【NPU】Ascend Device Plugin 系统级架构分析

张忠琳

994人浏览 · 2026-08-03 07:13:19

张忠琳 · 2026-08-03 07:13:19 发布

Ascend Device Plugin 系统级架构分析

源码路径: mind-cluster-v26.0.1/component/ascend-device-plugin
分析日期: 2026-07-31
文件统计: 52个非测试Go源文件，约20,000行代码
制图工具: fireworks-tech-graph (Style 1: Flat Icon)

项目整体架构与设计思路
整体运行流程
子模块划分总览
入口层模块 — main.go
工厂层模块 — DeviceFactory
gRPC服务层模块 — Server
设备管理层模块 — Device
公共基础层模块 — Common
K8s客户端模块 — KubeClient
重复设备检测模块 — DuplicateDetector
拓扑模块 — Topology
模块间调用关系与数据流
图表索引

一、项目整体架构与设计思路

在这里插入图片描述

1.1 项目定位

Ascend Device Plugin 是华为昇腾NPU的 Kubernetes Device Plugin 实现，遵循 Kubernetes Device Plugin 协议（gRPC），负责将物理NPU设备（Ascend910/310/310P）注册到K8s集群，管理设备的发现、分配、健康监控和故障处理。

1.2 设计思路

采用 分层架构 + 工厂模式 + 接口抽象 + CGO桥接 的设计：

设计原则	实现方式
分层架构	入口层 → 工厂层 → 服务层/设备层 → 基础层，自上而下单向依赖
工厂模式	DeviceFactory 根据设备类型创建对应的 Manager 实例
接口抽象	DevManager 接口统一不同型号NPU的操作契约
继承复用	AscendTools 基类提供通用能力，910/310/310P 分别继承扩展
CGO桥接	通过 CGO 调用底层 DCMI 驱动库（libdcmi.so），实现设备发现/健康/复位等硬件操作
gRPC服务	实现 K8s Device Plugin 协议的 ListAndWatch/Allocate 接口
优雅容错	故障分级处理（L1警告→L2降级→L3隔离→L5重置），支持热复位

1.3 架构分层

层次	模块	核心职责
入口层	main.go	命令行解析、参数校验(12项)、启动初始化
工厂层	DeviceFactory	设备驱动初始化、Manager创建、名称映射
gRPC服务层	Server	gRPC服务、设备上报(ListAndWatch)、分配(Allocate)、Pod资源查询
设备管理层	Device	NPU设备发现、健康监控、故障处理、热复位、虚拟设备(vNPU)
公共基础层	Common	常量、工具函数、故障码、协议定义
K8s客户端层	KubeClient	K8s API交互、ConfigMap CRUD、节点Informer
重复检测层	DuplicateDetector	容器设备挂载重复检测（Docker/Containerd）
拓扑层	Topology	拓扑文件读写、Rack拓扑采集

二、整体运行流程

在这里插入图片描述

2.1 进程启动流程

1. main() 入口
   ↓
2. initLogModule() — 初始化日志模块
   ↓
3. 解析命令行 Flag (--useV2 --dmVol --fdFlag --deviceType ...)
   ↓
4. checkParam() — 参数校验 (12项check函数)
   ├── checkListWatchPeriod()           (ListAndWatch周期)
   ├── checkPresetAndVolcanoRelation()   (预置+Volcano关系)
   ├── checkUse310PMixedInsertWithVolcano()
   ├── checkUse310PMixedInsertWithShareDevCount()
   ├── checkPresetWithShareDevCount()
   ├── checkSoftShareDevConfigDir()
   ├── checkHotResetMode()
   ├── checkBuildScene()
   ├── checkLinkdownTimeout()
   ├── checkThirdPartyScanDelay()
   ├── checkDeviceResetTimeout()
   └── checkShareDevCount()
   ↓
5. devicefactory.InitFunction()
   ├── initDevManager()
   │   ├── AutoInit()          (DCMI驱动初始化, CGO)
   │   ├── NewHwAscend910Manager() / NewHwAscend310Manager() / NewHwAscend310PManager()
   │   └── InitSwitchDev()     (交换设备初始化)
   ↓
6. NewHwDevManager() 创建设备管理器
   ├── setAscendManager()  (按设备类型设置Manager)
   ├── setAllDeviceAndType()
   ├── initPluginServer()
   ↓
7. ListenDevice() — 启动主循环
   ├── Serve()         (gRPC服务协程)
   ├── subscribeNpuFaultEvent() (故障订阅协程)
   ├── pollFaultCodeCM()  (故障码轮询协程)
   └── ticker 定时任务   (设备信息更新)
   ↓
8. 阻塞等待信号 (SIGTERM/SIGINT)

