CER:剖析新版Metis：Gas最低Layer2的去中心化進行時 |CatcherVC Research

文/SA，CatcherVC

本文重點：·Optimism和Arbitrum等OPRollup的根本問題在于Sequencer節點的中心化，這需要可靠的解決方案。

·Metis嘗試率先實現Sequencer的去中心化，項目方開放了對等節點網絡，將運行Sequencer節點的權力讓渡給社區成員或其他機構。

·Metis變更了存儲層結構，改變了在以太坊上發布數據的形態。通過集成Memolabs，可大幅壓縮存儲費用，成為主流Layer2中Gas費最低的一個。

·通過引入新機制，Metis集成Memolabs后的新版本仍具備可靠的安全性與數據可用性。團隊判斷了潛在情況，并制定了有效措施。

·Metis支持節點運行者以DAC的形式注冊，以獲得持續性的代幣收益；同時，提供簡易的一站式DAO搭載服務，降低DAO運營難度，并開放社區生態系統治理(CEG)，將維護Layer2網絡的權限進一步讓渡給社區成員。

傳統OPRollup的問題

隨著近一年來Web3、元宇宙、NFT等概念走進大眾視野，Crypto行業正式進入了高速增長期。在各路資本和海量用戶的追捧下，以太坊憑借先發優勢成為了整個Web3敘事的核心，其系統架構在經歷漫長演化后，已充分實現去中心化和安全性，成為名副其實的“恒星公鏈”。與此同時，效率的低下嚴重限制了這條公鏈的發展。相比于每秒處理幾千筆交易的VISA，TPS不到20的以太坊宛若舊時代的古董，與Vitalik口中“世界級去中心化應用平臺”的宏大愿景相去甚遠。

為了滿足Web3市場的龐大需求，側鏈、新公鏈、Rollup等不同方案先后走上歷史舞臺，BSC、Polygon、Solana、Arbitrum、Optimism等明星項目在瓜分流量的同時，其固存的缺陷卻愈發明晰。由于TPS受到出塊速度的約束，各大Layer2或新公鏈幾乎都壓縮了節點數量，或將“共識”與出塊過程解綁，這直接降低了出塊時間，卻嚴重削弱了去中心化和系統安全性。

以Optimism為例，它采用一個稱作Sequencer的單一礦工節點在Layer2秒級出塊，新區塊不需要立刻交給其他節點做驗證，可立即在本地敲定，節省了大量時間；同時，由于只有一個出塊節點，“記賬權”的分配是確定的，可直接取締POW過程。

通過縮減出塊流程，Layer2本地區塊從產生到敲定可降至1秒甚至更低，用戶發起交易請求后，最快只要兩三秒就可收到結果，與微信支付旗鼓相當。

但此時，Layer2的新區塊沒有被驗證節點審計，存在不合規的可能性。對此，Sequencer要定期在Layer1發布本地的區塊副本，包括交易數據和狀態根。Layer2的Verifier驗證節點會自動讀取Sequencer發布的內容，并進行審計，判斷Sequencer是否有造假嫌疑。

從本質來看，Optimism將以太坊作為一個披露數據、處理糾紛的“法院”，而關鍵點在于，Sequencer要多久在Layer1上發布一次數據。如果Sequencer很久才提交一次本地數據，無疑會拖延Verifier的審計進度，節點間達成共識就要過很久，這會嚴重削弱Layer2的可靠性。

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據悉，數字美元項目是一個非營利組織，其成立的目的是鼓勵對數字美元的潛在優勢和挑戰進行研究和公眾討論。[2023/8/4 16:17:28]

根據Optimism官方瀏覽器，Sequencer在以太坊上發布狀態信息的時間頻率，可以慢到30多分鐘一次，這意味著Sequencer出塊后，Verifier要等半小時才能做審計。相比之下，以太坊的新區塊只需13秒便可被全網節點審計完。顯然，Optimism的Sequencer和Verifier節點間信息不對稱很嚴重，共識機制的可靠性遠低于以太坊。

