Open Shortest Path First

Open Shortest Path First (OSPF) est un protocole de routage interne IP de type « à état de liens ». Il a été développé au sein de l'Internet Engineering Task Force (IETF) à partir de 1987. La version actuelle d'OSPFv2 est décrite dans la RFC 2328[1] en 1997. Une version 3 est définie depuis 2008 dans la RFC 5340[2] (initialement dans la RFC 2740[3] en 1999) et permet l'utilisation d'OSPF dans un réseau IPv6.

Histoire

Le groupe de travail OSPF a été formé au sein de l'IETF en 1987 pour remplacer RIP. Il est inspiré du protocole ARPANET développé par BBN. La version 1 est publiée dans la RFC 1131[4] en 1990 (mais jamais implémentée). La version 2 est décrite RFC 1247[5] en 1991. En 1992, l'Internet Engineering Steering Group (IESG) recommande OSPF comme IGP pour Internet dans la RFC 1371[6].

Fonctionnement général

Dans OSPF, chaque routeur établit des relations d'adjacence avec ses voisins immédiats en envoyant des messages hello à intervalle régulier. Chaque routeur communique ensuite la liste des réseaux auxquels il est connecté par des messages Link-state advertisements (LSA) propagés de proche en proche à tous les routeurs du réseau. L'ensemble des LSA forme une base de données de l'état des liens Link-State Database (LSDB) pour chaque aire, qui est identique pour tous les routeurs participants dans cette aire. Chaque routeur utilise ensuite l'algorithme de Dijkstra, Shortest Path First (SPF) pour déterminer la route la plus rapide vers chacun des réseaux connus dans la LSDB.

Le bon fonctionnement d'OSPF requiert donc une complète cohérence dans le calcul SPF, il n'est donc par exemple pas possible de filtrer des routes ou de les résumer à l'intérieur d'une aire.

En cas de changement de topologie, de nouveaux LSA sont propagés de proche en proche, et l'algorithme SPF est exécuté à nouveau sur chaque routeur.

Notion d'aire et types de routeurs

Afin d'éviter de propager la totalité de la base de données des liens et de limiter l'impact négatif du bagottement ou flapping (alternance rapide dans la disponibilité d'un lien), on segmente l'ensemble des routeurs en groupes connexes appelés aires, à la frontière desquels on peut procéder à des résumés. Chaque aire est distinguée par un nombre entier positif ou nul variant de 0 à 4 294 967 295, ce nombre est parfois exprimé en notation décimale pointée, de la même manière qu'une adresse IP. Chaque sous-réseau appartient à une seule aire.

Il existe toujours une aire dorsale (backbone area), area 0 ou encore area 0.0.0.0 à laquelle toutes les autres aires sont connectées.

Les aires sont logiquement contigües. Si les routeurs qui constituent une aire ne sont pas physiquement contigus, alors des liens virtuels sont configurés entre les routeurs qui ont en commun une aire de transit. Ces liens virtuels appartiennent à l'aire 0. Le protocole les traite comme des liens point-à-point non numérotés.

Chaque routeur est identifié à l'aide d'un router-id unique dans le réseau. Le router-id est un nombre positif codé sur 32 bits, il est habituellement représenté sous la forme d'une adresse IP. À défaut d'une configuration explicite, l'adresse IP locale la plus élevée sera utilisée, et s'il existe des interfaces de type loopback, l'adresse IP la plus élevée de celles-ci sera utilisée comme router-id. La détermination du router-id a lieu uniquement à l'initialisation du processus OSPF et persiste ensuite, indépendamment de la reconfiguration ou du changement d'état des interfaces.

Types de routeurs

R1, R2 et R3 sont des routeurs backbone. R1, R2 et R4 sont des ABR. R4 et R8 sont des ASBR. L'area 3 est connectée à l'area 0 grâce à un virtual link.

On distingue les types de routeurs suivants :

Routeur interne: un routeur dont toutes les interfaces se trouvent dans la même aire ;
Area Border Router (ABR): un routeur qui dispose d'interfaces dans des aires différentes ;
Autonomous System Boundary Router (ASBR): un routeur qui injecte dans OSPF des routes qui proviennent d'autres protocoles de routage ou des routes statiques ;
Routeur backbone: un routeur dont au moins une interface appartient à l'aire 0. Tous les ABR sont des routeurs backbone.

