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Vie + eBPF可观测性集成:3行代码实现HTTP延迟热力图与P99毛刺根因定位

第一章:Vie + eBPF可观测性集成:从概念到价值

可观测性已从“能看日志”演进为“理解系统行为本质”的核心能力。Vie 作为新一代轻量级可观测性平台,其设计哲学强调低侵入、高语义与实时反馈;eBPF 则在内核层提供安全、高效、无需重启的动态追踪能力。二者的结合并非简单叠加,而是构建起从应用逻辑、运行时状态到内核事件的全栈信号闭环。

Vie 的可观测性定位

Vie 不依赖代码埋点或 SDK 注入,而是通过 OpenTelemetry Collector 的扩展协议自动采集指标、链路与日志元数据,并将上下文(如服务名、部署版本、Pod 标签)注入每条观测信号。它原生支持 eBPF 数据源接入,可将内核级事件(如 TCP 重传、文件打开延迟、进程 exec 跟踪)与应用 span 自动关联,实现跨层级因果推断。

eBPF 的可观测性优势

相比传统代理或内核模块,eBPF 程序具备以下关键特性:

  • 安全沙箱执行,无须修改内核源码或加载模块
  • 动态加载/卸载,支持热更新探测逻辑
  • 零拷贝数据路径,单节点可支撑百万级事件/秒

快速集成实践

在 Kubernetes 集群中启用 Vie + eBPF 集成,只需三步:

  1. 部署 eBPF 数据采集器(如 pixiebpftrace 导出器):

    # 使用官方 Helm Chart 安装 Pixie(已内置 eBPF 探针)
    helm repo add px https://px.dev/helm-charts
    helm install px-agent px/px-agent --namespace px --create-namespace
  2. 配置 Vie Collector 接收 Pixie 的 OTLP 流:

    # vie-collector-config.yaml 中添加接收端
    receivers:
    otlp:
    protocols:
      grpc:
        endpoint: "0.0.0.0:4317"
  3. 启用 Vie 的 eBPF 上下文关联功能:

    processors:
    # 自动将 eBPF 事件中的 pid/tgid 与容器元数据匹配
    k8sattributes:
    pod_association:
      - sources: [{from: "env", name: "K8S_POD_NAME"}]
维度 传统 APM 方式 Vie + eBPF 方式
延迟检测粒度 应用层 HTTP/RPC 调用 内核 socket write/read、TCP 重传、page fault
故障定位速度 分钟级(依赖日志聚合与查询) 秒级(实时流式事件+拓扑染色)
资源开销 CPU 占用 5–15%(采样率 100%) eBPF 程序常驻内存

这种集成让开发者首次能在不修改一行业务代码的前提下,直接回答:“为什么这个请求慢?是磁盘 I/O 阻塞、TLS 握手超时,还是内核路由表冲突?”——可观测性由此回归其本质:对真实系统行为的诚实表达。

第二章:eBPF内核观测能力与Vie运行时协同机制

2.1 eBPF程序生命周期与HTTP流量捕获原理

eBPF程序并非常驻内核,其生命周期由用户空间工具(如libbpf)严格管控:加载 → 验证 → 附加 → 运行 → 卸载。

关键阶段说明

  • 加载:通过bpf(BPF_PROG_LOAD, ...)系统调用注入字节码
  • 验证:内核校验器确保无内存越界、无限循环、非法函数调用
  • 附加:绑定至sk_skbtracepoint/syscalls:sys_enter_sendto等钩子点

HTTP捕获核心机制

HTTP本身无协议标识,需依赖应用层特征识别:

  • TCP payload解析(需skb->data重定位)
  • 检查GET /POSTHost:等ASCII前缀
  • 利用bpf_skb_load_bytes()安全读取数据包载荷
// 从TCP payload第0字节开始读取8字节,存入buf
if (bpf_skb_load_bytes(skb, l4_off + 0, buf, 8) < 0)
    return 0;
// buf[0:4] == "GET " ? 1 : 0

