下一代互聯網絡與IPv6技術

2019-11-03 09:05:30

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供稿：網友

吳峰

　　隨著互聯網在社會生活各個領域的廣泛應用和商業化的深入發展，現有的網絡基礎設施和網絡服務已經難以滿足和支持大規模的網絡應用，如交互式遠程實時教學、遠程醫療（手術）、協同工作/科研、數字化圖書館、虛擬實驗室等。與此同時，隨著網絡規模的擴大，現有網絡的管理和運營已經變得非常復雜，地址空間匱乏、帶寬瓶頸、網絡安全、數據保密、服務質量、新業務的盈利模式、對移動特性的支持等問題變得越來越突出。為了更好地迎接挑戰，必須建立ipv6下一代互聯網協議的網絡，為實現下一代互聯網服務搭建高性能、高質量、可靠、安全、經濟與開放的舞臺。在全球技術與經濟大環境下，開展下一代互聯網和IPv6研究，這對于提升我國信息化基礎設施的水平，滿足國民經濟發展需求具有重要的推動作用。

1發展下一代互聯網和IPv6的意義

　　從20世紀90年代中期開始，互聯網在中國飛速發展，從而帶動了相關信息產業的發展，包括通信業、設備制造業、軟件產業和服務業等，對國民經濟和社會發展起到了巨大的推動作用。截止到2003年6月為止，中國建成9大互聯網絡，互聯網的用戶數量已經達到6 800萬人，上網計算機2 572萬臺，網絡應用包括信息服務、遠程教育、遠程醫療、科學計算、電子政務和電子商務等，但是普及率尚不足4％，與亞太地區較為發達的國家和地區相比，存在相當大的差距。根據CNNIC的統計，1999年到2002年期間，我國互聯網用戶人數的年增長率平均在0.4左右。以這樣的速度發展，到2005年，中國互聯網用戶數將達到9 000萬（普及率約7％）；到2010年，將達到4.8億（普及率約30％）。

　　由于歷史原因，中國在互聯網領域處于后進狀態，與許多亞洲國家一樣都面臨著IP地址供需嚴重失衡的挑戰。據統計，到目前為止，IPv4的地址空間可被分配使用的地址約103個/8地址塊（相當于A類地址）。如果每個中國人都獲得一個IP地址，則中國13億人口需要的地址總量為72個/8地址塊?？梢钥闯觯袊幕ヂ摼W用戶數量的增長速率高于全球互聯網用戶的增長水平，因此，中國發展互聯網需要巨大的地址空間?？梢姡琁Pv4地址空間不足是下一代互聯網需要解決的首要問題，更是我國互聯網發展面臨的主要問題。截止2002年底，擁有13億人口的中國，只有大約2 900萬個IP地址，中國是全球最需要IP地址的國家之一。眾所周知，IPv4地址總量約43億，70%的地址資源已經被使用，其中，美國的IPv4地址占有量為38%，而我國目前的地址占有量僅為9%，地址資源嚴重不足制約了互聯網在我國的普及和發展，也使我國在國際競爭中處于不利的地位。

　　開展下一代互聯網和IPv6將對我國經濟增長帶來直接貢獻。據美國《福布斯》雜志預測，到2010年，下一代互聯網技術及其應用的發展將使目前幾萬億美元的互聯網市場成長為20萬億美元的大市場。啟動下一代互聯網的研究、開發和建設，從而推動國家信息基礎設施建設，帶動社會信息化投資，給網絡設備制造業、軟件業和信息服務業帶來巨大的發展空間。預計到下一個五年計劃中期，我國互聯網服務、軟件和設備的市場規模將達到數千億元，同時帶動電子商務等的快速發展，這些新的經濟增長點的形成將對我國國民經濟發展形成巨大動力。

　　開展下一代互聯網和IPv6也是我國實現跨越式發展的戰略機遇。由于這一代互聯網的核心技術已被美國等發達國家和跨國公司所控制，我國難有較大作為。但在下一代互聯網研究開發方面，我國與發達國家的差距并不大，這是難得的機遇。以新技術的出現為契機，實現跨越式發展，形成具有自主知識產權的核心技術，并力求在國際標準上占有一席之地，在產業上掌握先機，在安全上占據主動，這是我國實現新的跨越式發展的必由之路。

