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一种基于MQTT协议的通信交互方法及通信交互系统

阅读：210发布：2021-06-10

专利汇可以提供一种基于MQTT协议的通信交互方法及通信交互系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种基于MQTT协议的通信交互装置以及通信交互方法。该通信交互装置包括进程模块，其中，所述进程模块包括：消息生产模块，用于通过多个线程将不同的消息报文进行组织与处理；以及MQTT协议模块，用于实现MQTT通讯，所述MQTT协议模块设置为具有多个优先级队列。根据本发明，能够在mosquitto内部建立不同优先级队列，将高优先级的消息（紧急的消息，譬如协议交互包PING，SUBSCRIBE,UNSUBSRIBE报文，客户端状态消息，APP的控制命令的回复消息等）发往高优先级队列中，将低优先级的消息（非紧急的消息）发往低优先队列中，从而保证协议的通讯正常进行。，下面是一种基于MQTT协议的通信交互方法及通信交互系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于MQTT协议的通信交互装置，其特征在于，具备进程模块，其中，所述进程模块包括：
消息生产模块，用于通过多个线程将不同的消息报文进行组织与处理；以及MQTT协议模块，用于实现MQTT通讯，
所述MQTT协议模块设置为具有多个优先级队列。
2.如权利要求1所述的基于MQTT协议的通信交互装置，其特征在于，
所述MQTT协议模块设置为具有高优先级队列和低优先级队列。
3.如权利要求1所述的基于MQTT协议的通信交互装置，其特征在于，
所述MQTT协议模块设置为先发送高优先级队列中的报文并且只有当高优先级队列中的报文为空时才发送低优先级队列中的报文。
4.如权利要求1所述的基于MQTT协议的通信交互装置，其特征在于，
所述消息生产模块设置为根据报文中的优先级标记来判断是将报文放在所述MQTT协议模块的高优先级队列还是放在所述MQTT协议模块的所述低优先级队列。
5.如权利要求4所述的基于MQTT协议的通信交互装置，其特征在于，
所述消息生产模块将通信交互装置的同步状态消息、以及控制命令的回复消息标记为高优先级，所述MQTT协议模块将MQTT协议的协议交互报文标记为高优先级。
6.如权利要求1 5任意一项所述的基于MQTT协议的通信交互装置，其特征在于，~
所述通信交互装置为车机端。
7.一种基于MQTT协议的通信交互方法，其特征在于，包括下述步骤：
第一判断步骤，判断要发送的消息的是高优先级还是低优先级，如果消息为高优先级的话，则将消息添加到高优先级发送队列中，否则加入到低优先级队列中；
高优先级队列发送步骤，发送高优先级发送队列中的消息；以及
低优先级队列发送步骤，当高优先级队列中的消息为空时，发送低优先级队列中的消息。
8.如权利要求7所述的基于MQTT协议的通信交互方法，其特征在于，
在所述第一判断步骤中，通过判断要发送的消息的优先级标记来判断要发送的消息的是高优先级还是低优先级。
9.如权利要求8所述的基于MQTT协议的通信交互方法，其特征在于，
在发送消息之前进一步具备：
第二判断步骤，判断当前需要发送的消息数是否小于可允许的正在发送的消息最大数，若判断结果为小于，则进行消息的发送，否则标记消息为无效状态并结束流程。
10.如权利要求9所述的基于MQTT协议的通信交互方法，其特征在于，当从服务器端收到对应的发布确认消息报文后进一步包括以下步骤：
搜索在队列中的消息，通过消息标识找到对应的消息后表示已完成了该消息的发送，则从消息队列中进行删除；
发送高优先级发送队列中标记为无效状态的消息；以及
当高优先级队列中的消息为空时，发送低优先级队列中标记为无效状态的消息。
11.如权利要求8所述的基于MQTT协议的通信交互方法，其特征在于，
将MQTT协议的协议交互报文、通信交互装置的同步状态消息、以及控制命令的回复消息标记为高优先级。
12.一种车机端，其包括存储器与处理器，所述存储器中存储指令，在所述处理器执行所述指令时，所述权利要求7 11中任意一项所述的基于MQTT协议的通信交互方法被执行。
~
13.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求7 11中任意一项所述的基于MQTT协议的通信交互方法。
~
14.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求7 11中任意一~
项所述的基于MQTT协议的通信交互方法。

说明书全文

一种基于MQTT协议的通信交互方法及通信交互系统

技术领域

[0001] 本发明涉及车辆通信技术，具体地涉及一种基于MQTT协议的通讯交互方法、以及通信交互装置及其通讯交互系统。

背景技术

[0002] MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。MQTT最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。做为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

