| Capítulo 6.3  Volver
1 Definición
2 Elementos de ATM
3 Tecnología ATM
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El desarrollo de la tecnología ATM (Asynchronous
Transfer Mode), se debe a importantes cambios en las estrategias de negocio de
organizaciones y a los avances tecnológicos ocurridos en la década de los 90.
En el ámbito de los negocios, el aplanamiento de los
organizaciones dentro de las empresas sometidas a un proceso de Reingeniería,
reemplazando la estructura jerárquica de varios niveles, traen como consecuencia la
sustitución de arquitecturas centralizadas basadas en grandes computadoras por el
procesamiento distribuido de una LAN. Estos cambios organizacionales influyen en los
sistemas de las empresas. Conceptos tales como: arquitectura cliente-servidor, groupware,
Intranet, videoconferencia al escritorio, bases de datos distribuidas, aplicaciones
multimedia y el correo electrónico, entre otros, forman parte de esta tendencia.
Varias de las aplicaciones mencionadas forman parte de otra
tendencia, que es la incorporación de imágenes o vídeo en la transmisión de
información, y el manejo de múltiples medios en una comunicación interactiva
(multimedia)
Lo anterior genera la necesidad de aumentar el ancho de
banda de las redes de telecomunicaciones para lo cual el uso de ATM es muy atractivo. La
tecnología ATM transmite información a velocidades que van del orden de los Mbps a los
Gbps.
Otro efecto del cómputo distribuido es el considerable aumento
en el número de miembros dentro de la organización con la necesidad de conectarse a la
red corporativa. Por tal motivo es necesario el uso e interconexión de redes LAN, redes
para campus (CAN), redes Metropolitanas (MAN), redes de Banda Amplia (WAN) o una Red
Global (GAN).
Además, dentro de la tendencia del procesamiento distribuido, es
posible que varios miembros de la organización requieran acceso remoto desde su casa
(telecommuting) para realizar su trabajo, o sea personal en constante movimiento con igual
necesidad de acceso a la información de la compañía, para la cual también se podrá
utilizar ATM, ya que permite una integración natural con la mayoría de tecnologías de
red existentes y es capaz de soportar gran cantidad de tráfico generado por los
múltiples usuarios de la organización.
La cantidad de MIPS (Millones de Instrucciones Por Segundo), la
capacidad de almacenamiento en disco y la capacidad de memoria RAM de las computadoras
personales tuvieron un incremento considerable en los últimos años. El aumento en el
rendimiento de las estaciones de trabajo y sus aplicaciones, motivó el desarrollo de
tecnologías LAN de alta velocidad. La máxima velocidad ofrecida (100 Mbps), no será
suficiente en el mediano plazo de acuerdo al grado con que aumenta la capacidad de los
sistemas de cómputo actualmente; en ese momento la tecnología ATM puede utilizarse en el
escenario de LAN a velocidades que llegan a los Gbps.
La capacidad de integración de vos, datos, imágenes y vídeo,
junto con la asignación dinámica del ancho de banda de la tecnología ATM, la colocan
como una opción muy atractiva para aprovechar al máximo la infraestructura de fibra
óptica con la que cuentan las compañías telefónicas y los proveedores de servicios
(carriers) en el mundo, permitiéndoles ofrecer nuevos servicios digitales de alta
velocidad, como videoconferencia o conectividad LAN a 100 Mbps.
En el caso de las redes privadas, las características de la
tecnología ATM mencionadas permiten consolidar el tráfico de una organización,
eliminando los gastos operativos y la complejidad de sostener una red especializada para
cada tipo de tráfico, como puede verse en la figura.
Historia
En el desarrollo y definición de la tecnología ATM intervienen principalmente 2
puntos de organizaciones: los organismos de estandarización y los foros de la industria.
Entre los primeros se encuentra el CCITT o ITU, el cual se inicio con las especificaciones
de ISDN en los 70, para luego definir la BISDN en los 80 dentro del Libro Azul, incluyendo
el ATM como una parte funcional. Junto con el CCITT podemos mencionar a ANSI como el
organismo de estandarización en Estados Unidos para ATM y la ETSI para Europa.
