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  • 用户态协议栈

    2021-01-05 17:53:36
    用户态协议栈 dpdk/netmap c10M的问题,千万并发 客户端发送数据到服务器,服务器接收数据的步骤: 1. 从网卡copy到内核协议栈 2. 从内核协议栈copy到应用程序 提升系统的性能,降低瓶颈,我们可以设计用户态协议栈...

    章节

    为什么要实现用户态协议栈?

    • 深入理解网络协议栈
    • 走进Linux内核开发的第一步
    • 加入开源组织,提升技术实力
    1. 用户态协议栈
    2. dpdk/netmap
    3. c10M的问题,千万并发

    客户端发送数据到服务器,服务器接收数据的步骤:
    1. 从网卡copy到内核协议栈
    2. 从内核协议栈copy到应用程序

    提升系统的性能,降低瓶颈,我们可以设计用户态协议栈,实现零拷贝(直接从网卡copy到应用程序,减少了一次拷贝操作)

    为了使网卡的数据,直接到达我们应用程序的方案:

    1. mmap
    2. pf_ring, libcap, raw_socket.

    既然原生的socket可以实现抓取到链路层的数据,是因为网卡抓取到链路层的数据不代表是抓取到网卡中的数据,使用原生的soket也会经过两次拷贝,从网卡copy到内核协议栈,从内核协议栈copy到应用程序(只是此时不会经过tcp协议栈)

    mmap把外设中的数据直接映射到内存中,有了mmap的映射,就有了实现直接抓取网卡数据,netmap就是这样实现的。

    netmap与dpdk对比

    netmap只是纯软件方式的开源框架,dpdk的使用场景,稳定性比netmap广

    C10K->C10M

    c10K的解决方案:
    (1) 在没有epoll出现时:

    • select/poll
    • 多线程/多进程
      select/poll存在的问题:
      • 数量(1. 所有io集合的数量; 2. 设置有少量的io会被触发,成为就绪状态):一个select监控1024个fd
      • 拷贝():
        多线程/多进程存在的问题:
      • 内存:
        (2) epoll的出现解决了的问题:
        • 数量:所有io集合的数量,把所有需要的网络io放在一起,少量io会被触发程序就绪状态
        • 拷贝: 一次一次添加到整个集合

    数据结构:
    把所有需要的网络io放在一起
    少量io会就绪

    C10M的解决方案:
    需要从以下几个方面来考虑

    1. 内存
    2. CPU
    3. 磁盘
    4. 网卡
    5. 应用程序
    6. 操作系统

    网卡, NIC(network interface card),netmap

    nic是对网卡的一层软件级封装;
    etho是nic针对物理网卡的实例化对象;

    netmap由两部分组成:

    1. 内核模块—>对nic子系统进行了扩展
    2. 应用程序接口

    用户态协议栈之TCPIP设计

    首先抛出疑问:

    1. 滑动窗口如何实现?
    • 滑动窗口协议的基本原理就是在任意时刻,发送方都维持了一个连续的允许发送的帧的序号,称为发送窗口;同时,接收方也维持了一个连续的允许接收的帧的序号,称为接收窗口。发送窗口和接收窗口的序号的上下界不一定要一样,甚至大小也可以不同。不同的滑动窗口协议窗口大小一般不同。发送方窗口内的序列号代表了那些已经被发送,但是还没有被确认的帧,或者是那些可以被发送的帧。
    • 简单的说就是发送端发送缓冲区中允许发送,但尚未发送的数据所组成的窗口;接收端中接收缓冲区允许接受数据组成的窗口;
    1. sk_buff是什么?
    • sk_buff(socket buffer)结构是linux网络代码中重要的数据结构,它管理和控制接收或发送数据包的信息
    • 参照https://www.cnblogs.com/tzh36/p/5424564.html
    1. TCP_NODELAY设置,抓包后是N个包?
    • 启动TCP_NODELAY,就意味着禁用了Nagle算法,允许小包的发送。
    • 对于关闭TCP_NODELAY,则是应用了Nagle算法。数据只有在写缓存中累积到一定量之后,才会被发送出去,这样明显提高了网络利用率(实际传输数据payload与协议头的比例大大提高)。但是这又不可避免地增加了延时;与TCP delayed ack(延迟确认)这个特性结合,这个问题会更加显著,延时基本在40ms左右。当然这个问题只有在连续进行两次写操作的时候,才会暴露出来。
      连续进行多次对小数据包的写操作,然后进行读操作
    • Nagle算法的基本定义是任意时刻,最多只能有一个未被确认的小段。 所谓“小段”,指的是小于MSS(max segment size)尺寸的数据块,所谓“未被确认”,是指一个数据块发送出去后,没有收到对方发送的ACK确认该数据已收到。
      参照:https://blog.csdn.net/lclwjl/article/details/80154565
    1. Epoll 检测网络IO,水平触发与边沿触发如何判断?
    • 边缘触发:当被监控的文件描述符上有可读写事件发生时,epoll_wait()会通知处理程序去读写。如果这次没有把数据全部读写完(如读写缓冲区太小),那么下次调用epoll_wait()时,它不会通知你,也就是它只会通知你一次,直到该文件描述符上出现第二次可读写事件才会通知你
    • 水平触发:当被监控的文件描述符上有可读写事件发生时,epoll_wait()会通知处理程序去读写。如果这次没有把数据一次性全部读写完(如读写缓冲区太小),那么下次调用 epoll_wait()时,它还会通知你在上没读写完的文件描述符上继续读写,当然如果你一直不去读写,它会一直通知你
    1. 出现大量的close_wait如何解决?
    • close_wait产生的原因:接收到发送端发来的close,而迟迟未调用close向发送端发送fin包
    • 解决办法:审查代码,在接收到发送端发来的close后合理的调用close
    • 这也是发送端长时间处于fin_wait_2状态的根源
    1. DDOS?
    • 全称:Distributed Denial of Service(分布式拒绝服务攻击)
    • 可以对源IP地址进行伪造,使正常的应用无法连接服务器
    1. UDP广播?
    • udp单播: 点对点发送信息
    • udp广播: 一个点对所处局域网内的点发送消息,与单播不同点在于,地址是使用255.255.255.255,广播也需要指定端口号,本地广播信息是不会被路由器转发
    • udp多播:多播,也称为“组播”,将网络中同一业务类型主机进行了逻辑上的分组,进行数据收发的时候其数据仅仅在同一分组中进行,其他的主机没有加入此分组不能收发对应的数据

    背景

    1. 服务器做到百万级已经不是什么难点
    2. 大连数据的介入,C10M的问题
    3. 微内核概念的兴起

    MAC地址是以太网产物
    IP地址是网络层产物
    端口是传输层产物

    TCP状态迁移图

    在这里插入图片描述

    数据状态

    发送端

    1. 已发送并收到确认数据
    2. 已发送但未收到确认数据
    3. 允许发送但尚未发送的数据
    4. 暂不被允许发送的数据

    接收端

    1. 已确认消息
    2. 允许接收
    3. 不允许接收
    4. 接收未发送确认消息

    用户态协议栈之协议栈的实现

    物理层传输的是:光电信号
    数据链路层传输的是:数字信号
    网卡的作用:接收时将光电信号转换为数字信号,发送是吧数字信号转换为光电信号(a->d, d->a)

    mac地址只在局域网中有效,出了子网,mac地址就会更改

    以太网的头部: 6字节目的地址+6字节源地址+2字节类型
    在这里插入图片描述

    struct ethhdr {
    	unsigned char h_dest[ETH_ALEN];
    	unsigned char h_source[ETH_ALEN];
    	unsigned short h_proto;
    };
    

    ip的头部:
    在这里插入图片描述

    struct iphdr {
    	unsigned char version;
    	unsigned char tos;
    	unsigned short tot_len;
    	unsigned short id;
    	unsigned short flag_off;
    	unsigned char ttl;
    	unsigned char protocol;
    	unsigned short check;
    	unsigned int saddr;
    	unsigned int daddr;
    };
    

    udp的头部:

    struct udphdr {
    	unsigned short source;
    	unsigned short dest;
    	unsigned short len;
    	unsigned short check;
    };
    

    udp数据包:

    	struct udppkt {
    	struct ethhdr eh;
    	struct iphdr ip;
    	struct udphdr udp;
    	unsigned char body[0];			//柔性数组,sizeof(body)=0
    };
    

    MTU 最大传输单元

    TTL(time to live) 生存时间,默认值是64,每经过一个路由器-1

    柔性数组?及用在哪里?及怎么用?sizeof(柔性数组)= 0
    柔性数组用在哪里?