[0003] 在车机端MQTT协议应用时，必然会使用一种mqtt协议的实现库，车机端，使用mosquitto是最佳的选择，因为mosquitto完整实现了MQTT协议，开源，跨平台实现，容易移植，结构相对清晰，功能相对完善。但是车机端处在移动网络的环境下，弱网络环境条件（低带宽，高延迟，网络切换、网络拥塞）的情况，mosquitto在这个时候却存在了一些问题。

[0004] 会导致一些之前未publish（publish的含义可参见后文的说明）成功的消息会开始补发，后面新产生的消息会加入到发送队列中，此时该队列会出现大量的补发的消息，如果这些消息并不是很重要的消息的话，也会一直占用着发送队列，而此时有些很重要，紧急的事件发生时，也只能等待前面的消息发送完成后，才能有机会发送。

[0005] 如果该低先级的消息的Qos=0时，因为它不需要回复publish ack，这种消息过多抢占了其它的消息的发送带宽，mosquitto判断连接是否存在需要依赖于PINGRSP包，而由于阻塞会导致PING包无法发送出去，从而导致mosquitto重连。

[0006] 公开于本发明背景部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

[0007] 鉴于上述问题,本发明提出能够区分不同优先级队列实现通讯的一种车机端基于MQTT协议的mosquitto在弱网络环境下的通讯交互方法以及通讯交互系统。

[0008] 本发明一方面的基于MQTT协议的通信交互装置，其特征在于，包括进程模块，其中，所述进程模块包括：消息生产模块，用于通过多个线程将不同的消息报文进行组织与处理；
可选地，所述消息生产模块将通信交互装置的同步状态消息、以及控制命令的回复消息标记为高优先级。

[0009] MQTT协议模块，用于实现MQTT通讯，所述MQTT协议模块设置为具有多个优先级队列。

[0010] 可选地，所述MQTT协议模块设置为具有高优先级队列和低优先级队列。

[0011] 可选地，所述MQTT协议模块设置为先发送高优先级队列中的报文并且只有当高优先级队列中的报文为空时才发送低优先级队列中的报文。

[0012] 可选地，所述MQTT协议模块设置为根据报文中的优先级标记来判断将报文放在高优先级队列发送还是放在低优先级队列发送。

[0013] 可选地，将MQTT协议的协议交互报文标记为高优先级。

[0014] 可选地，所述通信交互装置为车机端。

[0015] 本发明的基于MQTT协议的通信交互方法，其特征在于，包括下述步骤：第一判断步骤，判断要发送的消息的是高优先级还是低优先级，如果消息为高优先级的话，则将消息添加到高优先级发送队列中，否则加入到低优先级队列中；
高优先级队列发送步骤，发送高优先级发送队列中的消息；以及
低优先级队列发送步骤，当高优先级队列中的消息为空时，发送低优先级队列中的消息。

[0016] 可选地，在所述第一判断步骤中，通过判断要发送的消息的优先级标记来判断要发送的消息的是高优先级还是低优先级。

[0017] 可选地，在发送消息之前进一步具备：第二判断步骤，判断当前需要发送的消息数是否小于可允许的正在发送的消息最大数，若判断结果为小于，则进行消息的发送，否则标记消息为无效状态并结束流程。

[0018] 可选地，当从服务器端收到对应的Puback消息报文后进一步包括以下步骤：搜索在队列中的消息，找到对应的消息后表示已完成了该消息的发送，则从消息队列中进行删除；
发送高优先级发送队列中标记为无效状态的消息；以及
当高优先级队列中的消息为空时，发送低优先级队列中标记为无效状态的消息。

[0019] 可选地，将MQTT协议的协议交互报文、通信交互装置的同步状态消息、以及控制命令的回复消息标记为高优先级。

[0020] 本发明的车机端，其包括存储器与处理器，所述存储器中存储指令，在所述处理器执行所述指令时，所上述的基于MQTT协议的通信交互方法被执行。这里，作为一个示例，车机端例如是车辆的信息娱乐系统。

[0021] 本发明的计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现上述的基于MQTT协议的通信交互方法。

[0022] 本发明的计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的基于MQTT协议的通信交互方法。

[0023] 如上所述，根据本发明，能够在mosquitto内部建立不同优先级队列，将高优先级的，紧急的消息（譬如协议交互包PING，SUBSCRIBE, UNSUBSRIBE报文，客户端状态消息，APP的控制命令的回复消息等）发往高优先级队列中，低优先级，非紧急的消息发往低优先队列中，从而保证协议的通讯正常进行。

