JP2009134565A - 仮想計算機システム及び仮想計算機システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】仮想計算機制御プログラムが提供する仮想デバイスへの参照による保護例外処理プログラムの処理量を低減させる。
【解決手段】仮想デバイスへの参照による保護例外処理で、保護例外を起こした命令を解析(S41)し、仮想デバイス上の役割毎に、最適な擬似命令が実行でいるかを判定(S42)し、実行できる場合に、その保護例外要因をメモリに記憶(S43)し、最適化されて擬似命令(S45)を実行し、次からの保護例外処理から、メモリに記憶した要因が利用可能か判断(S40)して、利用可能な場合に、最適化された擬似命令(S45)を実行することにより、処理量の大きなS41の処理を省略し、保護例外処理量を削減する。また、記憶した保護例外要因の内容とS41の処理で命令を解析した内容とを比較(S46)し、保存した要因が再利用可能でない場合、それを削除する(S47)。
【選択図】図４

Description

本発明は、仮想計算機システム及び仮想計算機システムの制御方法に係り、特に、仮想計算機システムでの保護対象アドレスへの読み込みまたは書き込みを行った際に必要になる保護例外処理を低減した仮想計算機システム及び仮想計算機システムの制御方法に関する。

近年、集積回路に集積可能な素子数の増大と、それらを結合する高密度実装技術の発展とに伴い、１つの物理計算機の筐体に収められるプロセッサ数、Ｉ／Ｏデバイス数、メモリ量等の計算資源が増大する傾向にある。また、複数の物理計算機の筐体をネットワークにより結合し、１つの物理計算機として扱う技術も発展しており、それに伴い、１つの物理計算機に収められる計算資源はさらに増大する傾向にある。このように１つの物理計算機に多くの計算資源が納められた物理計算機は、計算資源が少ない物理計算機に比べて、電源を入れてから利用可能になるまでに多くの時間を必要とする。このため、物理計算機の電源は、常時、投入されたままの状態であることが好まれる傾向にある。

このような大規模物理計算機を効率的に使用するために、１つの物理計算機の資源を仮想的に複数に分割する方法である論理区間分割（ＬＰＡＲ：Logical PARtition)を行って、仮想計算機システムとして構成する技術が普及しつつある。論理区間分割された各区間は、仮想計算機としてそれぞれ独立したＯＳが動作可能である。論理区間分割される物理計算機は、常時、電源が入っている状態にあり、論理分割された各区間は、仮想計算機として、それぞれ擬似的に電源を入れたり落としたりすることができる。このように、論理区間分割を適用すると大規模な物理計算機においても、ノード資源の利用効率と可用性との向上を図ることができる。

前述したような仮想計算機システムは、ある仮想計算機が、同一物理計算機内の他の仮想計算機との間での独立性を確保するため、仮想計算機システムの制御のためのプログラムである仮想計算機制御プログラムが必要である。この仮想計算機制御プログラムは、独立した仮想計算機に、物理計算機の各プロセッサ、メモリ、Ｉ／Ｏデバイス等を分割し、独占または共有して使用させるための制御機能やデバイス仮想化機能を提供することが必要である。

前述したようなデバイス仮想化には、特定のアドレス空間を保護することができるプロセッサが用いられる。保護機能を持ったプロセッサは、アクセス空間の保護された領域への読み込みまたは書き込みが行われると、例外が起こり、仮想計算機制御プログラムの例外処理プログラムが実行される。この保護例外のための保護例外処理プログラムにより、デバイスの仮想化が実現される。保護例外処理プログラムは、読み書きを行った命令を特定し、その命令が物理計算機で実行される場合と同等の動作を擬似的に実行することにより、仮想デバイスを実現する制御である。

