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Go语言QN与eBPF协同实践:在内核层捕获QN包丢弃事件,实现毫秒级异常感知

第一章:Go语言QN与eBPF协同实践:内核层异常感知的架构全景

在现代云原生可观测性体系中,将 Go 语言编写的用户态控制平面(QN,即 QoE-aware Network orchestrator)与 eBPF 驱动的内核态数据面深度融合,已成为实现毫秒级异常感知的关键路径。该架构摒弃传统采样与轮询范式,转而依托 eBPF 程序在 socket、tracepoint、kprobe 等关键内核钩子点注入轻量逻辑,实时捕获 TCP 重传激增、SYN Flood 模式、socket 错误码突变等低层异常信号,并通过 perf event ring buffer 或 BPF map 高效回传至 Go 进程。

核心协同机制

  • 事件驱动管道:eBPF 程序使用 bpf_perf_event_output() 将结构化异常事件(含时间戳、PID、套接字地址、错误码)写入 perf ring buffer;Go 端通过 github.com/cilium/ebpf/perf 库持续消费该缓冲区
  • 动态策略下发:Go 控制器基于实时分析结果,调用 bpf_program.Attach() 或更新 BPF map 中的阈值配置(如 max_retrans_thres),实现策略热更新,无需重启内核模块
  • 零拷贝上下文关联:利用 bpf_get_current_task() 获取 task_struct 指针,并在 Go 侧通过 /proc/[pid]/comm 补全进程名,完成内核事件与用户服务实例的精准绑定

快速验证示例

以下命令可部署一个监听 TCP 重传异常的 eBPF 程序并启动 Go 消费器:

# 编译并加载 eBPF 程序(需 clang + llvm)
clang -O2 -target bpf -c tcp_retrans_monitor.bpf.c -o tcp_retrans.o
sudo bpftool prog load tcp_retrans.o /sys/fs/bpf/tcp_retrans type socket_filter

# 启动 Go 消费器(假设已构建 binary)
./qn-ebpf-monitor --perf-map /sys/fs/bpf/tcp_retrans_events

注:tcp_retrans_monitor.bpf.c 中需注册 kprobe/tcp_retransmit_skb 钩子,提取 sk->sk_numsk->sk_dport 字段,并校验 skb->len > 0 排除空包干扰;Go 端解析时应采用 unsafe.Sizeof() 对齐结构体字段偏移,确保跨内核版本兼容性。

组件 职责 延迟贡献
eBPF tracepoint 内核上下文内实时判定异常
perf ring buffer 无锁环形队列传输事件 ~100 ns(单事件)
Go perf reader 批量读取 + JSON 序列化告警 ~30 μs(每批)

该架构已在 Kubernetes Node 上稳定支撑每秒 200K+ 异常事件处理,且 CPU 占用率低于 1.2%(4 核节点)。

第二章:QN协议栈深度解析与eBPF Hook点建模

2.1 QN协议状态机与丢包语义的内核行为映射

QN协议将应用层丢包语义(如“重传超时”“乱序容忍”)直接映射至内核网络栈的状态跃迁逻辑,避免用户态频繁上下文切换。

数据同步机制

内核在 sk_state 变更时触发 QN 状态机跳转:

// net/ipv4/qn_proto.c: qn_set_state()
void qn_set_state(struct sock *sk, int new_state) {
    int old = sk->sk_state;
    sk->sk_state = new_state;
    if (old != QN_ESTABLISHED && new_state == QN_ESTABLISHED)
        qn_start_rto_timer(sk); // 启动QN专属RTO定时器
}

qn_start_rto_timer() 绑定 qn_rto_expire() 回调,其 sk 参数携带丢包计数器 qn_sk->loss_cnt 和当前窗口 qn_sk->cwnd,实现语义级拥塞响应。

内核丢包事件捕获路径

事件源 内核钩子点 映射QN状态
TCP_RETRANS_FAIL tcp_write_timeout() → QN_LOSS_DETECTED
SACK块缺失 tcp_sack_compress() → QN_OUT_OF_ORDER
graph TD
    A[IP层接收] --> B{是否SACK缺失?}
    B -->|是| C[触发QN_LOSS_DETECTED]
    B -->|否| D[进入QN_IN_ORDER]
    C --> E[启动快速重传判定]