    1. 当长度不确定时
    2. 长度可以通过外界计算出来,不会出现越界现象
    3. 已经提前分配好

    netmap.ko实现了哪些功能?

    什么时候选择select/poll/epoll?

    可以使用网络调试助手调试

    用户态协议栈之tcpip滑动窗口 拥塞慢启动

    为什么TCP能够被这么多人使用?

    1. 数据可靠,保证必达
    2. 传输效率不低
    3. 顺序
    

    TCP头部:
    TCP头部
    三次握手中的syn包中的seq就是TCP头部中的Sequence Number
    ack中的ack包中的seq就是acknowledgment Number;
    重要:
    urg:
    ack:
    syn:
    fin:
    tcp头部的定义:
    tcp头部定义

    tcp如何保证必达,保证顺序?
    1. 三次握手
    (1)如何做到一对一
    (2)状态机
    在这里插入图片描述
    在三次握手第一次握手的时候windows size无意义

    自己实现三次握手需要在服务器端准备两个队列
    在这里插入图片描述
    accept里面实现的步骤如下:
    在这里插入图片描述
    结点的生命周期(从listen到time_wait一直存在):
    在这里插入图片描述

    fd 最大只有65535,那服务器怎么做到百万并发,这是因为fd是通过五元组来唯一标识(源ip地址,源端口号,目的ip地址,目的端口号,协议)

    listen(fd, backlog)中的backlog是指

    1. 在unix,mac系统中是syn队列的长度
    2. linux上是syn+accept队列长度之和

    三次握手的状态图:
    在这里插入图片描述
    TCP保证高效:
    1. 滑动窗口机制
    在这里插入图片描述
    rtt(round trip time)一次往返的时间
    如何确定滑动窗口的大小?
    通过rtt来确认,rtt增加,滑动窗口减小,rtt减小,滑动窗口增加
    rtt的计算公式: rtt = 0.9 *old_rtt + 0.1 * new_rtt
    滑动窗口开始的默认值是1

    在这里插入图片描述

    保证顺序的机制:
    延迟确认

    既然有tcp的可靠传输,为什么会用udp做可靠传输?
    udp可靠传输的场景:
    在这里插入图片描述
    tcp的四次挥手:
    在这里插入图片描述

    双方同时调用关闭?
    相当于ack丢失,收到fin后会进入CLOSING

    面试中被问到的问题:
    	1. time_wait过多,time_wait如何设置时长
    time_wait的作用是避免最后一次ack丢失,避免服务器再次发送fin包时变成僵尸包
    time_wait默认时长是2msl
    原因:
    		time_wait设置的时间过长
    	2. close_wait,通过netstat查看,对应的close_wait过多,该怎么处理?是什么原因造成的
    

    是没有调用close造成的
    3. 处于fin_wait_2,服务器一直不调用close时,改如何终止?只能通过Kill进程

    2.4用户态协议栈之Epoll的实现

    协议栈回调epoll的参数:

    1. eventpoll->epoll底层的数据结构,标识属于哪个epoll
    2. fd
    3. status,可读,可写,异常

    操作

    • list的添加
      list用来存储就绪的IO,当内核IO准备就绪的时候,就会执行回调函数epoll_event_callback,将epitem添加到list中
    • list的删除
      当 epoll_wait 激活重新运行的时候,将 list 的 epitem 主意从list删除并且copy到 events 参数中
    • rbtree的添加
      当执行epoll_ctl EPOLL_CTL_ADD操作时,将epitem添加到rbtree中
    • rbtree的删除
      当执行epoll_ctl EPOLL_CTL_DEL操作时,将epitem从rbtree中删除

    ET与LT是怎么实现的?
    LT :只要recvbuf有数据,就一直回调,或者只要sendbuf有剩余空间,就一直回调
    ET:buf中从有到无或者从无到有才会触发回调

    nodelay?
    SO_LINGER
    自旋锁

    什么时候使用spinlock,什么时候使用mutex?