なお、前述のような仮想デバイスを実現する制御に関する従来技術として、例えば、特許文献１、２等に記載された技術が知られている。

ある種のプロセッサにおいて、割り込み処理装置のレジスタは、物理メモリアドレス空間内の定められたアドレス領域（物理フレーム）に割り当てられる。この割り当てられた個々のアドレスの読み込みまたは書き込みを行うことにより、レジスタへの読み書きが行われる。割り込みデバイスを仮想化する場合、割り込み装置のレジスタが割り当てられた物理フレームをアクセス保護が可能な仮想アドレス領域（ページ）に関連付け、このページを保護対象扱いにし、書き込みまたは読み込み例外処理の一部を仮想計算機制御プログラムで処理する。この例外の処理により、割り込み処理装置が仮想化される。従って、割り込み処理装置のレジスタへの読み書きは、読み書きを行った命令の特定及び読み書きの命令を擬似的に実行する例外処理を必要とする。割り込み処理プログラムが割り込み処理終了を報告するためのレジスタも、この保護領域に割り当てられるレジスタであるので、同様に命令の特定と擬似的に命令を実行する処理とが必要である。
特開２００３−１６７７５８号公報 特開２００６−０８５５４３号公報

前述したように、保護領域に割り当て、保護例外処理によりデバイスの仮想化を行う制御方法による従来技術は、例外発生原因になった命令の特定と、物理計算機でその命令が実行された場合と同等の動作を擬似的に実行する処理とが必要であり、仮想化していないデバイスに比べて、処理量が増大するという問題点を有している。また、前述の従来技術は、使用頻度の多いレジスタが保護対象となるようなデバイス（例えば、前述の割り込み処理装置）の仮想化の場合、その保護例外処理が、システム全体の処理量に対して、無視できない程、増大してしまうという問題を生じさせてしまう。

本発明の目的は、前述した従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、仮想化したデバイスの保護例外処理を低減することを可能にした仮想計算機システム及び仮想計算機システムの制御方法を提供することにある。

本発明によれば前記目的は、少なくとも１つのＣＰＵとメモリとを共有し、複数のプログラムを切り替えて実行する複数の仮想計算機が構成された仮想計算機システムにおいて、前記仮想計算機の制御のための仮想計算機制御手段を備え、該仮想計算機制御手段は、例外を発生させるか否かを決定するため保護対象アドレスを格納した保護対象保持手段と、再利用可能な保護例外処理のための最適化された擬似命令を格納する保護例外保存手段とを有し、前記仮想計算機制御手段は、前記ＣＰＵにより実行されるプログラムが特定のアドレス領域に対して読み込みまたは書き込みを行ったとき、保護対象保持手段を参照して、保護例外処理を実行するか否かを決定し、保護例外処理を実行する場合、保護例外の原因となったアドレスによる保護例外要因が前記再利用可能な保護例外処理のための最適化された擬似命令を格納する保護例外保存手段に存在するか否かを判定し、前記保護例外保存手段に再利用可能な最適化された擬似命令が存在した場合、その最適化された擬似命令を用いて保護例外処理を行うことにより達成される。

本発明によれば、物理計算機でのデバイス操作で、不要だった擬似命令処理と命令解析処理とを低減することができ、特に、使用頻度の多いレジスタが保護対象となるデバイスの仮想化の場合、擬似命令処理と命令解析処理とを大幅に低減することができる。

以下、本発明による仮想計算機システム及び仮想計算機システムの制御方法の実施形態を図面により詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態による仮想計算機システムの構成を示すブロック図である。図１に示すシステムは、複数の仮想計算機及び仮想計算機制御プログラムが動作する物理計算機１００の構成を示したものである。

物理計算機１００には、複数のプロセッサ１０１０〜１０１３が収められている。プロセッサは、１つ以上であれば、幾つ収められていてもよい。これらプロセッサ１０１０〜１０１３内には、Local APIC（割り込み処理制御装置）１１４０〜１１４３が含まれている。プロセッサ１０１０〜１０１３は、システムバス１０２によりデバイスコントローラ１０３に接続されている。デバイスコントローラ１０３は、Memory Controller １０８とI/OｘAPIC(Ｉ／Ｏ割り込み制御装置）１０９０とを含んで構成されており、Memory Module １０５０〜１０５３とＰＣＩ Bridge １０６との間のデータ授受、割り込みの調停や制御を行う役割を有している。デバイスコントローラ１０３にメモリバス１０４を介して接続されているMemory Module １０５０〜１０５３は、仮想計算制御プログラムや仮想計算機上のプログラムを記憶しておく主記憶装置である。