對此，同處OPRollup派系的Arbitrum將提交狀態信息的間隔縮短為2~5分鐘一次，這使得Verifier節點可以盡快進行狀態審計，大幅降低了信息差。

但Arbitrum有和Optimism相同的缺陷：負責出塊的Sequencer節點由官方運行，沒有將“記賬權”讓渡給外界，其理由在于，Sequencer的實權太大，關系到所有用戶的資產安全，在機制設計尚未健全的情況下，無法保障“程序正義”。為保險起見，Arbitrum和Optimism的出塊節點均由官方作信用背書，以彌補目前系統機制的不完善。

這樣做的后果很明顯：Arbitrum和Optimism實質成為了中心化運營商。雖然雙方都允許用戶自由運行Verifier驗證節點，并可對Sequencer提出質疑，但官方仍對Sequencer的任免有絕對話語權。這樣一來，即便Verifier指出當前的Sequencer有作惡行為，迫使其下臺，新的Sequencer卻仍將由官方指定。

本質來看，Layer2的出塊權力集中在Arbitrum和Optimism官方手上，其立足根基在于“信用”而非“程序正義”。同時，由官方來運行Sequencer節點會帶來另一個大問題：出塊節點數量少且物理位置集中，容易遭遇DDOS攻擊，或產生其他類型的單點故障。

以Arbitrum為例，其Sequencer節點曾兩次宕機，引起了廣泛關注。2021年9月14日，Arbitrum和Solana均因遭遇DDOS攻擊而宕機，出塊節點在極短時間內收到的交易請求過多，最終導致崩潰；2022年1月10日，Arbitrum的Sequencer節點再次宕機，官方稱該節點出現硬件故障，而備用的節點設備沒有及時完成交接，最終“單點故障”引發了整個Arbitrum網絡的停擺。

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可以想見，Arbitrum和Optimism這類中心化系統的缺陷就在于資源過度集中，僅由少量或單個節點負責出塊，會使其承擔較大的訪問流量，易誘發單點故障；同時，官方壟斷出塊權力也使得“欺詐證明”和“挑戰機制”形同雞肋，無法從根源上遏制節點作惡問題。

對于自身固存的缺陷，Arbitrum和Optimism官方曾表示將逐步改善，并在未來推行去中心化。但目前，兩者并未給出可靠的解決方案，距離去中心化的具體實現尚且遙遠。

出于對去中心化原教旨的遵從，同為OPRollup方案的Metis近期正式開始對系統架構進行改革，嘗試率先實現Layer2在架構和經濟上的去中心化。

·通過開放對等節點網絡，Metis將運行Sequencer出塊節點的權力讓渡給社區成員或其他機構，并促進Sequencer和其他對等節點快速同步信息，防止其作惡；

·Metis支持節點運行者以DAC的形式注冊，以獲得持續性的代幣收益。

·Metis正式開放了社區生態系統治理(CEG)，將維護Layer2網絡生態的權限進一步讓渡給社區成員。

通過以上方式，Metis計劃率先實現Layer2的去中心化。

除此此外，Metis變更了在以太坊上備份數據的形式。在對等節點網絡可以立即驗證Sequencer本地區塊，在Layer2網絡內防止其作惡的前提下，Metis將交易指令備份至鏈下去中心化平臺Memolabs，改為在Layer1上提供交易數據在Memolabs的存儲位置，同時，每筆交易對應的狀態根StateRoot仍發布在Layer1。

針對可能出現的“挑戰”和“欺詐證明”場景，Metis添加了其他功能，使得以上場景發生時，挑戰者可以在Layer1上還原每筆交易指令的原始數據，無阻礙的完成“欺詐證明”，使現有版本和舊版本的機制等效。

通過引入對等節點、集成Memolabs存儲層，Metis將原本由以太坊負責的存儲任務，轉變為由對等節點、以太坊、Memolabs三方同時負責，并引入新的機制確保可靠性。由于有另外兩者分擔存儲任務，Metis可酌情減少發布在以太坊的數據容量，進而降低Gas消耗，大幅降低Layer2手續費。

在下文中，作者將對Metis落實對等節點網絡、集成Memolabs存儲等重要舉措作出解讀。

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對等節點：實現出塊者——Sequencer的輪換

在傳統的OPRollup方案，如Optimism和Arbitrum中，出塊節點是唯一確定的：只有一個Sequencer在執行交易和打包區塊。這樣做直接消除了出塊節點的隨機性，每輪出塊周期開始時，系統再也不用浪費時間去選拔出塊者——相比之下，以太坊每個新區塊產生前，都要通過POW或POS過程隨機選擇出塊節點，嚴重拖延了時間。

