什么是Socket
Socket接口是TCP/IP網(wǎng)絡的API，Socket接口定義了許多函數(shù)或例程，程序員可以用它們來開發(fā)TCP/IP網(wǎng)絡上的應用程序。要學Internet上的TCP/IP網(wǎng)絡編程，必須理解Socket接口。
Socket接口設計者最先是將接口放在Unix操作系統(tǒng)里面的。如果了解Unix系統(tǒng)的輸入和輸出的話，就很容易了解Socket了。網(wǎng)絡的
Socket數(shù)據(jù)傳輸是一種特殊的I/O，Socket也是一種文件描述符。Socket也具有一個類似于打開文件的函數(shù)調(diào)用Socket()，該函數(shù)返
回一個整型的Socket描述符，隨后的連接建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫际峭ㄟ^該Socket實現(xiàn)的。常用的Socket類型有兩種：流式Socket
（SOCK_STREAM）和數(shù)據(jù)報式Socket（SOCK_DGRAM）。流式是一種面向連接的Socket，針對于面向連接的TCP服務應用；數(shù)據(jù)
報式Socket是一種無連接的Socket，對應于無連接的UDP服務應用。
Socket建立
為了建立Socket，程序可以調(diào)用Socket函數(shù)，該函數(shù)返回一個類似于文件描述符的句柄。socket函數(shù)原型為：
int socket(int domain, int type, int protocol);
domain指明所使用的協(xié)議族，通常為PF_INET，表示互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議族（TCP/IP協(xié)議族）；type參數(shù)指定socket的類型：
SOCK_STREAM
或SOCK_DGRAM，Socket接口還定義了原始Socket（SOCK_RAW），允許程序使用低層協(xié)議；protocol通常賦值"0"。
Socket()調(diào)用返回一個整型socket描述符，你可以在后面的調(diào)用使用它。
Socket描述符是一個指向內(nèi)部數(shù)據(jù)結構的指針，它指向描述符表入口。調(diào)用Socket函數(shù)時，socket執(zhí)行體將建立一個Socket，實際上"建立一個Socket"意味著為一個Socket數(shù)據(jù)結構分配存儲空間。Socket執(zhí)行體為你管理描述符表。
兩個網(wǎng)絡程序之間的一個網(wǎng)絡連接包括五種信息：通信協(xié)議、本地協(xié)議地址、本地主機端口、遠端主機地址和遠端協(xié)議端口。Socket數(shù)據(jù)結構中包含這五種信息。
Socket配置
通過socket調(diào)用返回一個socket描述符后，在使用socket進行網(wǎng)絡傳輸以前，必須配置該socket。面向連接的socket客戶端通過
調(diào)用Connect函數(shù)在socket數(shù)據(jù)結構中保存本地和遠端信息。無連接socket的客戶端和服務端以及面向連接socket的服務端通過調(diào)用
bind函數(shù)來配置本地信息。
Bind函數(shù)將socket與本機上的一個端口相關聯(lián)，隨后你就可以在該端口監(jiān)聽服務請求。Bind函數(shù)原型為：
int bind(int sockfd,struct sockaddr *my_addr, int addrlen);
Sockfd是調(diào)用socket函數(shù)返回的socket描述符,my_addr是一個指向包含有本機IP地址及端口號等信息的sockaddr類型的指針；addrlen常被設置為sizeof(struct sockaddr)。
struct sockaddr結構類型是用來保存socket信息的：
struct sockaddr {
unsigned short sa_family; /* 地址族， AF_xxx */
char sa_data[14]; /* 14 字節(jié)的協(xié)議地址 */
};
sa_family一般為AF_INET，代表Internet（TCP/IP）地址族；sa_data則包含該socket的IP地址和端口號。
另外還有一種結構類型：
struct sockaddr_in {
short int sin_family; /* 地址族 */
unsigned short int sin_port; /* 端口號 */
struct in_addr sin_addr; /* IP地址 */
unsigned char sin_zero[8]; /* 填充0 以保持與struct sockaddr同樣大小 */
};
這個結構更方便使用。sin_zero用來將sockaddr_in結構填充到與struct
sockaddr同樣的長度，可以用bzero()或memset()函數(shù)將其置為零。指向sockaddr_in
的指針和指向sockaddr的指針可以相互轉換，這意味著如果一個函數(shù)所需參數(shù)類型是sockaddr時，你可以在函數(shù)調(diào)用的時候將一個指向
