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Análisis técnico Transición a las unidades de disco duro con sectores de formato avanzado de 4 KB

Las empresas de unidades de disco duro están dejando atrás el tamaño de sector de 512 bytes y migrando a un sector de 4.096 bytes de mayor tamaño y eficacia, normalmente conocido como sector de 4 KB

Información general

Se avecina un cambio en la industria de unidades de disco duro. Mientras que las densidades de almacenamiento han aumentado de manera espectacular a lo largo de los años, no ha ocurrido lo mismo con uno de los aspectos más fundamentales del diseño de la unidad de disco duro: el tamaño de formato de bloque lógico conocido como sector.

Comenzó a finales de 2009, se aceleró en 2010 y pasará a ser de uso general en 2011: las compañías de unidades de disco duro están dejando atrás el tamaño de sector antiguo de 512 bytes y migrando a un sector de 4.096 bytes de mayor tamaño y eficacia, normalmente conocido como sector de 4 KB y actualmente denominado como formato avanzado por la Asociación internacional de equipos y materiales de unidad de disco duro (IDEMA, del inglés International Disk Drive Equipment and Materials Association).

En este documento se describe el contexto de esta migración y se destacan las ventajas a largo plazo para los clientes, así como los posibles problemas que deberán evitarse al cambiar de sectores de 512 bytes a 4 KB.

Antecedentes

Durante más de 30 años, los datos almacenados en unidades de disco duro se han formateado en pequeños bloques lógicos denominados sectores. El tamaño de sector antiguo es de 512 bytes. De hecho, muchos aspectos de los sistemas informáticos modernos siguen basándose en supuestos de diseño con respecto a este estándar de formato fundamental.

El formato de sector antiguo contiene una sección Gap, una sección Sync, una sección Marca de dirección, una sección Datos y una sección Código de corrección de errores (ECC, del inglés Error Correction Code) como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Diseño del antiguo sector en el soporte de unidad de disco duro

La estructura de este diseño de sector se diseñó como se muestra a continuación:

  • Sección Gap: el hueco separa los sectores.
  • Sección Sync: la marca Sync indica el inicio del sector y proporciona una alineación de sincronización.
  • Sección Marca de dirección: la marca de dirección contiene datos para identificar el número y la ubicación del sector. También proporciona el estado sobre el propio sector.
  • Sección Datos: la sección Datos contiene todos los datos del usuario.
  • Sección ECC: la sección ECC contiene los códigos de corrección de errores que se utilizan para reparar y recuperar los datos que podrían dañarse durante el proceso de lectura o escritura.

Este formato de bajo nivel ha funcionado para la industria durante muchos años. Sin embargo, a medida que han aumentado las capacidades de unidad de disco duro, el tamaño de sector se ha convertido poco a poco en un elemento de diseño con limitaciones a la hora de mejorar las capacidades de la unidad de disco duro y la eficiencia de corrección de errores. Por ejemplo, si se compara el tamaño de sector frente a la capacidad total de las unidades de disco duro antiguas con respecto a las más recientes, se puede apreciar que la resolución de sector se ha vuelto extremadamente pequeña. La resolución del sector (la proporción de sectores como porcentaje del almacenamiento total) se ha vuelto ínfima y cada vez más ineficiente (tabla 1).

Capacidad Total de sectores Resolución de sector
40 MB 80.000 0,001%
400 GB 800.000.000 0,0000001%


Una resolución ínfima es útil cuando se administran cantidades de datos pequeñas y diferenciadas. Sin embargo, las aplicaciones habituales en los sistemas informáticos modernos administran datos en bloques grandes, que de hecho son mucho mayores que el tamaño de sector antiguo de 512 bytes.

Más importante aún, el pequeño sector de 512 bytes ha consumido una cantidad de espacio cada vez más pequeña en la superficie de la unidad de disco duro a medida que las densidades de área han ido aumentando. Esto supone un problema en cuanto a la corrección de errores y el riesgo de defectos del soporte. En la figura 2, por ejemplo, los datos de un sector de disco duro consumen áreas más pequeñas, lo que hace que la corrección de errores sea más complicada debido a que los defectos del soporte del mismo tamaño pueden dañar un porcentaje mayor de la carga de datos total y, por tanto, requieren más intensidad de corrección de errores.