逻辑分析:l4_off为TCP首部偏移,buf为栈上8字节缓冲区;该调用绕过直接指针解引用,规避验证器拒绝。返回负值表示越界或校验失败。

阶段 触发方 是否可中断
加载 用户空间
验证 内核
附加 用户空间
运行 内核事件 否(超时强制退出)
graph TD
    A[用户空间加载BPF字节码] --> B[内核验证器静态检查]
    B --> C{验证通过?}
    C -->|是| D[附加到网络钩子]
    C -->|否| E[返回错误码]
    D --> F[收到TCP包触发执行]
    F --> G[解析HTTP特征并上报]

2.2 Vie的Go runtime hook点与eBPF事件注入实践

Vie框架通过劫持Go runtime关键函数实现无侵入可观测性。核心hook点包括runtime.nanotime()(时间采样)、runtime.gopark()(协程调度观测)和runtime.newproc1()(goroutine创建追踪)。

关键Hook点与语义含义

  • runtime.gopark:捕获协程阻塞上下文,提取goidpc及阻塞原因
  • runtime.newproc1:在goroutine启动前注入eBPF探针,关联父goroutine ID
  • runtime.mallocgc:监控内存分配热点,触发堆栈快照

eBPF事件注入流程

// bpf_prog.c:在newproc1入口处注入
SEC("uprobe/runtime.newproc1")
int BPF_UPROBE(uprobe_newproc1, void *fn, uint32_t siz, void *argp) {
    u64 goid = get_goroutine_id(); // 从G结构体偏移0x8读取
    bpf_map_update_elem(&g_events, &goid, &fn, BPF_ANY);
    return 0;
}

逻辑分析:get_goroutine_id()通过struct g*指针+8字节偏移获取goroutine ID;g_eventsBPF_MAP_TYPE_HASH,用于用户态聚合goroutine生命周期事件。

Hook点 触发频率 可观测维度
gopark 协程阻塞链、锁竞争
newproc1 并发拓扑、goroutine谱系
mallocgc 极高 内存泄漏定位
graph TD
    A[Go程序执行] --> B{uprobe触发}
    B --> C[读取G结构体]
    C --> D[提取goid/pc/stack]
    D --> E[写入perf event ringbuf]
    E --> F[用户态viespy进程消费]

2.3 BPF Map数据结构选型与低延迟聚合策略

BPF Map 是内核与用户空间高效共享数据的核心载体,选型直接影响聚合延迟与内存开销。

常用 Map 类型对比

Map 类型 并发安全 查找复杂度 适用场景
BPF_MAP_TYPE_HASH ✅(per-CPU 可优化) O(1) avg 高频键值聚合(如连接统计)
BPF_MAP_TYPE_PERCPU_HASH ✅(无锁) O(1) 每 CPU 局部计数,避免争用
BPF_MAP_TYPE_ARRAY ❌(需预分配) O(1) 固定索引场景(如协议类型桶)

低延迟聚合实践:Per-CPU Hash + 用户态合并

// 定义 per-CPU hash map,每个 CPU 独立 bucket,消除锁竞争
struct {
    __uint(type, BPF_MAP_TYPE_PERCPU_HASH);
    __uint(max_entries, 65536);
    __type(key, __u32);           // flow_id 或哈希键
    __type(value, struct flow_stats); // 聚合结构体
} flow_stats_map SEC(".maps");

逻辑分析BPF_MAP_TYPE_PERCPU_HASH 为每个 CPU 分配独立 value 副本。BPF 程序调用 bpf_map_lookup_elem() 时自动定位本 CPU 副本,写入无需同步;用户态通过 bpf_map_lookup_elem() 遍历所有 CPU 副本并累加,将热点更新延迟从微秒级降至纳秒级。max_entries=65536 平衡哈希冲突与内存占用,适用于百万级流场景。

数据同步机制

  • 用户态轮询周期 ≤ 10ms,避免统计毛刺
  • 合并后清空各 CPU 副本(bpf_map_delete_elem),保障下一轮原子性
graph TD
    A[BPF 程序 on CPU0] -->|update| B[flow_stats_map[cpu0]]
    C[BPF 程序 on CPU1] -->|update| D[flow_stats_map[cpu1]]
    E[userspace poll] -->|read all CPUs| F[sum & reset]

2.4 基于libbpf-go的eBPF程序加载与校验流程

libbpf-go 通过封装 libbpf C API,为 Go 应用提供安全、可控的 eBPF 程序生命周期管理能力。

加载核心步骤

  • 解析 BTF 和 ELF 中的程序/映射定义
  • 构建 ebpflib.ProgramSpec 并调用 Load() 触发内核校验器验证
  • 校验通过后由 Program.Load() 返回可执行句柄

