P2P網(wǎng)絡(luò)中自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)選擇策略

王 城，陳興蜀，楊鄧奇，劉莉偉

（四川大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與可信計(jì)算研究所，四川 成都610065）

0 引 言

P2P系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)選擇是影響系統(tǒng)服務(wù)性能的關(guān)鍵因素之一，實(shí)施一個(gè)好的節(jié)點(diǎn)選擇策略對整個(gè)系統(tǒng)性能的提高尤為重要。之前的研究工作已使得系統(tǒng)的性能在很大程度上提高，節(jié)約了大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源。文獻(xiàn) ［1］中X.Yang等人通過建立數(shù)學(xué)模型分析系統(tǒng)的服務(wù)性能，但是卻忽略系統(tǒng)中文件分布的特性。文獻(xiàn) ［2－5］中提出了一種基于tracker端的鄰居節(jié)點(diǎn)選擇算法，考慮了節(jié)點(diǎn)地理位置的分布。文獻(xiàn) ［6］提出了基于速率的節(jié)點(diǎn)選擇策略（TFT策略），采用阻塞算法（choking）中融入樂觀不阻塞算法（optimistic－unchoking，OU）的策略，以10s為阻塞算法周期，選擇4個(gè)上傳速度較快的節(jié)點(diǎn)作為自己上傳的對象，以30s為OU算法周期，隨機(jī)的選擇節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上傳，這樣能保證新加入節(jié)點(diǎn)獲取文件塊的機(jī)會(huì)，并且能更好的發(fā)現(xiàn)資源交互對象。但是這種節(jié)點(diǎn)選擇策略存在兩方面的不足：①雖然在tracker端實(shí)施鄰居節(jié)點(diǎn)選擇算法，但并未從本質(zhì)上解決非tracker來源的節(jié)點(diǎn)，造成大量的跨網(wǎng)段、跨地域的帶寬流量，浪費(fèi)帶寬資源。②傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)選擇策略中，并不能根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)狀況，自調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)選擇策略，以靈活的節(jié)點(diǎn)選擇策略充分適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，保障各節(jié)點(diǎn)高效的分發(fā)性能。

針對以上問題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)P2P系統(tǒng)中自適應(yīng)的節(jié)點(diǎn)選擇策略，該策略通過以鄰近節(jié)點(diǎn)優(yōu)先連接與基于上傳帶寬利用率的節(jié)點(diǎn)選擇算法相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)P2P網(wǎng)絡(luò)高效、自適應(yīng)的節(jié)點(diǎn)選擇。

1 自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制

本文是在基于以C＋＋為開發(fā)語言，開發(fā)的SecBT平臺(tái)上進(jìn)行的開發(fā)研究工作，以下簡稱自適應(yīng)機(jī)制。

1.1 總體設(shè)計(jì)

自適應(yīng)機(jī)制主要分為三大模塊（如圖1所示）：節(jié)點(diǎn)預(yù)處理模塊、節(jié)點(diǎn)選擇模塊和自適應(yīng)更新與維護(hù)模塊。

圖1 自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制框架

（1）節(jié)點(diǎn)預(yù)處理模塊主要是處理收到的來自于Tracker、DHT、PEX的節(jié)點(diǎn)列表信息，包括節(jié)點(diǎn)過濾和鄰近優(yōu)先兩個(gè)子模塊。

節(jié)點(diǎn)過濾：在節(jié)點(diǎn)池1中查詢節(jié)點(diǎn)列表，過濾IP、Port異?；蛘咭呀⑦B接的節(jié)點(diǎn)。

鄰近優(yōu)先：根據(jù)鄰近優(yōu)先算法，計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)與本節(jié)點(diǎn)的距離，并且優(yōu)先連接距離本節(jié)點(diǎn)較近的節(jié)點(diǎn)。將建立連接的節(jié)點(diǎn)存放到節(jié)點(diǎn)池2。

（2）節(jié)點(diǎn)選擇模塊是負(fù)責(zé)從已經(jīng)建立連接的節(jié)點(diǎn)中選擇一部分節(jié)點(diǎn)與之進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，包括服務(wù)性節(jié)點(diǎn)選擇模塊、公平性節(jié)點(diǎn)選擇模塊、空閑帶寬節(jié)點(diǎn)選擇模塊。

