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文檔簡(jiǎn)介

1、關(guān)于中間節(jié)點(diǎn)上的通信技術(shù)第1頁,共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四數(shù)據(jù)交換:把一條線路上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接到另一條線路上 或者說,交換的基本功能就是轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)流2.1 交換技術(shù)的演變?nèi)鐖D所示,交換是通過交換節(jié)點(diǎn)中的交換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。交換機(jī)構(gòu)的功能是將一條輸入信道上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到另外的輸出信道上,將輸入端口與輸出端口對(duì)應(yīng)起來。交換機(jī)構(gòu)的功能 第2頁,共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四數(shù)據(jù)交換的基本方式和數(shù)據(jù)交換機(jī)構(gòu)的基本工作原理:2.1.1 電路交換2.1.2 存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)交換 2.1.3 分組交換的虛電路服務(wù)和數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù) 2.1.4 交換機(jī)的功能2.1.5 交換機(jī)實(shí)現(xiàn)技

2、術(shù) 第3頁,共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四2.1.1 電路交換(Circuit Switching或Circuit Exchanging)電路交換需要建立物理鏈路,即:它要經(jīng)過3步:建立連接(呼叫),數(shù)據(jù)傳送,線路拆除(釋放) 線路交換是面向連接的服務(wù);兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過通信子網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換之前,首先要在通信子網(wǎng)中建立一個(gè)實(shí)際的物理線路連接;線路交換在數(shù)據(jù)傳輸過程中要經(jīng)過建立連接、數(shù)據(jù)傳輸與釋放連接的三個(gè)階段;線路交換方式的優(yōu)點(diǎn):通信實(shí)時(shí)性強(qiáng),適用于交互式會(huì)話類通信;線路交換方式的缺點(diǎn):對(duì)突發(fā)性通信不適應(yīng),系統(tǒng)效率低,系統(tǒng)沒有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力,不能平滑交通量。 第4頁,共28

3、頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四電路交換方式的工作原理電路交換有如下特點(diǎn):(1)由于需要連接過程,建立連接需要時(shí)間,故適合傳輸大量數(shù)據(jù)而傳輸少量數(shù)據(jù)時(shí)效率不高;(2)連接一旦建立,便可以固定的速率傳輸數(shù)據(jù),除了傳輸延遲外,不再有別的延遲;(3)一旦連接成功,就建立了一條臨時(shí)專線,即使不通話,也被占用,他人不可使用。 第5頁,共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)交換的概念 存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)交換(Store-and-Forward Switching)是一種不要求建立專用物理信道的交換技術(shù)。 當(dāng)發(fā)送方要發(fā)送信息時(shí),應(yīng)把目的地址先加到報(bào)文中,然后從發(fā)送節(jié)點(diǎn)起,一

4、個(gè)節(jié)點(diǎn)、按地址把報(bào)文一個(gè)節(jié)點(diǎn)地轉(zhuǎn)送到目的節(jié)點(diǎn);在轉(zhuǎn)送過程中,中間節(jié)點(diǎn)要先把報(bào)文暫時(shí)存儲(chǔ)起來,然后在線路不忙時(shí)將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)出去,這就是將其稱為存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)交換的緣由。 2.1.2 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換第6頁,共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四2. 分組交換系統(tǒng)的發(fā)展(1)早期的存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)交換以報(bào)文(Message)形式進(jìn)行,稱為報(bào)文交換。 缺點(diǎn):報(bào)文較大,因而傳輸延時(shí)較長(zhǎng),不適合傳輸語音等實(shí)時(shí)信號(hào);在傳輸過程中容易因?yàn)閭€(gè)別錯(cuò)誤而導(dǎo)致整個(gè)報(bào)文傳輸作廢。 (2)分組交換(Packet Switching),也稱包交換 特點(diǎn):分組交換網(wǎng)中,要先把一個(gè)報(bào)文分割成規(guī)定長(zhǎng)度的信息組-分組打包,然后在