　　依托下一代互聯網，可以實現基于高質量視頻通信的遠程教育，提高各級教育水平；可以實現高可靠性的遠程醫療，提高人民健康保障條件；可以利用交互式網絡技術擴大政府宣傳力度，豐富文化娛樂生活，建設社會主義精神文明；可以建立超大容量共享資源庫，完善社會保障機制，提高公共服務水平，從而全面促進社會進步和提高人民生活質量。

2下一代互聯網及IPv6技術的研究

2.1互聯網的發展

　　國際互聯網界的權威認為，互聯網技術的發展周期經歷4個階段，即研究開發階段（Research and Development）、合作伙伴之間進行大規模試驗階段（Partnership）、私有化階段（PRivatization）、商業化階段（Commercialization）?，F在的互聯網以分組交換技術、TCP/IP體系結構為主要技術特征，從1969年的ARPANET開始，經歷了30多年的發展歷史，目前已經處于商業化發展階段?；ヂ摼W發展歷史表明，互聯網技術具有兩大特點：一是它的實驗科學特性，研究成果需要通過建立大規模的試驗網進行實驗和驗證，需要Partnership發展階段；二是它與產業結合的緊密性，從科研成果到實現產業化的發展速度很快，即Privatization和Commercialization兩個階段。以光通信技術為例，從實驗室中拿出的研究成果可以很快轉化為產品，并迅速投入市場，創造了技術發展每半年翻一番的新的“摩爾定律”。

　　由于光通信技術每半年翻一番，互聯網用戶數量每半年翻一番，在這樣巨大的技術驅動和社會發展條件下，現在互聯網的可擴展性、服務質量保證以及安全性等方面存在的問題日趨突出，下一代互聯網技術應運而生?？梢钥闯?，下一代互聯網具有與現在的互聯網同樣的發展規律和技術特點，美國的下一代互聯網技術已經經歷了研究開發階段，目前正處于合作伙伴之間進行大規模試驗階段。

　　下一代互聯網具有比當前的互聯網更大、更快、更安全、更及時和更方便的特征，IPv6技術是實現這些特征的主要技術之一。IPv6協議由互聯網標準化組織IETF的IPng工作組于1994年9月首次提出，其設計目標就是改進現行的IPv4協議的明顯不足，將地址空間從IPv4的32位（地址總量為232）改變為128位（地址總量為2128），并提高網絡的可管理性、安全性、可移動性和QoS能力等。目前，許多國家和地區的下一代互聯網都在開展IPv6 技術的研究與實驗，有些國家開始提供IPv6商業化服務。盡管我國已經對IPv6技術開展了4~5年的嘗試性研究實驗工作，并且積極參與了國際IPv6技術研究工作，但是我國當前下一代互聯網的建設和研究還僅僅處于起步階段，已落后于世界發達國家。當前我國下一代互聯網研究迫切需要解決的問題是尚缺少一個長距離、大范圍（類似NGI或Internet2）的具有廣泛影響力的下一代互聯網研究試驗環境。

2.2IPv4向IPv6的轉換技術研究

　　由于IPv4向IPv6過渡的重要性，IETF下一代互聯網過渡工作組NGTrans已經提出了一些過渡策略和技術，概括起來可分為3類：同時支持兩種協議的雙棧技術、采用IP數據包封裝的隧道技術和透明轉換技術（包括數據包頭轉換和協議轉換）。前兩者需要主機做相應的修改，目前已有相應的軟件協議棧和路由設備，第3種實際上是一種網關技術，最大的優點是不需要改動通信主機就能實現純IPv4和純IPv6主機之間的“透明”通信。這種互通技術的典型是NAT-PT，它集中了數據包頭和上層協議轉換于一身，是非常重要的IPv4/IPv6轉換技術。IPv4向IPv6的過渡以及現有的IPv4網絡和采用IPv6協議網絡之間的互通將是未來網絡能否真正投入使用的關鍵問題之一。

(1)雙棧機制

　　雙棧機制是處理過渡問題最簡單的方式，通過在1臺設備上同時運行IPv4和IPv6協議棧使得設備能處理兩種類型的協議。雙棧機制在過渡方法中雖然直觀，但仍有一個很大的問題是雙棧仍然要求相應主機必須配置IPv4地址，否則無效，這有悖于使用IPv6解決IPv4地址不夠問題的初衷，而且使用雙棧會增加主機的負擔，降低性能。