服務(wù)性節(jié)點(diǎn)選擇：選擇周期為10s，每個(gè)選擇周期統(tǒng)計(jì)各節(jié)點(diǎn)為本節(jié)點(diǎn)提供的上傳數(shù)據(jù)量，在上一個(gè)選擇周期提供較多上傳的節(jié)點(diǎn)，就是為本節(jié)點(diǎn)提供較多服務(wù)的節(jié)點(diǎn)，此類節(jié)點(diǎn)會(huì)被選作為上傳對象（系統(tǒng)默認(rèn)為4個(gè)節(jié)點(diǎn)）。

公平性節(jié)點(diǎn)選擇：選擇周期為30s，本節(jié)點(diǎn)從已建立連接的各節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)的選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)為其提供上傳，這樣既保證了新加入網(wǎng)絡(luò)沒有任何數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)被選擇的機(jī)會(huì)，也有利于了本節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)更好的節(jié)點(diǎn)資源（系統(tǒng)默認(rèn)為1個(gè)節(jié)點(diǎn)）。

空閑帶寬節(jié)點(diǎn)選擇：選擇周期為10s，根據(jù)自適應(yīng)更新階段系統(tǒng)分配的上傳連接數(shù)以及統(tǒng)計(jì)的空閑帶寬隊(duì)列，在本節(jié)點(diǎn)上傳帶寬利用率較低的情況下，選擇具有較大空閑帶寬的節(jié)點(diǎn)為其提供上傳。

（3）自適應(yīng)更新與維護(hù)。統(tǒng)計(jì)本節(jié)點(diǎn)上傳帶寬利用率，分配系統(tǒng)上傳連接數(shù)，統(tǒng)計(jì)各節(jié)點(diǎn)空閑帶寬。

1.2 鄰近優(yōu)先機(jī)制

為了選擇較近的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，首先需要探測本節(jié)點(diǎn)與各節(jié)點(diǎn)之間的鄰近性，在P2P網(wǎng)絡(luò)中，可以通過RTT（round－trip－time）值和路由跳數(shù)值反映兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離，但由于RTT值會(huì)根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞程度而頻繁的變化，在該機(jī)制中主要以路由跳數(shù)作為鄰近節(jié)點(diǎn)選擇標(biāo)準(zhǔn)。在搜索候選連接節(jié)點(diǎn)時(shí)采迭代加深搜索的思想：在迭代搜索中，每次迭代深度限制遞增。當(dāng)查詢的節(jié)點(diǎn)數(shù)目滿足要求或者已經(jīng)達(dá)到最大的深度限制，迭代過程結(jié)束。在迭代過程中，隨著深度的增加，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)迅速增長。因此，在最大深度限制的深度找到滿意的結(jié)果和直接以最大深度進(jìn)行搜索比較起來，節(jié)約大量資源消耗。鄰近節(jié)點(diǎn)優(yōu)先策略如圖2所示。

圖2 鄰近節(jié)點(diǎn)優(yōu)先策略

策略實(shí)施過程如下：

（1）計(jì)算本節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)池1中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離dis＝［hop＿count，RTT］。并按hop＿count由小到大存入臨時(shí)備選連接列表（當(dāng)節(jié)點(diǎn)hop－count值相等時(shí)，對相同的節(jié)點(diǎn)按RTT值由小到大排序），初始化閾值threshold＝0。

（2）連接hop＿count在閾值范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)（threshold＝0，表示優(yōu)先搜索同網(wǎng)段內(nèi)的節(jié)點(diǎn)）。如果連接成功則將此節(jié)點(diǎn)存放入節(jié)點(diǎn)池2。

（3）無論連接成功或者失敗，刪除臨時(shí)備選連接列表中的此節(jié)點(diǎn)信息。

（4）系統(tǒng)擴(kuò)大閾值threshold值，由近及遠(yuǎn)進(jìn)行連接。跳至過程（2）、（3）。

1.3 節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制

節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制是在節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)更新階段基于自身上傳帶寬利用率和對等節(jié)點(diǎn)的空閑帶寬的情況觸發(fā)的。當(dāng)本節(jié)點(diǎn)帶寬利用率較低，并且當(dāng)前連接對等節(jié)點(diǎn)有空閑的帶寬，那么系統(tǒng)分配上傳連接數(shù)用于提供上傳。