ＰＣＩ Slot １０７０〜１０７５は、デバイスコントローラ１０３またはＰＣＩ Bridge １０６に接続されている。ＰＣＩ Slot １０７０〜１０７５は、外部拡張デバイスと接続するための空きスロットである。また、ＰＣＩ Bridge １０６内にもI/OxAPIC（Ｉ／Ｏ割り込み装置）１０９１が含まれている。このI/OxAPIC１０９１は、それを含んでいるデバイスコントローラ１０３やPCI Bridge１０６に接続されるデバイスから上げられる割り込みを、Local APIC１１４０〜１１４３に上げる役割がある。ＰＣＩ Bridge １０６には、ＰＣＩ Slot １０７３〜１０７５以外にも、表示装置であるＶＧＡ１１１、外部通信装置であるＮＩＣ１１０、ＳＣＳＩ Controller １１２が接続されている。ＳＣＳＩ Controller １１２には、プログラムを記憶しておくDisk１１３が接続されている。

図２は仮想計算機を実現するプログラムについてを説明する図であり、次に、これについて説明する。

物理計算機１００の中に構成される仮想計算機２１１０〜２１１２のそれぞれは、仮想計算機制御プログラム２０２により制御される。各仮想計算機２１１０〜２１１２上では、ＯＳ２０００〜２００２がそれぞれ独立して動作可能である。各仮想計算機２１１０〜２１１２は、仮想計算機制御プログラム２０２により割り当てられる仮想デバイスから構成され、これらの仮想デバイスは、各仮想計算機上で動作するＯＳ２０００〜２００２にとって、物理計算機１００で提供される物理デバイスと同等の動作をする。各仮想計算機２１１０〜２１１２は、それぞれ、V-Local APIC（仮想割り込み制御装置）２１３０〜２１３２を有するVirtual Processor ２１２０〜２１２２、Virtual Memory２１４０〜２１４２、V-PCI Device２１５０〜２１５２を備えて構成される。Virtual Processor ２１２０〜２１２２、V-Local APIC（仮想割り込み制御装置）２１３０〜２１３２、Virtual Memory２１４０〜２１４２、V-PCI Device２１５０〜２１５２は、仮想デバイスである。

Virtual Processor ２１２０〜２１２２は、ＯＳ２０００〜２００２からは、物理計算機１００のプロセッサ１０１０からとほぼ同等の動作を行うように見え、V-Local APIC２１３０〜２１３２、Virtual Memory２１４０〜２１４２、V-PCI Device２１５０〜２１５２も、それぞれ、物理計算機１００のLocal APIC１１４０〜１１４３、Memory Module １０５０〜１０５３、ＰＣＩ Slot１０７ に取り付けられる外部拡張デバイスに相当する動作をＯＳ２０００〜２００２に提供する。

前述したような仮想デバイスは、仮想計算機制御プログラム２０２に割り当てられたアドレスに対応付けられている。仮想計算制御プログラム２０２は、保護対象テーブル２０４を有し、割り当てたアドレスを保護対象アドレスとするか否かを決定し、保護対象テーブル２０４に定義する。また、仮想計算制御プログラム２０２は、保護例外処理２０３を有し、仮想計算機で動作するプログラムが、保護対象になっているアドレスに割り当てられた仮想デバイスを参照する際、保護例外割り込みが発生し、保護例外処理２０３が呼び出される。さらに、仮想計算制御プログラム２０２は、保護例外処理のために再利用可能な最適化された擬似命令を保持している保護例外保存領域２０５を有している。

図３は本発明を適応しない場合の保護例外処理での処理動作を説明するフローチャートであり、次に、これについて説明する。なお、ここで説明するフローは、本発明の効果を説明するための従来技術におけるフローである。

（１）保護例外が発生した場合に、保護例外原因になった参照アドレスが、保護例外処理プログラムに渡されて保護例外処理が開始される。そして、保護例外を起こした命令の解析が実行される。すなわち、読み込みの場合、読み込みバイト数と読み込み結果の保存先とが解析され、書き込みの際には、書き込みバイト数と書き込むデータ元とが解析される。また、命令解析により、命令の特定、命令があるアドレス、命令長が解析される（ステップＳ４１）。

（２）次に、これらの解析結果を参照し、通常の擬似命令実行の処理が実行される。この擬似命令実行の処理では、保護例外処理２０３に含まれる図示しない参照アドレスに対応する仮想デバイス毎の仮想化処理が呼び出されて実行される（ステップＳ４４）。