但是，出塊節點的隨機性可大幅降低單點作惡的概率。由于記賬節點會頻繁的輪換，惡意節點掌控合法賬本的可能性被降到極低。即使惡意節點獲得了某個新區塊的記賬權，若其發布的區塊不合規，依然會被其他誠實節點否決。最后，誠實節點間會再度選舉新的出塊者，重新發布一個合規的區塊，把惡意節點直接架空。

在這種情況下，理論上只要網絡內2/3的節點為誠實者，便可有效約束惡意節點，這就是著名的PBFT機制；目前，比特幣和以太坊的節點容錯率甚至可達到1/2。但是，這類容錯算法的有效性建立在節點足夠多的基礎上。節點數量龐大，作惡節點難以拉攏到大量節點、不易形成串謀時，PBFT才會生效。在參與出塊的節點數量較少時，PBFT將不再適用，此時單點作惡的可能性極高。

現有的OPRollup，包括Optimism和Arbitrum，幾乎都默認出塊節點Sequencer不會作惡。若Sequencer出現作惡行為，則允許Verifie節點對其進行“彈劾”，這一過程被稱作“挑戰”。但問題在于，Verifier節點與Sequencer之間并不是立刻進行數據同步的，這中間會有一段延時。

本文之前曾提到，Optimism節點的數據同步延時可以超過30分鐘，Sequencer產生新區塊后過半小時才輪到驗證節點審計，這會產生潛在的安全隱患。而Arbitrum雖然將延時降至幾分鐘，但其未向官方以外的機構開放運行Sequencer的權限，這不利于經濟上的去中心化，且立足點在于項目方的“信用”，嚴重違背區塊鏈的“程序正義”原則。

此外，由于Optimism和Arbitrum均未發行代幣，無法高強度的激勵驗證節點運行者，這不利于節點數量的擴充，使得Layer2更像聯盟鏈而非公鏈。

為了避免上述問題，Metis在Optimism的原有架構上進行了大量改進，其中最重要的舉措便是開放對等節點。

·傳統公鏈如比特幣和以太坊等，都是由對等節點組成的P2P網絡，這些節點間會頻繁同步信息，確保狀態一致；同時，每個對等節點可自愿成為礦工，參與出塊。新區塊產生后，會被傳播給其他對等節點做審計。

律師：SEC調查Coinbase可能會對交易所和代幣項目產生“寒蟬效應”:7月28日消息，針對美國證券交易委員會（SEC）對Coinbase涉嫌交易未注冊證券展開的調查，一位法律專家表示可能會對加密交易所和代幣項目產生“嚴重的寒蟬效應（chilling effect）”。

Piper Alderman澳大利亞數字資產律師Michael Bacina表示，無論最終是否認定這些代幣是證券，都可能對交易所和項目產生影響。“鑒于SEC在其內幕交易起訴中稱為證券的許多代幣都在Coinbase和其他交易所上市和交易，這項調查可能對這些交易所和代幣項目產生嚴重的寒蟬效應，無論最終調查結果認為這些代幣是否屬于證券。”

注：寒蟬效應是法律用語，指人們害怕因為其言論遭到刑罰或面對高額賠償，進而不敢發表言論，如同蟬在寒冷天氣中噤聲一般。

據此前報道，在Coinbase內幕交易指控后，SEC將AMP、RLY、DDX、XYO、RGT、LCX、POWR、DFX和KROM等9種加密貨幣列為證券，每個幣種都被提及與涉嫌內幕交易有關。（Cointelegraph）[2022/7/28 2:43:43]

·Metis構建了名為SequencerPool的對等節點網絡，允許社區成員運行對等節點，這些節點通過輪換的方式充當Sequencer，實現“風水輪流轉”，解決OPRollup中Sequencer節點的中心化問題；

·當前的Sequencer出塊后，會將新區塊同步給其他對等節點做審計，以防止單點作惡。每過一段時間，Sequencer就會變更一次，這樣便可實現記賬權的分散化。

·普通公鏈的每個出塊周期都有隨機選擇出塊者的過程，會浪費較多時間。目前SequencerPool內對等節點沒有大型公鏈那么多，出塊者的輪換周期也相對較長。在每個周期內，Sequencer仍是單一的。未來Metis將逐步縮短輪換周期，并引入新的時間戳生成機制。