節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制有描述如下：在節(jié)點(diǎn)選擇階段中，N＿all為系統(tǒng)總的上傳連接數(shù)，由服務(wù)性選擇的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為N＿service，由公平性節(jié)點(diǎn)選擇的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為N＿fairness，由空閑帶寬節(jié)點(diǎn)選擇的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為N＿free。

上傳連接數(shù)分配：N＿all＝N＿service＋N＿fairness＋N＿free，在自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制中，系統(tǒng)默認(rèn)N＿service＝4，N＿fairness＝1，N＿free＝0。系統(tǒng)總的上傳連接數(shù)N＿all由自適應(yīng)更新階段自動(dòng)分配。某時(shí)刻t時(shí)，可以定義上傳帶寬利用率utilization＿rate，上傳字節(jié)量為upload＿byte；用戶（系統(tǒng)分配上傳字節(jié)量/s）為upload＿limit則utilization＿rate＝upload＿byte/upload＿limit；

當(dāng)utilization＿rate值偏小時(shí)說明本節(jié)點(diǎn)的上傳帶寬利用率較低。系統(tǒng)自增加上傳連接數(shù)N＿free，同時(shí)從統(tǒng)計(jì)的節(jié)點(diǎn)空閑帶寬列表中選擇節(jié)點(diǎn)為其提供上傳。在節(jié)點(diǎn)選擇更新方面，每10s更新一次，這樣能保證當(dāng)自身帶寬利用率不高的情況下，每10s檢測一次帶寬利用率以及統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)的空閑帶寬，并將自增的上傳連接數(shù)目用于上傳給擁有較大空閑帶寬的節(jié)點(diǎn)，達(dá)到充分利用帶寬的目的。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 鄰近性距離測量

為了驗(yàn)證自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制中鄰近優(yōu)先模塊的有效性，本實(shí)驗(yàn)對穩(wěn)定連接階段的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了測量分析。在P2P網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離可以通過往返時(shí)延RTT和路由跳數(shù)Hop－count來測量，RTT為兩節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，Hopcount為兩節(jié)點(diǎn)路由跳數(shù)。利用基于tracert的方法可以獲得到達(dá)其他節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和路由跳數(shù)。發(fā)送端通過發(fā)送一個(gè)UDP包，tracert程序可以跟蹤發(fā)射包整個(gè)的路由過程和計(jì)算網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。小數(shù)量的包可以產(chǎn)生一個(gè)較好的簡單的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測，從而得到所需要到達(dá)節(jié)點(diǎn)的RTT和Hop－count。在Internet中，兩節(jié)點(diǎn)的路由跳數(shù)一般低于30。

圖3是從穩(wěn)定連接階段所連接節(jié)點(diǎn)中選擇50個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的測量分析，由圖統(tǒng)計(jì)的RTT和Hop－count值，分析可得隨著RTT值增加，Hop－count值也隨之增加，但是并不成線性關(guān)系?？梢缘贸鲈趥鹘y(tǒng)機(jī)制中由于對節(jié)點(diǎn)的連接都是隨機(jī)的選擇，所連接節(jié)點(diǎn)的RTT值主要分布于50ms—90ms、Hop－count值主要分布于13跳—27跳。在實(shí)施自適應(yīng)機(jī)制中，RTT值主要分布于30ms—70ms，并且有一部分同網(wǎng)段的節(jié)點(diǎn)被發(fā)現(xiàn)的，路由跳數(shù)值主要分布于6跳—14跳。圖4為平均往返時(shí)間隨節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化圖。通過對比試驗(yàn)說明，自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制下本節(jié)點(diǎn)優(yōu)先選擇距離本節(jié)點(diǎn)較近的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。

