计算机网络浅析

2021-08-26  本文已影响0人  Java架构大仙

网络层协议

01 | IPv4 协议：路由和寻址的区别是什么

如果说传输层协议，除了 TCP/UDP，我们还可以有其他选择，比如 Google 开发的 QUIC 协议，帮助在传输层支持 HTTP 3.0 传输。但是在网络层，IP 协议几乎一统天下。IP 协议目前主要有两个版本 IPv4 和 IPv6。

1.1 | 什么是IP协议

IP 协议（Internet Protocol）是一个处于垄断地位的网络层协议。 IPv4 就是 IP 协议的第 4 个版本，是目前互联网的主要网络层协议。IPv4 为传输层提供 Host-To-Host 的能力，IPv4 需要底层数据链路层的支持。

IP 协议并不负责数据的可靠性。传输数据时，数据被切分成一个个数据封包。IP 协议上层的传输层协议会对数据进行一次拆分，IP 协议还会进一步进行拆分。进行两次拆分是为了适配底层的设备。

再复习一下可靠性，可靠性保证数据无损地到达目的地。可靠性是 IP 协议上方的 Host-To-Host 协议保证的，比如 TCP 协议通过应答机制、窗口等保证数据的可靠性。

IP 协议自身不能保证可靠性。比如 IP 协议可能会遇到下面这几个问题：

但是 IP 协议并不会去处理这些问题，因为网络层只专注解决网络层的问题， 而且不同特性的应用在不同场景下需要解决的问题不一样。对于网络层来说，这里主要有 3 个问题要解决：

这三个是鱼和熊掌不能兼得

另外，IP 协议目前主要有两种架构，一种是 IPv4，是目前应用最广泛的互联网协议；另一种是 IPv6，目前世界各地正在积极地部署 IPv6。

1.2 | IP协议的工作原理

IP 协议接收 IP 协议上方的 Host-To-Host 协议传来的数据，然后进行拆分，这个能力叫作分片（Fragmentation）。然后 IP 协议为每个片段（Fragment）增加一个 IP 头（Header），组成一个IP 封包（Datagram）。之后，IP 协议调用底层的局域网（数据链路层）传送数据。最后 IP 协议通过寻址和路由能力最终把封包送达目的地。

1.2.1 | 分片（Fragmentation）

分片就是把数据切分成片。 IP 协议通过它下层的局域网（链路层）协议传输数据，因此需要适配底层传输网络的传输能力。

数据太大通常就不适合底层网络传输，这就需要把大的数据切片。 当然也可能选择不切片，IP 协议提供了一个能力就是把封包标记为不切片，当底层网络看到不切片的封包，又没有能力传输的时候，就会丢弃这个封包。要注意，在网络环境中往往存在多条路径，一条路径断了，说不定其他路径可以连通。

1.2.2 | 增加协议头（IP Header）

切片完成之后，IP 协议会为每个切片（数据封包 Datagram）增加一个协议头。一个 IPv4 的协议头看上去就是如下图所示的样子：

其中分成 4 个部分。

1.3 | 延迟、吞吐量、丢包率

Pv4 协议中提供了一个叫作 Type of Service（服务类型）的字段。这个字段是为了在延迟、吞吐量和丢包率三者间选择。

1.3.1 | 延迟（latency）

延迟指的是 1 bit 的数据从网络的一个终端传送到另一个终端需要的时间。这个时间包括在发送端准备发送的时间、排队发送的时间、发送数据的时间、数据传输的时间等。

1.3.2 | 吞吐量（Throughput）

吞吐量指单位时间内可以传输的平均数据量。比如用 bit/s 作为单位，就是 bps。

吞吐量和延迟没有联系，比如延迟很高的网络，有可能吞吐量很高。可以类比成水管很大流速很慢，对比水管很细流速很快，这两种情况，最终流量可以是相等的。

1.3.3 | 丢包率（Packet loss）

丢包率指发送出去的封包没有到达目的地的比例。 在最大流速确定的网络中，丢包率会直接影响吞吐量。

我们的网络有时候需要低延迟，比如玩一款 RTS 游戏或者 Moba 游戏，这种时候延迟非常重要。另外如果把延迟看作一个平均指标，丢包也会影响延迟——一个包丢了，需要重发。而有的应用需要高吞吐量，延迟不是很重要，比如说网盘下载文件。大部分应用期望丢包不能太严重，比如语音电话，少量丢包还能听清，大量丢包就麻烦了，根本听不清对方说什么。严格希望不丢包的应用比较少，只有极特殊的网络控制管理场景，才需要在互联网层要求不丢包。