前述したような処理により、仮想デバイスに対する操作が仮想化され、仮想デバイスを実現することができる。

図４は本発明を適応した場合の保護例外処理での処理動作を説明するフローチャートであり、次に、これについて説明する。

（１）図３により説明したと同様に、保護例外が発生した場合、保護例外の原因となった参照アドレスが、保護例外処理プログラムに渡されて保護例外処理が開始される。そして、参照アドレスが、今まで参照したことの無いアドレスまたは実行したことの無いアドレスに位置する命令か否か、すなわち、保存していた要因の再利用が可能か否かを判定し、再利用が可能であると判断された場合、保護例外保存領域２０５に保存されている最適化された擬似命令を実行して処理を終了する（ステップＳ４０、Ｓ４５）。

（２）ステップＳ４０の判定で、参照アドレスが、今まで参照したことの無いアドレスまたは実行したことの無いアドレスに位置する命令であり、保存していた要因の再利用が不可能であった場合、図３により説明したステップＳ４１の処理と同様に、保護例外を起こした命令の解析を行い、その解析結果とデバイスのアドレスとそのアドレスでの役割とを評価して得られた結果を変換することにより得られる擬似命令が、最適化された擬似命令として実行可能であり、保持しておく必要があるか否かを判断する（ステップＳ４１、Ｓ４２）。

（３）ステップＳ４２の判定で、ステップＳ４１の処理での命令の解析により得られた擬似命令が最適化された擬似命令として実行可能なもので保持しておく必要があるものであると判断した場合、最適化された擬似命令を再利用可能な例外要因として保護例外保存領域２０５に保存し、その最適化された擬似命令を実行して処理を終了する（ステップＳ４３、Ｓ４５）。

（４）ステップＳ４２の判定で、ステップＳ４１の処理での命令の解析により得られた擬似命令が最適化された擬似命令として実行不可能なものであると判定された場合、図３に示したフローのステップＳ４３の処理と同様な通常の擬似命令が実行される（ステップＳ４４）。

（５）ステップＳ４４の処理の後、保護例外保存領域２０５に保存しておいた要因が取り消し対象となったか否かを判定し、取り消し対象であった場合、その要因を保護例外保存領域２０５から取り消して処理を終了し、取り消し対象でなかった場合、何もせずに処理を終了する。なお、この保存しておいた要因が取り消し対象か否かを判定する処理の詳細については後述する（ステップＳ４６、Ｓ４７）。

前述した図４に示すフローにおいて、ステップＳ４３での処理により保護例外保存領域２０５に保存しておいた要因は、命令が書き換えられるか、その命令で参照する仮想デバイスのアドレスが仮想デバイスを示さなくなったりしない限り、命令の意味が変わらないので、ステップＳ４１の処理での解析結果と同一となり、ステップＳ４１の処理での解析の結果として再利用が可能である。このような場合、ステップＳ４０の判定で再利用可能と判断される。再利用可能でない場合には、保存しておいた要因を取り消すことにより、ステップＳ４０の判定で再利用不可能と判定されることになる。保存しておいた要因が、再利用不可能となったことを検知する判定にも、図４に示すフローによる処理が用いられる。

次に、保存しておいた要因が再利用不可能であると判定するための処理について説明する。この処理における再利用不可能となる命令の書き換えを検知するために、図２に示す保護例外保存領域２０５に保存しておいた命令アドレスの場所を保護対象アドレスとして、保護対象テーブル２０４に追加する。保護対象テーブル２０４に追加された命令アドレスへの書き込み時には、図４に示すフローの処理が実行される。その際、図４のフローにおけるステップＳ４４の実行後、ステップＳ４６の処理で、図４のフローにおけるステップＳ４１での処理による命令解析の結果と保護例外保存領域２０５に保存しておいた命令アドレスとを比較する。この比較により、保存しておいた例外要因と関連する命令アドレスへの書き込みかそうでないかとを検知する。また、この命令の書き換えの検知方法と同様に、保存した例外要因に関連する仮想デバイスを示すアドレスが、その仮想デバイスを指し示さなくなる場合も検知する。すなわち、仮想デバイスと仮想デバイスを指し示すアドレスとを対応付ける図２に示すＯＳ２００１〜２００３のそれぞれが保持するテーブルを指し示すアドレスを保護対象テーブル２０４に追加登録することにより、仮想デバイスを指し示していたアドレスが、その仮想デバイスを指し示さなくなったことを命令書き換えの検知の場合と同様に、ステップＳ４６での処理により検知する。ここで、保存しておいた要因が再利用不可能と検知された場合には、ステップＳ４７の処理により、その要因を取り消す。