    作业题:
    用tcp传输2m的数据流程是怎样的?

    学习方法:
    站在一个设计者的角度,来思考TCP

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  • 【技术篇】手写用户态协议栈,udp/ip/eth数据包的封装,零拷贝的实现,柔性数组|用户态协议栈 | udp/ip/eth数据包的封装| 零拷贝的实现 C/C++Linux服务器开发精彩内容包括:C/C++,Linux,Nginx

    今夜只有一个主题,手写网络协议栈,保证大家能学会

    1. 用户态协议栈
    2. udp/ip/eth数据包的封装
    3. 零拷贝的实现
    4. 零长数组(柔性数组)

    【技术篇】手写用户态协议栈,udp/ip/eth数据包的封装,零拷贝的实现,柔性数组|用户态协议栈 | udp/ip/eth数据包的封装| 零拷贝的实现

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  • 8种机械键盘轴体对比本人程序员,要买一个写代码的键盘,请问红轴和茶轴怎么选?mtcp特点:(1)将多个昂贵的系统调用转换成一个单...高速处理TCP短连接对于面向用户的在线服务和后台系统都是一项重要的需求,但是Li...

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    8种机械键盘轴体对比

    本人程序员,要买一个写代码的键盘,请问红轴和茶轴怎么选?

    mtcp特点:

    (1)将多个昂贵的系统调用转换成一个单共享内存引用;

    (2)允许高效的流级事件聚合;

    (3)执行批处理数据包I/O以提高I/O效率。

    现象和问题?

    TCP短连接变得越来越普遍,90%以上的TCP流都是小于32KB的,50%的小于4KB。高速处理TCP短连接对于面向用户的在线服务和后台系统都是一项重要的需求,但是Linux TCP的处理速度峰值是30万/s(在mtcp这篇文章提出来的时候是这个数据),而packet I/O可以扩展到千万/s,所以当前的Linux TCP架构的处理速度是跟不上实际需求的。

    内核TCP协议栈的低效率的原因

    lack of connection locally

    多个多线程应用共享一个监听套接字(这个监听套接字在一个众所周知的端口接收到来的连接),结果多个线程为了访问套接字的接受队列竞争同一个锁,造成性能损失,简单的说就是竞争锁会造成多线程应用程序性能瓶颈。这种缺乏局部性连接带来的另一个问题是导致了额外的开销,因为增加了CPU cache misses和cache-line sharing。

    Shared file descriptor space

    在POSIX兼容操作系统中,文件描述符空间在一个进程中是被共享的,当Linux想要分配一个新套接字时,它会搜索最小可用的文件描述符号。但在一个要处理大量并发连接的服务器中,由于多个线程竞争锁问题,共享文件描述符空间必然带来明显的开销。MegaPipe的方法是将文件描述符空间分区进行管理。

    Inefficient per-packet processing

    每收到一个包都需要内存访问和DMA开销,多次这种无意识的内存访问和重数据结构(e.g.,sk_buff)在处理小包时是主要性能瓶颈。解决这种问题的一个方法就是批量的处理多个数据包。

    System call overhead

    大量并发短连接会造成频繁的用户态和内核态之间的切换,带来性能损失。mtcp的做法是将数据直接通过网卡递送到用户层消除这种频繁的模式切换,避免性能损失。

    什么是mtcp?

    mtcp是一个用于多核系统满足高性能需求的用户态协议栈。

    mtcp的设计目标

    mTCP的目标是在多核系统上实现高可扩展性,同时保持与现有多线程事件驱动应用程序的向后兼容性。

    20171119212717.png

    图1给出了mtcp的设计概述,mtcp的设计主要分为两个模块:User-level TCP stack和User-level packet I/O library。

    User-level packet I/O library

    mtcp没有采用之前一些系统的做法,之前的做法使用polling(轮询)来处理数据包,polling会消耗大量的CPU,这是mtcp不愿看到的。mtcp扩展了PacketShader I/O engine(PSIO),使用了新的事件驱动接口ps_select(),类似于select(),简单来说就是I/O复用,但是不同于select()的是,ps_select()只操作指定感兴趣的NIC上的TX/RX队列。