Paquets OSPF et LSA

En-tête du paquet OSPF (24 octets).

En-tête du LSA (20 octets).

OSPF fait usage du numéro de protocole 89 d'IP. Le TTL des paquets est fixé à 1 pour éviter leur propagation au-delà du sous-réseau et le champ ToS est fixé à 0. OSPF utilise des adresses multicast sur les réseaux de type broadcast et point à point.

Les paquets OSPF ont une taille qui peut aller jusqu'à 65535 octets et faire usage de la fragmentation IP si c'est nécessaire. Il est cependant recommandé de tenir compte du MTU du lien pour éviter la fragmentation en répartissant les LSA dans des messages LS Update plus petits que le MTU, si c'est possible.

Les LSA peuvent également atteindre 64 KB, cependant ils sont généralement de petite taille à l'exception du type 1 (router LSA), qui peut être volumineux pour des routeurs avec de nombreuses interfaces OSPF.

Il existe 5 types de paquets OSPF :

Hello (Type 1): découverte des voisins et maintien des adjacences ;
Database Description (DBD, Type 2): description des LSA ;
Link State Request (Type 3): requête d'un LSA ;
Link State Update (LSU, Type 4): mise à jour d'un LSA;
Link State Acknowledgement (Type 5): acquittement d'un LSA.

Le type 1 (hello) est utilisé pour l'établissement et le maintien des adjacences, les autres types sont utilisés pour la synchronisation de la LSDB.

Les Paquets LSA sont un sous-type de paquet LSU, les types suivants sont définis :

Type 1 (router): diffusé par un routeur, décrit l'état de ses interfaces ;
Type 2 (network): diffusé par un DR (Designated Router), décrit les routeurs attachés à un sous-réseau ;
Type 3 (summary): résumé de route par un ABR ;
Type 4 (interarea summary): route vers l'ASBR, généré par un ABR ;
Type 5 (external): diffusé par un ASBR, décrit une route externe ;
Type 6 (multicast group membership): utilisé par MOSPF ;
Type 7 (external NSSA): route externe générée par un ASBR d'un NSSA.

Les types 1 et 2 constituent les routes internes d'une aire (intra-area), les types 3 et 4 sont des routes inter-area (IA). Les routeurs backbone sont responsables de la diffusion des informations de routage inter-area.

Les routes externes se subdivisent en :

Type E1: le coût de l'accès à l'ASBR est ajouté à la métrique initiale de la route externe ;
Type E2: le coût de la métrique est fixe et ne dépend pas du coût vers l'ASBR.

Les LSA sont identifiés par le routeur d'origine, le type de LSA et le LSA ID. La signification de ce dernier varie en fonction du type de LSA :

LSA Type	LSA ID
1	Le router-id de l'émetteur
2	L'adresse IP de l'interface du DR
3	L'adresse du réseau de destination
4	Le router-id de l'ASBR
5	L'adresse du réseau externe

Le LSA de type 1 (router) se subdivise en quatre sous-types qui dépendent du type de réseau décrit.

Link type 1
Sous-type	Description	Link ID	Link data
1	point-to-point	router-id du voisin	Adresse IP de l'interface ou MIB-II ifIndex si l'interface n'est pas numérotée
2	lien vers un réseau de transit	adresse de l'interface du DR	Adresse IP de l'interface
3	lien vers un réseau stub	adresse du réseau	masque réseau
4	lien virtuel	router-id du voisin	Adresse IP de l'interface

Tous les LSA sont accompagnés d'une somme de contrôle qui assure l'intégrité des données. Celle-ci est vérifiée à la réception du LSA, enregistrée dans la LSDB et transmise aux voisins sans modification. Elle est ensuite revérifiée à intervalle régulier pour s'assurer que le contenu de la LSDB n'a pas été corrompu.

Gestion des LSA

Les LSA sont caractérisés par leur routeur d'origine, leur type et le LSA ID. Les numéros de séquence (entier signé sur 32 bits) augmentent de 1 à chaque changement, le premier numéro de séquence étant 0x80000001 (InitialSequenceNumber, -2³¹+1) jusqu'à 0x7fffffff (2³¹). Chaque version du LSA remplace les versions de numéro de séquence inférieur. En l'absence de changement, les LSA sont rafraîchis toutes les 30 minutes (LSRefreshTime). Un LSA qui atteint l'âge d'une heure (MaxAge) est éliminé de la LSDB. Le routeur d'origine du LSA peut spécifier que le LSA n'est pas rafraîchi en plaçant le bit DoNotAge à 1 dans les options.