5、每個(gè)分組上貼上標(biāo)簽-報(bào)頭,按編號(hào)一批一批地將“數(shù)據(jù)分組”發(fā)出去;在每一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)上,都要先存儲(chǔ)、后轉(zhuǎn)發(fā);傳送到達(dá)目的地后,再重新裝配成完整的報(bào)文。 ATM、TCP/IP都是分組交換 第7頁,共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四(3)報(bào)文交換和分組交換的比較:圖3.3 報(bào)文交換的基本過程 圖3.4 報(bào)文分組 第8頁,共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四2.1.3 分組交換網(wǎng)絡(luò)中的最佳幀長(zhǎng)度最佳幀長(zhǎng)度的選擇是傳輸時(shí)間、傳輸開銷和網(wǎng)絡(luò)處理負(fù)載之間的折中。幀的長(zhǎng)度分為幀長(zhǎng)可變和幀長(zhǎng)固定兩種。如ATM網(wǎng)絡(luò),其信元長(zhǎng)度固定為53B。第9頁,共28頁,2022年,5月20

6、日,16點(diǎn)58分,星期四2.2 虛電路與數(shù)據(jù)報(bào)2.2.1 分組交換的虛電路服務(wù) 虛電路的服務(wù)過程與下面的部隊(duì)從A地向D地轉(zhuǎn)移的過程相似。 先派偵察兵偵察出一條安全的通道(如圖2.5中的A-B-C-D),偵察工作完成后,向指揮部發(fā)回報(bào)告; 部隊(duì)接到通道已經(jīng)偵察好的報(bào)告,開始以支隊(duì)為單位沿偵察好的通道轉(zhuǎn)移,并且是先出發(fā)的先到達(dá); 部隊(duì)轉(zhuǎn)移結(jié)束,A地通知D地,該通道的任務(wù)完成,停止使用。第10頁,共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四虛電路服務(wù)也分3個(gè)階段:(1)建立虛電路(2)數(shù)據(jù)傳輸(3)拆除虛電路 圖3.6 虛電路工作時(shí)的時(shí)序關(guān)系第11頁,共28頁,2022年,5月20日,16

7、點(diǎn)58分,星期四(1)建立虛電路 A啟動(dòng)路由算法,選擇下一個(gè)節(jié)點(diǎn)B,并向B發(fā)送一個(gè)“呼叫請(qǐng)求分組”;接著B也啟動(dòng)路由算法,選擇下一個(gè)節(jié)點(diǎn)C,并向C轉(zhuǎn)發(fā)“呼叫請(qǐng)求分組”。于是“呼叫請(qǐng)求分組”沿A B C的路徑到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D。目的節(jié)點(diǎn)D則沿D C B A的路徑返回“呼叫應(yīng)答分組”。至此虛電路建立。(2)數(shù)據(jù)傳輸 A將報(bào)文分組打包,不需再加目的主機(jī)的全地址,只需帶上到B的虛電路號(hào)(A對(duì)可能到達(dá)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào))即可,按照該虛電路號(hào)將各數(shù)據(jù)分組發(fā)送到B。B如法炮制,將各數(shù)據(jù)分組發(fā)送到C,由C再發(fā)送到D。(3)拆除虛電路 報(bào)文傳送完畢,A沿A B C D路徑發(fā)送“釋放請(qǐng)求分組”到D;D返回“釋放應(yīng)答分組”

8、,將虛電路拆除。第12頁,共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四2.2.2 分組交換的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù) 數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)方式猶如大部隊(duì)化整為零后分頭向某地行進(jìn)集結(jié),每個(gè)分組都加有目的地地址,并且按“各自為戰(zhàn)”的策略,依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情形各自選擇合適的路徑,向目的地進(jìn)發(fā)。這樣,就會(huì)呈現(xiàn)以下幾個(gè)傳輸特點(diǎn)。 (1)每個(gè)分組所走過的路徑可能是不相同的, (2)由于傳輸路徑不同,各節(jié)點(diǎn)交換處理的時(shí)間不等,到達(dá)目的地的時(shí)間也不相同,于是就會(huì)出現(xiàn)到達(dá)目的地后各分組的順序與發(fā)送時(shí)的順序不同,必須重新排序,再裝配成報(bào)文。 (3)數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)不需要進(jìn)行連接,因此也說它提供無連接的服務(wù)。后面要介紹的IP就只提供數(shù)據(jù)