当然这三个条件，通常不能同时满足。如果同时追求延迟、吞吐量、丢包率，那么对网络设备的要求就会非常高，说白了就会非常贵。因此 IP 协议头中的 Type of Service 字段里，有以下 4 种主要的类型可以选择：

1.4 | 寻址（Addressing）

地址想要表达的是一个东西在哪里。寻址要做的就是：给一个地址，然后找到这个东西。IPv4 协议的寻址过程是逐级寻址。

1.4.1 | IPv4地址

IPv4 地址是 4 个 8 位（Octet）排列而成，总共可以编址 43 亿个地址。

比如 103.16.3.1 就是一个合法的 Ipv4 地址。4 组数字用.分开，是为了让人可读，实际上在内存和传输过程中，就是直接用 32 位。

你可以观察一下103.16.3.1的二进制，如下图所示：

1.4.2 | 寻址过程

寻址就是如何根据 IP 地址找到设备。

因为 IPv4 的世界中，网络是一个树状模型。顶层有多个平行的网络，每个网络有自己的网络号。然后顶层网络下方又有多个子网，子网下方还有子网，最后才是设备。

IP 协议的寻址过程需要逐级找到网络，最后定位设备。下面具体分析下这个过程。

步骤一：找到顶层网络
比如103.16.3.1最顶层的网络号可以和255.0.0.0（子网掩码）做位与运算得到

103.16.3.1 & 255.0.0.0 = 103.0.0.0

因此103.0.0.0就是103.16.3.1所在的顶层网络。255.0.0.0.称作子网掩码。子网掩码的作用就是帮助根据 IP 地址找到对应子网。子网掩码是很多个1接着很多个0，和 IP 地址一起使用。

步骤 2：找到下一层网络
接下来要找到下一级网络，就需要用 IP 地址和下一级的子网掩码做位与运算。

103.16.3.1 & 255.255.0.0 = 103.16.0.0

其中103.16.0.0就是下一级的网络号

步骤 3：找到再下一级网络
接下来使用255.255.255.0子网掩码找到下一级网络是103.16.3.0。

步骤 4：定位设备
设备就在子网103.16.3.0中，最终找到的设备号是1。

当然子网掩码也不一定都是255，比如这个子网掩码255.240.0.0也是可以的。但通常我们把 IPv4 的网络分成这样 4 层。

1.5 | 路由（Routing）

在寻址过程中，数据总是存于某个局域网中。如果目的地在局域网中，就可以直接定位到设备了。如果目的地不在局域网中，这个时候，就需再去往其他网络。

由于网络和网络间是网关在连接，因此如果目的地 IP 不在局域网中，就需要为 IP 封包选择通往下一个网络的路径，其实就是选择其中一个网关。你可能会问：网关有多个吗？如果一个网络和多个网络接壤，那自然需要多个网关了。下图中，路由器在选择 IP 封包下一个应该是去往哪个 Gateway？

假如，我们要为 IP 地址 14.215.177.38 寻址，当前路由器所在的网络的编号是16.0.0.0。那么我们就需要知道去往 14.0.0.0 网络的 Gateway IP 地址。

如果你在当前网络中用route查看路由表，可能可以看到一条下面这样的记录。

这条记录就说明如果你要去往 14.0.0.0 网络，IP 地址 14.215.177.38 先要和 255.0.0.0 进行位运算，然后再查表，看到 14.0.0.0，得知去往 Gateway 的网卡（IFace）是 16.12.1.1。