Les LSA sont diffusés de façon fiable. Quand un routeur doit mettre à jour un LSA à la suite d'un changement de topologie, il incrémente son numéro de séquence et le diffuse à ses voisins adjacents sous forme d'un paquet Link-State Update (qui peut contenir plus d'un LSA). Les LSA font alors l'objet d'un acquittement explicite, faute de quoi ils sont retransmis. Les routeurs qui reçoivent le LSA comparent son numéro de séquence à celui qu'ils possèdent déjà, et s'il est plus élevé, ils enregistrent le LSA dans la LSDB et le transmettent également à leur voisin. Le champ LS Age est incrémenté à chaque transmission pour éviter les boucles infinies à la suite d'une erreur logicielle. Si un LSA est reçu avec un numéro de séquence identique à celui déjà présent dans la LSDB mais avec une différence d'âge inférieure à 15 minutes (MaxAgeDiff), le LSA sera ignoré.

Un routeur à l'origine d'un LSA qu'il veut faire disparaître de la LSDB le diffuse avec un LS Age = MaxAge, ce qui cause son élimination.

Les routeurs s'abstiennent de mettre à jour un LSA plus fréquemment que toutes les 5 secondes (MinLSInterval). Les routeurs rejettent les mises à jour d'un LSA qui a déjà fait l'objet d'une mise à jour il y a moins d'une seconde.

Types d'aires

On distingue les types d'aires suivantes :

aire 0: aire backbone ;
regular area: aire quelconque, l'aire backbone en étant une itération particulière ;
stub area: aire vers laquelle ne sont pas propagées les LSA de type 5 (routes externes) ;
totally stub area: aucun LSA de type 3, 4, 5 ou 7 n'y est propagée, à l'exception d'une route par défaut ;
not-so-stubby area (NSSA): type de stub area qui permet l'injection de routes externes via un LSA de type 7. Le type 7 sera converti en type 5 quand il sera transmis en dehors de l'aire ;
totally NSSA: NSSA sans LSA 3 et 4 à l'exception d'une route par défaut.

Il n'est pas possible de créer des liens virtuels à travers une stub area, ni des ASBR internes à une stub area.

Types de réseaux

Point-to-point: le sous réseau correspond à un lien point à point ;
Broadcast multiaccess: le sous-réseau peut comporter plus de deux routeurs qui peuvent tous communiquer entre eux, une adresse broadcast est disponible ;
Point-to-multipoint: le sous-réseau est constitué d'un routeur central et d'autres routeurs qui ne communiquent pas entre eux. OSPF traite le réseau comme une collection de liens point-à-point ;
NBMA (Non-broadcast multiaccess): le sous-réseau est constitué de routeurs qui peuvent communiquer entre eux mais il n'existe pas d'adresse broadcast. Dans ce type de réseau, OSPF émule le type broadcast en répliquant les LSA à tous les voisins adjacents ;

	Point-to-point	Broadcast	Point-to-multipoint (non-broadcast)	Point-to-multipoint (broadcast)	NBMA
DR/BDR	non	oui	non	non	oui
hello/dead	10s/40s	10s/40s	30s/120s	30s/120s	30s/120s
découverte des voisins	oui	oui	non	oui	non
RFC 2328	oui	oui	oui	Cisco	oui

Formation des adjacences

Diagramme d'état des adjacences.

Dans un sous-réseau, les routeurs qui se découvrent grâce au protocole hello sont appelés voisins. Dans les réseaux de type point-à-multipoint et NBMA, les voisins sont configurés explicitement. Pour autant que les paramètres des voisins soient compatibles, ils tentent alors de former une relation d'adjacence. L'établissement de l'adjacence est requise avant l'échange d'information de routage.