·Metis支持社區成員運行對等節點，并且對其提供代幣激勵。對等節點運行者往往以DAC的名義進行注冊，硬件設備最低配備8核CPU、32GB內存，且需要質押一定量的Metis代幣。

從本質來看，原本為Metis網絡內下轄子網的SequencerPool成為了一個“委員會”，這個委員會由對等節點組成，職能是充當或監督Sequencer，并且在形式上可以看到POS公鏈的影子。

按照Metis正在實施的方案，SequencerPool已從十幾個對等節點的規模開始投入運行，在這樣的網絡規模下，對等節點間通訊的時間復雜度很小，可以立即對新區塊達成共識。同時，不同的對等節點均可充當網絡負載，滿足外界的訪問請求，用戶無需單方面接受單個節點提供的數據。

現在的Metis實際上獲得了來自對等節點網絡和Verifier節點的兩層安全保障。其中，對等節點可以實時驗證Sequencer在Layer2本地的數據，而Verifier主要負責驗證Sequencer提交到Layer1上的數據。

Polygon Studios CEO：超過48個Terra項目已經開始遷移到Polygon:7月10日消息，Polygon Studios首席執行官Ryan Wyatt在推特表示，超過48個Terra項目已經開始遷移到Polygon，包括NFT市場One Planet和虛擬世界游戲DerbyStars，“我們將投入資金和資源來應對這些遷移，以歡迎開發人員及其各自的社區。”[2022/7/10 2:03:49]

在未來，Metis計劃將SequencerPool內的對等節點數量大規模擴充，使其具備更高的安全性，并將Verifier驗證者節點納入SequencerPool名單內，使所有的對等節點既可擔任Sequencer，又可擔任Verifier。同時，Metis計劃引入新的算法及時間戳生成機制，在仍保有高效率的同時，實現“每隔幾個區塊就換一次Sequencer”，以確保去中心化。

新的存儲結構——“若無必要，勿增實體”

在大多數公鏈或Layer2中，記錄用戶信息的數據庫都采用了樹狀的結構，稱為狀態樹，樹根的哈希值被稱作狀態根StateRoot。一筆交易指令被執行后，某些賬戶的狀態必然產生變化，此時狀態樹根的哈希值也會隨之改變。可以說，每筆交易的執行都會產生一個新的狀態根StateRoot，從時間角度看，兩者是一一對應的關系。

若是按照時間順序，將每筆及對應的一一羅列出來，就可以得到一個精確的賬本。在Optimism等傳統OPRollup方案里，Sequencer在以太坊上存儲的就是這些內容。

Verifier驗證者會讀取這些內容，檢查其準確性。一般而言，Verifier節點會按照時間順序，把交易指令依次執行一遍，通過自己的計算得到一批狀態根StateRoot，之后Verifier只需要將自己算出的Stateroot和Sequencer提交的StateRoot做對比即可，這就好比老師在事先不知道標準答案的情況下，臨時靠心算來批改學生的數學作業。

若Verifier發現Sequencer提交的某筆交易指令或對應的狀態根有問題，便會發起“挑戰”，提供“欺詐證明”。

在Optimism及舊版本的Metis中，Sequencer會把交易指令及對應的狀態根都發布到以太坊上，實質將以太坊作為一個存儲層，同時也借助以太坊網絡來處理“挑戰”過程。這樣做雖然可以保證數據可用性，但消耗的Gas非常高。

以上圖Optimism在以太坊發布的一批交易為例，該批次共包含204筆交易指令，消耗的Gas費超過211美元，相當于單筆交易指令的存儲費超過1美元；再考慮到存儲這批交易對應狀態根所需的Gas，Optimism上單筆交易的存儲費用可以達到1.5美元，對于大多數用戶而言，這種量級的費用還是太高。

針對這個問題，Metis在近期做出了重要調整。Metis取締了在以太坊上直接存儲交易指令的步驟，將交易批次轉存至Memolabs，該平臺類似于Filecoin，但存儲成本更低，數據檢索速度更快。通過集成Memolabs存儲層，Sequencer先將一大批交易指令存儲在Memolabs，然后在以太坊上發布這個交易批次對應的存儲索引，Verifier節點可通過該索引值從Memolabs讀取原始的交易數據。