Figura 2. Defectos del soporte y densidad de área

Normalmente, un sector de 512 bytes puede corregir un defecto con una longitud de hasta 50 bytes. Las unidades de disco duro actuales están comenzando a cambiar los límites de corrección de errores con las principales densidades de área. Como consecuencia, la migración a sectores de mayor tamaño en la industria de unidades de disco duro se ha convertido en una necesidad fundamental en lo que se refiere a mejorar la corrección de errores y alcanzar eficiencias de formato.

La transición a sectores de 4 KB (formato avanzado)

Durante años, la industria del almacenamiento ha estado trabajando de manera colectiva en una transición a formatos de unidades de disco duro con sectores de mayor tamaño. El trabajo considerable realizado en Seagate y en colaboración con otras empresas de la industria de las unidades de disco duro se remonta al menos a cinco años (figura 3). En diciembre de 2009, mediante un esfuerzo coordinado en IDEMA, se nombró y se aprobó el nombre formato avanzado para los sectores de 4 KB estándar. Además, todos los fabricantes de unidades de disco duro se han comprometido a suministrar nuevas plataformas de unidad de disco duro para productos de ordenadores portátiles y de sobremesa, lo que implica que la aplicación del sector de formato avanzado comenzará en enero de 2011. Antes de esta fecha, las unidades de formato avanzado comenzarán a comercializarse. En diciembre de 2009, Western Digital comenzó a suministrar una unidad de formato avanzado y Seagate lleva suministrando unidades de sector de mayor tamaño desde hace algún tiempo a clientes de OEM y en productos de marca de venta al por menor, entre las que destacan las unidades de disco duro externas con conexión USB, como la serie FreeAgent® de Seagate®.

Figura 3. Principales hitos en el desarrollo del estándar de formato avanzado

Ventajas a largo plazo para sectores de 4 KB

Dado que todos los fabricantes de unidades de disco duro han acordado realizar la transición al diseño de sector de formato avanzado para enero de 2011, la industria debe adaptarse a este cambio y aceptarlo para minimizar los posibles efectos adversos. Las ventajas a corto plazo para el usuario final no serán espectaculares en lo que a aumento inmediato de la capacidad se refiere. Sin embargo, la migración a sectores de tamaño de 4 KB indudablemente proporcionará vías más rápidas hacia mayores densidades de área y capacidades de unidad de disco duro, así como a una corrección de errores más sólida.

Mejora de la eficiencia de formato mediante la reducción de espacio utilizado para el código de corrección de errores

En la figura 4 se muestra el diseño del antiguo sector de 512 bytes, donde cada sector de 512 bytes tiene una sobrecarga de 50 bytes no relacionados con datos destinada a ECC y otros 15 bytes para las secciones Gap, Sync y Marca de dirección. Esto ofrece una eficiencia de formato sectorizada1 del 88% aproximadamente (512/(512 + 65)).

Figura 4. Diseño del antiguo sector de 512 bytes

El nuevo estándar de formato avanzado progresa hacia un sector de 4 KB, que básicamente combina ocho sectores antiguos de 512 bytes en un único sector de 4 KB (figura 5).

Figura 5. Formato avanzado: diseño del sector de 4 KB

El estándar de formato avanzado utiliza el mismo número de bytes por sección Gap, Syn y Marca de dirección, pero aumenta el campo de ECC a 100 bytes. Esto conlleva una eficiencia de formato sectorizada1 del 97% (4.096/(4.096 + 115)), una mejora de casi el 10%.

Con el tiempo, estas eficiencias de formato merecerán la pena, ya que ayudarán a obtener puntos de capacidad más elevados a la vez que se mejorará la integridad de los datos.

Fiabilidad y corrección de errores

Aunque se ha reducido el tamaño físico de los sectores de las unidades de disco duro y las cantidades de espacio son cada vez más pequeñas, no ocurre lo mismo con los defectos de soporte. Obsérvese la figura 6, que muestra imágenes de lo que suele considerarse como objetos muy pequeños. En relación con la altura de vuelo de un cabezal de lectura/escritura de una unidad de disco duro, estos objetos son relativamente grandes. Algunas partículas microscópicas muchos más pequeñas que las que se muestran en el diagrama pueden crear defectos de soporte en una unidad de disco duro.