2.2 eBPF程序生命周期与QoS关键路径Hook选型(sk_skb、tracepoint、kprobe)

eBPF程序的生命周期始于加载(bpf_prog_load),经验证器校验后挂载至内核Hook点,运行中由内核调度执行,卸载时自动回收资源。

QoS关键路径Hook对比

Hook类型 触发时机 稳定性 可访问上下文 适用QoS场景
sk_skb socket层SKB处理前 struct __sk_buff* 流量整形、策略标记
tracepoint 内核预定义事件点 最高 固定结构体参数 延迟观测、丢包归因
kprobe 任意内核函数入口/返回 struct pt_regs* 深度协议解析(如DCTCP)

sk_skb程序示例(流量标记)

SEC("sk_skb")
int qos_mark(struct __sk_buff *ctx) {
    if (ctx->mark == 0 && ctx->len > 64) {
        ctx->mark = 0x10; // 标记为高优先级流
    }
    return SK_PASS;
}

该程序在SKB进入socket层时执行;ctx->mark直接修改skb mark字段,SK_PASS确保继续协议栈处理;ctx->len提供无拷贝长度判断,避免额外开销。

Hook选择决策流程

graph TD
    A[QoS目标:低延迟/高吞吐/精准分类] --> B{是否需修改skb元数据?}
    B -->|是| C[sk_skb]
    B -->|否| D{是否依赖稳定内核事件?}
    D -->|是| E[tracepoint]
    D -->|否| F[kprobe]

2.3 Go语言构建eBPF字节码加载器:libbpf-go与CO-RE兼容性实践

libbpf-go基础集成

使用 github.com/cilium/ebpf(libbpf-go封装)加载eBPF程序需先解析ELF并校验BTF:

obj := &ebpf.ProgramSpec{
    Type:       ebpf.SchedCLS,
    Instructions: progInstructions,
    License:    "MIT",
}
prog, err := ebpf.NewProgram(obj) // 自动绑定BTF、处理relocation

该调用隐式启用CO-RE重定位:libbpf-go 读取 .BTF.rela.* 段,将 bpf_probe_read_kernel() 等辅助函数映射为 bpf_core_read() 形式。

CO-RE关键适配项

  • bpf_core_read() 宏自动展开为安全字段访问
  • bpf_core_type_exists() 运行时类型存在性检查
  • ❌ 不支持 __builtin_preserve_access_index 的GCC扩展(需Clang 14+)
特性 libbpf-go支持 需BTF版本
字段偏移重定位 v1.0+
类型重命名兼容 v1.2+
枚举值映射 ⚠️(需手动CORE_RELOC v1.4+

加载流程图

graph TD
    A[读取CO-RE ELF] --> B[解析.btf/.rela.btf]
    B --> C[应用core_relo]
    C --> D[生成目标内核适配字节码]
    D --> E[调用bpf_prog_load_xattr]

2.4 QN丢弃事件特征提取:从skb->mark到自定义perf event ring buffer封装

QN(Queueing Network)丢弃事件的精准捕获依赖于内核态标记与用户态高效消费的协同设计。

数据同步机制

采用 perf_event_open() 创建带 PERF_TYPE_SOFTWARE 类型的自定义 ring buffer,绑定至 PERF_COUNT_SW_BPF_OUTPUT,确保零拷贝传递 skb 元数据。

struct bpf_perf_event_data *ctx;
u32 mark = ctx->skb->mark & 0xFFFF0000; // 高16位保留为QN策略标识
bpf_perf_event_output(ctx, &qn_drop_events, BPF_F_CURRENT_CPU, &mark, sizeof(mark));

逻辑分析:skb->mark 由上游QoS模块预置(如 tc qdisc 设置),此处仅提取高16位避免与iptables等低16位标记冲突;&qn_drop_events 是BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY 类型的映射,支持多CPU并发写入。

用户态消费模型

字段 类型 含义
timestamp u64 丢弃发生纳秒级时间戳
qn_id u16 队列网络拓扑节点ID
drop_reason u8 0x01=RED超限,0x02=ECN标记失败
graph TD
A[skb进入qdisc] --> B{mark & 0xFFFF0000 != 0?}
B -->|Yes| C[触发BPF_PROG_TYPE_SCHED_CLS]
C --> D[提取mark高位→qn_id]
D --> E[bpf_perf_event_output]
E --> F[ring buffer]
F --> G[userspace mmap + poll]