El foro ATM se formó en octubre de 1991 por 4 compañías:
Northern Telecom, Sprint, SUN Microsystems y DEC. En enero de 1992, la membresía se hizo
extensiva para toda la industria, habiendo actualmente 3 categorías: principal, auditor y
usuario. Sólo los miembros principales pueden participar en las reuniones de los
comités; los miembros auditores reciben copias fe los documentos de los comités,
mientras que los miembros en la categoría de usuario participan en las juntas de la ENR
(End User Roundtable), Mesa Redonda del Usuario Final.
El ENR se formó en agosto de 1993 con el objeto de hacer llegar a los comités del
foro los requerimientos de alto nivel.
En enero de 1994, el foro tenía aproximadamente 150 miembros principales, 300
auditores y 25 miembros usuario.
6.3.1 Definición
El Modo de Transferencia Asíncrono (ATM) se define como una tecnología para la
transferencia de información entre redes de datos. Esta tecnología, tiene muchas
características que hacen que se vislumbre como la tecnología del futuro; tecnología
que ha de sustituir paulatinamente a las utilizadas actualmente en redes de cobertura
amplia.
6.3.2 Elementos de ATM
Celdas ATM : ATM funciona con base en la conmutación y multiplexaje de celdas,
un método similar a la conmutación de paquetes en X.25 o conmutación de tramas en Frame
Replay. La celda es la unidad principal en ATM y ha sido definida con un tamaño fijo de
53 bytes (424 bites). Al igual que en otras tecnologías basadas en conmutación de
paquetes existen celdas de propósito especial que dan lugar a la aparición de los
distintos tipos de celdas que se mencionan a continuación:
- Tipos de celdas ATM
Celdas no
utilizadas.
- Ajuste de velocidad de transferencia del medio.
- Sincronización del medio físico.
- No pasan a la capa ATM.
Celdas no asignadas.
- ContienenVPI/VCI.
- No soportan datos.
Celdas VP/VC
- Datos del usuario.
- Señalización de broadband.
- VC OAM.
- SMDS
- ILMI
Existen 2 codificaciones estándar para la
estructura de la celda: la UNI (User to Network Interface), y la NNI (Network to Network
Interface).
La NNI (Network to Network Interface), que es similar a la que
aparece en la figura anterior excepto que no contiene GFC y el VPI ocupa 8 bit. Ambas se
detallan en las figuras siguientes.
Los nombres de los campos del encabezado de la celda son como
sigue:
| GFC |
Control Genérico de Flujo |
Generic Flow Control |
| VPI |
Identificador de Ruta Virtual |
Virtual Path Identifier |
| VCI |
Identificador de Canal Virtual |
Virtual Channel Identifier |
| PT |
Tipo de Información |
Paiload Type |
| CLP |
Prioridad de la Celda |
Cell Loss Priority |
| HEC |
Chequeo de Errores en Encabezado |
Header Error Check |
Cualquier tipo de información que vaya a ser transportada en una red ATM se
corta en "pedazos" de 48 bytes, y a cada uno de estos pedazos se les agrega un
encabezado de 5 bytes (completando los 53 bytes reglamentarios), que incluye los campos
mencionados, de modo que los nodos de conmutación de la red (ATM switches) sólo se
encargan del manejo de estas celdas con base en la información que lleva su encabezado.
A diferencia de los paquetes X.25, en las celdas ATM sólo se verifican errores en el
encabezado (mediante el campo HEC), dejando la detección y corrección de errores en la
información a las capas más altas en los equipos de usuario.
Una vez que las celdas llegan a su destino, se les retira el encabezado anexo y se
vuelven a reunir reconstruyendo de esta manera la información original.
Ahora que ya se tiene una idea de cómo funciona una red ATM, analiza una red de 2
nodos que maneja imágenes, voz y datos. En la figura se muestra la operación TDM.
En el enlace TDM del ejemplo se asigna una ranura de tiempo fija
para el canal de imágenes, otra para el canal de voz y una última para el canal de
datos. Estas ranuras permanecen fijas sin importar si se utiliza el canal o no. Por
ejemplo, si en algún momento no se usa el canal de vídeo ni el de voz, el canal de datos
seguirá disponiendo sólo del ancho de banda (entiéndase velocidad) que le fue asignado.
Se aprecia el comportamiento de la misma red pero con tecnología ATM tal como muestra
la figura.
