BPF案例分析(2)—XDP程式原理與案例講解

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BPF案例分析(2)—XDP程式

相關閱讀清單

.1、BPF 程式設計環境搭建

.2、 BPF原理深度分析與案例分析(1)

BPF深度分析與案例分析(1) 中講到BPF虛擬機器會根據不同的BPF程式型別決定在何種事件觸發BPF程式、何時觸發BPF程式,同時BPF程式型別決定了BPF程式的上下文引數,例如在BPF深度分析與案例分析(1)中分析的套接字過濾程式(BPF_PROG_TYPE_SOCKER_FILTR型別的BPF程式),該程式型別的BPF程式的上下文引數是struct __sk_buff,該結構體是核心結構體sk_buff中的一些關鍵欄位,核心在執行BPF程式時會將對這些關鍵欄位的訪問轉換成“真正”sk_buff結構體的偏移量。套接字過濾程式會附加到原始套接字上,用於對該套接字的觀測,但是不允許修改資料包內容或更改其目的地。該程式型別用於資料包的旁路嗅探,tcpdump就是基於這個原理。

本文將從上篇介紹套接字過濾程式(BPF_PROG_TYPE_SOCKER_FILTR型別的BPF程式)的方式講解XDP程式。並在文章最後編寫兩個XDP程式進行實驗和分析。

XDP簡介

XDP(eXpress Data Path)的程式型別是BPF_PROG_TYPE_XDP,該程式型別的BPF程式設計目標是在網路資料路徑中引入可程式設計性,在Linux核心分配記憶體(skb)之前就已經完成處理,在網路包達到核心之前XDP就已經觸發並執行。與套接字過濾程式(BPF_PROG_TYPE_SOCKER_FILTR型別的BPF程式)在處理路徑上的不同:套接字過濾程式在核心協議棧處理收發包流程時進行旁路監聽與觀測,而XDP程式是在資料包到達核心協議棧之前(網絡卡驅動程式收到資料包時)觸發XDP型別的BPF程式並進行資料包的處理。在行為上的不同:套接字過濾程式只能進行觀測、過濾等旁路嗅探資料包,而XDP程式可以對資料包進行修改、重定向、丟棄等。

場景:DDos防禦,四層負載均衡等場景

優勢:XDP執行時skb都還沒建立,開銷非常低,因此效率非常高,通過BPF hook對核心進行執行時程式設計,但基於核心而不是繞過(bypass)核心。

三種工作模式   :

Native X D P(XDP_FLAGS_DRV_MODE):這是一種預設的模式,XDP BPF程式執行在網路驅動的早期接收路徑(RX佇列)上,但是要保證當前的驅動程式是否支援這種模式。 Offloaded XDP(XDP_FLAGS_HW_MODE):ffloadedXDP模式中,XDP BPF程式直接在NIC中處理報文,而不會使用主機的CPU。因此,處理報文的成本非常低,效能要遠遠高於native XDP。 Generic XDP(XDP_FLAGS_SKB_MODE):對沒有實現native或offloaded模式的XDP,核心提供了一種處理XDP的通用方案,但效能遠低於前兩種模式。

XDP程式的上下文引數(傳入的引數)

上篇文章講到的套接字過濾程式(BPF_PROG_TYPE_SOCKER_FILTR型別的BPF程式)的上下文引數:

//該結構體是核心中struct sk_buff的關鍵欄位,在核心在執行BPF程式時會將對這些關鍵欄位的訪問轉換成“真正”sk_buff結構體的偏移量
struct __sk_buff {
__u32 len;
__u32 pkt_type;
__u32 mark;
__u32 queue_mapping;
__u32 protocol;
__u32 vlan_present;
__u32 vlan_tci;
__u32 vlan_proto;
__u32 priority;
__u32 ingress_ifindex;
__u32 ifindex;
__u32 tc_index;
__u32 cb[5];
__u32 hash;
__u32 tc_classid;
__u32 data;
__u32 data_end;
__u32 napi_id;