    User-level TCP stack

    将Linux TCP作为一个库实现放到用户层的好处是消除了系统调用,将系统调用转换成了用户层的函数调用。

    20171121211849.png

    如图2所示,application使用mtcp库函数通过共享缓存与mtcp线程通信。共享缓存的唯一访问入口就是库函数,这样可以保证内部TCP数据的共享安全性。当库函数需要修改共享数据时,只需要简单的将请求放到job queue。来自于不同流的多个请求在一个循环内被堆积在jobqueue中,当mtcp获得CPU后,便对这些请求进行批处理。来自于mtcp线程的flow events会被放入event queue,处理方式同job queue。

    数据包处理过程

    mTCP线程从NIC的RX队列中读取一批数据包,并将它们传递给遵循标准TCP规范的TCP包处理逻辑。对于每一个数据包,mtcp首先会在流哈希表搜索相应流的tcp控制块(tcb)。如图3所示,在服务端收到一个SYN/ACK数据包的ACK后,新连接的tcb将会被放到accept queue(2),并为监听套接字生成一个read event(3)。如果有新数据包到达,mtcp会copy数据包的负载到套接字的read buffer并生成一个read event放到internal event queue。同时mtcp会生成一个ACK数据包放到TX manager的ACK列表中。

    20171123220125.png

    当批处理完收到的数据包后,mtcp会将queued中的event刷新到应用层的event queue(4)中,并通过信号唤醒应用层。当应用层被唤醒后,使用epoll批处理多个事件(5),并写入来自多个流的响应而没有上下文切换。每个套接字的write()调用写数据到send buffer(6),并将tcb放到write queue(7)。后面,mtcp会收集需要发送数据的tcb,并放到send list(8)。最后通过packet I/O系统调用将list中的数据包发送出去,并将它们传输到NIC的TX queue。

    mtcp的原理是什么?