[0024] 通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些原理的具体实施方式，本发明的方法和装置所具有的其它特征和优点将更为具体地变得清楚或得以阐明。

附图说明

[0025] 图1是表示本发明一实施方式的基于MQTT协议的通信交互系统的框图。

[0026] 图2是表示本发明一实施方式的基于MQTT协议的通信交互方法流程图。

[0027] 图3是表示本发明的基于MQTT协议的通信交互方法的一个具体示例的流程图。

具体实施方式

[0028] 下面介绍的是本发明的多个实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解。并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

[0029] 在说明本发明的基于MQTT协议的通信交互系统以及基于MQTT协议的通信交互方法之前，先简单说明一下与MQTTT协议相关的内容。

[0030] MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。MQTT最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。做为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

[0031] 这里简单说明MQTT协议中的一些概念。

[0032] （1）订阅（Subscription）订阅包含主题筛选器（Topic Filter）和最大服务质量（QoS）。订阅会与一个会话（Session）关联。一个会话可以包含多个订阅。每一个会话中的每个订阅都有一个不同的主题筛选器。

[0033] （2）会话（Session）每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话，客户端和服务器之间有状态交互。会话存在于一个网络之间，也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接。

[0034] （3）主题名（Topic Name）连接到一个应用程序消息的标签，该标签与服务器的订阅相匹配。服务器会将消息发送给订阅所匹配标签的每个客户端。

[0035] （4）主题筛选器（Topic Filter）一个对主题名通配符筛选器，在订阅表达式中使用，表示订阅所匹配到的多个主题。

[0036] （5）负载（Payload）消息订阅者所具体接收的内容。

[0037] 另外，MQTT协议中定义了一些方法（也被称为动作），来于表示对确定资源所进行操作。这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现。通常来说，资源指服务器上的文件或输出。主要方法有：（1）Connect：等待与服务器建立连接；
（2）Disconnect：等待MQTT客户端完成所做的工作，并与服务器断开TCP/IP会话；
（3）Subscribe：等待完成订阅；
（4）UnSubscribe：等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅；
（5）Publish：MQTT客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程。

[0038] 在车机端MQTT协议应用时，必然会使用一种mqtt协议的实现库，车机端使用mosquitto是最佳的选择，因为mosquitto完整实现了MQTT协议，跨平台实现，容易移植，结构相对清晰，功能相对完善。但是车机端处在移动网络的环境下，弱网络环境条件（低带宽，高延迟，网络切换、网络拥塞）的情况，mosquitto在这个时候却存在了一些问题。

[0039] 这些问题例如是，会导致一些之前未publish成功的消息会开始补发，后面新产生的消息会加入到发送队列中，此时该队列会出现大量的补发的消息，如果这些消息并不是很重要的消息的话，也会一直占用着发送队列，而此时有些很重要，紧急的事件发生时，也只能等待前面的消息发送完成后，才能有机会发送。

[0040] 如果该低先级的消息的Qos=0时，因为它不需要回复publish ack，这种消息过多抢占了其它的消息的发送带宽，mosquitto判断连接是否存在需要依赖于PINGRSP包，而由于阻塞会导致PING包无法发送出去，从而导致mosquitto重连。

[0041] 为了解决如上问题，在本发明中提出在mosquitto内部建立不同优先级队列，将高优先级的消息，例如紧急的消息（譬如协议交互包PING，SUBSCRIBE, UNSUBSRIBE报文，客户端状态消息，APP的控制命令的回复消息等）发往高优先级队列中，将低优先级的消息例如非紧急的消息发往低优先队列中，从而保证协议的通讯正常进行。

[0042] 图1是表示本发明一实施方式的基于MQTT协议的通信交互系统的框图。

[0043] 如图1所示，100表示车机端，相当于权利要求书中的“通信交互装置”，200是运营商，300是内容服务提供者（TSP，Telematics Service Provider），一般由后台服务器实现，400是移动终端。

[0044] 其中，在车机端100的软件层面上包括应用层和内核层，其中，在应用层上设置有进程模块110，在应用层和内核层之间设置连接两者的套接字（socket）模块120，并且套接字模块100用于通过无线移动网络连接进程模块110和运营商200之间。

[0045] 具体地，进程模块110包括：消息生产模块111和MQTT协议模块112。其中，消息生产模块111用于通过多个线程将不同的消息报文进行组织与处理，MQTT协议模块112用于实现MQTT通讯，它也称为mosquitto模块，实质为一个开源的MQTT协议的实现库，采用了mosquiito库来实现了与内容提供者200的TCP socket（套接字）长连接的MQTT通讯。