(2)隧道機制

　　隧道機制允許運行IPv6的設備使用已有的IPv4網絡設施進行傳輸。在兩者都具備雙棧的站點間，將IPv6數據包封裝在IPv4數據包內，由IPv4網絡傳輸，到達隧道端點后解封還原為IPv6包。這是目前使用最廣泛的過渡技術，分為自動和手工配置兩種。改進的技術有隧道代理技術（Tunnel Broker，即自動配置加代理）。

(3)直接轉換機制

　　具體來講，直接轉換機制就是轉換兩種不同協議的數據包的相應字段，從而達到使兩種協議互通的目的。這種機制最大的特點是不需要雙棧支持，也不需要特定的路由（如要求隧道支持），在v4和v6節點之間提供透明的路由，是解決純IPv4和純IPv6網絡之間通信的有效手段。2.3IPv6的研究內容

　　從當前全球互聯網技術發展趨勢來看，許多發達國家都在積極研究和推廣下一代互聯網，我國也在部署下一代互聯網發展計劃，建立國家級的下一代互聯網試驗床，研究IPv6、QoS、組播等網絡服務技術、網絡中間件技術以及網絡連接應用技術，突破網絡的可擴展性、移動性、安全性等關鍵問題。其中，重點是實驗和驗證IPv6技術的可行性，提出從IPv4到IPv6的過渡策略，實現基于IPv6的新型重大應用，包括大規模流媒體應用、移動性應用、以及網絡信息家電應用等。下一代互聯網的試驗網建設、系統、應用和標準化專題研究，是我國下一代互聯網發展戰略布局的重要組成部分。建立連接主要城市的高速IPv6試驗網，提供一個長距離、大范圍（類似NGI或Internet2）的具有廣泛影響力的下一代互聯網研究試驗環境，每個城市連接若干局域網或城域網，同時與國外IPv6試驗網實現高速互聯。在網上開展IPv6網絡技術研究，包括：地址分配、路由、從IPv4到IPv6的過渡、網絡管理和測量、QoS、組播等技術；技術開發主要為系統開發、應用技術開發及標準化研究；研究IPv6網絡設備和系統關鍵技術（路由器、交換機等網絡關鍵技術，協議一致性測試和互操作測試技術，主機服務器、用戶終端、網絡家電等與網絡接入的關鍵技術，VPN、防火墻等網絡安全關鍵技術）；研究開發IPv6典型應用技術（IPv6網絡中間件，現有的IPv4應用到IPv6應用的過渡，IPv6應用軟件的開發）；通過對試驗網的性能測試和對共同開發的設備、軟件和技術進行的驗證測試，開展IPv6技術的標準化工作，參與國際開放標準研究，結合試驗網研究成果提出新的IPv6國際標準。

3國外下一代互聯網及IPv6技術現狀和發展趨勢

3.1國外下一代互聯網研究計劃

　　1996年，美國政府發起下一代互聯網NGI行動計劃，建立了下一代互聯網主干網vBNS；1998年，美國下一代互聯網研究的大學聯盟UCAID成立，啟動Internet2計劃。繼NGI計劃結束之后，美國政府立即啟動了旨在推動下一代互聯網產業化進程的LSN計劃。加拿大政府也支持了CANET發展計劃，目前已經歷4次大規模的升級。由于政府的高度重視和大力支持，目前以美加為主的北美地區代表了全球下一代互聯網的最高水平。

　　美國在下一代互聯網研究中日漸彰顯的壟斷趨勢已經引起許多發達國家的關注。2001年，歐共體已經啟動下一代互聯網研究計劃，建立了連接30多個國家學術網的主干網GEANT，并以此為基礎全面進行下一代互聯網各項核心技術的研究和開發。

　　日本、韓國和新加坡3國在1998年發起建立了“亞太地區先進網絡APAN”，加入下一代互聯網的國際性研究。日本目前在國際IPv6的科學研究乃至產業化方面占據國際領先地位。