2.2 运行时核心协程

进程启动后进入 ListenDevice() 主循环，同时运行多个协程：

协程	功能	触发方式
Serve	gRPC服务，响应kubelet的ListAndWatch/Allocate请求	持续监听
subscribeNpuFaultEvent	订阅NPU硬件故障事件（DCMI回调）	事件驱动
pollFaultCodeCM	轮询ConfigMap中的故障码	定时轮询
ticker	周期更新设备信息到K8s ConfigMap	30s定时器
triggerTicker	触发式设备信息更新	事件触发
ListenDpu	DPU健康状态监控	持续监听

三、子模块划分总览

在这里插入图片描述

3.1 模块总览

模块	目录	文件数	核心职责
入口层	`main.go`	1	进程入口、参数解析、12项校验、启动初始化
工厂层	`pkg/next/devicefactory/`	3	驱动初始化、Manager创建、名称映射
拓扑层	`pkg/topology/`	2	拓扑文件读写、Rack拓扑采集、文件哈希校验
gRPC服务层	`pkg/server/`	10	gRPC服务、设备上报/分配、DPU监控、A5扩展
设备管理层	`pkg/device/`	7	NPU设备发现/健康/故障/复位、vNPU管理
交换设备	`pkg/device/deviceswitch/`	1	交换芯片故障监控（CGO）
DPU控制	`pkg/device/dpucontrol/`	2	DPU发现与配置（UB/PCIe两种模式）
公共基础层	`pkg/common/`	13	常量、工具、故障码、协议、文件管理
K8s客户端	`pkg/kubeclient/`	7	K8s API交互、Informer、缓存、CRUD
重复检测	`pkg/duplicatedetector/`	6	容器设备挂载重复检测（Docker/Containerd）

四、入口层模块 — main.go

4.1 核心作用

进程入口点，负责命令行参数解析、参数校验和初始化调度。不包含业务逻辑，只做 编排调度。

4.2 关键函数

函数	行号	作用
`main()`	269	入口函数：解析Flag → checkParam() → InitFunction() → ListenDevice()
`initLogModule()`	111	初始化日志模块（上下文+日志级别）
`checkParam()`	134	调用12项check函数，任一失败则终止启动
`setParameters()`	303	设置全局参数（设备类型、卷路径等）
`setUseAscendDocker()`	326	设置是否使用Ascend Docker运行时
`checkListWatchPeriod()`	157	校验ListAndWatch周期合法性
`checkHotResetMode()`	218	校验热复位模式配置
`checkBuildScene()`	228	校验构建场景（训练/推理）
`checkShareDevCount()`	261	校验共享设备数量

4.3 关键Flag

Flag	说明
`--useV2`	使用V2接口（A5架构）
`--dmVol`	设备管理卷路径
`--fdFlag`	文件描述符配置
`--deviceType`	设备类型（Ascend910/310/310P）
`--listWatchPeriod`	ListAndWatch上报周期
`--hotResetMode`	热复位模式
`--presetEnable`	预置功能开关

五、工厂层模块 — DeviceFactory

在这里插入图片描述

5.1 核心作用

设备工厂层，负责根据设备类型创建对应的 Manager 实例，初始化硬件驱动，建立设备名称映射。

5.2 文件结构

文件	职责
`entry.go`	工厂入口，`InitFunction()` 调用链
`driver_init.go`	驱动初始化，`initDevManager()` 创建Manager
`customname/public_name_config.go`	设备名称映射（ResourceType→PublicName）

