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SSL介绍与Java实例

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   发表时间:2012-07-11  
有关SSL的原理和介绍在网上已经有不少,对于Java下使用keytool生成证书,配置SSL通信的教程也非常多。但如果我们不能够亲自动手做一个SSL Sever和SSL Client,可能就永远也不能深入地理解Java环境下,SSL的通信是如何实现的。对SSL中的各种概念的认识也可能会仅限于可以使用的程度。本文通过构造一个简单的SSL Server和SSL Client来讲解Java环境下SSL的通信原理。

首先我们先回顾一下常规的Java Socket编程。在Java下写一个Socket服务器和客户端的例子还是比较简单的。以下是服务端的代码:

package org.bluedash.tryssl;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class Server extends Thread {
	private Socket socket;

	public Server(Socket socket) {
		this.socket = socket;
	}

	public void run() {
		try {
			BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
			PrintWriter writer = new PrintWriter(socket.getOutputStream());

			String data = reader.readLine();
			writer.println(data);
			writer.close();
			socket.close();
		} catch (IOException e) {

		}
	}
	
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		while (true) {
			new Server((new ServerSocket(8080)).accept()).start();
		}
	}
}


服务端很简单:侦听8080端口,并把客户端发来的字符串返回去。下面是客户端的代码:

package org.bluedash.tryssl;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;

public class Client {

	public static void main(String[] args) throws Exception {

		Socket s = new Socket("localhost", 8080);

		PrintWriter writer = new PrintWriter(s.getOutputStream());
		BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));
		writer.println("hello");
		writer.flush();
		System.out.println(reader.readLine());
		s.close();
	}

}


客户端也非常简单:向服务端发起请求,发送一个"hello"字串,然后获得服务端的返回。把服务端运行起来后,执行客户端,我们将得到"hello"的返回。

就是这样一套简单的网络通信的代码,我们来把它改造成使用SSL通信。在SSL通信协议中,我们都知道首先服务端必须有一个数字证书,当客户端连接到服务端时,会得到这个证书,然后客户端会判断这个证书是否是可信的,如果是,则交换信道加密密钥,进行通信。如果不信任这个证书,则连接失败。

因此,我们首先要为服务端生成一个数字证书。Java环境下,数字证书是用keytool生成的,这些证书被存储在store的概念中,就是证书仓库。我们来调用keytool命令为服务端生成数字证书和保存它使用的证书仓库:

keytool -genkey -v -alias bluedash-ssl-demo-server -keyalg RSA -keystore ./server_ks -dname "CN=localhost,OU=cn,O=cn,L=cn,ST=cn,C=cn" -storepass server -keypass 123123


这样,我们就将服务端证书bluedash-ssl-demo-server保存在了server_ksy这个store文件当中。有关keytool的用法在本文中就不再多赘述。执行上面的命令得到如下结果:

Generating 1,024 bit RSA key pair and self-signed certificate (SHA1withRSA) with a validity of 90 days
        for: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn
[Storing ./server_ks]


然后,改造我们的服务端代码,让服务端使用这个证书,并提供SSL通信:

package org.bluedash.tryssl;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.security.KeyStore;

import javax.net.ServerSocketFactory;
import javax.net.ssl.KeyManagerFactory;
import javax.net.ssl.SSLContext;
import javax.net.ssl.SSLServerSocket;

public class SSLServer extends Thread {
	private Socket socket;

	public SSLServer(Socket socket) {
		this.socket = socket;
	}

	public void run() {
		try {
			BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
			PrintWriter writer = new PrintWriter(socket.getOutputStream());

			String data = reader.readLine();
			writer.println(data);
			writer.close();
			socket.close();
		} catch (IOException e) {

		}
	}

	private static String SERVER_KEY_STORE = "/Users/liweinan/projs/ssl/src/main/resources/META-INF/server_ks";
	private static String SERVER_KEY_STORE_PASSWORD = "123123";

	public static void main(String[] args) throws Exception {
		System.setProperty("javax.net.ssl.trustStore", SERVER_KEY_STORE);
		SSLContext context = SSLContext.getInstance("TLS");
		
		KeyStore ks = KeyStore.getInstance("jceks");
		ks.load(new FileInputStream(SERVER_KEY_STORE), null);
		KeyManagerFactory kf = KeyManagerFactory.getInstance("SunX509");
		kf.init(ks, SERVER_KEY_STORE_PASSWORD.toCharArray());
		
		context.init(kf.getKeyManagers(), null, null);

		ServerSocketFactory factory = context.getServerSocketFactory();
		ServerSocket _socket = factory.createServerSocket(8443);
		((SSLServerSocket) _socket).setNeedClientAuth(false);

		while (true) {
			new SSLServer(_socket.accept()).start();
		}
	}
}


可以看到,服务端的Socket准备设置工作大大增加了,增加的代码的作用主要是将证书导入并进行使用。此外,所使用的Socket变成了SSLServerSocket,另外端口改到了8443(这个不是强制的,仅仅是为了遵守习惯)。另外,最重要的一点,服务端证书里面的CN一定和服务端的域名统一,我们的证书服务的域名是localhost,那么我们的客户端在连接服务端时一定也要用localhost来连接,否则根据SSL协议标准,域名与证书的CN不匹配,说明这个证书是不安全的,通信将无法正常运行。