关键校验阶段

prog, err := ebpf.NewProgram(&ebpf.ProgramSpec{
    Type:       ebpf.XDP,
    Instructions: insn,
    License:    "MIT",
})
// Instructions:eBPF 字节码(经 clang 编译生成)
// License:必须声明,否则校验器拒绝加载
// Type:决定校验规则集(如 XDP 禁止调用 bpf_map_lookup_elem 以外的辅助函数)

加载状态对照表

阶段 触发动作 失败典型原因
ELF 解析 NewProgram 节区缺失、BTF 不匹配
内核校验 Load() 指令越界、寄存器未初始化
程序附加 Attach() 权限不足(CAP_SYS_ADMIN)
graph TD
    A[NewProgram] --> B[解析ELF/BTF]
    B --> C[构建ProgramSpec]
    C --> D[Load触发校验器]
    D --> E{校验通过?}
    E -->|是| F[返回Program实例]
    E -->|否| G[返回error并打印 verifier log]

2.5 Vie metrics pipeline与eBPF perf event联动调试

Vie metrics pipeline 通过 libbpf 加载 eBPF 程序,监听内核 perf_event_open() 产生的采样流,实现低开销指标采集。

数据同步机制

eBPF 程序将事件写入 BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY,用户态通过 perf_buffer__poll() 消费:

// 初始化 perf buffer,绑定到 map_fd
struct perf_buffer_opts opts = {};
opts.sample_cb = handle_sample; // 自定义解析回调
struct perf_buffer *pb = perf_buffer__new(map_fd, 8, &opts);

map_fd 对应内核中 PERF_EVENT_ARRAY 类型 BPF map;8 表示 CPU 数量,每 CPU 独立 ring buffer;handle_sample 解析 bpf_perf_event_data 结构体中的 sample_periodip 等字段。

联动关键参数

参数 说明 典型值
sample_period perf event 采样周期(指令数) 1000000
type perf type,需设为 PERF_TYPE_TRACEPOINTPERF_TYPE_HARDWARE PERF_TYPE_HARDWARE
config 对应硬件事件编码(如 PERF_COUNT_HW_INSTRUCTIONS 0x00
graph TD
    A[eBPF tracepoint] -->|emit| B[perf_event_array]
    B --> C[perf_buffer__poll]
    C --> D[handle_sample → metrics push]

第三章:HTTP延迟热力图的实时构建与可视化

3.1 延迟分桶算法(log-scale histogram)在Go中的高效实现

延迟分桶(Log-Scale Histogram)通过指数间隔划分桶(如 [1,2), [2,4), [4,8), ...),以 O(1) 时间完成插入、O(log n) 时间支持近似分位数查询,显著降低内存与时间开销。

核心数据结构设计

type LogHistogram struct {
    buckets []uint64     // 桶计数,索引 i 对应区间 [2^i, 2^(i+1))
    base    uint64       // 最小非零值下界(通常为1)
    maxBits int          // 支持最大值的 bit 位数(e.g., 64)
}
  • buckets[i] 累计落入 [base<<i, base<<(i+1)) 的样本数;
  • maxBits 限定桶数量为 maxBits + 1,避免无限扩展;
  • base=1 时覆盖 [1,2), [2,4), ..., [2^63, 2^64),天然适配 uint64 范围。

插入逻辑(O(1) 位运算)

func (h *LogHistogram) Insert(v uint64) {
    if v == 0 { return }
    i := bits.Len64(v - 1) // ⚠️ 关键:v∈[2^i, 2^(i+1)) ⇒ i = floor(log2(v))
    if i < h.maxBits {
        h.buckets[i]++
    }
}

bits.Len64(v-1) 直接获取最高有效位位置,规避浮点 log2 与分支判断,零分配、无锁友好。

特性 线性直方图 Log-Scale Histogram
内存复杂度 O(range) O(log max_value)
插入耗时 O(1) O(1)(位运算)
分位数误差 0 ≤100%(相对桶宽)
graph TD
    A[输入值 v] --> B{v == 0?}
    B -->|是| C[忽略]
    B -->|否| D[计算 i = bits.Len64(v-1)]
    D --> E{i < maxBits?}
    E -->|是| F[inc buckets[i]]
    E -->|否| G[丢弃或扩容策略]