作為評(píng)價(jià)鄰近優(yōu)先模塊的一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)，平均網(wǎng)絡(luò)時(shí)延較小的節(jié)點(diǎn)被認(rèn)為距離本節(jié)點(diǎn)較近，在傳統(tǒng)機(jī)制之中，對于節(jié)點(diǎn)連接存在著隨機(jī)性，而在改進(jìn)之后由于會(huì)優(yōu)先連接距離本節(jié)點(diǎn)較近的節(jié)點(diǎn)，所以平均網(wǎng)絡(luò)時(shí)延較小，但隨著連接范圍的擴(kuò)大，逐漸會(huì)連接那些距離本節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，因此隨著節(jié)點(diǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，平均網(wǎng)絡(luò)時(shí)延逐漸變大。同樣的如圖5所示，鄰近優(yōu)先機(jī)制中總是優(yōu)先連接距離本節(jié)點(diǎn)較近的節(jié)點(diǎn)（同網(wǎng)段中若有節(jié)點(diǎn)，則優(yōu)先連接同網(wǎng)段節(jié)點(diǎn)）。正如路由跳數(shù)反映的情況，距離本節(jié)點(diǎn)較近的節(jié)點(diǎn)擁有較小的路由跳數(shù)，但隨著連接范圍擴(kuò)大，連接的節(jié)點(diǎn)距離越來越遠(yuǎn)，路由跳數(shù)成上升趨勢。

圖5 平均路由跳數(shù)隨節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化

2.2 上傳帶寬利用率

在以C＋＋實(shí)現(xiàn)的SecBT進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中，下載文件大小為588MB的文件，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)機(jī)制中平均下載完成總耗時(shí)2006.1秒。自適應(yīng)機(jī)制中平均下載完成總耗1871.3s。如圖6所示，文件在整個(gè)下載過程上傳帶寬利用率曲線圖。

圖6 上傳寬利用率隨時(shí)間變化

傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制中，上傳帶寬利用受網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的加入和退出或者是對等節(jié)點(diǎn)被阻塞而導(dǎo)致上傳帶寬使用情況波動(dòng)較大，并且平均帶寬利用率僅為86.4%，文件平均完成總耗時(shí)2006.1s。

在自適應(yīng)機(jī)制中，平均上傳帶寬利用率為93.7%，與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制相比提高了8.45%，完成文件下載平均總耗時(shí)為1871.3s，在下載總耗時(shí)方面較傳統(tǒng)機(jī)制縮短了6.7%，當(dāng)文件越大改進(jìn)的效果越明顯，這是因?yàn)橛勺赃m應(yīng)機(jī)制選擇的節(jié)點(diǎn)會(huì)彌補(bǔ)節(jié)點(diǎn)因退出、被阻塞情況而出現(xiàn)減少服務(wù)對象，從而保證在上傳帶寬的正常合理使用，同時(shí)自適應(yīng)機(jī)制根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的空閑下載帶寬大小，選擇節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，這樣在提高自身上傳帶寬利用的同時(shí)能充分的利用網(wǎng)絡(luò)中空閑的下載帶寬，從整體上提高網(wǎng)絡(luò)的下載性能以及文件分發(fā)的能力。

2.3 文件第一塊下載影響

對于新加入的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，由于自身沒有數(shù)據(jù)塊，不能為其他節(jié)點(diǎn)提供上傳。因此新加入節(jié)點(diǎn)往往需要等待一定的時(shí)間，直到自己被其他節(jié)點(diǎn)選擇作為上傳對象。因此對新加入節(jié)點(diǎn)第一個(gè)文件分片下載有很大影響，在自適應(yīng)機(jī)制中由于新加入節(jié)點(diǎn)具有較大的上傳和下載帶寬，因此自適應(yīng)機(jī)制大大增加了新節(jié)點(diǎn)被選中的概率，使新節(jié)點(diǎn)較快的擁有數(shù)據(jù)塊快速的進(jìn)入穩(wěn)定下載階段，縮短了新加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)下載第一個(gè)文件分片的時(shí)間，也促進(jìn)了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。第一塊平均下載完成時(shí)間隨機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化如圖7所示。

圖7 第一塊平均下載完成時(shí)間隨節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化

2.4 BT系統(tǒng)文件分發(fā)效力

BT文件分發(fā)效力是衡量改進(jìn)后節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制對整個(gè)系統(tǒng)性能提高情況的主要標(biāo)準(zhǔn)?？梢杂媚硶r(shí)間段內(nèi)節(jié)點(diǎn)下載文件的完成度或者節(jié)點(diǎn)下載完成所需用時(shí)來評(píng)價(jià)。設(shè)t時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)中需要下載某共享文件M的節(jié)點(diǎn)為N個(gè)，標(biāo)記為N1，N2…Ni，需要分發(fā)的文件大小一共有m個(gè)數(shù)據(jù)分片，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在下載過程中擁有的數(shù)據(jù)分片標(biāo)記為X1，X2…Xi。則t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)Ni的M 文件下載完成度可以表示為