Figura 6. Representación a pequeña escala de la altura de vuelo de la unidad de disco duro

El sector de 4 KB más grande del estándar de formato avanzado dobla2 aproximadamente el tamaño del bloque de ECC, de 50 bytes a 100 bytes, lo que proporciona una mejora mucho más necesaria en cuanto a eficiencia de corrección de errores y solidez frente a partículas y defectos de soporte.

En conjunto, las ventajas de una eficiencia de formato mejorada y una corrección de errores más sólida hacen que la transición a los sectores de 4 KB merezca la pena. Para la industria de unidades de disco duro, resulta primordial una administración adecuada de esta transición para alcanzar las ventajas a largo plazo con el menor número de efectos secundarios.

Descripción de los impactos de la transición a 4 KB

Como se mencionó anteriormente, en muchos aspectos de los sistemas de computación modernos se sigue asumiendo que los sectores son siempre de 512 bytes. No resulta realista esperar que se realice la transición de toda la industria hacia el nuevo estándar de 4 KB y que todos estos antiguos supuestos cambien de repente. Con el tiempo, tendrá lugar la implementación de sectores de 4 KB nativos, donde tanto el host como la unidad de disco duro intercambiarán datos en bloques de 4 KB. Mientras tanto, los fabricantes de unidades de disco duro implementarán la transición a sectores de 4 KB junto con una técnica denominada de emulación de sectores de 512 bytes.

Emulación de sectores de 512 bytes

La introducción de sectores de 4 KB dependerá principalmente de la emulación de sectores de 512 bytes. Este término alude al proceso de conversión de los sectores físicos de 4 KB utilizados en el formato avanzado a los sectores antiguos de 512 bytes que esperan los sistemas informáticos host.

La emulación de 512 bytes es aceptable en tanto que no fuerce la implementación de cambios complejos en los sistemas informáticos antiguos. Sin embargo, conlleva el potencial de consecuencias negativas en el rendimiento, concretamente cuando la escritura de datos no se corresponde sencillamente con los 8 sectores antiguos convertidos. Esto resulta más obvio si se consideran los procesos de lectura y escritura necesarios para la emulación de 512 bytes.

Procesos de lectura y escritura emulados

El proceso para leer los datos de una unidad formateada en sectores de 4 KB en el modo de emulación de 512 bytes es muy sencillo, como se muestra en la figura 7.

Figura 7. Secuencia de lectura potencial para emulación de 512 bytes

El proceso de leer bloques de datos en 4 KB y reformatear el sector virtual de 512 bytes específico solicitado por el ordenador host se realiza en la memoria DRAM de la unidad y no afecta al rendimiento de manera perceptible.

Un proceso de escritura puede volverse más complicado, sobre todo cuando los datos que el ordenador host intenta escribir son un subconjunto de un sector de 4 KB físico. En estos casos, la unidad de disco duro debe leer primero el sector de 4 KB completo que contiene la ubicación específica de la solicitud de escritura del host, combinar los datos existentes con los nuevos datos y, por último, escribir de nuevo el sector de 4 KB completo (figura 8).

Figura 8. Secuencia de escritura potencial para emulación de 512 bytes

En este ejemplo, la unidad de disco duro debe realizar pasos mecánicos adicionales, que se traducen en la lectura de un sector de 4 KB, la modificación de contenidos y la reescritura de los datos. Este proceso se denomina "ciclo de lectura-modificación-escritura", y resulta no deseado por su impacto negativo en el rendimiento de la unidad de disco duro. La reducción de la probabilidad y la frecuencia de instancias de lectura-modificación-escritura es el aspecto más importante para que la transición a sectores de 4 KB sea un proceso sencillo y sin complicaciones.

Prevención contra los ciclos de lectura-modificación-escritura

  1. Solicitudes de escritura que están desalineadas debido a la desalineación de la partición lógica con respecto a la física.
  2. Solicitudes de escritura con un tamaño inferior a 4 KB.

Particiones de la unidad de disco duro alineadas frente a no alineadas

Hasta ahora no se ha comentado el modo en que los sistemas host y las unidades de disco duro se comunican la ubicación de los sectores en los soportes. Para ello, es necesario presentar antes el direccionamiento lógico de bloques (LBA, del inglés Logical Block Addressing).