sockaddr_in的指針轉換為指向sockaddr的指針；或者相反。
使用bind函數(shù)時，可以用下面的賦值實現(xiàn)自動獲得本機IP地址和隨機獲取一個沒有被占用的端口號：
my_addr.sin_port = 0; /* 系統(tǒng)隨機選擇一個未被使用的端口號 */
my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; /* 填入本機IP地址 */
通過將my_addr.sin_port置為0，函數(shù)會自動為你選擇一個未占用的端口來使用。同樣，通過將my_addr.sin_addr.s_addr置為INADDR_ANY，系統(tǒng)會自動填入本機IP地址。
注意在使用bind函數(shù)是需要將sin_port和sin_addr轉換成為網(wǎng)絡字節(jié)優(yōu)先順序；而sin_addr則不需要轉換。
計算機數(shù)據(jù)存儲有兩種字節(jié)優(yōu)先順序：高位字節(jié)優(yōu)先和低位字節(jié)優(yōu)先。Internet上數(shù)據(jù)以高位字節(jié)優(yōu)先順序在網(wǎng)絡上傳輸，所以對于在內(nèi)部是以低位字節(jié)優(yōu)先方式存儲數(shù)據(jù)的機器，在Internet上傳輸數(shù)據(jù)時就需要進行轉換，否則就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致。
下面是幾個字節(jié)順序轉換函數(shù)：
·htonl()：把32位值從主機字節(jié)序轉換成網(wǎng)絡字節(jié)序
·htons()：把16位值從主機字節(jié)序轉換成網(wǎng)絡字節(jié)序
·ntohl()：把32位值從網(wǎng)絡字節(jié)序轉換成主機字節(jié)序
·ntohs()：把16位值從網(wǎng)絡字節(jié)序轉換成主機字節(jié)序
Bind()函數(shù)在成功被調(diào)用時返回0；出現(xiàn)錯誤時返回"-1"并將errno置為相應的錯誤號。需要注意的是，在調(diào)用bind函數(shù)時一般不要將端口號置為小于1024的值，因為1到1024是保留端口號，你可以選擇大于1024中的任何一個沒有被占用的端口號。
連接建立
面向連接的客戶程序使用Connect函數(shù)來配置socket并與遠端服務器建立一個TCP連接，其函數(shù)原型為：
int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr,int addrlen);
Sockfd
是socket函數(shù)返回的socket描述符；serv_addr是包含遠端主機IP地址和端口號的指針；addrlen是遠端地質結構的長度。
Connect函數(shù)在出現(xiàn)錯誤時返回-1，并且設置errno為相應的錯誤碼。進行客戶端程序設計無須調(diào)用bind()，因為這種情況下只需知道目的機器
的IP地址，而客戶通過哪個端口與服務器建立連接并不需要關心，socket執(zhí)行體為你的程序自動選擇一個未被占用的端口，并通知你的程序數(shù)據(jù)什么時候到
打斷口。
Connect函數(shù)啟動和遠端主機的直接連接。只有面向連接的客戶程序使用socket時才需要將此socket與遠端主機相連。無連接協(xié)議從不建立直接連接。面向連接的服務器也從不啟動一個連接，它只是被動的在協(xié)議端口監(jiān)聽客戶的請求。
Listen函數(shù)使socket處于被動的監(jiān)聽模式，并為該socket建立一個輸入數(shù)據(jù)隊列，將到達的服務請求保存在此隊列中，直到程序處理它們。
int listen(int sockfd， int backlog);
Sockfd
是Socket系統(tǒng)調(diào)用返回的socket
描述符；backlog指定在請求隊列中允許的最大請求數(shù)，進入的連接請求將在隊列中等待accept()它們（參考下文）。Backlog對隊列中等待
服務的請求的數(shù)目進行了限制，大多數(shù)系統(tǒng)缺省值為20。如果一個服務請求到來時，輸入隊列已滿，該socket將拒絕連接請求，客戶將收到一個出錯信息。
當出現(xiàn)錯誤時listen函數(shù)返回-1，并置相應的errno錯誤碼。
accept()函數(shù)讓服務器接收客戶的連接請求。在建立好輸入隊列后，服務器就調(diào)用accept函數(shù)，然后睡眠并等待客戶的連接請求。
int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen);
sockfd是被監(jiān)聽的socket描述符，addr通常是一個指向sockaddr_in變量的指針，該變量用來存放提出連接請求服務的主機的信息
（某臺主機從某個端口發(fā)出該請求）；addrten通常為一個指向值為sizeof(struct
sockaddr_in)的整型指針變量。出現(xiàn)錯誤時accept函數(shù)返回-1并置相應的errno值。