5.3 关键函数

函数	文件	作用
`InitFunction()`	entry.go	工厂入口，调用initDevManager创建Manager和SwitchDevManager
`initDevManager()`	driver_init.go	DCMI AutoInit → 按设备类型创建Manager → InitSwitchDev
`InitPublicNameConfig()`	public_name_config.go	加载名称映射配置文件
`ReplaceDevicePublicName()`	public_name_config.go	设备名称替换（原始→公共名称）
`ReplaceDeviceInfoPublicName()`	public_name_config.go	批量设备信息名称替换

5.4 名称映射机制

ResourceType (原始: Ascend910)
    ↓ InitPublicNameConfig()
OldPublicType (旧公共: Ascend910A)
    ↓ ReplaceDevicePublicName()
DevicePublicType (新公共: HuaweiNPU-910A)

支持自定义配置文件覆盖默认映射，用于K8s资源注册名和Pod注解。

六、gRPC服务层模块 — Server

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6.1 核心作用

实现 Kubernetes Device Plugin gRPC 协议，向 kubelet 上报设备列表和健康状态，处理设备分配请求，查询Pod设备资源，监控DPU健康状态。

6.2 文件结构

文件	职责
`manager.go`	HwDevManager — 设备管理中枢，10步初始化
`plugin.go`	PluginServer — gRPC接口实现 (ListAndWatch/Allocate)
`server.go`	Server — gRPC服务器启动/注册/重启
`pod_resource.go`	PodResource — Pod设备资源查询
`dpu.go`	DPU健康状态监控
`types.go`	PluginServer结构体定义
`manager_v2.go`	A5架构扩展（RankTable/LevelList）
`plugin_v2.go`	V2 gRPC接口（HCCL拓扑）
`npu_base_v2.go`	A5 NPU基类
`types_v2.go`	V2类型定义

6.3 关键结构体

结构体	作用
`HwDevManager`	设备管理中枢，协调Device/KubeClient/PluginServer等所有子模块
`PluginServer`	gRPC服务实现，实现InterfaceServer接口（ListAndWatch/Allocate）
`PodResource`	Pod设备资源查询，对接kubelet Pod Resources API

6.4 关键函数

函数	文件	作用
`NewHwDevManager()`	manager.go	创建Manager实例，10步初始化流程
`setAscendManager()`	manager.go	按设备类型设置对应的Manager
`ListenDevice()`	manager.go	主循环，启动所有协程（Serve/故障订阅/ticker）
`ListAndWatch()`	plugin.go:321	gRPC：周期上报设备列表和健康状态到kubelet
`Allocate()`	plugin.go	gRPC：处理设备分配请求，挂载设备到容器
`responseToKubelet()`	plugin.go:201	构造ListAndWatch响应（设备列表+健康状态）
`reportDeviceInfo()`	plugin.go:286	上报设备信息（深拷贝→比对→更新）
`handleConsecutiveErrorStrategy()`	plugin.go:300	连续错误处理策略（重启/退出）
`Notify()`	plugin.go:61	设备状态变更通知（故障→不健康）
`getNewNodeAnnotation()`	manager.go:239	获取节点注解（设备信息）
`getNewNodeLabel()`	manager.go:264	获取节点标签（设备类型/数量）
`addTopologyLabel()`	manager.go:311	添加拓扑标签
`updateChipNameToNode()`	manager.go:363	更新芯片名称到节点
`initPluginServer()`	manager.go:457	初始化PluginServer
`Serve()`	server.go	gRPC服务器启动/注册/重启/停止

6.5 gRPC接口

接口	方向	说明
`ListAndWatch`	Plugin → kubelet	持续推送设备列表（Device数组+健康状态）
`Allocate`	kubelet → Plugin	请求分配设备，返回设备挂载信息(Mount)
`GetDevicePluginOptions`	kubelet → Plugin	返回插件选项

七、设备管理层模块 — Device

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7.1 核心作用

NPU设备的底层管理——设备发现、健康状态、故障处理、热复位、虚拟设备（vNPU）管理。通过CGO调用DCMI驱动库操作硬件。

7.2 文件结构

文件	职责
`ascendcommon.go`	AscendTools基类 + DevManager接口
`ascend910.go`	Ascend910 Manager（训练NPU，功能最完整）
`ascend310.go`	Ascend310 Manager（推理NPU，简化版）
`ascend310p.go`	Ascend310P Manager（推理NPU，4种模式）
`ascendtolerance.go`	优雅容错管理（故障分级处理）
`reset_info_mgr.go`	重置信息管理器（单例模式）
`ascendcommon_v2.go`	A5架构扩展属性
`deviceswitch/ascend_switch.go`	交换设备故障监控（CGO）
`dpucontrol/dpu_device_find.go`	DPU发现与配置
`dpucontrol/types.go`	DPU类型定义