A cada sector de 512 bytes se le asigna un LBA único, desde cero (0) hasta el número necesario según el tamaño del disco. El host solicita un bloque de datos específico mediante el LBA asignado. Cuando el host solicita la escritura de datos, se devuelve una dirección LBA al final de la escritura que indica al host dónde están ubicados los datos. Esto resulta importante en la transición a sectores de 4 KB, ya que hay ocho posibilidades distintas desde las que empezará el LBA del host.

Cuando se alinea el LBA 0 con el primer bloque de 512 bytes virtual en el sector físico de 4 KB, la situación de alineación lógico-física para la emulación de 512 bytes se denomina Alineación 0. Otra alineación posible se produce cuando el LBA 0 se alinea con el segundo bloque de 512 bytes virtual en el sector físico de 4 KB. Esta situación se denomina Alineación 1 y se muestra comparada con la Alineación 0 en la figura 9. Hay otras seis posibilidades más para las particiones sin alinear que pueden producir eventos de lectura-modificación-escritura similares a los de la situación de Alineación 1.

Figura 9. Situaciones de alineación

Las situaciones de alineación 0 funcionan muy bien con los nuevos sectores de 4 KB en el estándar de formato avanzado. Esto se debe a que una unidad de disco duro puede asignar fácilmente ocho sectores de 512 bytes contiguos en un único sector de 4 KB. Para conseguirlo, se almacenan solicitudes de escritura de 512 bytes en la memoria caché de la unidad de disco duro hasta que se reciban suficientes bloques de 512 bytes contiguos de un sector de 4 KB. Dado que las aplicaciones informáticas modernas tratan con fragmentos de datos normalmente superiores a los 4 KB, los fragmentos cortos son muy escasos. Sin embargo, la situación de Alineación 1 es otra cuestión.

Cuando se crean particiones de unidad de disco duro que producen una situación sin alinear, como se muestra en la figura 9, el resultado es que se crean ciclos de lectura-modificación-escritura que pueden mermar el rendimiento de la unidad de disco duro. Esta es la principal situación que hay que evitar en la implementación de unidades de disco duro de formato avanzado, en la que se profundizará más adelante.

Escrituras pequeñas

En las aplicaciones informáticas modernas, los datos como documentos, imágenes y transmisiones de vídeo, ocupan un espacio mucho mayor que 512 bytes. Por este motivo, las unidades de disco duro pueden almacenar en caché estas solicitudes de escritura hasta que haya suficientes bloques de 512 bytes secuenciales para crear un sector de 4 KB. Mientras las particiones de la unidad de disco duro estén alineadas, ésta podrá asignar fácilmente sectores de 512 bytes a sectores de 4 KB sin que afecte al rendimiento. Sin embargo, existen determinados procesos de bajo nivel que pueden forzar a una unidad de disco duro a que trate con situaciones de fragmentos cortos que no estén asociados a particiones sin alinear. Esto se produce en raras ocasiones, en las que el host realiza solicitudes de escritura discretas inferiores a 4 KB. Normalmente se trata de actividades a nivel del sistema operativo relacionadas con sistemas de archivo, registro en diarios o actividades similares de bajo nivel. Suelen producirse en un número lo suficientemente pequeño como para que no afecten al rendimiento general. Aún así, se recomienda que los diseñadores de sistemas consideren la posibilidad de realizar las modificaciones pertinentes en cualquiera de estos procesos para maximizar el rendimiento cuando se proceda a la transición de 4 KB.

Preparación y administración de la transición a 4 KB

Una vez descritas las ventajas de migrar a sectores de 4 KB, así como los posibles impactos en el rendimiento, pasemos a examinar cuál es el mejor modo de administrar esta transición en la industria. Para tratar mejor este tema, es necesario situarse en el contexto de los dos sistemas operativos más populares de la informática moderna: Windows y Linux.