/* Accessed by BPF_PROG_TYPE_sk_skb types from here to ... */
__u32 family;
__u32 remote_ip4; /* Stored in network byte order */
__u32 local_ip4; /* Stored in network byte order */
__u32 remote_ip6[4]; /* Stored in network byte order */
__u32 local_ip6[4]; /* Stored in network byte order */
__u32 remote_port; /* Stored in network byte order */
__u32 local_port; /* stored in host byte order */
/* ... here. */

__u32 data_meta;
};

XDP程式(BPF_PROG_TYPE_SOCKER_FILTR型別的BPF程式)的上下文引數如下:

struct xdp_md {
__u32 data;//資料包的開始
__u32 data_end;//資料包的結束
__u32 data_meta;//供XDP程式與其他交換資料包元資料時使用
};

XDP程式的返回值

在程式中可以定義以上的返回值,各返回值的產生的動作如下:

// include/uapi/linux/bpf.h

enum xdp_action {
XDP_ABORTED = 0,
XDP_DROP,
XDP_PASS,
XDP_TX,
XDP_REDIRECT,
};

XDP_DROP:丟棄資料包

XDP_RTX:     轉發資料包(可能發生在修改資料包之前或之後)

XDP_REDIRECT:  重定向

XDP_PASS :等效於不做任何處理

XDP_ABORTED:eBPF程式錯誤

如何attach XDP程式

在講解套接字過濾程式時,分析了套接字過濾程式是通過SO_ATTACH_BPF setsockopt()進行attach,如下面的程式片段(可參考文章):

....
if (load_bpf_file(filename)) {
printf("%s", bpf_log_buf);
return 1;
}
//主要是完成:sock = socket(PF_PACKET, SOCK_RAW | SOCK_NONBLOCK | SOCK_CLOEXEC, htons(ETH_P_ALL));
sock = open_raw_sock("lo");
/*因為 sockex1_kern.o 中 bpf 程式的型別為 BPF_PROG_TYPE_SOCKET_FILTER,所以這裡需要用用 SO_ATTACH_BPF 來指明程式的 sk_filter 要掛載到哪一個套接字上,其中prof_fd為注入到核心的BPF程式的描述符*/
assert(setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_ATTACH_BPF, prog_fd,
sizeof(prog_fd[0])) == 0);
...

那麼XDP程式是如何attach的?

通過 netlink socket 訊息 attach:

  • 首先建立一個 netlink 型別的 socket:socket(AF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_ROUTE)

  • 然後傳送一個 NLA_F_NESTED | 43 型別的 netlink 訊息,表示這是 XDP message。訊息中包含 BPF fd, the interface index (ifindex) 等資訊。

attach的具體實現:

//其中ifindex是當前系統的網絡卡索引號,prog_fd[0]是插入到核心的eBPF程式(XDP程式的描述符)
set_link_xdp_fd(ifindex, prog_fd[0], xdp_flags)

該函式的具體實現在samples/bpf/load.c中

大致就是上面說的建立一個 netlink 型別的 socket:socket(AF_NETLINK, SOCK_RAW, NETLINK_ROUTE),然後傳送一個 NLA_F_NESTED | 43 型別的 netlink 訊息。

如何向核心載入XDP程式‍

在上一篇文章中介紹了載入eBPF程式的過程,主要是利用load_bpf_file->do_load_bpf_file函式,並最終呼叫 sys_bpf(BPF_PROG_LOAD, &attr, sizeof(attr))系統呼叫進行載入,詳細可以閱讀上一篇文章。

XDP程式除了可以上述系統呼叫的方式載入外,還可以通過iproute2中提供的ip命令,該命令具有充當XDP前端的能力,可以將XDP程式載入到HOOK點。下文會採用兩種方式分別進行載入。

XDP Demo1

本demo使用ip命令進行載入到HOOK點,沒有使用到使用者態展示XDP處理詳情。

xdp_demo1.c

#include <linux/bpf.h>
#include <linux/ip.h>
#include <linux/tcp.h>
#include <linux/in.h>
#include <linux/if_ether.h>
#define SEC(NAME) __attribute__((section(NAME), used))