7.3 继承体系

DevManager (接口)
    ↑ 实现
AscendTools (基类) — 提供GetNPUs/UpdateNodeDeviceInfo等通用方法
    ↑ 继承
    ├── HwAscend910Manager   (训练卡: 故障订阅/热复位/Ring重置/优雅容错)
    ├── HwAscend310Manager   (推理卡: 简化版设备发现)
    └── HwAscend310PManager  (推理卡: 混插/虚拟/共享/物理4种模式)

7.4 关键函数

函数	所属	作用
`GetNPUs()`	Ascend910	设备发现：扫描/dev/davinci*设备，返回NpuAllInfo
`GraceTolerance()`	Ascend910	优雅容错6步流程：分类设备→故障分级→热复位
`hotResetHandler()`	Ascend910	热复位处理（带内/带外两种模式）
`hotResetTryOutBand()`	Ascend910	带外热复位执行
`startUpHotReset()`	Ascend910	启动热复位流程
`setAllDevUnhealthyOnRing()`	Ascend910	Ring上所有设备设为不健康
`getDevFaultInfo()`	Ascend910	获取设备故障信息
`isFaultNeedRestart()`	Ascend910	判断故障是否需要重启
`GetAssociatedLogicIDs()`	Ascend910	获取关联设备逻辑ID（Ring拓扑）
`SetDmgr()`	AscendTools	设置设备管理器
`GetChipAICore()`	AscendTools	获取芯片AI Core数量
`convertLogicIDsToDeviceNames()`	AscendTools	逻辑ID转设备名称
`UpdateNodeDeviceInfo()`	AscendTools	更新设备信息到ConfigMap
`LoadDeviceInfoCm()`	AscendTools	加载设备信息ConfigMap
`handleManuallySeparateNPUFaultInfo()`	AscendTools	处理手动分离NPU故障信息
`asyncReleaseAutoFill()`	AscendTools	异步释放自动填充
`checkAndInitNodeDeviceInfo()`	AscendTools	检查并初始化节点设备信息

7.5 故障处理流程

DCMI驱动 → goFaultEventHandler (CGO回调)
    ↓
故障事件 → allFaultInfo channel
    ↓
限流器 (rate limiter)
    ↓
故障分级:
  L1 (警告)   → 记录日志，设备保持健康
  L2 (降级)   → 设备标记为不健康
  L3 (隔离)   → 设备隔离 + K8s Event通知
  L5 (重置)   → 触发热复位 (带内/带外)
    ↓
K8s Event 通知 + ConfigMap 更新 + ListAndWatch状态更新

八、公共基础层模块 — Common

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8.1 核心作用

全局常量、工具函数、故障码定义、协议定义——被几乎所有其他模块引用的"单一真相源"。

8.2 文件结构

文件	职责
`constants.go`	全局常量（设备类型/路径/端口/限制等）
`constants_v2.go`	A5架构常量
`common.go`	公共工具函数（序列化/锁/哈希等）
`device.go`	设备工具函数（设备ID解析/交换故障/默认设备路径）
`fault_code.go`	故障码定义与级别映射
`proto.go`	协议定义
`proto_v2.go`	A5协议定义
`send_stat.go`	状态上报
`file_manager.go`	文件管理
`atomic_bool.go`	原子布尔值
`slice_common.go`	切片工具
`upgradefault.go`	升级容错