当封包去向下一个节点后，会进入新的路由节点，然后会继续上述路由过程，直到最终定位到设备。

1.6 | 总结

学习了 IP 协议和 IP 协议的工作原理。

首先 IP 协议会进行分片，将上游数据拆成一个个的封包（Datagram），然后为封包增加 IP 头部。封包发送出去后，就开始了寻址过程。

寻址就是找到 IP 地址对应的设备。在局域网内，如果找不到设备，就需要路由。

路由就是找到数据应该往哪里发送。最后通过层层路由定位到具体的设备。

最后，路由和寻址的区别是什么？

【解析】寻址（Addressing）就是通过地址找设备。和现实生活中的寻址是一样的，比如根据地址找到一个公寓。在 IPv4 协议中，寻址找到的是一个设备所在的位置。
路由（Routing）本质是路径的选择。就好像知道地址，但是到了每个十字路口，还需要选择具体的路径。
所以，要做路由，就必须能够理解地址，也就是需要借助寻址的能力。要通过寻址找到最终的设备，又要借助路由在每个节点选择数据传输的线路。因此，路由和寻址，是相辅相成的关系。

02 | IPv6协议

IPv4 用 32 位整数描述地址，最多只能支持 43 亿设备，显然是不够用的，这也被称作 IP 地址耗尽问题。

为了解决这个问题，有一种可行的方法是拆分子网。拆分子网，会带来很多问题，比如说内外网数据交互，需要网络地址转换协议（NAT 协议），增加传输成本。再比如说，多级网络会增加数据的路由和传输链路，降低网络的速度。理想的状态当然是所有设备在一个网络中，互相可以通过地址访问。

为了解决这个问题，1998 年互联网工程工作小组推出了全新款的 IP 协议——IPv6 协议。

2.1 | IPv4和IPv6相似点

IPv6 的工作原理和 IPv4 类似，分成切片（Segmentation）、增加封包头、路由（寻址）这样几个阶段去工作。

IPv6 同样接收上方主机到主机（Host-to-Host）协议传递来的数据，比如一个 TCP 段（Segment），然后将 TCP 段再次切片做成一个个的 IPv6 封包（Datagram or Packet），再调用底层局域网能力（数据链路层）传输数据。

作为网络层协议的 IPv6，最核心的能力是确保数据可以从发送主机到达接收主机。因此，和 IPv4 类似，IPv6同样需要定义地址的格式，以及路由算法如何工作。

2.2 | IPv6地址

IPv4 的地址是 4 个 8 位（octet），总共 32 位。 IPv6 的地址是 8 个 16 位（hextet），总共 128 位。从这个设计来看，IPv6 可以支持的地址数量是 IPv4 的很多倍。

格式上，IPv4 的地址用.分割，如103.28.7.35。每一个是 8 位，用 0-255 的数字表示。

IPv6 的地址用:分割，如0123:4567:89ab:cdef:0123:4567:89ab:cdef，总共 8 个 16 位的数字，通常用 16 进制表示。

::只能出现一次，相当于省略了若干组0000。比如说1111::2222相当于中间省略了 6 组0000。为什么不能出现两个::呢？因为如果有两个::，就会对省略的0000的位置产生歧义。比如说1111::2222::3333，你就不知道究竟0000在1111::2222和2222::3333是怎么分布的。

2.3 | IPv6的寻址

和 IPv4 相同，寻址的目的是找到设备，以及规划到设备途经的路径。和 IPv4 相同，IPv6寻址最核心的内容就是要对网络进行划分。IPv6 地址很充裕，因此对网络的划分和 IPv4 有很显著的差异。

IPv6 的寻址分成了几种类型：

2.3.1 | 全局单播

全局单播，就是将消息从一个设备传到另一个设备，这和 IPv4 发送/接收消息大同小异。而全局单播地址，目标就是定位网络中的设备，这个地址和 IPv4 的地址作用相同，只不过格式略有差异。总的来说，IPv6 地址太多，因此不再需要子网掩码，而是直接将 IPv6 的地址分区即可。

在实现全局单播时，IPv6 地址通常分成 3 个部分：

因此 IPv6 也是一个树状结构，站点前缀需要一定资质，子网号和接口号内部定义。IPv6 的寻址过程就是先通过站点前缀找到站点，然后追踪子网，再找到接口（也就是设备的网卡）。

从上面全局单播的分区，我们可以看出，IPv6 分给站点的地址非常多。一个站点，有 16bit 的子网，相当于 65535 个子网；每个子网中，还可以用 64 位整数表示设备。

2.3.2 | 本地单播

在局域网络中，实现设备到设备的通信，就是本地单播。IPv6 的本地单播地址组成如下图所示

这种协议比较简单，本地单播地址必须以fe80开头，后面 64 位的 0，然后接上 54 位的设备编号。上图中的 Interface 可以理解成网络接口，其实就是网卡。