SEC("xdp")
int xdp_drop_the_world(struct xdp_md *ctx) {
//從xdp程式的上下文引數獲取資料包的起始地址和終止地址
void *data = (void *)(long)ctx->data;
void *data_end = (void *)(long)ctx->data_end;
int ipsize = 0;
__u32 idx;
//乙太網頭部
struct ethhdr *eth = data;
//ip頭部
struct iphdr *ip;
struct tcphdr *tcp;
//乙太網頭部偏移量
ipsize = sizeof(*eth);
ip = data + ipsize;
ipsize += sizeof(struct iphdr);
//異常資料包,丟棄
if(data + ipsize > data_end){
return XDP_DROP;
}
//從ip頭部獲取上層協議
idx = ip->protocol;
//如果是icmp協議,則drop掉
if(idx == IPPROTO_ICMP){
return XDP_DROP;
}
return XDP_PASS;

}

char _license[] SEC("license") = "GPL";

上述程式的功能:遮蔽掉系統的icmp協議資料包,這將導致主機的ping功能失效

編譯與載入

使用clang編譯器進行編譯

[email protected]:~$ sudo clang -O2 -target bpf -c xdp_demo1.c -o xdp_demo1.o

使用readelf -S xdp_demo1.o可以看到程式中定義的section,如xdp,license,關於BPF的section也可檢視上一篇文章。

[email protected]:~$ readelf -S xdp_demo1.o
There are 6 section headers, starting at offset 0x140:

Section Headers:
[Nr] Name Type Address Offset
Size EntSize Flags Link Info Align
[ 0] NULL 0000000000000000 00000000
0000000000000000 0000000000000000 0 0 0
[ 1] .strtab STRTAB 0000000000000000 00000100
000000000000003e 0000000000000000 0 0 1
[ 2] .text PROGBITS 0000000000000000 00000040
0000000000000000 0000000000000000 AX 0 0 4
[ 3] xdp PROGBITS 0000000000000000 00000040
0000000000000058 0000000000000000 AX 0 0 8
[ 4] license PROGBITS 0000000000000000 00000098
0000000000000004 0000000000000000 WA 0 0 1
[ 5] .symtab SYMTAB 0000000000000000 000000a0
0000000000000060 0000000000000018 1 2 8
Key to Flags:
W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings), I (info),
L (link order), O (extra OS processing required), G (group), T (TLS),
C (compressed), x (unknown), o (OS specific), E (exclude),
p (processor specific)

使用readelf -h xdp_demo1.o可以看到,Machine欄位:Linux BPF

[email protected]:~$ readelf -h xdp_demo1.o
ELF Header:
Magic: 7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
Class: ELF64
Data: 2's complement, little endian
Version: 1 (current)
OS/ABI: UNIX - System V
ABI Version: 0
Type: REL (Relocatable file)
Machine: Linux BPF
Version: 0x1
Entry point address: 0x0
Start of program headers: 0 (bytes into file)
Start of section headers: 320 (bytes into file)
Flags: 0x0
Size of this header: 64 (bytes)
Size of program headers: 0 (bytes)
Number of program headers: 0
Size of section headers: 64 (bytes)
Number of section headers: 6
Section header string table index: 1

下面將使用ip命令將編譯好的xdp程式進行載入

#ip link set dev [device name] xdp obj [編譯後的xdp程式名] sec [section name] verbose
[email protected]:~$ sudo ip link set dev ens33 xdp obj xdp_demo1.o sec xdp verbose

Prog section 'xdp' loaded (5)!
- Type: 6
- Instructions: 11 (0 over limit)
- License: GPL

Verifier analysis:

0: (b7) r0 = 1
1: (61) r2 = *(u32 *)(r1 +4)
2: (61) r1 = *(u32 *)(r1 +0)
3: (bf) r3 = r1
4: (07) r3 += 34
5: (2d) if r3 > r2 goto pc+4
R0=inv1 R1=pkt(id=0,off=0,r=34,imm=0) R2=pkt_end(id=0,off=0,imm=0) R3=pkt(id=0,off=34,r=34,imm=0) R10=fp0
6: (71) r1 = *(u8 *)(r1 +23)
7: (b7) r0 = 1
8: (15) if r1 == 0x1 goto pc+1
R0=inv1 R1=inv(id=0,umax_value=255,var_off=(0x0; 0xff)) R2=pkt_end(id=0,off=0,imm=0) R3=pkt(id=0,off=34,r=34,imm=0) R10=fp0
9: (b7) r0 = 2
10: (95) exit

from 8 to 10: R0=inv1 R1=inv1 R2=pkt_end(id=0,off=0,imm=0) R3=pkt(id=0,off=34,r=34,imm=0) R10=fp0
10: (95) exit

from 5 to 10: safe
processed 13 insns, stack depth 0

驗證

1、首先使用 ip address命令檢視所掛載的網絡卡:

[email protected]:~$ ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
inet 127.0.0.1/8 scope host lo
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 ::1/128 scope host
valid_lft forever preferred_lft forever
2: ens33: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 xdpgeneric/id:27 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
link/ether 00:0c:29:b5:b1:93 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 192.168.18.187/24 brd 192.168.18.255 scope global dynamic noprefixroute ens33
valid_lft 1630sec preferred_lft 1630sec
inet6 fe80::8347:a6e5:3218:8048/64 scope link noprefixroute
valid_lft forever preferred_lft forever

可以看到在ens33網絡卡介面的MTU欄位後面,顯示了 xdpgeneric/id:27,它顯示了兩個有用的資訊。

  • 已使用的驅動程式為xdpgeneric

  • XDP程式的ID為32

2、檢視XDP程式的效果

ping 8.8.8.8 共10次,結果如下,丟包為100%

[email protected]:~$ ping 8.8.8.8 -c20
PING 8.8.8.8 (8.8.8.8) 56(84) bytes of data.

--- 8.8.8.8 ping statistics ---
20 packets transmitted, 0 received, 100% packet loss, time 19448ms

解除安裝xdp程式與驗證

#解除安裝命令  ip link set dev [dev name] xdp off
[email protected]:~$ sudo ip link set dev ens33 xdp off
#驗證如下,丟包率為0
[email protected]:~$ ping 8.8.8.8 -c2
PING 8.8.8.8 (8.8.8.8) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=1 ttl=128 time=39.6 ms
64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=2 ttl=128 time=42.5 ms

--- 8.8.8.8 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 1001ms
rtt min/avg/max/mdev = 39.625/41.085/42.545/1.460 ms

XDP Demo2

本demo使用bpf的系統呼叫進行載入到HOOK點,並使用MAP對映,使用者態讀取Map並展示XDP處理詳情。本程式在BPF 程式設計環境下進行編譯與執行(參考:BPF程式設計 環境搭建)。

xdp_demo2_kern.o

#include <linux/bpf.h>
#include <linux/ip.h>
#include <linux/tcp.h>
#include <linux/in.h>
#include <linux/if_ether.h>
#include "bpf_helpers.h"
#include "bpf_endian.h"
#define SEC(NAME) __attribute__((section(NAME), used))

//定義一個 map,用於統計協議收包統計
struct bpf_map_def SEC("maps") rxcnt = {
.type = BPF_MAP_TYPE_PERCPU_ARRAY,
.key_size = sizeof(u32),
.value_size = sizeof(long),
.max_entries = 256,
};

SEC("xdp")
int xdp_drop_the_world(struct xdp_md *ctx) {
void *data = (void *)(long)ctx->data;
void *data_end = (void *)(long)ctx->data_end;
int ipsize = 0;
__u32 idx;
u16 port;
long *value;
struct ethhdr *eth = data;
struct iphdr *ip;
struct tcphdr *tcp;
ipsize = sizeof(*eth);
ip = data + ipsize;
ipsize += sizeof(struct iphdr);
if(data + ipsize > data_end){
return XDP_DROP;
}
idx = ip->protocol;
//判斷協議欄位,若為icmp則drop,若為TCP則遮蔽掉22埠
switch(idx){
case IPPROTO_ICMP:
value = bpf_map_lookup_elem(&rxcnt,&idx);
if(value)
(*value) += 1; //icmp協議丟包記錄++
return XDP_DROP;
case IPPROTO_TCP:
tcp = data + ipsize;
if(tcp + 1 > data_end)
return XDP_DROP;
port = bpf_ntohs(tcp->dest);
if(port == 22){
value = bpf_map_lookup_elem(&rxcnt,&idx);
if(value)
(*value) += 1; //tcp協議22埠丟包記錄++
return XDP_DROP;
}