8.3 关键函数

函数	文件	作用
`GetPattern()`	common.go:72	获取正则表达式模式映射
`LockAllDeviceInfo()`	common.go:81	锁定所有设备信息（互斥）
`UnlockAllDeviceInfo()`	common.go:86	解锁设备信息
`SetAscendRuntimeEnv()`	common.go:91	设置Ascend运行时环境变量
`MakeDataHash()`	common.go:131	生成数据哈希
`MarshalData()`	common.go:146	序列化数据
`MapDeepCopy()`	common.go:156	Map深拷贝
`GetPodAnnotationByDeviceType()`	common.go:168	按设备类型获取Pod注解
`GetDeviceFromPodAnnotation()`	common.go:184	从Pod注解获取设备
`GetDefaultDevices()`	common.go:212	获取默认设备列表
`GetDeviceID()`	device.go:78	解析设备ID
`GetSwitchFaultInfo()`	device.go:112	获取交换设备故障信息
`UpdateSwitchFaultInfoAndFaultLevel()`	device.go:157	更新交换设备故障级别
`SetSwitchFaultCode()`	device.go:282	设置交换设备故障码

九、K8s客户端模块 — KubeClient

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9.1 核心作用

封装 Kubernetes API 交互——节点标签/注解管理、ConfigMap CRUD、Pod查询、节点Informer、容器运行时检测。

9.2 文件结构

文件	职责
`kubeclient.go`	ClientK8s核心客户端
`kube_connect.go`	K8s连接管理（配置加载/创建Clientset）
`kube_cache.go`	缓存层（ConfigMap/Pod缓存）
`cur_node_informer.go`	当前节点Informer（监听Pod事件）
`client_server.go`	CRUD操作（ConfigMap/Node Annotation）
`kubeclient_v2.go`	A5扩展（PingMesh配置解析）
`types.go` / `types_v2.go`	类型定义

9.3 关键函数

函数	行号	作用
`NewClientK8s()`	68	创建K8s客户端（从环境变量/in-cluster配置加载）
`GetNode()`	105	获取当前节点信息
`PatchNodeState()`	112	Patch节点状态（标签/注解）
`AddAnnotation()`	122	添加节点注解
`GetPod()`	147	获取单个Pod
`PatchPod()`	163	Patch Pod
`GetActivePodList()`	169	获取活跃Pod列表（字段选择器+校验）
`GetAllPodList()`	183	获取全部Pod列表
`getPodListByCondition()`	198	按条件获取Pod列表
`GetContainerRuntime()`	211	获取容器运行时类型（Docker/Containerd）
`CreateConfigMap()`	255	创建ConfigMap
`GetConfigMap()`	270	获取ConfigMap
`UpdateConfigMap()`	282	更新ConfigMap
`resetNodeAnnotations()`	295	重置节点注解

十、重复设备检测模块 — DuplicateDetector

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10.1 核心作用

检测同一NPU设备被多个容器重复挂载的异常情况，支持Docker和Containerd两种容器运行时。

10.2 文件结构

文件	职责
`manager.go`	Manager — 检测管理器（启动/扫描/事件监听）
`cache/container_cache.go`	ContainerCache — 容器缓存 + 重复检测算法
`containerruntime/interface.go`	Client接口 + OCI端点探测
`containerruntime/docker_client.go`	Docker客户端实现
`containerruntime/containerd_client.go`	Containerd客户端实现
`types/types.go`	数据类型定义

10.3 关键函数

函数	行号	作用
`CheckDuplicateDevices()`	39	入口函数，创建Manager并启动检测
`NewManager()`	62	创建检测管理器（初始化缓存+运行时客户端）
`Start()`	79	启动检测：全量扫描 + 事件监听
`watchContainerEvents()`	98	监听容器创建/销毁事件
`scanAllContainers()`	115	全量扫描所有容器设备挂载
`HandleNewContainer()`	131	处理新容器：解析设备挂载 + 检测重复
`HandleContainerRemoval()`	165	处理容器销毁：清理缓存
`logDuplicate()`	170	记录重复检测告警日志

10.4 检测流程

1. CheckDuplicateDevices() 入口
   ↓
2. NewManager() → NewContainerCache() → NewClient()
   ↓
3. Start()
   ├── scanAllContainers() (全量扫描)
   │   ├── 解析所有容器设备挂载信息
   │   ├── StoreAllAndFindDuplicates() (批量存储+检测)
   │   └── logDuplicate() (告警)
   └── watchContainerEvents() (增量监听)
       ├── HandleNewContainer() (容器创建 → 解析+检测)
       └── HandleContainerRemoval() (容器销毁 → 清理缓存)