3.2 热力图数据流:eBPF → ring buffer → Vie metrics → Prometheus exposition

数据同步机制

eBPF 程序在内核侧采样 CPU 调度延迟,通过 bpf_ringbuf_output() 将结构化事件写入无锁 ring buffer:

struct sched_delay_event {
    u32 pid;
    u64 delay_ns;
    u32 cpu;
};
// 写入 ringbuf(大小为 4MB,支持批量提交)
bpf_ringbuf_output(&rb, &evt, sizeof(evt), 0);

该调用非阻塞、零拷贝, 标志位表示不等待空间,丢弃策略由用户态决定。

用户态消费链路

Vie metrics 组件轮询 ring buffer,将原始事件聚合为二维热力图桶(CPU × latency bin),再暴露为 Prometheus 指标:

指标名 类型 标签 说明
sched_delay_heatmap_bucket Histogram cpu="0", le="1000000" 微秒级延迟分布计数

数据流向

graph TD
    A[eBPF tracepoint] --> B[ring buffer]
    B --> C[Vie metrics aggregator]
    C --> D[Prometheus exposition endpoint]

3.3 基于Grafana Loki+Tempo的热力图下钻与Trace关联分析

Loki 负责高基数日志聚合,Tempo 承担分布式追踪,二者通过统一标签(如 traceIDclusternamespace)实现语义对齐。

日志与Trace的关联机制

需在应用日志中注入 traceID(如 OpenTelemetry 自动注入),并确保 Loki 的 pipeline_stages 提取该字段:

- json:
    expressions:
      traceID: trace_id  # 从JSON日志提取trace_id字段
- labels:
    traceID:  # 将其作为日志流标签透传至Loki

逻辑分析:json 阶段解析结构化日志中的 trace_id 字段;labels 阶段将其注册为 Loki 流标签,使后续可通过 {traceID="xxx"} 直接查询关联日志。参数 traceID 必须与 Tempo 中的 trace_id 字段名一致,否则关联断裂。

关联查询流程

graph TD
  A[Grafana 热力图面板] -->|点击某热点时间点| B[自动提取 traceID]
  B --> C[Loki 查询对应 traceID 日志]
  B --> D[Tempo 加载该 traceID 全链路]
  C & D --> E[并排展示:日志上下文 + Trace 时序图]

关键标签对齐表

组件 标签名 示例值 说明
Loki traceID 0192abc... 必须小写、无空格,与 Tempo 保持完全一致
Tempo trace_id 0192abc... Tempo 默认字段,不可修改

第四章:P99毛刺根因定位的三层诊断模型

4.1 应用层:Vie采集的goroutine阻塞与net/http handler耗时归因

Vie采集服务中,/api/v1/collect handler 在高并发下频繁出现 P99 延迟突增,根源直指 goroutine 阻塞与 HTTP 处理链路耗时分布失衡。

阻塞点定位:http.DefaultTransport 限制

// Vie采集客户端复用全局transport,但MaxIdleConnsPerHost=5
client := &http.Client{
    Transport: &http.Transport{
        MaxIdleConnsPerHost: 5, // ⚠️ 采集goroutine在等待空闲连接时被阻塞
        IdleConnTimeout:     30 * time.Second,
    },
}

当并发采集请求 >5 且后端响应慢时,goroutine 在 transport.RoundTrip 中陷入 select { case <-t.idleConnCh: ... } 等待,非CPU阻塞但持续占用栈与调度资源。

耗时归因维度对比

指标 平均耗时 占比 主要诱因
DNS + TCP握手 82ms 12% 内网DNS解析抖动
TLS握手 146ms 21% 证书验证+密钥交换
handler.ServeHTTP 310ms 45% 同步调用第三方API阻塞
JSON序列化 27ms 4% 小对象无显著压力

关键路径优化示意

graph TD
    A[HTTP Request] --> B{Handler入口}
    B --> C[参数校验 & 上下文构建]
    C --> D[并发调用3个外部API]
    D --> E[聚合响应]
    E --> F[JSON.Marshal]
    F --> G[WriteResponse]
    D -.-> H[阻塞点:sync.WaitGroup.Wait]