[0046] 内容提供者300提供了不同的车辆服务，比如数据监控、大数据分析、车辆的远程控制等等，能够提供车辆的MQTT的服务器端的平台。移动终端400能够与内容提供者300进行数据交互，获取到车辆的数据，以及对车辆的查询与控制。

[0047] 本发明的特征在于，在进程模块110的MQTT协议模块112中，设置多级优先级发送队列，具体地，例如可以设置高低优先级发送队列，即高优先级队列和低优先级队列。线程模块111根设置为根据报文中的优先级标记来判断将报文放在所述高优先级队列发送还是放在所述低优先级队列发送。

[0048] 当车机端上的进程模块110先与内容提供者200建立了连接后，MQTT协议模块112内部的协议交互报文（例如，CONNECT，PINGREQ，PUBREL，SUBSCRIBE，UNSUBSRIBE，DISCONNECT报文）与进程模块110的重要的消息（例如，客户端即车机端100的同步状态消息PUBLISH(Qos > 0)，移动终端300的控制命令的回复消息PUBLISH(Qos > 0)）作为高优先级消息由消息生产模块111放到MQTT协议模块112的高优先级发送队列中，其它的消息报文均由消息生产模块111放到MQTT协议模块112的低优先级发送队列中。

[0049] 这里，消息生产模块111会将需要发送的消息会分成不同的优先级，其中将通信交装置的同步状态消息、以及控制命令的回复消息标记为高优先级。另一方面，MQTT协议的协议交互报文是由MQTT协议模块112自身来进行处理的，自动标记为高优先级。

[0050] 而且，本发明的又一特征在于，在MQTT协议模块112中，只有高优先级发送队列的报文为空时，才会发送低优先级队列中的报文。

[0051] 由于无线移动网络的特点：移动状态网络信号不移稳定，高时延、易抖动丢包、通道狭窄，接入类型和接入点变化频繁。这种无线移动的特点决定了它的弱网络性，所以本发明针对这样的问题提出了设置高低优先级发送队列，这样可以使用在无线移动网络恢复的第一时间，可以尽快将socket（套接字）的资源分配给重要的报文与消息，从而保证整个连接系统正常运行。

[0052] 在以上说明中以车机端为一个示例进行了说明，但是本发明的通信交互装置也可以是车机端以外的其他的基于MQTT协议进行通信的通讯交互装置。

[0053] 以上对于本发明的通讯交互装置进行了说明，接着，对于本发明的通信交互方法进行说明。

[0054] 图2是表示本发明一实施方式的基于MQTT协议的通信交互方法流程图。

[0055] 如图2所示，本发明一实施方式的基于MQTT协议的通信交互方法，在客户端（对应于上述内容中的车机端100）进行下述步骤：第一判断步骤S100：判断要发送的消息的是高优先级还是低优先级，如果消息为高优先级的话，则将消息添加到高优先级发送队列中，否则加入到低优先级队列中；
高优先级队列发送步骤S200：发送高优先级发送队列中的消息；以及
低优先级队列发送步骤S300：当高优先级队列中的消息为空时，发送低优先级队列中的消息。

[0056] 其中，在第一判断步骤S100中，通过判断要发送的消息的优先级标记来判断要发送的消息的是高优先级还是低优先级。

[0057] 其中，将基于MQTT协议的协议交互报文（例如，CONNECT，PINGREQ，PUBREL，SUBSCRIBE，UNSUBSRIBE，DISCONNECT报文）、重要的消息（例如，同步状态消息PUBLISH(Qos > 0)、来自外部的控制命令的回复消息（PUBLISH(Qos > 0)会放到到高优先级发送队列中，其它的消息报文均放到低优先级发送队列中。

[0058] 本发明一实施方式的基于MQTT协议的通信交互方法中，可以进一步设置用于判断当前需要发送的消息数是否小于可允许的正在发送的消息最大数的第二判断步骤（未图示）。该第二判断步骤可以设置在发送信息之前。在该第二步骤中，判断当前需要发送的消息数是否小于可允许的正在发送的消息最大数，若判断结果为小于，则进行消息的发送，否则将消息标记为无效状态并结束流程。

[0059] 在本发明的基于MQTT协议的通信交互方法中，当从服务器端（对应于上述的内容提供者200）收到对应的Puback消息报文后进一步包括以下步骤：搜索在队列中的消息，找到对应的消息后表示已完成了该消息的发送，则从消息队列中进行删除；
发送高优先级发送队列中标记为无效状态的消息；以及
当高优先级队列中的消息为空时，发送低优先级队列中标记为无效状态的消息。