L'adjacence peut prendre les états suivants :

Down: aucune information n'a été reçue sur ce segment ;
Attempt: sur les réseaux NBMA, indique qu'aucune information récente n'a été reçue du voisin configuré ;
Init: un paquet hello a été reçu ;
2-Way: un paquet hello a été reçu et celui-ci contient son propre router-id, ce qui montre qu'il existe une communication bidirectionnelle. L'élection du DR et du BDR a lieu dans cet état. La décision de former une adjacence est prise au terme de cet état.
ExStart: les routeurs tentent d'établir les numéro de séquence initiaux qui seront utilisés dans les paquets d'échange d'information. Pour cet échange, un des routeurs deviendra le routeur primaire et l'autre le secondaire.
Exchange: les routeurs envoient leur LSDB par des paquets database description (DBD) ;
Loading: l'échange des LSDB se finalise, les routeurs réclament les LSA dont ils ont besoin ;
Full: la LSDB est synchronisée et l'adjacence est établie.

Protocole hello

Les messages hello sont envoyés à intervalle régulier sur les interfaces où OSPF est actif. Sur les liens point-à-point et les liens broadcast, ils sont diffusés sur l'adresse multicast 224.0.0.5 (AllSPFRouters), sur les liens sans broadcast, ils sont envoyés vers l'adresse IP unicast du voisin.

Les informations suivantes se trouvent notamment dans le paquet hello :

le DR et le BDR ;
la priorité ;
le type de réseau ;
la liste des routeurs OSPF connus du sous-réseau ;
le masque de sous-réseau ;
les périodes hello et dead ;
des options.

Le numéro d'aire est inclus dans l'en-tête paquet OSPF. Une adjacence ne se forme pas si certains paramètres ne sont pas compatibles (numéro d'aire, type d'aire (stub ou non), périodes hello/dead, authentification).

Adjacence sur un réseau à diffusion

Une relation d'adjacence est nécessaire pour que les routeurs OSPF se partagent des informations de routage. Dans un réseau broadcast (Ethernet) si chaque routeur devait établir une adjacence avec chaque autre routeur et échanger des informations d’état de liens la charge serait excessive, le nombre d'adjacences étant de ${\frac {n(n-1)}{2}}$ , soit en $O(n^{2})$ . Pour pallier ce problème, on choisit un DR (routeur désigné) qui va recevoir toutes les informations sur l'état des liens et les retransmettre aux autres routeurs. Celui-ci devenant un point critique du réseau, on désigne aussi un BDR (routeur désigné de secours). Le nombre d'adjacence est donc de 2n-1, soit en $O(n)$ . Les autres routeurs sont qualifiés de DR Other.

OSPF utilise uniquement du multicast pour communiquer, avec les deux adresses suivantes :

224.0.0.5 (AllSPFRouters) utilisé par le DR pour envoyer les informations d’état de liens à tous les autres routeurs sur le segment.
224.0.0.6 (AllDRouters) utilisé par tous les routeurs pour envoyer les LSA vers le DR et le BDR.

Seul le DR génère le network LSA (type 2) correspondant au sous-réseau. Le LSID de celui-ci vaudra l'adresse IP du DR dans le sous-réseau. Ce LSA liste également les routeurs attachés au sous-réseau.

Élection du DR

Si les trois routeurs sont démarrés simultanément, R2 deviendra le DR en raison du router-id plus élevé et R1 le BDR. R3 ne participe pas à l'élection du DR car sa priority vaut 0.

Pour un sous-réseau déterminé de type broadcast ou NBMA, chaque routeur OSPF possède une valeur appelée priority comprise entre 0 et 255. Si la priorité est configurée à 0, le routeur ne participe pas à l'élection et ne peut donc devenir ni DR, ni BDR.

Les autres routeurs qui sont au moins dans l'état 2-Way sont éligibles.

L'élection commence par le BDR. S'il existe déjà plusieurs routeurs qui indiquent être le BDR dans leurs paquets hello, celui qui a la priorité la plus haute sera retenu comme BDR, et s'il existe plusieurs routeurs avec la priorité la plus haute, alors celui dont le router-ID est le plus élevé est retenu comme BDR. S'il n'existe qu'un routeur qui indique être le BDR, ce choix persiste. Si la liste des candidats est vide, alors le BDR est le routeur éligible non-DR dont la priorité est la plus élevée, et s'il en existe plusieurs, alors celui dont le router-id le plus élevé est retenu.

On procède de même avec le DR, s'il n'y a pas de candidat DR, alors le BDR est promu en DR et on recommence l'élection du BDR comme au paragraphe précédent.