首先，當accept函數(shù)監(jiān)視的
socket收到連接請求時，socket執(zhí)行體將建立一個新的socket，執(zhí)行體將這個新socket和請求連接進程的地址聯(lián)系起來，收到服務請求的
初始socket仍可以繼續(xù)在以前的 socket上監(jiān)聽，同時可以在新的socket描述符上進行數(shù)據(jù)傳輸操作。
數(shù)據(jù)傳輸
Send()和recv()這兩個函數(shù)用于面向連接的socket上進行數(shù)據(jù)傳輸。
Send()函數(shù)原型為：
int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags);
Sockfd是你想用來傳輸數(shù)據(jù)的socket描述符；msg是一個指向要發(fā)送數(shù)據(jù)的指針；Len是以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)的長度；flags一般情況下置為0（關于該參數(shù)的用法可參照man手冊）。
Send()函數(shù)返回實際上發(fā)送出的字節(jié)數(shù)，可能會少于你希望發(fā)送的數(shù)據(jù)。在程序中應該將send()的返回值與欲發(fā)送的字節(jié)數(shù)進行比較。當send()返回值與len不匹配時，應該對這種情況進行處理。
char *msg = "Hello!";
int len, bytes_sent;
……
len = strlen(msg);
bytes_sent = send(sockfd, msg,len,0);
……
recv()函數(shù)原型為：
int recv(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags);
Sockfd是接受數(shù)據(jù)的socket描述符；buf 是存放接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；len是緩沖的長度。Flags也被置為0。Recv()返回實際上接收的字節(jié)數(shù)，當出現(xiàn)錯誤時，返回-1并置相應的errno值。
Sendto()和recvfrom()用于在無連接的數(shù)據(jù)報socket方式下進行數(shù)據(jù)傳輸。由于本地socket并沒有與遠端機器建立連接，所以在發(fā)送數(shù)據(jù)時應指明目的地址。
sendto()函數(shù)原型為：
int sendto(int sockfd, const void *msg,int len,unsigned int flags,const struct sockaddr *to, int tolen);
該函數(shù)比send()函數(shù)多了兩個參數(shù)，to表示目地機的IP地址和端口號信息，而tolen常常被賦值為sizeof (struct sockaddr)。Sendto 函數(shù)也返回實際發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)長度或在出現(xiàn)發(fā)送錯誤時返回-1。
Recvfrom()函數(shù)原型為：
int recvfrom(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags,struct sockaddr *from,int *fromlen);
from是一個struct sockaddr類型的變量，該變量保存源機的IP地址及端口號。fromlen常置為sizeof (struct
sockaddr)。當recvfrom()返回時，fromlen包含實際存入from中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。Recvfrom()函數(shù)返回接收到的字節(jié)數(shù)或
當出現(xiàn)錯誤時返回-1，并置相應的errno。
如果你對數(shù)據(jù)報socket調(diào)用了connect()函數(shù)時，你也可以利用send()和recv()進行數(shù)據(jù)傳輸，但該socket仍然是數(shù)據(jù)報socket，并且利用傳輸層的UDP服務。但在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)報時，內(nèi)核會自動為之加上目地和源地址信息。
結束傳輸
當所有的數(shù)據(jù)操作結束以后，你可以調(diào)用close()函數(shù)來釋放該socket，從而停止在該socket上的任何數(shù)據(jù)操作：
close(sockfd);
你也可以調(diào)用shutdown()函數(shù)來關閉該socket。該函數(shù)允許你只停止在某個方向上的數(shù)據(jù)傳輸，而一個方向上的數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)進行。如你可以關閉某socket的寫操作而允許繼續(xù)在該socket上接受數(shù)據(jù)，直至讀入所有數(shù)據(jù)。