}
return XDP_PASS;
}
char _license[] SEC("license") = "GPL";

上述程式的功能:遮蔽掉系統的icmp協議資料包與TCP協議的22埠,這將導致一些遠端連線服務、ping工具失效

由於我們要採用bpf系統呼叫的方式載入xdp程式,並且想要讀取MAP中的資訊,所以編寫使用者態進行對編譯好的xdp進行載入與展示xdp處理資料的詳情。 xdp_de mo2_user.c

#include <linux/bpf.h>
#include <linux/if_link.h>
#include <assert.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <libgen.h>
#include <sys/resource.h>

#include "bpf_load.h"
#include "bpf_util.h"
#include "libbpf.h"
#define IPPROTO_ICMP 1
#define IPPROTO_TCP 6


static int ifindex;
static __u32 xdp_flags;

//便於使用者態使用ctrl+c終止xdp程式,並將xdp程式從HOOK點解除安裝
static void int_exit(int sig)
{
//從HOOK點解除安裝xdp程式
set_link_xdp_fd(ifindex, -1, xdp_flags);
exit(0);
}

//讀取xdp針對策略的丟包個數
static void poll_stats(int interval)
{
//獲取cpu邏輯核心數
unsigned int nr_cpus = bpf_num_possible_cpus();
const unsigned int nr_keys = 256;
__u64 values[nr_cpus];
__u32 key;
int i;


while (1) {
sleep(interval);
//迴圈每個對映的索引
for (key = 0; key < nr_keys; key++) {
__u64 sum = 0;
//查詢索引對應的值:value
assert(bpf_map_lookup_elem(map_fd[0], &key, values) == 0);
for (i = 0; i < nr_cpus; i++)
//計算每個邏輯cpu上處理的協議統計
sum += values[i];
if (sum){
if(key==6)
printf("TCP: %10llu pkt\n", sum);
else if( key == 1)
printf("ICMP :%10llu pkt\n", sum);

}

}
}
}
//用法提示
static void usage(const char *prog)
{
fprintf(stderr,
"usage: %s [OPTS] IFINDEX\n\n"
"OPTS:\n"
" -S use skb-mode\n"
" -N enforce native mode\n",
prog);
}

int main(int argc, char **argv)
{
struct rlimit r = {RLIM_INFINITY, RLIM_INFINITY};
const char *optstr = "SN";
char filename[256];
int opt;

while ((opt = getopt(argc, argv, optstr)) != -1) {
switch (opt) {
case 'S':
xdp_flags |= XDP_FLAGS_SKB_MODE;
break;
case 'N':
xdp_flags |= XDP_FLAGS_DRV_MODE;
break;
default:
usage(basename(argv[0]));
return 1;
}
}

if (optind == argc) {
usage(basename(argv[0]));
return 1;
}

if (setrlimit(RLIMIT_MEMLOCK, &r)) {
perror("setrlimit(RLIMIT_MEMLOCK)");
return 1;
}
//獲取執行指定的網絡卡引數(網絡卡索引,也就是XDP要HOOK的網絡卡)
ifindex = strtoul(argv[optind], NULL, 0);

snprintf(filename, sizeof(filename), "%s_kern.o", argv[0]);
//呼叫load_bpf_file函式,繼而呼叫bpf系統呼叫將編輯的xdp程式進行載入
if (load_bpf_file(filename)) {
printf("%s", bpf_log_buf);
return 1;
}

if (!prog_fd[0]) {
printf("load_bpf_file: %s\n", strerror(errno));
return 1;
}

signal(SIGINT, int_exit);
signal(SIGTERM, int_exit);
//使用set)link_xdp_fd函式將XDP程式attach
if (set_link_xdp_fd(ifindex, prog_fd[0], xdp_flags) < 0) {
printf("link set xdp fd failed\n");
return 1;
}
printf("yes\n");

poll_stats(2);
return 0;
}

編譯

在BPF 程式設計環境中,我們可以很便利地使用現成的Makefile進行程式設計,在Makefile中新增如下:

....
hostprogs-y += xdp_demo2
....
xdp_demo2-objs := bpf_load.o $(LIBBPF) xdp_demo2_user.o
...
always += xdp_demo2_kern.o
...
HOSTLOADLIBES_xdp_demo2 += -lelf
...