Les autres routeurs sont adjacents au DR et au BDR. En cas de défaillance du DR, le BDR devient DR et on procède à une nouvelle élection du BDR.

Suivant cette procédure, si un routeur est ajouté au réseau alors qu'un DR et qu'un BDR existent déjà, alors les DR et BDR persistent même si la priorité du nouveau venu est plus élevée.

Synchronisation

Une fois l'adjacence établie, les routeurs vont déterminer un routeur primaire et un secondaire ainsi qu'un numéro de séquence initial. Le routeur primaire va envoyer des paquets Database Description (DBD) au secondaire, ceux-ci consistent en une liste des en-têtes de LSA (mais sans les données du LSA proprement dites), le secondaire va noter les LSA qu'il ne possède pas ou dont les numéros de séquence sont plus élevés que celui dans sa LSDB et va les réclamer ensuite au primaire avec des paquets Link State Requests. Le routeur primaire lui répond avec des paquets Link State Update qui contiennent les LSA demandés. Le secondaire envoie ensuite les paquets Link State Update qui correspondent aux LSA dont le primaire ne dispose pas ou qui sont plus à jour chez le secondaire.

Une fois la synchronisation terminée, l'adjacence bascule dans l'état Full et les LSA sont diffusés normalement.

Résumé de routes

Les routes peuvent être résumées à deux niveaux dans OSPF :

les routes externes peuvent être résumées par l'ASBR qui les injecte dans OSPF ;
les routes inter-area peuvent être résumées par l'ABR à la frontière de ces areas.

Métrique

OSPF utilise une métrique numérique, basée sur un coût additif qui peut varier de 1 à 65535. La spécification ne donne pas de signification particulière à cette métrique, la contrainte étant qu'additionner les coûts de liens successifs pour déterminer le coût total doit avoir un sens.

Cisco utilise une valeur par défaut du coût d'un lien qui vaut (10⁸)/(bande passante du lien en bit/s). Un lien de 10 Mbit/s aura par exemple un coût de 10. Pour tenir compte des connexions à très haute vitesse (1 Gbit/s et plus), on peut fixer manuellement le coût de chaque lien, ou bien fixer une bande passante de référence supérieure à celle par défaut.

Indépendamment de la métrique, les types de routes suivants sont préférés dans cet ordre :

routes intra-area ;
routes inter-area ;
routes externes E1 ;
routes externes E2.

OSPF est capable de répartir la charge sur plusieurs liens, pour autant que la métrique soit exactement identique pour chaque destination.

Authentification

Les paquets OSPF peuvent faire l'objet de deux formes d'authentification, la première consiste en un mot de passe transmis en clair dans le paquet, la seconde consiste en une fonction de hachage MD5 calculée sur le paquet et un mot de passe partagé.

L’algorithme de Dijkstra

OSPF utilise l'algorithme de Dijkstra pour déterminer le meilleur chemin à prendre. On le nomme aussi algorithme SPF (Shortest Path First) ou algorithme du plus court chemin d’abord. Il a été formulé par Edsger Dijkstra.

OSPF déclenche ses mises à jour à chaque changement dans la topologie du réseau, ce qui permet de réduire le temps de convergence. À partir d'une mise à jour, un routeur met en place une base de données topologique permettant le calcul de l'accessibilité aux réseaux grâce au calcul d'un arbre de la topologie dont le routeur est la racine.

Avantages et inconvénients

Avantages d'OSPF

C'est un standard IETF qui fait l'objet du RFC 2328, il fait donc l'objet d'implémentations par de nombreux vendeurs et ne pose pas de problème d'interopérabilité, il est de ce fait particulièrement populaire,
son temps de convergence est particulièrement court,
il intègre la notion de taille de masque variable (VLSM), indispensable à la gestion des réseaux sans classe actuels,
il est économe en bande passante : en régime, seuls de courts messages hello sont envoyés, et en cas de changement de topologie, seuls les LSA modifiés sont envoyés aux voisins. Chaque routeur retransmet cependant l'ensemble de ses LSA à ses voisins toutes les 30 minutes.