int shutdown(int sockfd,int how);
Sockfd是需要關閉的socket的描述符。參數(shù) how允許為shutdown操作選擇以下幾種方式：
·0-------不允許繼續(xù)接收數(shù)據(jù)
·1-------不允許繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)
·2-------不允許繼續(xù)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，
·均為允許則調(diào)用close ()
shutdown在操作成功時返回0，在出現(xiàn)錯誤時返回-1并置相應errno。
面向連接的Socket實例
代碼實例中的服務器通過socket連接向客戶端發(fā)送字符串"Hello, you are connected!"。只要在服務器上運行該服務器軟件，在客戶端運行客戶軟件，客戶端就會收到該字符串。
該服務器軟件代碼如下：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/wait.h>
#define SERVPORT 3333 /*服務器監(jiān)聽端口號 */
#define BACKLOG 10 /* 最大同時連接請求數(shù) */
main()
{
int sockfd,client_fd; /*sock_fd：監(jiān)聽socket；client_fd：數(shù)據(jù)傳輸socket */
struct sockaddr_in my_addr; /* 本機地址信息 */
struct sockaddr_in remote_addr; /* 客戶端地址信息 */
if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
perror("socket創(chuàng)建出錯！"); exit(1);
}
my_addr.sin_family=AF_INET;
my_addr.sin_port=htons(SERVPORT);
my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bzero(&(my_addr.sin_zero),8);
if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)) \
== -1) {
perror("bind出錯！");
exit(1);
}
if (listen(sockfd, BACKLOG) == -1) {
perror("listen出錯！");
exit(1);
}
while(1) {
sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);
if ((client_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&remote_addr, \
&sin_size)) == -1) {
perror("accept出錯");
continue;
}
printf("received a connection from %s\n", inet_ntoa(remote_addr.sin_addr));
if (!fork()) { /* 子進程代碼段 */
if (send(client_fd, "Hello, you are connected!\n", 26, 0) == -1)
perror("send出錯！");
close(client_fd);
exit(0);
}
close(client_fd);
}
}
}
服務器的工作流程是這樣的：首先調(diào)用socket函數(shù)創(chuàng)建一個Socket，然后調(diào)用bind函數(shù)將其與本機地址以及一個本地端口號綁定，然后調(diào)用
listen在相應的socket上監(jiān)聽，當accpet接收到一個連接服務請求時，將生成一個新的socket。服務器顯示該客戶機的IP地址，并通過
新的socket向客戶端發(fā)送字符串"Hello，you are connected!"。最后關閉該socket。
代碼實例中的fork()函數(shù)生成一個子進程來處理數(shù)據(jù)傳輸部分，fork()語句對于子進程返回的值為0。所以包含fork函數(shù)的if語句是子進程代碼部分，它與if語句后面的父進程代碼部分是并發(fā)執(zhí)行的。
客戶端程序代碼如下：
#include<stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#define SERVPORT 3333
#define MAXDATASIZE 100 /*每次最大數(shù)據(jù)傳輸量 */
main(int argc, char *argv[]){
int sockfd, recvbytes;
char buf[MAXDATASIZE];
struct hostent *host;