2.5 内核态-用户态零拷贝通道设计:Go mmaped perf reader与ring buffer批处理优化

mmaped perf reader核心机制

Linux perf_event_open() 创建的环形缓冲区(ring buffer)通过mmap()映射至用户空间,规避传统read()系统调用的数据拷贝开销。Go 中需精确解析页首元数据结构:

// ring buffer header layout (per Linux kernel include/uapi/linux/perf_event.h)
type PerfEventMmapPage struct {
    Magic    uint32 // 0x75657266 ("perf")
    Version  uint32
    Reserved uint32
    Lock     uint32 // producer-consumer lock (seqlock-like)
    DataHead uint64 // kernel writes here
    DataTail uint64 // user reads up to here
}

逻辑分析DataHead由内核原子更新,DataTail由用户态维护;Lock字段用于检测并发读写冲突(非互斥锁,仅指示是否处于更新中)。Magic校验确保映射合法性,避免误读损坏内存。

批处理优化策略

  • 单次mmap映射固定大小(通常为PAGE_SIZE * (2^n + 1),含1页头+2^n数据页)
  • 用户态循环读取时,按perf_event_header长度动态解析事件,跳过PERF_RECORD_LOST等元事件
  • 使用syscall.Madvise(..., syscall.MADV_DONTFORK)防止 fork 时复制映射

性能对比(典型 10Gbps 网络 trace 场景)

方式 吞吐量 CPU 占用 平均延迟
read() + copy 1.2 GB/s 38% 142 μs
mmap + batch parse 8.9 GB/s 9% 23 μs
graph TD
    A[Kernel: perf_event] -->|write into ring buffer| B[DataHead++]
    B --> C{User: mmap reader}
    C --> D[Compare DataTail vs DataHead]
    D -->|New data?| E[Parse events in batch]
    D -->|No new data| F[Optional: poll/epoll wait]
    E --> G[Update DataTail atomically]

第三章:Go语言驱动的eBPF可观测性管道构建

3.1 基于ebpf.Map的QN丢弃上下文快照:conntrack元数据与时间戳融合

QN(Queue Notification)丢弃事件需在毫秒级捕获完整上下文,避免用户态轮询开销。核心设计是将 conntrack 四元组、协议状态与纳秒级时间戳原子写入 BPF_MAP_TYPE_PERCPU_HASH

数据同步机制

采用 per-CPU map 避免锁竞争,键为 struct qn_key { __u32 src_ip; __u32 dst_ip; __u16 src_port; __u16 dst_port; __u8 proto; },值为:

struct qn_val {
    __u32 ct_status;     // conntrack 状态位(如 IPS_SEEN_REPLY)
    __u64 ts_ns;         // bpf_ktime_get_ns() 获取的精确时间戳
    __u32 pkt_len;       // 触发丢弃的数据包长度
};

逻辑分析ts_ns 在 eBPF 程序入口立即采集,确保与 conntrack 查表结果严格时序对齐;ct_status 来自 bpf_ct_lookup() 返回值,反映连接生命周期阶段;pkt_len 来自 skb->len,用于后续丢包模式聚类分析。

字段语义映射表

字段 来源 用途
ct_status bpf_ct_lookup() 判断是否已建立/半连接
ts_ns bpf_ktime_get_ns() 对齐内核调度与网络栈时钟
pkt_len skb->len 识别大包突发性丢弃特征
graph TD
    A[SKB进入qdisc] --> B{eBPF TC ingress}
    B --> C[bpf_ct_lookup]
    C --> D[填充qn_val]
    D --> E[percpu_map.update]

3.2 Go实时聚合引擎:毫秒级滑动窗口统计与异常阈值动态漂移检测

核心设计哲学

以无锁环形缓冲区(sync.Pool + []float64)承载毫秒级时间序列,窗口粒度支持 10ms–5s 动态配置,吞吐达 12M events/sec(单核)。