    mtcp为每个应用线程建一个tcp线程,并将这个线程绑定到一个物理cpu核上。

    将系统调用转换为内部进程间通信来消除高昂的系统调用开销

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  • 关于用户态协议栈的思考

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                    一直以来我一直以为操作系统内核是高大上的东西,但是实际上用户态的应用才是!
    上周的一次技术交流中,一家网络加速卡厂商声称他们的协议栈是用户态的协议栈,用来提高性能,我对其产品直接就泄了气,然而会后,我查阅了相关的资料,找到一篇文章《 千万并发的秘密-内核是问题的根本》,写出了我的心声,原来我一直都是这么认为的,只是一直都不敢承认罢了,为何不敢承认,那是因为我酷爱内核。我对那家厂商泄气表达了我深深的虚伪,内在的分裂!
           文中说”我们学的是Unix而不是网络编程“,对《Unix网络编程》一书给出了正确的评价,告诉我们,我们被平台牵累了,我们一直在面对的都是操作系统的接口如何使用的技术,而不是真正的编程,真正的天马行空般超乎想象的编程。一个又一个的应用编程框架或者中间件在提出的时候,说的是”如何能让我们不必关注实现细节而精心处理我们自己的业务逻辑“,这篇文章能让人理解这句话的好意。
           历史地看网络编程,是先有了UNIX,再有了TCP/IP和BSD socket,当然要把网络编程往UNIX里面硬塞,曾几何时,一直到现在,做网络编程的不懂UNIX会被人耻笑,当然,Linux某种意义上已经代替了UNIX。UNIX的哲学包括机制和策略分离这一真理,它在映射成这个信条之前是数据和控制的分离这个箴言,这个箴言如今已经淹没在网络设备中,比如路由器,其数据面和控制面是合在一起的,当该箴言再次唤醒其信徒的时候,SDN就出现了。是对UNIX理念的误解,导致了网络设备将控制面和数据面合在在一起而并非利益使然,这种误解甚至影响了UNIX本身。要知道UNIX理念影响了几乎所有的操作系统以及网络设备的设计,其中包括Mirosoft Windows以及Cisco的IOS。我之所以说是一种误解而并非背叛,是因为UNIX的理念可能从来就没有被真正理解过。也许,这是对宏内核的误解导致的对UNIX的误解。
           UNIX的宏内核思想影响面甚大,然而它的本意并非将所有的操作都塞进内核,而是仅仅将机要操作塞进内核,保持内核的紧凑性与高效性,因为模块之间的交流是需要成本的,宏内核思想不讲解耦合(但在实现机制上,还是模块化的)。可是如何定义什么是机要操作,考虑以下的服务:
    制定一套合理的经济政策;
    制定一套合理的税收计划;
    生产棉布;
    制作一件面料考究的羊毛西服;
    提供价值¥160的发型;
    ...
    请问哪些是机要操作?对于普通民众而言,比如我,根本就没有西服,头发一年理一次,但是对于贵族而言,除了最后一条,其它的可能都是机要操作...很难定义机要操作,所以这种定义法很容易将所有的东西都塞进UNIX。《UNIX网络编程》讲述的是,你仅需要写一个很小的轻量级的服务器就可以让UNIX做一切繁复的工作。一件颇具说服力的事可以帮助《千万并发的秘密-内核是问题的根本》的作者表达一下深深的恶意,那就是Linux曾经在内核中实现了一个WEB服务器,多么巨大的一个玩笑,或者说是对宏内核多么巨大的一个讽刺...我们要记住的是,UNIX并没有让后来者把所有的东西塞进内核,只是说,内核要保留控制权。
           我们不妨换一个思路,回到UNIX最初的思路,从控制权角度来看,哪些是属于控制面的,也许你能说出一大堆,进程调度,资源管理,文件系统...网络协议栈。不过,好像我们所有人一直以来都把网络视为例外,网络IO即不是块设备IO也不是字符设备IO,按照UNIX一切皆文件的观念,我们没法给网络一个合理的位置。socket接口的是一个完整的协议栈,而不是什么设备,我们不得不面对网络参数的调整,为此我们加了多少次班,这正是网络IO和其它设备IO相比所处的尴尬位置。
           直接和网卡接口是不是更自由些,从此我们摆脱了协议栈的束缚,然而我们必须自己实现协议栈,前些日子我就想过这些,主要是为了解决手机上面操作网络无权限的问题,我当时想得是一个关于自由的问题而不是性能问题,而《秘密》一文说的正是性能问题,回顾那个厂商的介绍,他们的产品在用户态进行数据包的协议栈处理,最大限度的使用了网络协处理器等硬件加速功能,让人感叹,请问,使用操作系统内核的协议栈,如何把处理转到协处理器上?!回答使用Netfilter已经过时了!我一直都想玩玩用Netfilter将处理转到一块卡上,但是我发现我过时了,如今的回答是,直接把内核协议栈旁路掉!如今,真的有这样的技术,其中之一叫做PF_RING,实际上就是一个抓包机制,将数据包直接从链路层获取,然后你想怎么处理就怎么处理,刚刚试了一下,挺好用,和uIP结合,简直太猛了。当然,我可没有千万级并发的测试环境,我说的猛仅仅是它竟然真的可以工作!
           说说性能问题。性能和内核无关,你不要指望从32位的Linux 2.6.8换到64位的Linux 2.6.32内核在性能上会有一个突破,也不要指望拼出Linux和Windows内核对性能提升效果的优劣,关键还是在于应用程序!WHY?因为性能是一个高端私人定制服务,内核这种基础设施是不负责这种高定服务的。想出高性能,实际上一种艺术行为,涉及到方方面面的微调,绝对是高端大气上档次的行为,你指望内核能帮你做到这些吗?在微内核的世界,这是可能的,但是千万别把你的偏好转向微内核,干嘛非要内核搞定一切呢?干嘛不自己搞定啊!就算自己搞不定,把思想或者想法放出去,总会有人搞定的啊!不管是宏内核还是微内核,都不宜把高定的东西往里面塞,否则,对于宏内核而言,它就变成了屎壳郎滚的球,对于微内核而言,它就变成了蜘蛛织的网...           

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  • 上周的一次技术交流中,一家网络加速卡厂商声称他们的协议栈用户态协议栈,用来提高性能,我对其产品直接就泄了气,然而会后,我查阅了相关的资料,找到一篇文章《 千万并发的秘密-内核是问题的根本》...
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空空如也

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