同時，由于狀態根StateRoot比交易數據更重要，它們仍被存儲至以太坊。

一言以貫之，這符合奧卡姆剃刀原理：“若無必要，勿增實體”。Metis的哲學就是：沒有必要存入以太坊的內容，可通過其他方式進行等價代換。這樣可以節約存儲成本，減小用戶承擔的成本壓力。

通過這種存儲結構，Metis可大幅壓縮存儲費用，將Layer2單筆交易的手續費降低至幾美分。目前，Metis已經成為主流Layer2中Gas費最低的一個。

但是，Metis的以上做法衍生出了其他問題：變更存儲結構是否會改變安全性，或改變數據可用性？對此，我們將對多種可能出現的結果進行解析。

Metis及OProllup的安全性及數據可用性問題有兩方面，第一個是：

·Sequencer在Layer2執行交易時，會立即將其在本地敲定，暫時具備“最終性”。具體場景為：用戶在Metis網絡發起交易請求后，幾秒鐘就會收到結果。這里的問題在于，由Sequencer單方面給予的暫時“最終性”是否可靠？

由于Metis的Sequencer出塊后，會立刻將信息同步給SequencerPool的對等節點，節點們可立即對區塊內容進行審計，若發現Sequencer提交了違規區塊，便可將其移出SequencerPool。所以，此處的安全性與普通公鏈相當。同時，外界可在多個對等節點間選擇信息源，無需單方面信任某個節點，數據可用性也不存在問題。

第二個問題是：·Metis將交易數據轉存至Memolabs后，驗證過程和挑戰機制是否會受到影響？新加入Metis網絡的節點在同步歷史數據時，又會否遇到不便？

這里涉及到多種可能情況，可以分類討論。由于Metis仍將狀態根發布至以太坊，所以StateRoot的可用性不會受到影響。而交易數據的可用性針對Verifier節點或新加入Metis網絡的節點兩類群體。

對于后者，新節點只需要通過其他Verifier或對等節點同步歷史數據即可，也可讀取Memolabs上的交易數據及以太坊上的狀態根記錄。目前Metis共有80多個私人運行的Verifier節點，已經具備較強的數據可用性。考慮到Verifier的數量仍在擴充之中，對于新節點而言，同步歷史數據時不會面臨多大問題。

而對于已有的Verifier節點，面臨的問題在于：能否順利獲取交易數據，并檢查對應的狀態根。若發現Sequencer提交的內容有誤，又可否在以太坊上順利進行“挑戰”。

對于這個問題，可以對下列場景分別進行分析：

1.若Sequencer在以太坊上提供了Memolabs索引，使Verifier順利讀取到交易數據，經過檢查，這些交易指令無誤，則剩下的檢查點在于Layer1上存儲的狀態根。·若經審計，每筆交易都可以和對應的狀態根匹配，則此時Verifier順利完成數據同步，也無需發起“挑戰”。此時不存在問題。

·若Verifier發現，某筆交易指令和狀態根不能匹配，此時狀態根必然錯誤。Verifier可要求Sequencer將錯誤狀態根對應的交易數據披露到Layer1上。如果Sequencer同意，則“挑戰”過程順利進行，Sequencer會受到懲罰；如果Sequencer不同意，Verifier可把自己在Memolabs讀到的交易數據寫入以太坊，完成“挑戰”，Sequencer同樣受到懲罰；

顯然，在以上場景中，數據可用性和“挑戰”機制不受影響，

2.若Sequencer在Memolabs存儲了偽造的交易指令，Verifier要發起“挑戰”；此外，Verifier必須要獲取正確的Layer2原生交易指令，才能檢驗狀態根的正確性。

·此時，Verifier可要求Sequencer在以太坊上發布相關的交易批次，這會讓Sequencer花費大量的Gas費，相當于變相懲罰；·若Sequencer拒絕，則Verifier可以把自己從Memolabs讀到的錯誤數據披露到Layer1，展開“挑戰”，Sequencer會受到更嚴厲的懲罰。