滑动窗口聚合示例

type SlidingWindow struct {
    data   []float64
    head, tail, size int
    mu     sync.RWMutex
}

func (w *SlidingWindow) Add(val float64) {
    w.mu.Lock()
    defer w.mu.Unlock()
    w.data[w.tail] = val
    w.tail = (w.tail + 1) % w.size
    if w.tail == w.head { // 窗口满,覆盖最老值
        w.head = (w.head + 1) % w.size
    }
}

逻辑:环形结构避免内存重分配;head/tail 原子偏移实现 O(1) 插入;sync.RWMutex 保障并发读写安全。size 决定窗口事件容量(如 1000 条 @10ms → 10s 窗口)。

动态阈值漂移机制

指标 初始值 更新策略
均值 μ 0.0 指数加权移动平均(α=0.01)
标准差 σ 1.0 Robust MAD → σ ≈ 1.4826×MAD

异常判定流程

graph TD
    A[原始指标流] --> B[毫秒级滑动窗口聚合]
    B --> C[μ/σ 动态更新]
    C --> D{Z-score > 3.5?}
    D -->|是| E[触发告警+反馈调节α]
    D -->|否| F[持续学习]
  • 支持每秒自适应调整 α:高波动期自动增大衰减因子,提升响应灵敏度;
  • 所有状态本地驻留,零外部依赖,P99延迟

3.3 eBPF辅助函数调用链追踪:bpf_get_stackid与Go symbol resolver协同解码

bpf_get_stackid 是 eBPF 中获取内核/用户栈快照的关键辅助函数,需配合 BPF_F_USER_STACK 标志解析 Go 程序的用户态调用链:

u64 stack_id = bpf_get_stackid(ctx, &stack_map, BPF_F_USER_STACK | BPF_F_FAST_STACK_CMP);
if (stack_id < 0) return 0;

逻辑分析ctx 为程序上下文;&stack_map 是预定义的 BPF_MAP_TYPE_STACK_TRACE 类型映射;BPF_F_FAST_STACK_CMP 启用哈希去重,避免重复栈帧写入。返回负值表示栈采样失败(如无符号栈、权限不足或栈深度超限)。

Go 运行时禁用帧指针(-gcflags="-nolocalimports -no-frame-pointer"),导致传统 DWARF 解析失效。此时需依赖 Go symbol resolver —— 它通过 /proc/pid/exe + runtime.buildInfo.gopclntab 段动态重建符号表。

协同工作流

  • eBPF 采集原始栈地址数组(u64[128]
  • 用户态守护进程查 stack_map 获取 stack_id
  • 调用 libgo-symresolver 将地址映射为 main.httpHandler.ServeHTTP 等可读符号
组件 作用 限制
bpf_get_stackid 快速生成栈指纹 仅支持固定深度(默认127),不展开 goroutine 调度栈
Go symbol resolver 地址→函数名+行号 依赖未 strip 的二进制及 /proc/sys/kernel/perf_event_paranoid ≤ 2
graph TD
    A[eBPF probe] -->|raw stack addrs| B[bpf_get_stackid]
    B --> C[stack_map lookup]
    C --> D[userspace resolver]
    D --> E[Go func name + offset]

第四章:生产级部署与异常闭环治理

4.1 容器化eBPF程序分发:OCI镜像打包、特权模式安全沙箱与seccomp白名单配置

将eBPF程序封装为OCI镜像,可复用容器生态的构建、签名、分发与运行能力。核心挑战在于平衡功能需求(如bpf()系统调用)与运行时安全约束。

OCI镜像结构设计

镜像需包含:

  • /bin/bpftool(用于加载/验证)
  • /lib/bpf/program.o(ELF格式eBPF字节码)
  • /entrypoint.sh(校验签名后执行加载)

seccomp白名单关键条目

系统调用 用途 是否必需
bpf 加载/查询/修改程序和map
perf_event_open 跟踪事件采样 ⚠️(仅tracepoint场景)
clone 创建监控线程 ✅(若含用户态守护逻辑)
# Dockerfile 示例
FROM alpine:3.20
COPY bpftool /usr/bin/bpftool
COPY trace_tcp_connect.o /lib/bpf/
COPY entrypoint.sh /entrypoint.sh
RUN chmod +x /entrypoint.sh
ENTRYPOINT ["/entrypoint.sh"]

该Dockerfile构建轻量基础镜像;bpftool来自linux-tools静态编译版,避免glibc依赖;entrypoint.shCAP_SYS_ADMIN下执行bpftool prog load,确保eBPF程序仅在容器启动时加载一次。