2.3.3 | 分组多播

所谓广播，就是将消息同时发送给多个接收者。

IPv6 中设计了分组多播，来实现广播的能力。当 IP 地址以 8 个 1 开头，也就是ff00开头，后面会跟上一个分组的编号时，就是在进行分组多播。

这个时候，我们需要一个广播设备，在这个设备中已经定义了这些分组编号，并且拥有分组下所有设备的清单，这个广播设备会帮助我们将消息发送给对应分组下的所有设备。

2.3.4 | 任意播（Anycast）

任意播，本质是将消息发送给多个接收方，并选择一条最优的路径。

比如说在一个网络中有多个授时服务，这些授时服务都共享了一个任播地址。当一个客户端想要获取时间，就可以将请求发送到这个任播地址。客户端的请求扩散出去后，可能会找到授时服务中的一个或者多个，但是距离最近的往往会先被发现。这个时候，客户端就使用它第一次收到的授时信息修正自己的时间。

2.4 | IPv6 和 IPv4 的兼容

目前 IPv6 还没有完全普及，大部分知名的网站都是同时支持 IPv6 和 IPv4。这个时候我们可以分成 2 种情况讨论：

  1. 一个 IPv4 的网络和一个 IPv6 的网络通信；
  2. 一个 IPv6 的网络和一个 IPv6 的网络通信，但是中间需要经过一个 IPv4 的网络。

情况 1：IPv4 网络和 IPv6 网络通信
例如一个 IPv6 的客户端，想要访问 IPv4 的服务器

  1. 客户端通过 DNS64 服务器查询 AAAA 记录。DNS64 是国际互联网工程任务组（IETF）提供的一种解决 IPv4 和 IPv6 兼容问题的 DNS 服务。这个 DNS 查询服务会把 IPv4 地址和 IPv6 地址同时返回。
  2. DNS64 服务器返回含 IPv4 地址的 AAAA 记录。
  3. 客户端将对应的 IPv4 地址请求发送给一个 NAT64 路由器
  4. 由这个 NAT64 路由器将 IPv6 地址转换为 IPv4 地址，从而访问 IPv4 网络，并收集结果。
  5. 消息返回到客户端。

情况 2：两个 IPv6 网络被 IPv4 隔离
这种情况在普及 IPv6 的过程中比较常见，IPv6 的网络一开始是一个个孤岛，IPv6 网络需要通信，就需要一些特别的手段。

不知道你有没有联想到坐火车穿越隧道的感觉，连接两个孤岛 IPv6 网络，其实就是在 IPv4 网络中建立一条隧道。

隧道的本质就是在两个 IPv6 的网络出口网关处，实现一段地址转换的程序。

2.5 | 总结

总结下，IPv6 解决的是地址耗尽的问题。因为解决了地址耗尽的问题，所以很多其他问题也得到了解决，比如说减少了子网，更小的封包头部体积，最终提升了性能等。

最后，Tunnel技术是什么？

【解析】Tunnel 就是隧道，这和现实中的隧道是很相似的。隧道不是只有一辆车通过，而是每天都有大量的车辆来来往往。两个网络，用隧道连接，位于两个网络中的设备通信，都可以使用这个隧道。隧道是两个网络间用程序定义的一种通道。具体来说，如果两个 IPv6 网络被 IPv4 分隔开，那么两个 IPv6 网络的出口处（和 IPv4 网络的网关处）就可以用程序（或硬件）实现一个隧道，方便两个网络中设备的通信。

03 | 局域网：NAT工作原理

之前在讨论广域网的设计，今天到微观层面，看看局域网是如何工作的。

IPv4 的地址不够，因此需要设计子网。当一个公司申请得到一个公网 IP 后，会在自己的公司内部设计一个局域网。这个局域网所有设备的 IP 地址，通常会以 192.168 开头。这个时候，假设你的职工小明，上班时间玩王者荣耀。当他用 UDP 协议向王者荣耀的服务器发送信息时，消息的源 IP 地址是一个内网 IP 地址，而王者荣耀的服务，是一个外网 IP 地址。
数据到王者荣耀服务器可以通过寻址和路由找到目的地，但是数据从王者荣耀服务器回来的时候，王者荣耀服务器如何知道192.168开头的地址应该如何寻址呢？