　　2002年，美國Internet2聯合歐洲、亞洲各國發起“全球高速互聯網GTRN”計劃，積極推動全球化的下一代互聯網研究和建設。

3.2構筑下一代互聯網的主要體系研究

　　根據美國NGI和Internet2研究計劃的總體結構，下一代互聯網主要包含基礎設施、服務和應用3個層次。其中，處于中間的服務層由網絡工程和中間件兩部分組成。下一代互聯網研究進展情況如下：

(1)基礎設施

　　下一代互聯網基礎設施（Infrastructure）分為核心層（Core）、分布層（Distributed）和接入層（access）3個層次。核心層是主干網，主要涉及廣域網技術，以IP/Optical為技術發展趨勢，具有代表性的是美國Internet2的基礎設施Abilene，網絡規模覆蓋全美，傳輸速率最高為2.5 Gbps，計劃升級到10 Gbps。分布層是地區網，主要涉及城域網技術，以千兆位或萬兆位以太網技術為未來發展趨勢。接入層是園區網，主要涉及用戶“最后1 km”的各種接入技術，其中無線/移動接入技術是未來發展趨勢，基于IEEE 802.11b無線局域網技術傳輸速率達到11 Mbps，完全與以太網兼容，已在美國、日本等發達國家得到廣泛應用；傳輸速率達到54 Mbps的基于IEEE 802.11a無線局域網技術的實驗產品也已經出現。

(2)網絡工程

　　在高速網絡基礎設施之上，為了提高網絡的可擴展性、可管理性、實時性、安全性和可用性，開展包括Multicast，IPv6，QoS，網絡管理和網絡測量等網絡服務技術研究和工程性試驗。

(3)網絡服務中間件

　　中間件（Middleware）技術位于網絡基礎設施與網絡應用之間，包括核心中間件（Core middleware），面向應用的上層中間件（Upware），與網絡相關的網絡層中間件（Network-layer middleware）。其中，核心中間件包括對象標識、身份鑒別、目錄服務、授權訪問以及公鑰基礎設施PKI。

(4)網絡應用

　　下一代互聯網應用具有現行網絡所沒有的特征，包括交互式協同工作，遠程儀器和設備的實時操作與控制，大范圍、多站點的分布式計算和海量數據挖掘，分布式系統仿真，共享式虛擬現實等。Internet2的典型應用包括數字化圖書館、遠程教育、遠程沉浸（Tele-immersion）和虛擬實驗室等。目前的研究熱點包括數字視頻和網格計算。

(5) 網絡設備

　　構筑下一代互聯網的關鍵設備仍然是路由器。路由器的發展沿著兩條主線并行前進，一方面，路由器從原來的傳統計算機技術向分布式硬件線速轉發無阻塞交換方向發展；另一方面，互聯采用的傳輸方式從傳統的串口、以太網接口發展到IP over ATM，IP over SDH，直到目前的IP over DWDM，通信能力不斷邁向新的量級。路由器已不再是簡單完成包的轉發功能，還有能力解決網絡擁塞、時延和服務質量等問題。目前，最具代表性的G比特高速交換路由器是Cisco12000系列產品，系統容量從40 Gbps直到320 Gbps，支持POS，ATM，GE，FE等端口，接口速率從OC-3至OC-48，新近推出的124XX系列支持OC-192的10 G 接口。此外，有些國外公司已經研制和生產T級高速交換路由器，包轉發速率為37 Mbps，交換速率達到5 Tbps。

3.3IPv6技術研究與發展狀況

(1)國外IPv6技術研究與發展總體狀況

IETF從1991年開始研究IPv4的地址長度和結構；1992年，IETF成立了IPng工作組；1992~1994年，IPng工作組收到了若干提案；1994年夏，IPng工作組提出了下一代IP網絡協議（IPv6）的推薦版本；1995年夏，IPng工作組完成了IPv6的協議文本；1996年，IETF建立了全球范圍的IPv6實驗床6Bone，一個重要的設計目標是實現IPv6與網絡中現行的IPv4協議兼容；1998年，面向實用的全球性IPv6研究啟動；1999年，IPv6協議基本確定；2000年5月，3G標準化組織3GPP采納IPv6為多媒體服務的必選協議。

國際上研究IPv6試驗網及其相關技術、提供IPv6地址服務的組織有6Bone和6Ren等，并成立了全球性技術論壇“IPv6 Forum”。IPv6技術特點包括大的地址空間、自動配置、安全性、移動性、服務質量和組播，IPv6的研究熱點集中在IPv4到IPv6的過渡策略等管理問題。