根本解法:将串行外部调用改为 errgroup.WithContext 并发控制,并为 transport 动态扩容至 MaxIdleConnsPerHost=50

4.2 内核层:eBPF追踪tcp_retransmit_skb与socket sendq堆积分析

eBPF探针挂载点选择

需在tcp_retransmit_skb函数入口处插入kprobe,捕获重传触发上下文:

// bpf_program.c —— 捕获重传关键参数
SEC("kprobe/tcp_retransmit_skb")
int trace_tcp_retransmit(struct pt_regs *ctx) {
    struct sock *sk = (struct sock *)PT_REGS_PARM1(ctx);
    u32 snd_nxt = BPF_PROBE_READ(sk, __sk_common.skc_write_seq);
    u32 sendq_len = BPF_PROBE_READ(sk, sk_write_queue.qlen);
    bpf_map_update_elem(&retrans_events, &pid, &snd_nxt, BPF_ANY);
    return 0;
}

PT_REGS_PARM1(ctx) 获取首个参数(struct sock *sk);sk_write_queue.qlen 反映当前待发skb数量,是sendq堆积的直接指标。

sendq堆积典型模式

  • 持续重传 + qlen > 10 → 应用层写入过快或对端接收窗口长期为0
  • qlen 突增后不回落 → 网络丢包率高或ACK延迟严重

关键字段映射表

字段 来源 含义
sk->sk_write_queue.qlen struct sock 发送队列中未确认skb数量
sk->sk_wmem_queued struct sock 已排队字节数(含重传)

重传与sendq关系流程

graph TD
    A[应用调用send] --> B{sendq是否满?}
    B -->|否| C[入队sk_write_queue]
    B -->|是| D[阻塞/返回EAGAIN]
    C --> E[驱动发送→等待ACK]
    E --> F{超时或SACK触发重传?}
    F -->|是| G[tcp_retransmit_skb被调用]
    G --> H[重复入队同一skb → qlen虚高]

4.3 系统层:基于bpftrace的页回收/软中断/上下文切换毛刺快照捕获

当系统出现毫秒级延迟毛刺时,传统采样工具(如perf record -e sched:sched_switch)易漏失瞬态事件。bpftrace凭借低开销、事件精准触发与内联快照能力,成为定位页回收(mm_vmscan_kswapd_sleep)、软中断(irq:softirq_entry)及上下文切换(sched:sched_switch)三类毛刺的理想选择。

快照触发逻辑

# 捕获kswapd休眠前10ms内所有关键事件快照
bpftrace -e '
kprobe:try_to_free_pages {
  @start[tid] = nsecs;
}
kretprobe:try_to_free_pages /@start[tid]/ {
  $dur = nsecs - @start[tid];
  if ($dur > 10000000) { // >10ms
    printf("PID %d kswapd latency: %d us\n", pid, $dur / 1000);
    // 快照:当前CPU软中断状态 + 运行队列长度 + pgpgin/pgpgout
    @softirqs[comm] = hist(softirqs_pending());
    @rq_len[pid] = hist(pid ? cpu ? runnable_tasks() : 0 : 0);
  }
  delete(@start[tid]);
}'

该脚本在try_to_free_pages返回时检测超时,并即时采集软中断挂起数与就绪任务直方图——避免事后采样偏差;runnable_tasks()为bpftrace内置辅助函数,返回当前CPU运行队列长度。

关键事件关联维度

事件类型 触发点 快照携带字段
页回收毛刺 kretprobe:shrink_node nr_reclaimed, pgpgin, pgpgout
软中断堆积 tracepoint:irq:softirq_entry vec, pending_mask
上下文切换抖动 tracepoint:sched:sched_switch prev_state, rq->nr_running
graph TD
  A[毛刺触发条件] --> B{超时阈值判断}
  B -->|是| C[原子快照采集]
  B -->|否| D[丢弃]
  C --> E[软中断挂起向量]
  C --> F[运行队列实时长度]
  C --> G[内存页迁移计数]

4.4 自动化根因排序:结合Vie标签传播与eBPF tracepoint置信度加权

传统根因分析常受噪声trace干扰,难以区分关键路径与旁路调用。本方案融合图神经推理与内核可观测性双视角:

标签传播建模

# VieGraph.propagate_labels():基于邻接矩阵A与初始标签Y₀迭代更新
Y_t = α * A @ Y_{t-1} + (1-α) * Y₀  # α=0.85控制衰减强度
# Y₀中每个节点初始置信度来自eBPF tracepoint命中频次归一化

该式实现跨服务依赖的软标签扩散,抑制孤立高噪节点。

eBPF置信度加权逻辑

  • kprobe/tcp_sendmsg:权重0.92(语义明确、低误报)
  • tracepoint/syscalls/sys_enter_write:权重0.76(存在缓冲绕过)
  • uprobe/libc.so:malloc:权重0.41(符号解析不稳定)
Tracepoint类型 稳定性 语义保真度 权重
kretprobe ★★★★☆ ★★★★☆ 0.89
raw_tracepoint ★★★★☆ ★★★☆☆ 0.73
uretprobe ★★☆☆☆ ★★☆☆☆ 0.35

排序融合流程

graph TD
    A[eBPF采集原始trace] --> B[按tracepoint类型赋置信权重]
    B --> C[Vie图构建:服务为节点,RPC为边]
    C --> D[加权标签传播Y = f(A, W, Y₀)]
    D --> E[节点排序:argmax_i(Y_i[:, 'error'])]

第五章:生产落地挑战与未来演进方向

多云环境下的模型版本漂移治理

某金融风控团队在将LSTM时序模型部署至阿里云PAI与AWS SageMaker双平台后,发现AUC指标在上线72小时内下降0.12。根因分析显示:两平台默认TensorFlow 2.8.4镜像中cuDNN版本不一致(v8.2.4 vs v8.1.0),导致浮点运算微差累积放大。团队最终通过构建统一CUDA/cuDNN基础镜像+SHA256校验清单实现跨云一致性,将版本漂移检测周期从小时级压缩至秒级。

实时特征服务的延迟雪崩效应

在电商大促场景中,Flink实时特征计算集群遭遇P99延迟从85ms突增至2.3s。排查发现:用户画像特征表的HBase二级索引未覆盖region_id+timestamp组合查询路径,引发全表扫描;同时特征缓存TTL设置为静态30分钟,无法适配流量峰谷变化。解决方案包括:① 增加复合索引并启用Bloom Filter;② 引入动态TTL算法(基于QPS波动率自动调节);③ 在Flink算子间插入背压感知队列。改造后P99延迟稳定在62±3ms。

模型监控体系的维度爆炸问题

下表展示了某智能客服系统上线首月产生的监控指标规模增长情况:

监控维度 上线第1天 上线第7天 上线第30天
特征分布偏移 42 187 1,246
概率校准偏差 8 42 219
推理链路耗时 15 68 403
标签反馈延迟 3 12 87

为应对维度爆炸,团队采用分层采样策略:对高频调用接口(如意图识别)保留全量监控,对低频接口(如多轮对话状态机)启用动态稀疏化——仅当连续3次检测到KS统计量>0.15时触发深度诊断。

边缘AI设备的模型热更新机制

某工业质检终端(NVIDIA Jetson AGX Orin)需在产线不停机前提下切换YOLOv8s至YOLOv9-tiny模型。传统OTA方案存在32MB固件包下载耗时过长(平均47s)问题。团队设计双容器热更新流程:

graph LR
A[主推理容器] -->|健康检查失败| B[启动备用容器]
B --> C[加载新模型权重]
C --> D[校验SHA256+推理正确性]
D -->|验证通过| E[流量切至备用容器]
E --> F[销毁原主容器]

通过预加载权重文件、内存映射加速校验、增量diff包(仅传输差异层),整套流程压缩至2.8s内完成,满足产线

可信AI落地的合规性摩擦

某三甲医院部署的医学影像分割模型需满足《人工智能医疗器械软件注册审查指导原则》。实测发现:模型对DICOM元数据中PatientPosition字段的敏感度高达0.37(经Sobol全局敏感性分析),但临床操作规范允许该字段存在±5°人工录入误差。团队最终引入物理约束损失函数,在训练中强制分割边界与解剖结构拓扑关系保持一致,使位置误差容忍度提升至±12.3°,顺利通过NMPA二类证现场核查。

专攻高并发场景,挑战百万连接与低延迟极限。

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