要想回答这个问题，就涉及网络地址转换协议（NAT 协议）

3.1 | 内部网络与外部网络

对一个组织、机构、家庭来说，我们通常把内部网络称为局域网，外部网络就叫作外网。

下图是一个公司多个部门的网络架构。

可以看到外网通过路由器接入整个公司的局域网，和路由器关联的是三台交换机，代表公司的三个部门。交换机，或者称为链路层交换机，通常工作在链路层；而路由器通常也具有交换机的能力，工作在网络层和链路层。

光纤是一种透明的导光介质，多束光可以在一个介质中并行传播，不仅信号容量大，重量轻，并行度高而且传播距离远。当然，光纤不能弯曲，因此办公室里用来连接交换机和个人电脑的线路肯定不能是光纤，光线通常都用于主干网络。

3.2 | 局域网数据交换（MAC地址）

同一个局域网中的设备如何交换消息？

首先明确一个概念，设备间通信的本质其实是设备拥有的网络接口（网卡）间的通信。为了区别每个网络接口，互联网工程任务组（IETF）要求每个设备拥有一个唯一的编号，这个就是 MAC 地址。

IP 地址不也是唯一的吗？其实不然，一旦设备更换位置，比如你把你的电脑从北京邮寄的广州，那么 IP 地址就变了，而电脑网卡的 MAC 地址不会发生变化。总的来说，IP 地址更像现实生活中的地址，而 MAC 地址更像你的身份证号

再明确另一个基本的概念。在一个局域网中，我们不可以将消息从一个接口（网卡）发送到另一个接口（网卡），而是要通过交换机。因为两个网卡间没有线,所以数据交换，必须经过交换机，毕竟线路都是由网卡连接交换机的。

总结下，数据的发送方，将自己的 MAC 地址、目的地 MAC 地址，以及数据作为一个分组（Packet），也称作 Frame 或者封包，发送给交换机。交换机再根据目的地 MAC 地址，将数据转发到目的地的网络接口（网卡）。

这个分组或者 Frame，是链路层的数据交换，它支持 IP 协议工作，是网络层的底层。所以，如果 IP 协议要传输数据，就要将数据转换成为链路层的分组，然后才可以在链路层传输。

链路层分组大小受限于链路层的网络设备、线路以及使用了链路层协议的设计。你有时候可能会看到 MTU 这个缩写词，它指的是 Maximun Transmission Unit，最大传输单元，意思是链路层网络允许的最大传输数据分组的大小。因此 IP 协议要根据 MTU 拆分封包。

MSS（Maximun Segment Size，最大段大小）是 TCP 段，或者称为 TCP 分组（TCP Packet）的最大大小。MSS 是传输层概念，MTU 是链路层概念。

3.3 | 地址解析协议（ARP）

链路层通过 MAC 地址定位网络接口（网卡）。在一个网络接口向另一个网络接口发送数据的时候，至少要提供这样 3 个字段：

  1. 源 MAC 地址
  2. 目标 MAC 地址
  3. 数据

对于一个网络接口，它如何能知道目标接口的 MAC 地址呢？

在使用传输层协议的时候，清楚地知道目的地的 IP 地址，但是我们不知道 MAC 地址。这个时候，就需要一个中间服务帮助根据 IP 地址找到 MAC 地址——这就是地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）。

整个工作过程和 DNS 非常类似，如果一个网络接口已经知道目标 IP 地址对应的 MAC 地址了，它会将数据直接发送给交换机，交换机将数据转发给目的地。

如果网络接口不知道目的地地址，地址解析协议就开始工作了。发送接口会发送一个广播查询给到交换机，交换机将查询转发给所有接口。

如果某个接口发现自己就是对方要查询的接口，则会将自己的 MAC 地址回传。接下来，会在交换机和发送接口的 ARP 表中，增加一个缓存条目。也就是说，接下来发送接口再次向 IP 地址 2.2.2.2 发送数据时，不需要再广播一次查询了。

前面提到这个过程和 DNS 非常相似，采用的是逐级缓存的设计减少 ARP 请求。发送接口先查询本地的 ARP 表，如果本地没有数据，然后广播 ARP 查询。这个时候如果交换机中有数据，那么查询交换机的 ARP 表；如果交换机中没有数据，才去广播消息给其他接口。注意，ARP 表是一种缓存，也要考虑缓存的设计。通常缓存的设计要考虑缓存的失效时间、更新策略、数据结构等。