struct sockaddr_in serv_addr;
if (argc < 2) {
fprintf(stderr,"Please enter the server's hostname!\n");
exit(1);
}
if((host=gethostbyname(argv[1]))==NULL) {
herror("gethostbyname出錯！");
exit(1);
}
if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){
perror("socket創(chuàng)建出錯！");
exit(1);
}
serv_addr.sin_family=AF_INET;
serv_addr.sin_port=htons(SERVPORT);
serv_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr);
bzero(&(serv_addr.sin_zero),8);
if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, \
sizeof(struct sockaddr)) == -1) {
perror("connect出錯！");
exit(1);
}
if ((recvbytes=recv(sockfd, buf, MAXDATASIZE, 0)) ==-1) {
perror("recv出錯！");
exit(1);
}
buf[recvbytes] = '\0';
printf("Received: %s",buf);
close(sockfd);
}
客戶端程序首先通過服務器域名獲得服務器的IP地址，然后創(chuàng)建一個socket，調(diào)用connect函數(shù)與服務器建立連接，連接成功之后接收從服務器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，最后關閉socket。
函數(shù)gethostbyname()是完成域名轉換的。由于IP地址難以記憶和讀寫，所以為了方便，人們常常用域名來表示主機，這就需要進行域名和IP地址的轉換。函數(shù)原型為：
struct hostent *gethostbyname(const char *name);
函數(shù)返回為hosten的結構類型，它的定義如下：
struct hostent {
char *h_name; /* 主機的官方域名 */
char **h_aliases; /* 一個以NULL結尾的主機別名數(shù)組 */
int h_addrtype; /* 返回的地址類型，在Internet環(huán)境下為AF-INET */
int h_length; /* 地址的字節(jié)長度 */
char **h_addr_list; /* 一個以0結尾的數(shù)組，包含該主機的所有地址*/
};
#define h_addr h_addr_list[0] /*在h-addr-list中的第一個地址*/
當 gethostname()調(diào)用成功時，返回指向struct hosten的指針，當調(diào)用失敗時返回-1。當調(diào)用gethostbyname時，你不能使用perror()函數(shù)來輸出錯誤信息，而應該使用herror()函數(shù)來輸出。
無連接的客戶/服務器程序的在原理上和連接的客戶/服務器是一樣的，兩者的區(qū)別在于無連接的客戶/服務器中的客戶一般不需要建立連接，而且在發(fā)送接收數(shù)據(jù)時，需要指定遠端機的地址。
阻塞和非阻塞
阻塞函數(shù)在完成其指定的任務以前不允許程序調(diào)用另一個函數(shù)。例如，程序執(zhí)行一個讀數(shù)據(jù)的函數(shù)調(diào)用時，在此函數(shù)完成讀操作以前將不會執(zhí)行下一程序語句。當
服務器運行到accept語句時，而沒有客戶連接服務請求到來，服務器就會停止在accept語句上等待連接服務請求的到來。這種情況稱為阻塞
（blocking）。而非阻塞操作則可以立即完成。比如，如果你希望服務器僅僅注意檢查是否有客戶在等待連接，有就接受連接，否則就繼續(xù)做其他事情，則
可以通過將Socket設置為非阻塞方式來實現(xiàn)。非阻塞socket在沒有客戶在等待時就使accept調(diào)用立即返回。
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
……
sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
fcntl(sockfd,F_SETFL,O_NONBLOCK)；
……
通過設置socket為非阻塞方式，可以實現(xiàn)"輪詢"若干Socket。當企圖從一個沒有數(shù)據(jù)等待處理的非阻塞Socket讀入數(shù)據(jù)時，函數(shù)將立即返
回，返回值為-1，并置errno值為EWOULDBLOCK。但是這種"輪詢"會使CPU處于忙等待方式，從而降低性能，浪費系統(tǒng)資源。而調(diào)用