En este caso, si dejan de utilizar el enlace las aplicaciones de
voz y vídeo, las celdas ATM en el enlace son empleadas para transportar información del
canal de datos, usando todo el ancho de banda del enlace para la aplicación de datos;
optimizando de esta manera la utilización del mismo. Una vez que las aplicaciones de voz
y vídeo vuelvan a emplear el enlace, los datos regresarán a su velocidad normal.
Como se ve con este ejemplo, una de las principales ventajas de ATM comparada con TDM,
es la mejor utilización del ancho de banda. Sin embargo, esto se logra haciendo más
complejos los equipos de conmutación. En el caso de los multiplexores TDM, sólo se
configuran al instalarse, asignando el ancho de banda disponible entre los circuitos o
canales, repartiéndolo. Una vez que la red queda configurada estos equipos requieren muy
poca atención. No así los equipos ATM, puesto que tienen que manejar las celdas
correspondientes a los distintos canales con base en sus encabezados (direcciones,
prioridad, etc.). Además, tienen que implementar sistemas de control de flujo para
corregir o recuperar estados de congestión en la red, todo esto incrementa la complejidad
de los conmutadores ATM.
Se aprecia de manera sencilla para qué sirve cada uno de los campos del encabezado de
las celdas.
Cada uno de los campos se describe bajo los siguientes encabezados con el nombre de la
función que cumple la información en cada campo.
Direccionamiento : La dirección de
la celda está contenida en los campos VPI y VCI; éstos indican a la dirección hacia
donde se dirige la celda. Funcionan igual a los DLCIs (Identificadores de Conexión de
Enlace en Frame Replay); es decir, cuando un conmutador ATM recibe una celda, el VPI y VCI
dicen la procedencia de la celda, después se los cambia a la celda con base en una tabla
de "conexiones" almacenada en su base de datos, y la envía por el siguiente
enlace hacia el próximo nodo (conmutador o equipo de usuario). Es por esto que se los
VPI, VCI en ATM tienen significado "local" solamente, dado que direccionan la
celda hacia el nodo próximo, pero la ruta completa se establece con base en la
configuración de las tablas de conexiones de los conmutadores.
En ATM están definidos 2 tipos de interface, dependiendo si
ésta conecta con un nodo de red NNI o con un nodo de Usuario de Red (UNI). La interface
de UNI soporta hasta 256 rutas virtuales (VPIs), la interface de Red de Red (NNI) soporta
hasta 4.096 rutas virtuales y cada ruta virtual UNI o NNI, puede contener hasta 65.536
canales virtuales (VCIs).
Control de Flujo : El primer campo de la celda (GFC) le permite a un conmutador ATM
controlar la velocidad de un equipo de usuario que va a comunicarse a través de la red de
acuerdo a las condiciones de ésta: por ejemplo si está congestionada.
Tipo de Información : El campo FTP le indica al conmutador la clase de información
que forman los datos de la celda. Existen celdas con datos de usuario, de señalización y
de mantenimiento.
Prioridad de la Celda : CLP es el bit de las celdas ATM que corresponde al bit DE en
las tramas FR. Éste le indica al conmutador si la celda es prioritaria o no, si tiene
prioridad se descartará como última instancia en caso de congestión, las celdas sin
prioridad son las primeras que se descartan durante los episodios de congestión.
Cada aplicación tiene diferentes requerimientos de comunicación. Por ejemplo, un
enlace de voz o un enlace de vídeoconferencia requieren que la información llegue a su
destino a una velocidad fija para operar correctamente, de ahí que se consideren
aplicaciones de velocidad fija CBR (Constant Bit Rate Aplications). El CBR funciona de
manera similar al que funciona un canal asignado de un multiplexor TDM, en otras palabras
el canal es asignado se use o no. Si esto se cumple, no importa si se pierde uno que otro
bit en el enlace ya que sólo se percibirá como una interferencia momentánea en la
imagen o en la voz.
En cambio una aplicación de datos, el correo electrónico por ejemplo, requiere que la
información llegue completa, no es aceptable la pérdida de un solo bit en archivos de
aplicaciones críticas de diseño o investigación científica, pero en este tipo de
aplicación no importa si un archivo tarda 2 segundos en llegar y el siguiente tarda 10.
Estas se conocen como aplicaciones de velocidad variable VBR (Variable Bit Rate
Aplication).