正常情況下，Sequencer被Verifier挑戰成功后，其遭受的損失會遠高于在Layer1上發布交易批次時消耗的Gas費。所以，若Verifier要求Sequencer在Layer1發布交易數據時，其必定會把正確的交易數據披露出去。

此時，Sequencer必須發布Verifier需要的單個交易批次，包含成百上千筆交易數據，在Layer1發布時消耗的Gas會非常高，甚至可達到幾千美元，相當于變相懲罰。

由以上討論可以得知，數據可用性和“挑戰”過程不受影響。

3.若Sequencer在Layer1發布了虛假的Memolabs存儲索引，Verifier無法順利讀取到交易批次包含的數據，這時它可以向前文所描述的那樣，要求Sequencer在Layer1披露交易批次。若其拒絕，則Verifier可以從對等節點處獲取相應數據，繼續后續的檢驗工作，或發起挑戰。

對于屢次發布偽造交易數據、發布錯誤的Memolabs存儲索引，或拒絕配合Verifier要求的Sequencer，Metis的社區成員可通過DAO治理投票的形式，將作惡的Sequencer運行者標記出來，罷免它的權限，這類似于上的“彈劾”。

通過以上精心設計的機制，Metis可以保障Verifier節點的權益。但為了防止Verifier濫用權力，惡意要求Sequencer在Layer1寫入交易數據，通過Gas消耗來攻擊誠實的Sequencer運行者，Metis作出以下要求：·Verifier若要求Sequencer在Layer1寫入交易數據，需提前質押一定量的資金獲得白名單資格，并且每次向Sequencer發起類似的命令，都要消耗一筆手續費；這筆手續費的數值經過仔細衡量，可以防止Verifier頻繁向Sequencer發起無理要求。·任何節點都可以發起“挑戰”和“欺詐證明”，理論上這些節點間可以互相配合，使數據可用性與安全性得到保障。

歸納總結依照前文提出的核心論點，結合近期Metis官方動態，在此歸納得出：

·Optimism和Arbitrum等OPRollup的根本問題在于Sequencer節點中心化，這需要可靠的解決方案；Metis嘗試率先實現Sequencer的去中心化。

·Metis開放了對等節點網絡，將運行Sequencer出塊節點的權力讓渡給社區成員或其他機構，實現輪換制，并促進Sequencer和其他對等節點快速同步信息，防止其作惡；

·Metis變更了存儲層結構，改變了在以太坊上備份數據的形式。通過集成Memolabs，Metis大幅壓縮存儲費用，已經成為主流Layer2中Gas費最低的一個。

·通過縝密的機制設計，Metis集成Memolabs后的新版本仍具備較強的安全性與數據可用性。Metis團隊已經對可能出現的情況進行了判斷，并制定了相應措施；

?為了將Sequencer的權力進一步削減，Metis計劃在未來添加提議者Proposers的角色，在Sequencer發布交易數據后，Proposers負責向以太坊提交每筆交易對應的狀態根，這樣可形成更強的分權制衡。

·Metis支持節點運行者以DAC的形式注冊，并對其提供持續性的代幣收益。在這方面，已發幣Metis比未發幣的Optimism及Arbitrum更具優勢；

·Metis提供簡易的一站式DAO搭載服務，降低DAO及DAC組織的運營難度，并開放社區生態系統治理(CEG)，將維護Layer2網絡生態的權限進一步讓渡給社區成員。目前，Metis生態已有500個DAC組織，成員近5000個。

·Metis集成Memolabs去中心化存儲層后，生態內DAO組織可以將不必公開的數據轉存至Memolabs，而對應的存儲索引只可被白名單用戶獲得，這樣可確保DAO維護自身隱私。

·Metis未來將支持多個子網的分片式結構，允許不同的DAO組織運行狀態彼此獨立的MVM虛擬機，以實現類似ETH2.0的多鏈分片機制。

·近期，Metis開啟了NFT跨鏈橋功能，結合超低的Gas費，Metis致力于建設NFT用戶的最佳平臺；

·未來，在系統容錯性足夠強大的條件下，Metis將酌情縮短挑戰期，成為跨鏈最方便的Layer2。

參考文獻TheTechJourney:LowerGasCosts&StorageLayeronMetis深度解讀Optimism：基本架構、Gas機制與挑戰

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