由于IPv4存在地址空間不足、缺少有效地服務質量控制和安全保障等問題，越來越多的國家開始關注IPv6技術的研究，并將其列入下一代互聯網發展計劃。日本于2000年9月開始推廣IPv6，并于2002年4月宣布開始提供IPv6商業服務。韓國和歐盟也相繼宣布啟動IPv6推廣計劃。歐盟GEANT和美國Abilene的網絡升級方案都選擇了支持IPv6/IPv4雙協議棧的路由器，計劃建立Native IPv6試驗網。需要指出的是，歐洲各國政府在推廣IPv6方面發揮著重要的作用，根本的原因在于歐洲在移動通訊領域已經掌握了先機，即將到來的3G時代更讓他們看到了在未來網絡經濟中與美國并駕齊驅的希望，要將這一希望變為現實，IPv6統治地位的早日確立就成為關鍵。由于下一代互聯網對IPv6的需求，國際著名廠商生產的高性能路由器都支持IPv4/IPv6雙協議棧，包括美國的Cisco和Juniper公司，也包括日本的日立、NEC和富士通等公司。

(2)IPv6標準研究進展

　　國際標準化組織IETF非常重視IPv6標準的發展，以下簡要介紹有關IPv6的標準規范。

　　基本規范：RFC2460－IPv6規范；RFC2463－ICMPv6；RFC2462－地址自動配置；RFC1981－PMTU發現協議；RFC2461－鄰居發現協議。

　　地址：RFC1753針對Nimrod路由和地址結構提出對IPv6互聯網絡設計的要求；RFC1881指出IPv6地址空間由IANA管理；RFC1887討論了IPv6單播地址分配方案設計；RFC2373討論了IPv6地址的體系結構；RFC2374，RFC2375，RFC2471，RFC2526討論了可聚集全球單播地址、組播地址、測試地址、保留的IPv6子網任意播地址的有關問題；RFC2732定義了在URL中使用的文字IPv6地址格式。

　　安全：涉及報頭和數據的認證以及傳輸的標準有RFC2401，RFC2402，RFC2403，RFC2404，RFC2405，RFC2406以及RFC1828，RFC1829等。

　　過渡機制：RFC2473討論了IPv6協議中一般的包隧道技術；RFC2529定義了在IPv4組播域上進行IPv6包傳輸的數據格式等；RFC2893討論了IPv6主機和路由器的轉換機制；RFC2185討論了RFC1933提出的轉換機制中涉及的路由問題。

　　路由協議：包括RIPng協議（RFC2080－RIPng for IPv6），OSPFv3協議（RFC2328－OSPFv2和RFC2740－OSPF for IPv6）等。

　　移動IP：相關的草案包括Draft-IETF-mobileip-IPv6-16和Draft-IETF-mobileip-IPv6-17等。

4國內下一代互聯網研究及產業關聯度與市場分析

4.1中國下一代互聯網的研究進展

近年來，我國已經啟動了一系列和下一代互聯網研究相關的計劃，如教育部的CERNET－IPv6試驗床、國家自然科學基金委員會的“中國高速互聯研究試驗網絡(NSFCNET)”和“網絡與信息安全”重大專項；國家“863”計劃“十五”期間的IPv6核心技術開發、IPv6綜合試驗環境、3Tnet重大專項；國家“973”計劃有關網絡、通信、信息安全以及人機和諧環境的相關課題；中國下一代互聯網交換中心DRAGONTAP以及CERNET2試驗網；中科院的“IPv6關鍵技術及城域示范網”和國家計委的“下一代互聯網中日IPv6合作項目”等。這些計劃已經取得部分成果，為我國下一代互聯網建設奠定了一定的基礎。

4.2IPv6技術研究進展和發展動向

　　通過幾年的研究，我國在下一代互聯網核心技術與純IPv6試驗網等方面取得了一些成果，主要表現在以下幾個方面：在高性能核心路由器及其相關IPv6技術方面，國家863計劃“中國高速信息示范網”專項的高性能核心路由器項目，研制的高性能核心路由器的背板交換速率達到40~160 Gbps，包轉發率 > 20~40 Mbps，路由表容量達到512 k，接口類型包括2.5 G OC-48c，155 M OC-3，100/1000 M Ethernet等。