Existen proveedores de switches ATM que pueden transportar voz y vídeo mediante VBR
optimizando aun más los anchos de banda.
Como ATM es una tecnología ideada para transportar cualquier tipo de información, tal
como se ve en el ejemplo, necesita contar con mecanismo que le permitan tratar de manera
diferente a cada tipo de comunicación de viaje en la red.
El mecanismo con que cuenta ATM para diferenciar los tipos de información
transportados es la calidad de servicios (QoS). ITU-T definió 4 clases de servicios
nominadas A, B, C y D con las siguientes características de calidad:
Clase A: Servicio de Velocidad Constante (CBR), orientado a conexión con señal de
reloj extremo a extremo.
Clase B: Servicio de Velocidad Variable (VBR), orientado a conexión con señal de
reloj de fin a fin.
Clase C: Servicio de Velocidad Variable, orientado a conexión sin señal de reloj
requerida.
Clase D: Servicio de Velocidad Variable, orientado a no conexión y sin señal de reloj
requerida.
En una red ATM debe definirse una clase de servicio a cada circuito virtual, permanente
o conmutado, para que la aplicación que utiliza determinado circuito se asegure de
recibir la clase de servicio que demanda.
ATM tiene capas definidas para cada función. Estas capas se comparan con las capas del
modelo OSI como se muestra en la figura.
El ITU-T, ANSI y foro de ATM seleccionaron el modo de
transferencia asíncrono como parte de las especificaciones de B-ISDN que provee la
convergencia, la multiplexión y conmutación de celdas. Es decir, el ATM está basado en
el modelo B-ISDN.
En la figura anterior (comparación de ATM con el modelo OSI), ATM funciona
principalmente en la 2 primeras etapas del modelo OSI, aún cuando algunas funciones de
enrutamiento corresponden por sus funciones a la capa 3 del modelo de referencia. El hecho
de que la conmutación de las celdas se realice en estos niveles es lo que permite que en
ATM se puedan manejar tan altas velocidades de conmutación.
Nivel Físico: la función general del nivel físico de ATM es vertir celdas ATM
en el medio físico para enviarlas a otro nodo y recuperar las celdas recibidas desde orto
nodo. El nivel físico se divide en 2 partes: PMD (Phisica Medium Dpendent), tren de bits
encargados de generar la señal física inyectada al medio, también se define en este
nivel el tipo de interface (E3, DS3, E4, etc.), así como la velocidad: y TC (Transmision
Convergence) que se encarga de convertir las celdas ATM, provenientes del nivel superior,
en una corriente estable de bits para entregarlo a PMD y de reagrupar en celdas ATM el
tren de bits desde PMD, para entregarlas a la capa de ATM. Otra función importante
realizada por TC es el desacoplamiento de velocidad según la recomendación I.321 de
ITU-T, cuando se utiliza una interface cuya velocidad definida no es un múltiplo de 53
bytes se realiza el desplazamiento de velocidad insertando celdas vacías y retirándolas
durante la recepción. El ATM Forum asigna esta función a la capa ATM. Cuando se
seleccione equipo ATM es recomendable que soporte ambos métodos para asegurar una mejor
interoperabilidad.
Nivel ATM: la función básica de este nivel es mantener las rutas y canales
virtuales (VPs y VCs) esto lo realiza interpretando y asignando los identificadores de
ruta y de canal (VPIs y VCIs) a las celdas que pasan por él.
Nivel AAL (ATM Adaptation Layer): posiblemente se trata del nivel más
importante de ATM dado que es el que le permite ofrecer las diferentes clases de servicios
(QoS) para soportar la conexión a la red ATM de los diferentes equipos que requieren una
conexión, y comunicarse con los otros equipos de su especie, por ejemplo: PBXs,
ruteadores, equipos de videoconferencia, etc. Es en esta capa donde se reciben los datos
de las capas superiores en forma de PDUs (Unidades de Datos de Protocolo). Normalmente un
PDU es mucho mayor en tamaño que la parte de datos de una celda ATM, así que estas
tramas se cortan en segmentos de 48 bytes para formar las celdas ATM que viajarán por la
red. Cuando estas celdas lleguen a su destino se les reiterarán los encabezados y se
volverán a reunir para recuperar el PDU en su forma original. Existen AALs específicos
para cada tipo de servicio. Por ejemplo, existe un Nivel de Adaptación ATM (AAL) para
soportar el transporte de tramas TCP/IP sobre ATM, y ya hay definidos AALs para otros
servicios.