9、報(bào)服務(wù)。 (4)數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)要求在傳送過程中每一個(gè)數(shù)據(jù)分組都要帶有目的地址和源地址。同時(shí)在傳送到目的地后,有可能出現(xiàn)亂序、重復(fù)與丟失現(xiàn)象,因而傳輸延時(shí)較大,適合于突發(fā)性通信,不適合于長(zhǎng)報(bào)文通信。第13頁,共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四2.2.3 電路交換、虛電路與數(shù)據(jù)報(bào)的比較 主要從三個(gè)過程、三個(gè)參數(shù)上對(duì)交換方式進(jìn)行比較。(1)三個(gè)過程 連接過程; 傳輸過程; 釋放過程 (2)三個(gè)參數(shù)(a)時(shí)延 呼叫時(shí)延:呼叫連接過程花費(fèi)的時(shí)間。 傳輸時(shí)延:從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)较乱粋€(gè)節(jié)點(diǎn)所用的時(shí)間。 節(jié)點(diǎn)時(shí)延(處理延遲):節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和處理花費(fèi)的時(shí)間。(b)順序分組到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的順序是否

10、與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)的順序一致。(c)通用性是否適合不同類型、不同速率的計(jì)算機(jī)或終端之間通信。第14頁,共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四虛電路與數(shù)據(jù)報(bào)的比較第15頁,共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四2.3.1 交換機(jī)的功能 現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)按照有無交換功能可以分為兩大類:交換網(wǎng)和傳輸網(wǎng)。 簡(jiǎn)單地說:交換機(jī)的作用是接收數(shù)據(jù),然后有選擇地將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去,實(shí)現(xiàn)交換網(wǎng)中的數(shù)據(jù)流控制。交換機(jī)功能概括為:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)物理編址-定義數(shù)據(jù)幀的物理地址網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)-定義設(shè)備物理連接所形成 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)差錯(cuò)驗(yàn)證-錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)發(fā)出告警數(shù)據(jù)幀整序流量控制-延緩數(shù)據(jù)的傳輸能力 2.3 交換

11、機(jī)第16頁,共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四2.3.2 交換機(jī)單元分類 構(gòu)成交換機(jī)構(gòu)的最基本元件是交換單元。交換單元的基本實(shí)現(xiàn)技術(shù)有兩種:空間交換和時(shí)隙交換 1. 空間交換空間交換是指交換單元按照鏈路的空間分布進(jìn)行交換,將分組從一條鏈路轉(zhuǎn)送到另一條鏈路上 2. 時(shí)隙交換時(shí)隙交換是按時(shí)間順序進(jìn)行交換,是指將輸入鏈路上某個(gè)時(shí)隙上分組安排到輸出鏈路上的另一個(gè)時(shí)隙上。 (1)STM傳輸模式的交換機(jī) (2)ATM傳輸模式的交換機(jī) 3. 多級(jí)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)交換結(jié)構(gòu)MIN4. 分組交換結(jié)構(gòu) 第17頁,共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四2.4 路由節(jié)點(diǎn)上的通信 2.4.1路

12、由器與路由表 路由節(jié)點(diǎn)是連結(jié)不同網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。在路由節(jié)點(diǎn)上工作的設(shè)備是路由器。路由器的主要工作就是為經(jīng)過路由器的每個(gè)數(shù)據(jù)分組尋找一條最佳傳輸路徑,并將丐數(shù)據(jù)分組有效地傳送到目的站點(diǎn)。為此,每個(gè)路由器中都要維護(hù)一個(gè)路由表,供路由選擇時(shí)使用。根據(jù)設(shè)置方式,路由表可以分成兩類:靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由1.靜態(tài)路由 靜態(tài)路由用預(yù)先編好的程序定義表示通過網(wǎng)絡(luò)的路徑,其算法通常由網(wǎng)絡(luò)管理員人工實(shí)現(xiàn)。該管理員負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)和傳播通過網(wǎng)絡(luò)的路由。常用的靜態(tài)路由算法 :(1)洪泛(flooding)算法 洪泛算法也稱擴(kuò)散式算法。它的基本思想是,每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到分組后,即將其發(fā)往除分組來的節(jié)點(diǎn)之外的其他各相鄰節(jié)點(diǎn)。但是要限制分組復(fù)