進行make程式設計通過即可:

[email protected]:/usr/src/linux-4.15.0/samples/bpf$ sudo vim Makefile 
[sudo] password for dx:
[email protected]:/usr/src/linux-4.15.0/samples/bpf$ cd ../..
[email protected]:/usr/src/linux-4.15.0$ sudo make M=samples/bpf/

載入、執行

從xdp_demo2_user.c中就可以看出,xdp_demo2_kern.o是在執行使用者態程式實時載入的:

 snprintf(filename, sizeof(filename), "%s_kern.o", argv[0]);
//呼叫load_bpf_file函式,繼而呼叫bpf系統呼叫將編輯的xdp程式進行載入
if (load_bpf_file(filename)) {
printf("%s", bpf_log_buf);
return 1;
}

執行:(因為該程式將TCP22埠的資料DROP掉了,不建議在遠端連線伺服器的環境下進行執行)

#2為指定的網絡卡索引,在這指我主機的ens33網絡卡介面
[email protected]:/usr/src/linux-4.15.0/samples/bpf$ sudo ./xdp_demo2 2

驗證:

1、測試TCP 22埠:使用xshell等遠端連線工具來連線主機 使用tcpdump抓取tcp 22埠的資料包。

#1、先開啟xdp程式
[email protected]:/usr/src/linux-4.15.0/samples/bpf$ sudo ./xdp_demo2 2
#2、使用tcpdump抓包,其中192.168.18.187是本機ip地址
[email protected]:~$ sudo tcpdump tcp port 22 and src host 192.168.18.187
#3、使用xshell等遠端連線工具對主機進行連線

可以看到tcpdump沒有抓包任何相關的資料包

在xdp程式的執行結果中檢視:遠端連線的資料包都給DROP並統計了DROP的資料包的個數。

[email protected]:/usr/src/linux-4.15.0/samples/bpf$ sudo ./xdp02 2
yes
TCP: 1 pkt
TCP: 2 pkt
TCP: 3 pkt
TCP: 3 pkt
TCP: 4 pkt
TCP: 4 pkt
TCP: 4 pkt
TCP: 4 pkt
TCP: 4 pkt
TCP: 4 pkt
TCP: 6 pkt
TCP: 7 pkt
TCP: 7 pkt
TCP: 8 pkt

2、測試icmp協議

#執行xdp程式
[email protected]:/usr/src/linux-4.15.0/samples/bpf$ sudo ./xdp02 2
#使用ping工具,ping 8.8.8.8 5次
[email protected]:~$ ping 8.8.8.8 -c5
PING 8.8.8.8 (8.8.8.8) 56(84) bytes of data.

--- 8.8.8.8 ping statistics ---
5 packets transmitted, 0 received, 100% packet loss, time 4078ms

可以看到ping的資料包全部DROP,在xdp中統計到DROP了5個

[email protected]:/usr/src/linux-4.15.0/samples/bpf$ sudo ./xdp02 2
yes
ICMP : 1 pkt
ICMP : 2 pkt
ICMP : 4 pkt
ICMP : 5 pkt
ICMP : 5 pkt
ICMP : 5 pkt
ICMP : 5 pkt

更易上手的XDP程式設計方式

BCC是 python 封裝的 eBPF 外圍工具集,可以大大提高BPF 程式開發的效率,而且安裝以及搭建環境簡單。

BCC倉庫地址: https://github.com/iovisor/bcc ,倉庫中有相關環境搭建,專案安裝,程式設計案例。

其中在: https://github.com/iovisor/bcc/tree/master/examples/networking/xdp 有一些使用BCC實現XDP 程式 的案例。

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