安全沙箱运行时配置

{
  "capabilities": ["CAP_SYS_ADMIN"],
  "seccomp": {
    "defaultAction": "SCMP_ACT_ERRNO",
    "syscalls": [
      {"names": ["bpf"], "action": "SCMP_ACT_ALLOW"}
    ]
  }
}

此seccomp策略默认拒绝所有系统调用,仅显式放行bpf——防止eBPF程序被恶意篡改或注入,同时规避完整特权容器风险。

4.2 Go服务与Kubernetes CRD联动:自动触发QN丢包根因分析Pipeline(如CNI插件状态校验)

当网络质量(QN)监控系统检测到持续丢包阈值越界时,Go编写的Operator通过监听自定义资源QnAnomalyReport的创建事件,自动触发根因分析Pipeline。

数据同步机制

CRD QnAnomalyReport 定义关键字段: 字段 类型 说明
spec.targetPod string 异常业务Pod名称
spec.cniPlugin string 待校验的CNI插件名(e.g., calico, cilium
spec.triggerTime time 丢包发生时间戳

自动化校验流程

func (r *QnAnomalyReportReconciler) Reconcile(ctx context.Context, req ctrl.Request) (ctrl.Result, error) {
    var report v1alpha1.QnAnomalyReport
    if err := r.Get(ctx, req.NamespacedName, &report); err != nil {
        return ctrl.Result{}, client.IgnoreNotFound(err)
    }
    // 触发CNI状态检查Job
    job := buildCniCheckJob(report.Spec.TargetPod, report.Spec.CniPlugin)
    return ctrl.Result{}, r.Create(ctx, &job)
}

该函数从CR中提取目标Pod与CNI插件名,构造并提交Kubernetes Job;buildCniCheckJob注入cni-checker镜像及参数--pod-name--plugin,用于执行ip link showcalicoctl node status等诊断命令。

graph TD
    A[QN监控告警] --> B[创建QnAnomalyReport CR]
    B --> C[Go Operator监听创建事件]
    C --> D[生成CNI状态校验Job]
    D --> E[Pod内执行链路层/CNI组件健康检查]

4.3 基于OpenTelemetry的端到端追踪注入:将eBPF捕获的丢弃事件注入trace context

当eBPF程序在内核侧捕获到TCP丢包(如tcp_drop)或队列丢弃(qdisc_drop)事件时,需将其关联至用户态服务的OpenTelemetry trace中,实现故障上下文对齐。

关键注入机制

  • 利用bpf_get_current_pid_tgid()获取进程ID,匹配用户态OTel SDK注册的pid → trace_id映射表
  • 通过bpf_perf_event_output()将携带trace_idspan_id、丢弃原因的结构体推至perf buffer
  • 用户态collector轮询消费并调用otel::trace::Span::AddEvent()注入结构化丢弃事件

示例注入结构体

struct drop_event {
  __u64 trace_id_low;   // OpenTelemetry trace_id低64位(小端)
  __u64 trace_id_high;  // 高64位
  __u64 span_id;        // 当前span ID
  __u32 reason;         // 1=SOCKET_BUFFER_FULL, 2=QDISC_DROP...
  __u32 pad;
};

该结构体经perf buffer传递后,由Go collector解析并注入OTel trace——trace_idspan_id确保事件精准归属至分布式调用链路,reason字段支持按丢弃类型聚合分析。

字段 类型 说明
trace_id_low __u64 OTel trace_id低半部分,保障跨语言兼容性
reason __u32 标准化丢弃原因码,便于Prometheus指标导出
graph TD
  A[eBPF kprobe: tcp_drop] --> B[填充drop_event结构体]
  B --> C[bpf_perf_event_output]
  C --> D[Userspace Collector]
  D --> E[OTel SDK: AddEvent]
  E --> F[Jaeger/Zipkin展示丢弃事件]

4.4 灰度发布与热更新机制:Go控制面动态重载eBPF程序并保障QN会话连续性

为实现零中断升级,控制面采用双版本eBPF程序共存 + 连接跟踪状态迁移策略。

状态快照与原子切换

// 从旧程序提取活跃QN会话状态(TCP/QUIC流ID → 元数据)
oldMap := bpfModule.Map("qn_session_map")
snap, _ := oldMap.Dump() // 返回map键值对快照
// 将快照注入新程序的同名映射,确保新eBPF逻辑可立即接管
newMap.LoadBatch(snap, nil, &opts)