Inconvénients d'OSPF

Comme chaque routeur dispose de la totalité de la base de données de liens, tous doivent disposer de la capacité mémoire suffisante pour la stocker ;
OSPF est sensible au phénomène de bagottement ou flapping, la capacité CPU joue un rôle dans le calcul SPF et donc la vitesse de convergence, en particulier pour les topologies complexes et instables ;
on estime en général qu'OSPF convient pour des topologies comprenant jusqu'à 1 000 routeurs ;
la configuration d'OSPF est plus complexe, principalement si le réseau est segmenté en aires ;
le concept de backbone area peut limiter les topologies possibles ;
il ne permet pas la répartition de la charge sur plusieurs liens de métrique différente, comme EIGRP peut le faire ;
OSPFv2 est spécifique à IPv4. Pour IPv6, une nouvelle version du protocole est nécessaire : OSPFv3 (voire un autre protocole: IS-IS)[7].

Évolutions (OSPFv3)

OSPFv2 ne fonctionne qu'avec et que pour IPv4. OSPFv3 a donc été défini dans la RFC 5340. OSPFv3 fonctionne sur des liens IPv6, et permet de router uniquement de l'IPv6 dans les RFC initiales. OSPFv3 abandonne l'authentification d'OSPFv2 au profit d'IPsec. OSPFv3 fonctionne sur des liens (adressés en IPv6, avec au moins des adresses Link-Local), plutôt que sur des subnets comme le faisait OSPFv2. De ce fait les LSA ID n'ont plus rien à voir avec l'adressage, lequel est du reste désormais transporté séparément dans de nouveaux LSA:

LSA Type 8 (Link LSA) : LSA de type Link-Local (valable sur le lien seulement), pour indiquer la liste des adresses présentes sur le lien
LSA Type 9 (Intra-Area Prefix LSA) : indique les préfixes associés à chaque LSA de type 1 (Router) et 3 (Network)

Par la suite, la RFC 5838[8] a introduit la notion d'Address Family, qui permet à OSPFv3 de transmettre simultanément des informations de routage et de topologie différentes pour différentes familles d'adresses, et notamment à la fois IPv4 et IPv6. Il est à noter qu'OSPFv3 tourne lui-même toujours sur des liens adressés en IPv6. Depuis cette RFC, OSPFv3 serait théoriquement en mesure de remplacer totalement OSPFv2 (toute notion de stabilité et de maturité d'implémentation mise à part).

Références

(en) J. Moy (Ascend Communications, Inc.), « OSPF Version 2 », Request for comments n^o 2328, avril 1998.
(en) R. Coltun (Acoustra Productions), D. Ferguson (Juniper Networks), J. Moy (Sycamore Networks, Inc), A. Lindem, Ed. (Redback Networks), « OSPF for IPv6 », Request for comments n^o 5340, juillet 2008.
(en) R. Coltun (Siara Systems), D. Ferguson (Juniper Networks), J. Moy (Sycamore Networks), « OSPF for IPv6 », Request for comments n^o 2740, décembre 1999.
(en) « The OSPF Specification », Request for comments n^o 1131.
(en) J. Moy (Proteon, Inc.), « OSPF Version 2 », Request for comments n^o 1247, juillet 1991.
(en) P. Gross, Editor, IETF/IESG Chair, « Choosing a "Common IGP" for the IP Internet (The IESG's Recommendation to the IAB) », Request for comments n^o 1371, octobre 1992.
(en) Philip Smith, « Migrating from OSPF to ISIS », sur MENOG, 22 avril 2012 (consulté le 25 février 2018)
(en) A. Lindem, Ed. (Ericsson), S. Mirtorabi, A. Roy, M. Barnes (Cisco Systems), R. Aggarwal (Juniper Networks), « Support of Address Families in OSPFv3 », Request for comments n^o 5838, avril 2010.

Voir aussi

Bibliographie

(en) John T. Moy OSPF: Anatomy of an Internet Routing Protocol Addison-Wesley Professional 1998, (ISBN 0201634724)
(en) Brent Stewart, CCNP Building Cisco Scalable Internetworks Official Study Guide, 4th ed, Cisco Press 2007, (ISBN 158720147X)

Liens externes

(en) OSPF Design Guide
(en) RFC 2328 OSPF v2, J. Moy, avril 1998
(en) RFC 3101 The OSPF Not-So-Stubby Area (NSSA) Option, P. Murphy, janvier 2003
(en) RFC 5340 OSPF for IPv6, R. Coltun et al, juillet 2008

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