select()會有效地解決這個問題，它允許你把進程本身掛起來，而同時使系統(tǒng)內(nèi)核監(jiān)聽所要求的一組文件描述符的任何活動，只要確認在任何被監(jiān)控的文件
描述符上出現(xiàn)活動，select()調(diào)用將返回指示該文件描述符已準備好的信息，從而實現(xiàn)了為進程選出隨機的變化，而不必由進程本身對輸入進行測試而浪費
CPU開銷。Select函數(shù)原型為:
int select(int numfds,fd_set *readfds,fd_set *writefds，
fd_set *exceptfds,struct timeval *timeout);
其中readfds、writefds、exceptfds分別是被select()監(jiān)視的讀、寫和異常處理的文件描述符集合。如果你希望確定是否可以
從標準輸入和某個socket描述符讀取數(shù)據(jù)，你只需要將標準輸入的文件描述符0和相應的sockdtfd加入到readfds集合中；numfds的值
是需要檢查的號碼最高的文件描述符加1，這個例子中numfds的值應為sockfd+1；當select返回時，readfds將被修改，指示某個文件
描述符已經(jīng)準備被讀取，你可以通過FD_ISSSET()來測試。為了實現(xiàn)fd_set中對應的文件描述符的設置、復位和測試，它提供了一組宏：
FD_ZERO(fd_set *set)----清除一個文件描述符集；
FD_SET(int fd,fd_set *set)----將一個文件描述符加入文件描述符集中；
FD_CLR(int fd,fd_set *set)----將一個文件描述符從文件描述符集中清除；
FD_ISSET(int fd,fd_set *set)----試判斷是否文件描述符被置位。
Timeout參數(shù)是一個指向struct timeval類型的指針，它可以使select()在等待timeout長時間后沒有文件描述符準備好即返回。struct timeval數(shù)據(jù)結構為：
struct timeval {
int tv_sec; /* seconds */
int tv_usec; /* microseconds */
};
POP3客戶端實例
下面的代碼實例基于POP3的客戶協(xié)議，與郵件服務器連接并取回指定用戶帳號的郵件。與郵件服務器交互的命令存儲在字符串數(shù)組POPMessage中，程序通過一個do-while循環(huán)依次發(fā)送這些命令。
#include<stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#define POP3SERVPORT 110
#define MAXDATASIZE 4096
main(int argc, char *argv[]){
int sockfd;
struct hostent *host;
struct sockaddr_in serv_addr;
char *POPMessage[]={
"USER userid\r\n",
"PASS password\r\n",
"STAT\r\n",
"LIST\r\n",
"RETR 1\r\n",
"DELE 1\r\n",
"QUIT\r\n",
NULL
};
int iLength;
int iMsg=0;
int iEnd=0;
char buf[MAXDATASIZE];
if((host=gethostbyname("your.server"))==NULL) {
perror("gethostbyname error");
exit(1);
}
if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){
perror("socket error");
exit(1);
}
serv_addr.sin_family=AF_INET;
serv_addr.sin_port=htons(POP3SERVPORT);
serv_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr);
bzero(&(serv_addr.sin_zero),8);
if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr,sizeof(struct sockaddr))==-1){
perror("connect error");
exit(1);
}
do {
send(sockfd,POPMessage[iMsg],strlen(POPMessage[iMsg]),0);
printf("have sent: %s",POPMessage[iMsg]);
iLength=recv(sockfd,buf+iEnd,sizeof(buf)-iEnd,0);
iEnd+=iLength;
buf[iEnd]='\0';
printf("received: %s,%d\n",buf,iMsg);
iMsg++;
} while (POPMessage[iMsg]);
close(sockfd);
}
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