Dump() 获取全量会话快照;LoadBatch() 原子写入新映射,避免状态丢失。需确保两版本map结构完全兼容。

灰度路由策略

策略类型 匹配条件 流量比例 适用阶段
IP段 客户端子网 /24 5% 首轮验证
QUIC CID 前缀匹配 0xabc... 10% 协议层灰度
随机哈希 fnv32(clientIP+port) 100% 全量切换

热更新流程

graph TD
    A[接收新eBPF字节码] --> B[加载至临时ProgArray索引]
    B --> C[启动会话状态迁移协程]
    C --> D[等待所有新建连接命中新程序]
    D --> E[卸载旧程序]

第五章:性能压测结果与未来演进方向

压测环境与基准配置

本次压测基于真实生产镜像构建的Kubernetes集群,共部署3个Node(8C16G × 3),服务采用Spring Boot 3.2 + PostgreSQL 15 + Redis 7.2组合。基准流量模型复现2024年Q2双周大促峰值行为:每秒1200次订单创建请求,含JWT鉴权、库存预占、分布式事务(Seata AT模式)及异步履约通知。所有压测工具统一使用JMeter 5.6,通过10台负载机协同施压,确保网络吞吐不成为瓶颈。

核心接口TPS与P99延迟对比

接口路径 并发用户数 平均TPS P99延迟(ms) 错误率
POST /api/v1/orders 2000 842 1123 0.37%
GET /api/v1/orders/{id} 3000 2150 87 0.00%
POST /api/v1/refunds 1000 316 2456 2.14%

数据表明退款接口因需跨3个微服务协调+最终一致性校验,成为明显性能洼地;订单查询因Redis缓存命中率达98.6%,表现最优。

瓶颈定位与热力图分析

通过Arthas trace命令捕获退款链路耗时分布,发现RefundCoordinatorService.validateBalance()方法平均耗时达1.6s,其中78%时间消耗在PostgreSQL的SELECT FOR UPDATE锁等待上。火焰图显示该SQL执行计划未走索引,实际扫描了全量用户余额表(1200万行)。经EXPLAIN ANALYZE确认后,紧急上线复合索引CREATE INDEX CONCURRENTLY idx_user_balance_uid_status ON user_balance(user_id, status),P99延迟从2456ms降至312ms。

异步化改造验证

将原同步调用的物流单生成逻辑剥离为Kafka事件驱动架构:订单服务仅发布OrderPaidEvent,由独立的logistics-consumer服务消费并调用菜鸟电子面单API。压测显示,在3000并发下,订单创建TPS从842提升至1356,且退款接口错误率降至0.22%——因解耦后数据库连接池压力显著降低。

graph LR
A[订单服务] -->|发送 OrderPaidEvent| B[Kafka Topic]
B --> C{logistics-consumer}
C --> D[调用菜鸟API]
C --> E[写入物流单表]
D --> F[回调更新订单状态]

混沌工程注入验证

在预发环境启用Chaos Mesh对PostgreSQL Pod注入500ms网络延迟,观察系统韧性:订单创建成功率维持在99.1%,但退款失败请求自动转入死信队列,并由定时任务每5分钟重试3次。监控看板显示Prometheus指标refund_retry_count_total在故障期间激增,验证了熔断-重试-告警闭环的有效性。

下一代弹性伸缩策略

已落地基于eBPF的实时指标采集方案,替代传统cAdvisor轮询。当前实现CPU/内存/HTTP 5xx错误率三维度加权评分,当综合分值>75时触发HPA扩容。实测在流量突增300%的12秒内完成Pod扩增至8副本,较原策略提速4.8倍。

多活单元化演进路线

正在灰度接入ShardingSphere-Proxy 6.1,按user_id % 4划分4个逻辑单元,每个单元独享PostgreSQL主从集群与Redis Cluster。首批20万测试用户路由至单元2,其订单创建P99稳定在210ms以内,验证了分片键选择与跨单元事务规避设计的合理性。

对 Go 语言充满热情,坚信它是未来的主流语言之一。

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