前述したように、本発明の実施形態は、特定の仮想デバイスに対して、図４により説明したフローのステップＳ４１とＳ４４との処理を省くことができ、最適化された仮想デバイス中の特定の役割を擬似的に実行するステップＳ４５の処理に直ちに制御を渡すことができる。これにより、本発明の実施形態によれば、図４に示すフローの処理の中で、ステップＳ４１の処理での命令解析に使用する時間が支配的である場合に、全体の処理量を低減することができ、特に繰り返し参照されるような仮想デバイスの部位はこの効果をより大きく享受することができる。

前述した本発明の実施形態での処理は、プログラムにより構成し、本発明が備えるＣＰＵに実行させることができ、また、それらのプログラムは、ＦＤ、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等の記録媒体に格納して提供することができ、また、ネットワークを介してディジタル情報により提供することができる。

前述したように本発明の実施形態によれば、仮想計算機制御プログラムが提供する仮想デバイスを実現するための保護例外処理を低減することができるため、本発明をｘ８６互換アーキテクチャで採用されているLocal APICの仮想化に適用する際に有用である。Local APICのEnd Of Interrupt (ＥＯＩ）レジスタは、書き込み頻度が非常に高いため、図４に示すフローのステップＳ４０の判定で、再利用可能要因と判断される場合が多くあり、処理量の大きいステップＳ４１での命令解析を省略することが可能となる。また、本発明は、Local APICの仮想化に適用されると、ＥＯＩレジスタへの操作で、意味を持つのが４byteの書き込みのみであること、書き込まれる値が常に同じでその値に意味を持たないため、ステップＳ４４の処理で行う通常の疑似命令実行のような厳密な命令実行ではなく、ステップＳ４５の処理で単純化した疑似命令を実行することができる。また、ＥＯＩレジスタを実行する命令が書き換えられることやＥＯＩレジスタとそのアドレスとを対応付ける図２に示すＯＳ２００１〜２００３のそれぞれが保持するテーブルが書き変えられることは、ＯＳが起動している間ほとんどない。このため、保存しておいた要因の再利用頻度が非常に高くなるため、仮想デバイスとして実装したLocal APICの保護例外処理部分を大幅に削減することが可能である。この他にも、参照頻度が多いMemory Mapped ＩＯで参照されるＩ／Ｏのレジスタ等に本発明を適用すると保護例外処理を削減することができる。

本発明の一実施形態による仮想計算機システムの構成を示すブロック図である。 仮想計算機を実現するプログラムについてを説明する図である。 本発明を適応しない場合の保護例外処理での処理動作を説明するフローチャートである。 本発明を適応した場合の保護例外処理での処理動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１００ 物理計算機
１０１０〜１０１３ プロセッサ
１０２ システムバス
１０３ デバイスコントローラ
１０４ メモリバス
１０５０〜１０５３ Memory Module
１０６ ＰＣＩ Bridge
１０７０〜１０７５ ＰＣＩ Slot
１０８ Memory Controller
１０９０、１０９１ Ｉ／ＯｘAPIC（外部割り込み処理装置）
１１０ ＮＩＣ（外部通信装置）
１１１ ＶＧＡ（表示装置）
１１２ ＳＣＳＩ Controller
１１３ Ｄｉｓｋ（プログラム保存装置）
１１４０〜１１４３ Local APIC（割り込み処理装置）
２０００〜１００２ ＯＳ（Operating System）
２０２ 仮想計算機制御プログラム
２０３ 保護例外処理プログラム
２０４ 保護対象テーブル
２０５ 保護例外保存領域
２１１０〜２１１２ 仮想計算機
２１２０〜２１２２ Virtual Processor
２１３０〜２１３２ Virtual Local APIC
２１４０〜２１４２ Virtual Memory
２１５０〜２１５２ Virtual PCI Device