En una red ATM se distinguen 2 tipos de nodo: los de conmutación que sólo reciben
celdas ATM en una interface y las conmutan entre otras interfaces de acuerdo a sus tablas,
y los nodos finales o de acceso, los cuales realizan funciones en la capa AAL al convertir
la información de usuario en celdas ATM y viceversa.
Las rutas Virtuales (VP) son rutas establecidas de fin a fin sin importar cuantos nodos
haya en el medio, al igual que los Canales Virtuales (VC), solo que un canal virtual,
transporta un solo circuito dentro de una ruta, los Identificadores de Ruta Virtual (VPI)
e Identificadores de Canal Virtual (VCI) son los campos en el encabezado de la celda que
contienen la información que indica a los nodos ATM hacia dónde enviarla. Por último,
la Conexión de Ruta Virtual (VPC) es el tramo de una Ruta Virtual entre dos nodos
solamente, y la Conexión de Canal Virtual es también la trama de un canal virtual que
corre entre dos nodos de la red.
En el entorno CO, la tecnología ATM se reduce a conmutadores con dimensiones y
capacidades superiores a sus contrapartes diseñadas para CPE o CA.
Los conmutadores para oficina central son la espina dorsal de un red ATM, a menudo
sólo manejan interfaces de ATM nativo y requieren capacidades de conmutación superiores
a 5 Gbps. A través de las interfaces ATM se reciben las solicitudes de establecimiento de
llamada procedentes de los conmutadores CPE existentes a lo largo de la red, es muy
similar a la relación existente entre las centrales telefónicas y los PBX localizados en
las instalaciones de una organización.
Este tipo de sistemas normalmente requieren alimentación DC y la habilidad de expander
su capacidad de procesamiento y puertos.
6.3.3 Tecnología ATM
La tecnología ATM en general se enfoca principalmente al problema de la conmutación
de celdas y a las funciones de adaptación. Los equipos ATM pueden agruparse de acuerdo al
entorno de operación para la cual fueron diseñados, estos entornos son: Local de Cliente
(CPE), Campus (Ca) y Oficina Central (CO).
Sistemas para las instalaciones del usuario final de una red ATM : La
principal función de estos sistemas es proporcionar conectividad física y eléctrica
entre los equipos que se encuentran en las instalaciones de la organización y la red ATM,
así como efectuar la conversión del tráfico procedente de PBXs, PCs, LANs,
multiplexores, ruteadores, etc. al formato de la celda ATM.
Es indudable que una aplicación importante dentro de las instalaciones de una
organización es su LAN, es por eso que primeramente se revisan los dispositivos ATM para
aplicaciones LAN, continuando con el resto de sistemas locales.
Hay casos en que la cantidad de usuarios y el poder de las aplicaciones corriendo sobre
la LAN es tal, que el rendimiento de tecnología Ethernet y Token Ring convencional no es
suficiente. Como repuesta a esta situación se han desarrollado nuevas tecnologías LAN de
alta velocidad.
La tecnología ATM es una de las opciones disponibles actualmente para implementar una
LAN de alta velocidad (25 Mbps, 155 Mbps o más) con la ventaja adicional de poder
integrarse a una WAN pública y/o privada de manera natural.
En este caso los hubs, servidores y segmentos LAN se conectarán a conmutadores LAN con
interfaces ATM mediante las cuales se comunicarán al conmutador ATM para trabajo en
grupo. Las PCs, servidores y estaciones de trabajo en las que corren aplicaciones
demandantes de ancho de banda, podrán conectarse directamente al conmutador ATM para
trabajo en grupo a una velocidad de 25 Mbps ó 155 Mbps mediante una Tarjeta de Interfase
de Red ATM (NIC ATM). A continuacióin se describen brevemente las características y
funcionamiento de cada uno de los dispositivos mencionados.
Estos son algunos de los medios físicos de transporte en ATM:
Interface WAN DS3 a 45 Mbps
SONET OC a 155 Mbps
Multimodo a 100 Mbps (basado en FDDI)
Tarjeta de Interfase de red ATM : Las NIC cuentan con un interface física ATM y
se instalan directamente en el bus de una poderosa PC, servidor o estación de trabajo, de
esta manera pueden conectarse al conmutador ATM.