比如可以考虑用 TTL（Time To Live）的设计，为每个缓存条目增加一个失效时间。另外，更新策略可以考虑利用老化（Aging）算法模拟 LRU。

路由器和交换机的异同点。

家用无线路由器通常也会提供局域网，具备交换机的能力。同时，这种设备又具有路由器的能力。
总的来说，家用的路由器，也具备交换机的功能。但是当 ARP 表很大的时候，就需要专门的、能够承载大量网络接口的交换设备。就好比，如果用数组实现 ARP 表，数据量小的时候，遍历即可；但如果数据量大的话，就需要设计更高效的查询结构和设计缓存。

3.4 | 连接内网

有时候，公司内部有多个子网。这个时候一个子网如果要访问另一个子网，就需要通过路由器。

图中的路由器，其实充当了两个子网通信的桥梁。在上述过程中，发送接口不能直接通过 MAC 地址发送数据到接收接口，因为子网 1 的交换机不知道子网 2 的接口。这个时候，发送接口需要通过 IP 协议，将数据发送到路由器，再由路由器转发信息到子网 2 的交换机。

子网 2 的交换机如何根据 IP 地址找到接收接口呢？答案是通过查询 ARP 表。

3.5 | 连接外网（网络地址转换技术，NAT)

最后讨论下连接外网的问题

IPv4 协议因为存在网络地址耗尽的问题，不能为一个公司提供足够的地址，因此内网 IP 可能会和外网重复。比如内网 IP 地址192.168.0.1发送信息给22.22.22.22，这个时候，其实是跨着网络的。

跨网络必然会通过多次路由，最终将消息转发到目的地。但是这里存在一个问题，寻找的目标 IP 地址22.22.22.22是一个公网 IP，可以通过正常的寻址 + 路由算法定位。当22.22.22.22寻找192.168.0.1的时候，是寻找一个私网 IP，这个时候是找不到的。解决方案就是网络地址转换技术（Network Address Translation）。

NAT 技术转换的是 IP 地址，私有 IP 通过 NAT 转换为公网 IP 发送到服务器。服务器的响应，通过 NAT 转换为私有 IP，返回给客户端。通过这种方式，就解决了内网和外网的通信问题。

3.6 | 总结

链路层发送数据靠的是 MAC 地址，MAC 地址就好像人的身份证一样。局域网中，数据不可能从一个终端直达另一个终端，而是必须经过交换机交换。交换机也叫作链路层交换机，它的工作就是不断接收数据，然后转发数据。通常意义上，交换机不具有路由功能，路由器往往具有交换功能。但是往往路由器交换的效率，不如交换机。已知 IP 地址，找到 MAC 地址的协议，叫作地址解析协议（ARP）。

网络和网络的衔接，必须有路由器（或者等价的设备）。一个网络的设备不能直接发送链路层分组给另一个网络的设备，而是需要通过 IP 协议让路由器转发。

最后，网络地址转换协议是如何工作的？

【解析】网络地址解析协议（NAT）解决的是内外网通信的问题。NAT 通常发生在内网和外网衔接的路由器中，由路由器中的 NAT 模块提供网络地址转换能力。从设计上看，NAT 最核心的能力，就是能够将内网中某个 IP 地址映射到外网 IP，然后再把数据发送给外网的服务器。当服务器返回数据的时候，NAT 又能够准确地判断外网服务器的数据返回给哪个内网 IP。
NAT 是如何做到这点的呢？

  1. NAT 需要作为一个中间层替换 IP 地址。 发送的时候，NAT 替换源 IP 地址（也就是将内网 IP 替换为出口 IP）；接收的时候，NAT 替换目标 IP 地址（也就是将出口 IP 替换回内网 IP 地址）。
  2. NAT 需要缓存内网 IP 地址和出口 IP 地址 + 端口的对应关系。也就是说，发送的时候，NAT 要为每个替换的内网 IP 地址分配不同的端口，确保出口 IP 地址+ 端口的唯一性，这样当服务器返回数据的时候，就可以根据出口 IP 地址 + 端口找到内网 IP。
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