13、制的數(shù)量,有3種方法: 一是在每個(gè)分組的頭部設(shè)一個(gè)計(jì)數(shù)器,用來統(tǒng)計(jì)分組到達(dá)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,當(dāng)計(jì)數(shù)器超過規(guī)定值(如端到端最大段數(shù))時(shí),將之丟棄; 二是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上建立一個(gè)分組登記表,不接收重復(fù)的分組; 三是只選擇距目標(biāo)節(jié)點(diǎn)近的部分節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組。 (2)熱土豆(Hot Potato)算法通常每個(gè)節(jié)點(diǎn)要為其連接的相鄰節(jié)點(diǎn)各建一個(gè)分組隊(duì)列。熱土豆算法是,節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)分組后,為了盡快脫手,要將其放在最短的隊(duì)列中,而不管該分組的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是什么。 (3)固定路由算法固定路由算法也稱查表法,它是在網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都存放一個(gè)預(yù)先計(jì)算好的路由表,給出本節(jié)點(diǎn)到所有可能的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最短路徑 第18頁,共28頁,2022年

14、,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四2.動(dòng)態(tài)路由 動(dòng)態(tài)(Dynamic)路由表是路由器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行情況自動(dòng)調(diào)整的路由表。通常是通過路由器與相鄰路由器交換網(wǎng)絡(luò)信息來動(dòng)態(tài)地進(jìn)行路由表維護(hù)的。 根據(jù)發(fā)現(xiàn)和計(jì)算到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)的新路徑的方法,可以把動(dòng)態(tài)路由算法分為3種: (1)距離向量(distance vector)算法 距離向量算法的原理非常簡(jiǎn)單:它把每經(jīng)過一個(gè)路由器稱為一跳。一條路由上的跳數(shù)稱為“距離”,然后動(dòng)態(tài)地選擇最短距離作為路徑。 第19頁,共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四(2)鏈路狀態(tài)(link state)算法 鏈路狀態(tài)是路由器上的接口(網(wǎng)絡(luò)地址和網(wǎng)絡(luò)類型等)描述

15、及其與相鄰路由器關(guān)系的總稱。這些鏈路狀態(tài)的集合形成了一個(gè)鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(link-state database)。 在Internet中廣泛使用的最短路徑優(yōu)先SPF(Shortest Path First)就是一種分布式鏈路狀態(tài)協(xié)議(link state protocol)。它提供了網(wǎng)絡(luò)的樹狀表示。樹根是運(yùn)行SPF的設(shè)備,用來計(jì)算到達(dá)每個(gè)目的網(wǎng)絡(luò)的最短路徑列表。 (a)每個(gè)路由器標(biāo)識(shí)與它直接相連的網(wǎng)絡(luò)上的所有路由設(shè)備。 (b)SPF將實(shí)際網(wǎng)絡(luò)、路由器和鏈路集抽象成有向圖,兩個(gè)路由器間的一系列鏈路由一對(duì)有向弧表示,各指向一方,且它們的權(quán)值可能不同。然后根據(jù)有向弧上的權(quán)值計(jì)算最短路徑 。 (c)

16、每個(gè)路由器通過與網(wǎng)絡(luò)中的其他路由器交換LSA( Link State Advertisement, 鏈路狀態(tài)公告)通知所有與之直接相連的網(wǎng)絡(luò)鏈路以及每個(gè)鏈路關(guān)聯(lián)的度。 (d)SPF提供了網(wǎng)絡(luò)的樹狀表示。樹根是運(yùn)行SPF的設(shè)備,用來計(jì)算到達(dá)每個(gè)目的網(wǎng)絡(luò)的理想路徑。雖然每個(gè)路由器的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫相同,但是由于每個(gè)設(shè)備占據(jù)了網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)不同位置,SPF將為每個(gè)路由器產(chǎn)生不同的樹。 (3)混合(hybrid)路由算法 混合算法試圖綜合距離向量算法和鏈路狀態(tài)算法的優(yōu)點(diǎn): 使用度把優(yōu)先權(quán)分配給一個(gè)路徑(吸取距離向量算法的優(yōu)點(diǎn)); 通過事件驅(qū)動(dòng)更新路由而不是定期更新路由(吸取鏈路狀態(tài)算法的優(yōu)點(diǎn)) 第20頁,