十一、拓扑模块 — Topology

11.1 核心作用

管理拓扑文件的读写、Rack拓扑信息采集，支持文件哈希校验确保数据完整性。

11.2 文件结构

文件	职责
`topo.go`	拓扑文件读写、哈希校验
`types.go`	拓扑数据类型定义

11.3 关键函数

函数	行号	作用
`topoFileToStr()`	53	读取拓扑文件内容为字符串
`getFileHash()`	66	计算文件SHA256哈希（完整性校验）
`ToFile()`	75	将拓扑信息写入文件

十二、模块间调用关系与数据流

在这里插入图片描述

12.1 主调用链

main.go
  → DeviceFactory.InitFunction()
    → DeviceFactory.initDevManager()
      → DCMI AutoInit() (CGO驱动初始化)
      → NewHwAscend910/310/310PManager()
      → InitSwitchDev()
      → NewHwDevManager()
        → setAscendManager() (按类型设置Manager)
        → setAllDeviceAndType()
        → initPluginServer()
        → ListenDevice()
          ├── Serve() → gRPC Server
          │   ├── ListAndWatch() → Device.GetNPUs() → DCMI
          │   └── Allocate() → Device设备挂载 → 容器
          ├── subscribeNpuFaultEvent() → DCMI故障回调
          ├── pollFaultCodeCM() → KubeClient.GetConfigMap()
          └── ticker → reportDeviceInfo()
              → Device.UpdateNodeDeviceInfo()
              → KubeClient.UpdateConfigMap()

12.2 数据传递矩阵

数据	来源	去向	载体
Flag配置	命令行	main.go → DeviceFactory	`flag.*` 指针
Manager实例	DeviceFactory	Server层	`HwDevManager` 结构体
设备列表	DCMI驱动	Server → kubelet	gRPC `ListAndWatchResponse`
设备分配	kubelet	Device层 → 容器	gRPC `AllocateResponse` (Mount)
故障事件	DCMI回调	Server → K8s Event	`allFaultInfo` channel
设备信息	Device层	KubeClient → K8s	ConfigMap
节点标签	Server	KubeClient → K8s	Node Annotation/Label
容器信息	Docker/Containerd	DuplicateDetector	Container API
拓扑信息	Topology	Server → K8s	Node Label (topology)

12.3 核心数据流

┌──────────┐     gRPC      ┌──────────────┐
│ kubelet  │ ─────────────→ │ PluginServer │
│          │ ←───────────── │              │
└──────────┘  ListAndWatch  └──────┬───────┘
                                   │
                          GetNPUs()│
                                   ↓
                           ┌──────────────┐
                           │   Device层   │
                           │  (910/310/   │
                           │   310P)      │
                           └──────┬───────┘
                                   │
                             CGO  │
                                   ↓
                           ┌──────────────┐
                           │  DCMI 驱动库  │
                           │ (libdcmi.so) │
                           └──────────────┘

┌──────────┐  ConfigMap   ┌──────────────┐
│ K8s API  │ ←─────────── │ KubeClient   │
│ Server   │ ───────────→ │              │
└──────────┘  Get/Patch   └──────┬───────┘
                                  │
                                   ↑
                           ┌──────────────┐
                           │ PluginServer │ → ticker定时更新
                           └──────────────┘

十三、图表索引

编号	图表名称	文件	类型
a01	系统整体架构图	`diagrams/a01_system_architecture.png`	架构图
a02	模块划分与依赖关系图	`diagrams/a02_module_dependency.png`	架构图
a03	main.go 启动流程图	`diagrams/a03_main_startup_flow.png`	流程图
a04	Server 模块架构图	`diagrams/a04_server_module.png`	架构图
a05	Device 模块架构图	`diagrams/a05_device_module.png`	架构图
a06	Common 模块架构图	`diagrams/a06_common_module.png`	架构图
a07	KubeClient 模块架构图	`diagrams/a07_kubeclient_module.png`	架构图
a08	DuplicateDetector 模块架构图	`diagrams/a08_duplicatedetector_module.png`	架构图
a09	DeviceFactory 模块架构图	`diagrams/a09_devicefactory_module.png`	架构图
a10	模块间数据流图	`diagrams/a10_data_flow.png`	数据流图

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