況下建立多TL顯式路由的算法是，在所有從源LSR經(jīng)過的TL中選擇一條在顯式路由所在路徑上延伸距離最長（即LSR跳數(shù)值最大）的TL，這就是組成多TL顯式路由的第一段TL。將該TL的標簽和相應(yīng)跳數(shù)值以〈標簽，跳數(shù)〉對的形式記入路由建立消息，并使其沿著這條TL傳輸?shù)綄?yīng)于最大跳數(shù)值的LSR。然后再以這個LSR為源節(jié)點，重復上述算法，直至最終到達顯式路由的目的節(jié)點。此時應(yīng)將路由建立消息傳回源節(jié)點以完成顯式路由的建立。路由建立消息中提供了一個〈標簽，跳數(shù)〉對序列，它指定了從源節(jié)點到目的節(jié)點的顯式路由。可以證明，對于給定的顯式路由，上述算法所確定的TL數(shù)目最少。

　　另一種情況是LSR中沒有從自身經(jīng)過的TL的詳細信息，在這種情況下需要利用LSR中的ILM表和FEC表來建立顯式路由。源LSR在路由建立消息中記入覆蓋顯式路由第一段鏈路的所有TL后將此消息傳向下游LSR，后者在路由建立消息中保留那些仍然覆蓋顯式路由后續(xù)鏈路的TL，并繼續(xù)向下游傳遞，直到某個LSR發(fā)現(xiàn)已經(jīng)沒有繼續(xù)覆蓋顯式路由后續(xù)鏈路的TL，這時仍然留在路由建立消息中的TL就是顯式路由的第一段TL。然后再以這個LSR為源節(jié)點，重復上述算法，直至最終到達顯式路由的目的節(jié)點。

　　在第一種情況中，由于無需攜帶TL集，因此路由建立消息數(shù)據(jù)量較小，但是每個LSR中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較為復雜；而在第二種情況中恰恰相反。實際應(yīng)用中可以考慮將這兩種方法混合使用，以使路由建立消息和LSR的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都不至于太復雜。

　　為了減少標簽使用量，在TL的建立過程中，如果所在鏈路有一部分被已有的TL覆蓋，并且該TL的末端LSR也在該鏈路上，那么在此LSR之前的所有節(jié)點都可以在新建TL中使用已有TL的相應(yīng)標簽。如何更好地利用網(wǎng)絡(luò)已有的TL，使網(wǎng)絡(luò)資源的使用更加均衡，同時降低路由的建立開銷，這是一個復雜的優(yōu)化問題，本文不作過多討論。

　　　　4．Trainet技術(shù)與現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)的比較

　　通過對Trainet技術(shù)思想和具體實現(xiàn)的分析和討論，我們可以將其與傳統(tǒng)MPLS等相關(guān)技術(shù)進行以下比較：

　　　　(1)Trainet技術(shù)通過引入〈標簽，跳數(shù)〉對代替了傳統(tǒng)MPLS網(wǎng)絡(luò)中使用的標簽。這樣，一個標簽可以指定一條LSP的所有子路徑，從而提高了每個標簽的利用率。這項技術(shù)使得在一條LSP上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包可根據(jù)自身需要停止于其經(jīng)過的任何一個LSR，而在MPLS網(wǎng)絡(luò)里數(shù)據(jù)包必須到達LSP上的最后一個LSR。舉個簡單的例子，在環(huán)形MPLS網(wǎng)絡(luò)中，需要為每一個可能的目的節(jié)點分發(fā)不同的標簽。而在Trainet中不論環(huán)形網(wǎng)的規(guī)模如何，只需為順時針和逆時針兩個方向各分配一個標簽，通過〈標簽，跳數(shù)〉對中的跳數(shù)值即可確定目的節(jié)點；

　　　　(2)拓撲驅(qū)動的TL建立方案可以有效減少每個LSR的標簽需求，所節(jié)約的標簽數(shù)量應(yīng)等于最短路徑樹中全部節(jié)點與葉子節(jié)點數(shù)量之差。根據(jù)圖論的相關(guān)理論可知，k元正則樹中葉子節(jié)點與所有節(jié)點數(shù)量之比為(k-1)/k。如果以k元正則樹結(jié)構(gòu)來近似最短路徑樹的話，拓撲驅(qū)動的TL建立方案將比MPLS節(jié)省1/k的標簽量。根據(jù)文獻［３］中對Internet的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，實際網(wǎng)絡(luò)中k的典型值較小，以k=3估算則標簽節(jié)省率達1/3；

　　（３）MPLS可以通過顯式路由實現(xiàn)流量工程，但是需要為每條顯式路由分配不同的標簽，這將大大增加系統(tǒng)內(nèi)的標簽需求量。在IP技術(shù)中實現(xiàn)顯式路由需要在每個數(shù)據(jù)包頭中記錄該顯式路由所要經(jīng)過的所有路由器信息，這將增加包開銷，并加重路由器的處理負擔，顯然也不能令人滿意。而Trainet技術(shù)利用多個〈標簽，跳數(shù)〉對組成序列使不同的TL前后銜接形成一條多TL路由，這樣既能保持較小的包頭開銷，又可在基于標簽的交換網(wǎng)絡(luò)中降低標簽使用量，是實現(xiàn)顯式路由較為理想的選擇。

　　通過上述比較可以看出，Trainet技術(shù)減少了整個MPLS網(wǎng)絡(luò)和每個LSR的標簽使用量，對于給定的標簽量，可以支持更多的業(yè)務(wù)流和更大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，此外Trainet技術(shù)還可以通過利用網(wǎng)絡(luò)中已有的LSP進行數(shù)據(jù)傳輸從而減小LSP的建立開銷。

　　雖然具有諸多優(yōu)點，但Trainet技術(shù)的應(yīng)用必須滿足下面２個條件：首先，由于引入了〈標簽，跳數(shù)〉對，從而每個LSR都必須具有判斷到達數(shù)據(jù)包中跳數(shù)值是否為0以及對跳數(shù)值進行減1的功能，因此這項技術(shù)必須得到LSR的硬件支持；其次，在多TL路由技術(shù)中，需要利用MPLS的堆棧機制，LSR應(yīng)具有壓入和彈出標簽的功能。

四、結(jié)束語

　　本文探討了在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大的技術(shù)背景下，MPLS面臨的問題以及相應(yīng)的改進與發(fā)展。基于策略的MPLS管理突破了傳統(tǒng)網(wǎng)管僅僅對設(shè)備進行配置的局限性，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實時資源情況，制定相關(guān)策略實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)元素的一致性配置，降低了網(wǎng)管的復雜性，提出了一個解決問題的新思路。而Trainet技術(shù)在MPLS的基礎(chǔ)之上引入〈標簽，跳數(shù)〉對的概念，有效降低了系統(tǒng)的標簽需求量，在改善網(wǎng)絡(luò)性能的同時提高了可擴展性。這些新技術(shù)無疑將推動MPLS網(wǎng)絡(luò)向著更完善、更靈活、可用性更高的方向繼續(xù)發(fā)展。

參考文獻

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摘自　北極星電技術(shù)網(wǎng)

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