Administración de sectores de 4 KB en el entorno de Windows

El único aspecto más importante en la administración de la transición a sectores de 4 KB está relacionado con los problemas de alineación descritos anteriormente. Las unidades de formato avanzado funcionan bien con una situación de Alineación 0, donde la posición de inicio física con respecto a la lógica son iguales. Las situaciones de alineación se crean al crearse las particiones de la unidad de disco duro. Las particiones se crean mediante software, que se clasifica en dos categorías generales:

  1. Versiones del SO Windows
  2. Herramientas de partición de la unidad de disco duro

En el caso de las particiones creadas con el sistema operativo Windows, existen tres versiones de Windows que merecen ser comentadas: Windows XP, Windows Vista y Windows 7. Microsoft se involucró con la comunidad que planeó la transición a sectores más grandes. Como consecuencia, publicó software compatible con sectores de 4 KB, a partir de Windows Vista Service Pack 1. El software que crea particiones de Alineación 0 (que funcionan bien con el estándar de formato avanzado) se denomina "compatible con 4 KB" En la tabla 2 se describe la situación relacionada con las generaciones actuales del sistema operativo Microsoft Windows.

Versión de sistema operativo Compatible con 4 KB Resultados
Windows XP No Crea una partición primaria con una situación de Alineación 1 (sin alinear)
Windows Vista — Pre Service Pack 1 No Compatible con sectores grandes pero crea particiones de manera incorrecta (sin alinear)
Windows Vista - Service Pack 1 o posterior Crea particiones con una situación de Alineación 0 (alineado)
Windows 7 Crea particiones con una situación de Alineación 0 (alineado)

Evidentemente, los nuevos sistemas operativos que se proporcionan con las versiones más recientes de Windows estarán en una situación muy ventajosa con respecto al uso de las unidades de disco duro de formato avanzado. No obstante, para aquellos sistemas que aún utilizan versiones de Windows XP o Windows Vista anteriores a Service Pack 1, existe un riesgo considerable de reducción del rendimiento con relación a las particiones creadas por el sistema operativo.

Además de las posibles particiones sin alinear creadas por versiones anteriores del SO Windows, existe un número de herramientas de software de uso extendido entre fabricantes de sistemas, OEM, distribuidores de valor añadido y administradores de TI que también pueden producir particiones sin alinear. De hecho, es más habitual utilizar este tipo de herramientas en lugar del propio SO de Windows para crear las particiones. Así pues, es considerable el riesgo de crear particiones sin alinear y, con ello, un entorno con un reducido rendimiento de unidad de disco duro para las unidades que utilizan sectores de 4 KB. Para complicarlo aún más, las unidades de disco duro suministradas con los sistemas actuales suelen estar compuestas por varias particiones de disco duro. Esto significa que cada partición de la unidad de disco duro debe crearse con un software de partición compatible con 4 KB para garantizar una alineación y un rendimiento adecuados. En la figura 10 se muestran los resultados potenciales de la creación de varias particiones de unidad de disco duro con software que no sea compatible con 4 KB.

Figura 10. Situaciones de alineación y varias particiones

Resolución de situaciones sin alinear

Existen tres posibles métodos para evitar y/o administrar una situación sin alinear que pueda afectar potencialmente al rendimiento de la unidad de disco duro.

  1. Utilizar una nueva versión del SO Windows o solicitar a su proveedor de herramientas de partición una versión del software que sea compatible con 4 KB.
  2. Utilizar una herramienta de unidad de disco duro para volver a alinear las particiones de disco.
  3. Depender del proveedor de unidades de disco duro para administrar el rendimiento, independientemente de la situación de alineación.

El uso de una versión de Windows compatible con 4 KB para crear particiones de unidades de disco duro es un método sencillo para evitar situaciones sin alinear. Los proveedores de herramientas de software de creación de particiones de unidades de disco duro deberían poder indicarle si hay versiones disponibles que sean compatibles con 4 KB. Si las hay, migre a estas versiones para evitar mayores problemas.

Por otro lado, para solucionar este problema, algunos fabricantes de unidades de disco duro están ofreciendo herramientas que examinan las particiones de unidades de disco duro existentes y realizan de nuevo una alineación si es necesario. Esta alternativa requiere tiempo adicional y añade más pasos al proceso de creación o actualización del sistema.

A la larga, los fabricantes de unidades de disco duro desarrollarán métodos más sofisticados para administrar situaciones sin alinear a la vez que se evitará un impacto negativo en el rendimiento.

A medida que la transición a las unidades de formato avanzado gane fuerza, todos estos métodos jugarán un papel importante en la maximización de las ventajas para la industria, a la vez que evitarán cualquier impacto negativo en el rendimiento.