　　IPv6協議研究方面，初步實現了IPv6協議棧；在IPv6安全中間件、IPSec協議開發、IPv6信息過濾技術等領域進行了研究與開發；對TCP/IP協議進行了一致性測試、互操作性測試、性能測試，提交了4個TCP/IP協議測試集RFC標準草案；對IPv6協議一致性測試平臺及相關測試集進行了研制與開發。

　　在IPv6其他相關技術研究方面，進行移動IPv6網絡技術研究、IPv4和IPv6過渡有關的技術研究、基于IPv6協議的QoS相關技術研究。

　　在IPv6協議標準化研究方面，中國成立了互聯網絡IP標準組，IPv6協議已列入標準組的標準制定計劃，共有9個IP協議標準項目，并有多個IPv6軟課題研究，同時與國際多家企業建立IPv6標準研究合作關系。

　　在IPv6試驗網研究方面，利用IPv4隧道技術建立了IPv6試驗床，已與世界各地建立了13條BGP4+的連接。

在IPv6試驗網相關技術研究方面，對IPv6地址分配策略、IPv6路由、IPv6與IPv4協議轉換、基于IPv6協議的網絡管理、IPv6基本網絡服務（www，DNS，FTP）等技術進行了研究與實驗。

在下一代互聯網絡試驗網及其應用方面，建設了中國第一個下一代互聯網絡交換中心“Dragon TAP”，并實現了與國際下一代互聯網的連接。4.3IPv6與有線電視

　　網絡當中一臺計算機配有1394卡，并實時捕獲由小轉換器傳來的有線電視信號。此計算用DVTS將捕獲數據壓縮并封裝到IPv6數據包中從網卡傳送到網絡的其他計算機。

　　2003年8月，美國華盛頓大學完成了在HDTV over IP的試驗，一個傳輸于互聯網上的HDTV數據流超過了250 Mbps，預測2004年HDTV over IP的試驗將會在國內開展。

4.4產業關聯度與市場分析

(1)IPv6技術與電信運營產業的關隸

　　由于互聯網技術的飛速發展，傳統電信的話音、數據與視頻業務相互分離的狀況已經被打破，正在向IP融合的方向發展。對于國內電信運營商而言，面臨著從傳統電信網絡向以IP技術為核心的新型電信網絡過渡的問題，而IPv4的地址空間、安全性和服務質量控制等問題是推出新型業務前必須解決的關鍵。

　　IPv6技術有望改進IPv4存在的不足。通過實驗和驗證IPv6技術的可行性，為電信運營商探索新型業務模式以及相應的運營模式，加速從傳統電信到IP技術的過渡，支持多種形式的應用和服務，使電信運營商能夠從下一代互聯網中盈利。采用IPv6技術的互聯網，不僅會覆蓋以互聯網為主的數據通信市場，還會覆蓋以話音通信為主的固定通信和移動通信市場，并會產生新的以娛樂和教育為主的視頻通信服務市場，以及信息家電聯網服務市場。因此，IPv6技術會為電信運營業帶來廣闊的市場前景。

(2)IPv6技術與設備制造產業的關隸

　　與互聯網相關的設備包括通信設備、網絡設備（路由器和交換機）、主機和終端設備、網絡與信息安全設備（防火墻等）。采用IPv6技術建立互聯網，有望滿足中國眾多人口的上網需求，使中國成為世界上最大的互聯網市場，為國內研制和生產上述設備的制造商提供了巨大商機，并可大大促進關鍵設備國產化的發展進程。同時，由于IPv6帶來的網絡可擴展性和可移動性，也為各種移動式終端、流媒體信息終端及其外部設備，以及信息家電的制造廠商提供了重要發展機遇。因此，IPv6技術可為設備制造產業帶來廣闊的市場前景。

(3)IPv6技術與軟件產業的關隸

　　由于IPv6具有的技術特點，基于IPv6的網絡有望支持大規模的、多種形式的、新型的網絡應用，需要研制和開發大量的系統軟件和應用軟件。與網絡建設與運營、設備制造產業相比，軟件產業發展具有更大的自主性，更加貼近中國國情的發展需要。因此，IPv6技術為我國的軟件產業帶來更大的發展空間，具有廣闊的市場前景。

摘自　中國有線電視

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