系統(tǒng)的文件分發(fā)效力E可由整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)于M 文件完成度即為來表示，得

圖8對100個(gè)節(jié)點(diǎn)規(guī)模的下載情況進(jìn)行了分析，分析其中t＝30mins時(shí)刻的情況，在下載進(jìn)行30分鐘時(shí)，傳統(tǒng)機(jī)制中完成下載的節(jié)點(diǎn)數(shù)目是36個(gè)，由于36個(gè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)擁有所有的分片即完成度D＝1，假設(shè)剩余的64個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得的數(shù)據(jù)分片數(shù)目為1—m－1片，即完成度在0到100%隨機(jī)分布，則文件的分發(fā)效力，在自適應(yīng)機(jī)制下，完成下載的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為47個(gè)，文件分發(fā)效力，容易證明E2＞E1。

圖8 節(jié)點(diǎn)完成數(shù)目隨時(shí)間變化

圖9 不同節(jié)點(diǎn)規(guī)模下節(jié)點(diǎn)平均下載完成時(shí)間

由圖9可見，就下載完成時(shí)間而言，自適應(yīng)機(jī)制較傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制平均提高36.6%。平均縮短下載時(shí)間13.6分鐘。

實(shí)驗(yàn)表明，自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制的實(shí)施對于文件在系統(tǒng)的分發(fā)有較好的促進(jìn)作用，其文件分發(fā)效力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)制。

2.5 系統(tǒng)公平性

在自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制中，由于系統(tǒng)在上傳帶寬利用率不高的情況下自增上傳連接數(shù)選擇并未向本節(jié)點(diǎn)提供上傳的節(jié)點(diǎn)作為自己的上傳對象，這對系統(tǒng)的公平性會(huì)產(chǎn)生一定影響。

對于公平性的評(píng)價(jià)，通過對該節(jié)點(diǎn)的分享率f所對應(yīng)的隨機(jī)變量ξ的標(biāo)準(zhǔn)差σ（ξ）進(jìn)行分析 ，在有n個(gè)下載節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)i的上傳文件分片數(shù)，下載文件分片數(shù)，其分享率定義如下：同時(shí)有：σ（ξ）＝為系統(tǒng)的平均分享率。其中節(jié)點(diǎn)i作為單獨(dú)的離散點(diǎn)存在，則p（fi）＝1/n，在整個(gè)系統(tǒng)中有總的上傳分片書等于總的下載分片數(shù)，因此E（ξ）＝1，由此可得：代入統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得傳統(tǒng)機(jī)制中σ（ξ）＝0.57113，自適應(yīng)機(jī)制中σ（ξ）＝0.570752，由此可見，自適應(yīng)機(jī)制對系統(tǒng)公平性有較小的影響。這是由于在自適應(yīng)機(jī)制被觸發(fā)之后，在較短時(shí)間會(huì)恢復(fù)到穩(wěn)定的 “4＋1”狀態(tài)，對系統(tǒng)中的公平性影響比較小。

3 結(jié)束語

本文以P2P的主流應(yīng)用BitTorrent為協(xié)議背景，結(jié)合節(jié)點(diǎn)選擇的3個(gè)階段：節(jié)點(diǎn)獲取階段、節(jié)點(diǎn)選擇階段、節(jié)點(diǎn)維護(hù)階段的特點(diǎn)，考慮了除Tracker以外的DHT、PEX節(jié)點(diǎn)獲取情況以及網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)空閑帶寬情況，從減少跨網(wǎng)段帶寬資源浪費(fèi)、提高節(jié)點(diǎn)帶寬資源利用率出發(fā)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于帶寬利用的自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制，通過與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制的對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了自適應(yīng)機(jī)制的有效性和優(yōu)越性。對于減少網(wǎng)絡(luò)中不必要的流量浪費(fèi)，使各節(jié)點(diǎn)帶寬利用率有較大的改善，從而在整體使得P2P交互性能得以提高。

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