Administración de sectores de 4 KB en el entorno de Linux

Las principales estrategias para administrar la transición a sectores de 4 KB en un entorno de Windows también se aplican a un entorno de Linux. La mayoría de los usuarios de sistemas Linux tienen acceso al código fuente, lo que les permite personalizar el SO para adaptarlo a sus necesidades específicas. Esto brinda la oportunidad de actualizar el sistema Linux de manera proactiva para que administre correctamente las unidades de disco duro de formato avanzado.

La realización de modificaciones en el sistema Linux permite, en gran medida, evitar crear particiones de disco que estén correctamente alineadas para unidades de formato avanzado, así como minimizar las pequeñas escrituras a nivel de sistema, que generan fragmentos cortos independientemente de los problemas de alineación.

Se han realizado cambios tanto al núcleo de Linux como a sus herramientas para que admitan las unidades de disco duro de formato avanzado. Mediante estos cambios se asegura que todas las particiones de las unidades de formato avanzado se alinearán correctamente en los límites del sector de 4 KB. La compatibilidad de núcleo para las unidades de formato avanzado está disponible en los núcleos de versión 2.6.31 y posterior. La compatibilidad de partición y formato de unidades de formato avanzado está disponible en las herramientas Linux siguientes:

Fdisk: GNU Fdisk es una herramienta de la línea de comandos que realiza la partición de unidades de disco duro. La versión 1.2.3 y versiones posteriores son compatibles con las unidades de formato avanzado.

Parted: GNU Parted es una herramienta gráfica para la partición de unidades de disco duro. La versión 2.1 y versiones posteriores son compatibles con las unidades de formato avanzado.

Conclusión

La transición para dejar atrás el antiguo sector de 512 bytes ya es una realidad en la industria. Los fabricantes de unidades de disco duro han acordado unánimemente adoptar el estándar de formato avanzado antes de enero de 2011 para los nuevos modelos suministrados en los segmentos de mercado de ordenadores portátiles y de sobremesa.

Esta transición proporcionará a los ingenieros otra herramienta para continuar exigiendo densidades de área mejoradas y una corrección de errores más robusta. Los consumidores saldrán beneficiados, pues las unidades de disco duro seguirán ofreciendo capacidades aún mayores, los costes por gigabyte se reducirán y se mantendrán los niveles de fiabilidad esperados por la tecnología de unidades de disco duro.

La clave para una transición sin obstáculos reside en una comunidad de almacenamiento bien educada, de modo que se eviten los posibles problemas de rendimiento. El aspecto crucial para una transición satisfactoria y sin complicaciones a sectores de 4 KB utilizados en el formato avanzado consiste en promover el uso de herramientas de partición de unidades de disco duro compatibles con 4 KB. Si es fabricante de sistemas, OEM, profesional de TI o incluso un usuario final que está creando o configurando un ordenador, asegúrese de:

  • Utilizar Windows Vista (Service Pack 1 o posterior) o Windows 7 para crear particiones de unidades de disco duro.
  • Cuando utilice herramientas o software de terceros para crear particiones de unidades de disco duro, consulte al proveedor para asegurarse de que dicho software está actualizado y es compatible con 4 KB.
  • Si tiene clientes que constantemente están creando imágenes del sistema, anímeles a que se aseguren de que las herramientas de creación de imágenes que utilizan son compatibles con 4 KB.
  • Si utiliza Linux, consulte al proveedor o la organización de ingeniería de Linux para asegurarse de que el sistema ha adoptado los cambios para ser compatible con 4 KB.
  • Consulte al proveedor de unidades de disco duro para solicitar cualquier otro consejo o instrucción sobre el uso de unidades de formato avanzado en los sistemas.

En colaboración con nuestros clientes y otras empresas de la industria, podemos hacer que la transición a los sectores de 4 KB de formato avanzado sea sencilla y eficiente, aprovechando las posibles ventajas a largo plazo para toda la industria del almacenamiento.

Notas al pie de página

1El formato sectorizado hace referencia estrictamente a los sectores de datos y no tiene en cuenta la sobrecarga asociada a los servodatos y otras ineficiencias de diseño del sector.

2 No todas las implementaciones de un sector de 4 KB doblan exactamente los bytes de ECC al pasar de sectores de 512 bytes a sectores de 4 KB.

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