[0060] 接着，对于本发明基于MQTT协议的通信交互方法的一个具体示例进行说明。

[0061] 图3是表示本发明基于MQTT协议的通信交互方法的一个具体示例的流程图。

[0062] 如图3所示，在步骤S10中，开始（star）一个MQTT消息发送。

[0063] 在步骤S11中判定主题（topic）的合法性，若合法的话，进入步骤S12。

[0064] 在步骤12中，通过mosquitto_mid_generate生成msgid，msgid为消息的标识，用于消息发布的确认。

[0065] 在步骤13中，生成消息对象并进行属性赋值，例如赋予高优先级标记或者低优先级标记。

[0066] 在步骤S14中，发送时查看该消息的优先级标记，判断消息的优先级是否为高优先级，如果消息的优先级为高的话，则进入步骤S15，将该消息放入高优先级消息发送队列即图3中的high_out_messages中，否则进入步骤S16，将该消息放到入到低优先级消息发送队列即图3中的out_messages中，此处的处理是与现有的mosquiito的区别所在之一。（这里我们以Qos=1为例）。

[0067] 在步骤S17中，检测当前需要发送的消息数是否小于可允许的正在发送的消息数，即图3中判断inflight_messages是否小于max_inflight_messages，若小于则进入步骤S18，若判断为不小于的话则进入步骤S20。

[0068] 在步骤S20中，由于需要发送的消息数超过可允许的正在发送的消息数，因此表示mosquitto控制发送的消息交互确认报文已超过设置的值，则直接标记该消息为无效状态，即图3中“标记信息为为mosq_ms_invalid”，然后返回到停止（stop）步骤S21。

[0069] 在步骤S18中，由于判断结果为小于设置的值，则表示可以继续发送消息到服务端，因此，执行PUBLISH协议组包操作并继续步骤S19。

[0070] 在步骤S19中，执行数据包发送流程。

[0071] 另一方面，在步骤S30中，读取从服务端收到对应的PUBACK消息报文即图3中的mosquitto_packet_read。

[0072] 在步骤S31中，对于msgid进行搜索消息队列中的消息，即图3中的mosquitto_handle_pubackcomp，找到后表示完成了该消息的发送，则在步骤S32中则从消息队列中进行删除即图3中的mosquitto_message_remove，并进入到之前缓存的消息队列的消息发送。

[0073] 在步骤S33中先发送高优先级发送队列中的消息（即发送高优先级队列中的标记为无效状态的消息），即图3中从高优先级消息发送队列high_out_messages中提出无效状态的消息即mosq_ms_invalid进行发送。

[0074] 在步骤S34中再发送低优先级发送队列中的消息（即发送低优先级队列中的标记为无效状态的消息），即图3中当高优先级队列为空，则从低优先级队列out_messages中提出无效状态的消息即mosq_ms_invalid进行发送。

[0075] 在步骤S35中，判断当前需要发送的消息数是否小于可允许的正在发送的消息数，即图3中的判断inflight_messages是否小于max_inflight_messages，若小于则进入步骤S18，若判断为不小于的话则进入步骤S21。

[0076] 在本发明的基于MQTT协议的通信交互系统以及基于MQTT协议的通信交互方法中，在车机端中的mosquitto代理模块采用高低优先发送队列，将紧急的消息（譬如协议交互包PING，SUBSCRIBE, UNSUBSRIBE报文，客户端状态消息，APP控制命令的回复消息）进入到高优先级发送队列，将低优先级的消息（例如不紧急、不重要的消息）添加到低优先发送队列。由此，能够跟改进客户端（车机端）与服务器（例如内容提供者）之间的通讯，即使在弱网络环境下，也会保持着连接，有效减少重连与状态无法快速同步的情况发生。特别是，能够解决车机端在弱网络环境下低优先级、不紧急消息过多抢占了其它的消息的发送带宽，使得高优先级、协议报文、紧急消息无法发送出去，导致mosquitto重连与车机端状态无法快速同步的问题。

[0077] 本发明还提供一种车机端，其包括存储器与处理器，所述存储器中存储指令，在所述处理器执行所述指令时，所上述的基于MQTT协议的通信交互方法被执行。

[0078] 本发明还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现上述的基于MQTT协议的通信交互方法。

[0079] 本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的基于MQTT协议的通信交互方法。

[0080] 以上例子主要说明了本发明的基于MQTT协议的通信交互系统以及基于MQTT协议的通信交互方法。尽管只对其中一些本发明的具体实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

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