En la PC, servidor o estación de trabajo, se requiere una API que permita la
interoperabilidad entre el sistema operativo de la red con la NIC instalada en el bus. La
NCI y la API, en conjunto, efectúan la función de conversión de los paquetes de datos
en celdas ATM, adaptándolas para su transmisión sobre la interface física de la tarjeta
de acuerdo a la recomendación UNI.
Puente o conmutador LAN con soporte de ATM : Para la conversión de segmentos
LAN (Ethernet por ejemplo) a algún tipo de dispositivo ATM, se requiere de un adaptador
que soporte intefaces Ethernet (como 10 baseT), intefeces ATM (como OC-3) y que efectúe
además la conversión de tramas Ethernet al formato ATM.
En el mercado pueden encontrarse dispositivos que cuentan con una sola interface LAN y
una sola interface ATM, por lo que su función es la de un bridge. Otros dispositivos son
los conmutadores LAN (LAN switches) soportando una o más interfaces ATM, permitiendo que
varios segmentos LAN conmutados tengan acceso a la red ATM.
Conmutador ATM para trabajo en grupo : Conocido también como ATM Workgroup
Switch, este conmutador es por lo general pequeño, soprta exclusivamente intefaces ATM y
se utiliza principalmente para aplicaciones LAN, recibe las conexiones de los LAN
switch/ATM de la organización y de los sistemas de cómputo que cuentan con una NIC ATM.
Como características principales son los sistemas limitados a 8 ó 16 puertos por
sistema, velocidad de conmutación de 1 ó 2 Gbps y conmutación de celdas ATM. La
función de adaptación de tráfico no ATM debe ser realizada por algunos de los
dispositivos mencionados anteriormente. Es utilizado principalmente en ambientes CPE y en
algunos casos en Campus.
Conmutador ATM integrador : Hasta este momento los conmutadores mencionados
están limitados a aplicaciones LAN, ahora se trata de sistemas que efectúan un mayor
número de funciones y soportan una variedad más amplia de interfaces, es por eso que
reciben el nombre de integrador ya que simplifican el caos causado por la diversidad de
equipos encontrados en las instalaciones de la organización. También se les denomina
Enterprise Consolidators, Enterprise Network Switch, Network Consolidators o Adapting
Switches.
No sólo realizan la función de adaptación (AAL) al formato ATM de tráfico LAN,
adicionalmente son capaces de adaptar tráfico CBR, como la voz y el vídeo digitalizados
y soportan la conexión de troncales TI/EI procedentes de un PBX. Algunos fabricantes de
Enterprise Switches soportan interfaces de vídeo que reciben la señal analógica de
cámaras u otros generadores de imágenes, la digitalizan y la comprimen de acuerdo a un
algoritmo de compresión como JPEG o MPEG. El resultado es la transmisión de vídeo de
alta resolución. Así también soportan otras interfaces como: RS 232, V.35, 10BaseT,
FDDI, T3/E3, OC-3/STM-1, E2, OC-12, etc.
Sistemas ATM para Campus : En un ambiente de Campus , la tecnología ATM se
reduce a conmutadores más pequeños que los de tipo CO, y capacidades de conmutación
normalmente inferiores a 5 Gbps. Por otro lado, cuentan con una variedad más amplia de
interfaces como: LAN, MAN, SNA, X.25 y voz. En algunos casos además proveen la
conversión de protocolos y emuñación LAN.
Sistemas ATM para Oficina Central : En el entorno Oficinas Centrales (CO), la
tecnología ATM se reduce a conmutadores con dimensiones y capacidades superiores a sus
contrapartes diseñadas para ambientes CPE o Campus. Los conmutadores para CO son la
espina dorsal de una red ATM, a menudo sólo manejan interfaces de ATM nativo y requieren
capacidades de conmutación superiores a 3 Gbps.
A través de las interfaces ATM se reciben las solicitudes de establecimiento se
llamada, procedentes de los conmutadores CPE existentes a lo largo de la red, esto es muy
similar a la relación existente entre las centrales telefónicas y los PBX localizados en
las instalaciones de una organización.
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