17、共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四2.4.2 路由器的組成 路由器是一種設(shè)備,其基本結(jié)構(gòu)都包括路由器接口(網(wǎng)卡)、路由表和路由器軟件、路由交換單元和路由隊(duì)列等。1. 網(wǎng)絡(luò)接口 路由器的網(wǎng)絡(luò)接口用作將路由器連接到網(wǎng)絡(luò)。對(duì)路由器來說,接口的主要功能是輸入和輸出。 從大的方面來說,網(wǎng)絡(luò)接口可以分為局域網(wǎng)接口和廣域網(wǎng)接口兩種: 局域網(wǎng)接口主要包括:10 M/100M/1000M以太網(wǎng)接口,10/100自適應(yīng)以太網(wǎng)接口,快速以太網(wǎng)接口,令牌環(huán),令牌總線等網(wǎng)絡(luò)接口。 廣域網(wǎng)接口主要包括:通用串行口(可轉(zhuǎn)換成X.21 DTE/DCEV、35 DTE/DCE、RS232 DTE/DCE、R

18、S449 DTE/DCE、EIA530 DTE)、E1/T1、E3/T3、DS3、ATM接口(2M,25M,155M,633M等)、POS接口(155M,622M)等網(wǎng)絡(luò)接口2. 路由器表和路由器軟件路由器軟件一般實(shí)現(xiàn)路由協(xié)議功能、查表轉(zhuǎn)發(fā)功能和管理維護(hù)功能等。由于Internet規(guī)模龐大,路由表一般也非常龐大,可能會(huì)有幾十萬條。路由協(xié)議是路由器軟件的核心,主要用作建立和維護(hù)路由表。 第21頁,共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四3. 路由交換單元 路由處理器還可以與交換開關(guān)結(jié)合在一起,組成一個(gè)路由交換單元。交換開關(guān)可以使用多種不同的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。4. 路由器隊(duì)列 路由器是基于

19、IP分組交換的設(shè)備,在每個(gè)接口上進(jìn)行帶寬統(tǒng)計(jì)復(fù)用。 所以路由器必須在每個(gè)端口上維護(hù)一個(gè)或多個(gè)隊(duì)列,以處理多個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)向一個(gè)端口而端口接收能力有限的矛盾。隊(duì)列管理的能力直接影響路由器的性能以及擁塞管理能力。下面是三種常用的隊(duì)列管理算法: (1)基于時(shí)標(biāo)的IP分組調(diào)度算法基于時(shí)標(biāo)的IP分組調(diào)度算法為每個(gè)IP分組維持兩個(gè)時(shí)標(biāo):起始時(shí)標(biāo)(Start Time Stamp)和完成時(shí)標(biāo)(Finish Time Stamp)。路由器根據(jù)這兩個(gè)時(shí)標(biāo)來決定下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,常見的有WFQ、WF2Q等。(2)基于輪轉(zhuǎn)的調(diào)度算法輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法又稱時(shí)間片法,系統(tǒng)賦予每個(gè)隊(duì)列一個(gè)時(shí)間片。轉(zhuǎn)發(fā)操作在各隊(duì)列間輪轉(zhuǎn)地進(jìn)行,常見

20、的有WRR、DRR等。(3)基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度算法基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度算法是根據(jù)預(yù)先規(guī)定的優(yōu)先級(jí)對(duì)不同隊(duì)列的數(shù)據(jù)包進(jìn)行調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)。 第22頁,共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四2.4.3 路由器技術(shù)的演進(jìn) 表3.1 華為公司路由器體系結(jié)構(gòu)的演進(jìn) 第23頁,共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四 1. 第1代路由器技術(shù) 第1代路由器主要由一個(gè)CPU和多個(gè)固定的網(wǎng)絡(luò)接口組成,如圖3.18所示,CPU與網(wǎng)絡(luò)接口之間通過內(nèi)部總線相連接。網(wǎng)絡(luò)接口收到報(bào)文后,通過內(nèi)部總線傳送給CPU。CPU負(fù)責(zé)所有事務(wù)處理,包括路由收集、轉(zhuǎn)發(fā)處理、設(shè)備管理等。CPU處理后,從另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口傳送出去。 3.18 第1代路由器結(jié)構(gòu) 第24頁,共28頁,2022年,5月20日,16點(diǎn)58分,星期四2. 第2代路由器技術(shù) 第2代路由器把網(wǎng)絡(luò)接口做成可插拔的活動(dòng)

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