Claims (6)

1. 少なくとも１つのＣＰＵとメモリとを共有し、複数のプログラムを切り替えて実行する複数の仮想計算機が構成された仮想計算機システムにおいて、
   前記仮想計算機の制御のための仮想計算機制御手段を備え、該仮想計算機制御手段は、例外を発生させるか否かを決定するため保護対象アドレスを格納した保護対象保持手段と、再利用可能な保護例外処理のための最適化された擬似命令を格納する保護例外保存手段とを有し、
   前記仮想計算機制御手段は、前記ＣＰＵにより実行されるプログラムが特定のアドレス領域に対して読み込みまたは書き込みを行ったとき、保護対象保持手段を参照して、保護例外処理を実行するか否かを決定し、保護例外処理を実行する場合、保護例外の原因となったアドレスによる保護例外要因が前記再利用可能な保護例外処理のための最適化された擬似命令を格納する保護例外保存手段に存在するか否かを判定し、前記保護例外保存手段に再利用可能な最適化された擬似命令が存在した場合、その最適化された擬似命令を用いて保護例外処理を行うことを特徴とする仮想計算機システム。
2. 前記仮想計算機制御手段は、前記再利用可能な保護例外処理のための最適化された擬似命令が、保護例外保存手段に存在していなかった場合、保護例外の要因となった命令の解析を行い、解析結果とデバイスのアドレスとそのアドレスでの役割とを評価して得られた結果を変換することにより得られる擬似命令が、最適化された擬似命令として実行可能で再利用のために保持しておく必要があるか否かを判断し、保持しておく必要がある場合、その最適化された擬似命令を前記保護例外保存手段に保存し、その最適化された擬似命令を用いて保護例外処理を行うことを特徴とする請求項１記載の仮想計算機システム。
3. 前記仮想計算機制御手段は、前記命令の解析結果から得られた擬似命令が、最適化された擬似命令として実行不可能であり、再利用のために保持しておく必要がないものであった場合、前記解析結果を参照し、通常の擬似命令実行の処理を実行することにより、保護例外処理を行うことを特徴とする請求項２記載の仮想計算機システム。
4. 前記仮想計算機制御手段は、前記命令の解析結果に基づいて、保護例外保存手段に保持していた最適化された擬似命令が再利用不可能となったことを検知したとき、前記保護例外保存手段に保持していた最適化された擬似命令を取り消すことを特徴とする請求項３記載の仮想計算機システム。
5. 少なくとも１つのＣＰＵとメモリとを共有し、複数のプログラムを切り替えて実行する複数の仮想計算機が構成された仮想計算機システムの制御方法において、
   前記仮想計算機システムは、前記仮想計算機の制御のための仮想計算機制御手段を備え、該仮想計算機制御手段は、例外を発生させるか否かを決定するため保護対象アドレスを格納した保護対象保持手段と、再利用可能な保護例外処理のための最適化された擬似命令を格納する保護例外保存手段とを有し、
   前記仮想計算機制御手段は、前記ＣＰＵにより実行されるプログラムが特定のアドレス領域に対して読み込みまたは書き込みを行ったとき、保護対象保持手段を参照して、保護例外処理を実行するか否かを決定し、保護例外処理を実行する場合、保護例外の原因となったアドレスによる保護例外要因が前記再利用可能な保護例外処理のための最適化された擬似命令を格納する保護例外保存手段に存在するか否かを判定し、前記保護例外保存手段に再利用可能な最適化された擬似命令が存在した場合、その最適化された擬似命令を用いて保護例外処理を行うことを特徴とする仮想計算機システムの制御方法。
6. 前記仮想計算機制御手段は、前記再利用可能な保護例外処理のための最適化された擬似命令が、保護例外保存手段に存在していなかった場合、保護例外の要因となった命令の解析を行い、解析結果とデバイスのアドレスとそのアドレスでの役割とを評価して得られた結果を変換することにより得られる擬似命令が、最適化された擬似命令として実行可能で再利用のために保持しておく必要があるか否かを判断し、保持しておく必要がある場合、その最適化された擬似命令を前記保護例外保存手段に保存し、その最適化された擬似命令を用いて保護例外処理を行うことを特徴とする請求項５記載の仮想計算機システムの制御方法。

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