有了服务端,我们原来的客户端就不能使用了,必须要走SSL协议。由于服务端的证书是我们自己生成的,没有任何受信任机构的签名,所以客户端是无法验证服务端证书的有效性的,通信必然会失败。所以我们需要为客户端创建一个保存所有信任证书的仓库,然后把服务端证书导进这个仓库。这样,当客户端连接服务端时,会发现服务端的证书在自己的信任列表中,就可以正常通信了。

因此现在我们要做的是生成一个客户端的证书仓库,因为keytool不能仅生成一个空白仓库,所以和服务端一样,我们还是生成一个证书加一个仓库(客户端证书加仓库):

keytool -genkey -v -alias bluedash-ssl-demo-client -keyalg RSA -keystore ./client_ks -dname "CN=localhost,OU=cn,O=cn,L=cn,ST=cn,C=cn" -storepass client -keypass 456456


结果如下:

Generating 1,024 bit RSA key pair and self-signed certificate (SHA1withRSA) with a validity of 90 days
        for: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn
[Storing ./client_ks]


接下来,我们要把服务端的证书导出来,并导入到客户端的仓库。第一步是导出服务端的证书:

keytool -export -alias bluedash-ssl-demo-server -keystore ./server_ks -file server_key.cer


执行结果如下:

Enter keystore password:  server
Certificate stored in file <server_key.cer>


然后是把导出的证书导入到客户端证书仓库:

keytool -import -trustcacerts -alias bluedash-ssl-demo-server -file ./server_key.cer -keystore ./client_ks


结果如下:

Enter keystore password:  client
Owner: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn
Issuer: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn
Serial number: 4c57c7de
Valid from: Tue Aug 03 15:40:14 CST 2010 until: Mon Nov 01 15:40:14 CST 2010
Certificate fingerprints:
         MD5:  FC:D4:8B:36:3F:1B:30:EA:6D:63:55:4F:C7:68:3B:0C
         SHA1: E1:54:2F:7C:1A:50:F5:74:AA:63:1E:F9:CC:B1:1C:73:AA:34:8A:C4
         Signature algorithm name: SHA1withRSA
         Version: 3
Trust this certificate? [no]:  yes
Certificate was added to keystore


好,准备工作做完了,我们来撰写客户端的代码:

package org.bluedash.tryssl;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;

import javax.net.SocketFactory;
import javax.net.ssl.SSLSocketFactory;

public class SSLClient {

	private static String CLIENT_KEY_STORE = "/Users/liweinan/projs/ssl/src/main/resources/META-INF/client_ks";

	public static void main(String[] args) throws Exception {
		// Set the key store to use for validating the server cert.
		System.setProperty("javax.net.ssl.trustStore", CLIENT_KEY_STORE);
		
		System.setProperty("javax.net.debug", "ssl,handshake");

		SSLClient client = new SSLClient();
		Socket s = client.clientWithoutCert();

		PrintWriter writer = new PrintWriter(s.getOutputStream());
		BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(s
				.getInputStream()));
		writer.println("hello");
		writer.flush();
		System.out.println(reader.readLine());
		s.close();
	}

	private Socket clientWithoutCert() throws Exception {
		SocketFactory sf = SSLSocketFactory.getDefault();
		Socket s = sf.createSocket("localhost", 8443);
		return s;
	}
}


可以看到,除了把一些类变成SSL通信类以外,客户端也多出了使用信任证书仓库的代码。以上,我们便完成了SSL单向握手通信。即:客户端验证服务端的证书,服务端不认证客户端的证书。

以上便是Java环境下SSL单向握手的全过程。因为我们在客户端设置了日志输出级别为DEBUG:

System.setProperty("javax.net.debug", "ssl,handshake");


因此我们可以看到SSL通信的全过程,这些日志可以帮助我们更具体地了解通过SSL协议建立网络连接时的全过程。

结合日志,我们来看一下SSL双向认证的全过程:



第一步: 客户端发送ClientHello消息,发起SSL连接请求,告诉服务器自己支持的SSL选项(加密方式等)。

*** ClientHello, TLSv1


第二步: 服务器响应请求,回复ServerHello消息,和客户端确认SSL加密方式:

*** ServerHello, TLSv1


第三步: 服务端向客户端发布自己的公钥。

第四步: 客户端与服务端的协通沟通完毕,服务端发送ServerHelloDone消息:

*** ServerHelloDone


第五步: 客户端使用服务端给予的公钥,创建会话用密钥(SSL证书认证完成后,为了提高性能,所有的信息交互就可能会使用对称加密算法),并通过ClientKeyExchange消息发给服务器:

*** ClientKeyExchange, RSA PreMasterSecret, TLSv1


第六步: 客户端通知服务器改变加密算法,通过ChangeCipherSpec消息发给服务端:

main, WRITE: TLSv1 Change Cipher Spec, length = 1


第七步: 客户端发送Finished消息,告知服务器请检查加密算法的变更请求:

*** Finished


第八步:服务端确认算法变更,返回ChangeCipherSpec消息

main, READ: TLSv1 Change Cipher Spec, length = 1


第九步:服务端发送Finished消息,加密算法生效:

*** Finished


那么如何让服务端也认证客户端的身份,即双向握手呢?其实很简单,在服务端代码中,把这一行:

((SSLServerSocket) _socket).setNeedClientAuth(false);


改成:

((SSLServerSocket) _socket).setNeedClientAuth(true);


就可以了。但是,同样的道理,现在服务端并没有信任客户端的证书,因为客户端的证书也是自己生成的。所以,对于服务端,需要做同样的工作:把客户端的证书导出来,并导入到服务端的证书仓库:

keytool -export -alias bluedash-ssl-demo-client -keystore ./client_ks -file client_key.cer
Enter keystore password:  client
Certificate stored in file <client_key.cer>


keytool -import -trustcacerts -alias bluedash-ssl-demo-client -file ./client_key.cer -keystore ./server_ks
Enter keystore password:  server
Owner: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn
Issuer: CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn
Serial number: 4c57c80b
Valid from: Tue Aug 03 15:40:59 CST 2010 until: Mon Nov 01 15:40:59 CST 2010
Certificate fingerprints:
         MD5:  DB:91:F4:1E:65:D1:81:F2:1E:A6:A3:55:3F:E8:12:79
         SHA1: BF:77:56:61:04:DD:95:FC:E5:84:48:5C:BE:60:AF:02:96:A2:E1:E2
         Signature algorithm name: SHA1withRSA
         Version: 3
Trust this certificate? [no]:  yes
Certificate was added to keystore


完成了证书的导入,还要在客户端需要加入一段代码,用于在连接时,客户端向服务端出示自己的证书:

package org.bluedash.tryssl;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;
import java.security.KeyStore;
import javax.net.SocketFactory;
import javax.net.ssl.KeyManagerFactory;
import javax.net.ssl.SSLContext;
import javax.net.ssl.SSLSocketFactory;

public class SSLClient {
	private static String CLIENT_KEY_STORE = "/Users/liweinan/projs/ssl/src/main/resources/META-INF/client_ks";
	private static String CLIENT_KEY_STORE_PASSWORD = "456456";
	
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		// Set the key store to use for validating the server cert.
		System.setProperty("javax.net.ssl.trustStore", CLIENT_KEY_STORE);
		System.setProperty("javax.net.debug", "ssl,handshake");
		SSLClient client = new SSLClient();
		Socket s = client.clientWithCert();
		
		PrintWriter writer = new PrintWriter(s.getOutputStream());
		BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));
		writer.println("hello");
		writer.flush();
		System.out.println(reader.readLine());
		s.close();
	}

	private Socket clientWithoutCert() throws Exception {
		SocketFactory sf = SSLSocketFactory.getDefault();
		Socket s = sf.createSocket("localhost", 8443);
		return s;
	}

	private Socket clientWithCert() throws Exception {
		SSLContext context = SSLContext.getInstance("TLS");
		KeyStore ks = KeyStore.getInstance("jceks");
		
		ks.load(new FileInputStream(CLIENT_KEY_STORE), null);
		KeyManagerFactory kf = KeyManagerFactory.getInstance("SunX509");
		kf.init(ks, CLIENT_KEY_STORE_PASSWORD.toCharArray());
		context.init(kf.getKeyManagers(), null, null);
		
		SocketFactory factory = context.getSocketFactory();
		Socket s = factory.createSocket("localhost", 8443);
		return s;
	}
}


通过比对单向认证的日志输出,我们可以发现双向认证时,多出了服务端认证客户端证书的步骤:

*** CertificateRequest
Cert Types: RSA, DSS
Cert Authorities:
<CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn>
<CN=localhost, OU=cn, O=cn, L=cn, ST=cn, C=cn>
*** ServerHelloDone


*** CertificateVerify
main, WRITE: TLSv1 Handshake, length = 134
main, WRITE: TLSv1 Change Cipher Spec, length = 1


在 @*** ServerHelloDone@ 之前,服务端向客户端发起了需要证书的请求 @*** CertificateRequest@ 。

在客户端向服务端发出 @Change Cipher Spec@ 请求之前,多了一步客户端证书认证的过程 @*** CertificateVerify@ 。

客户端与服务端互相认证证书的情景,可参考下图:



参考资料:

fn1. Tomcat双向SSL认证的配置 - http://www.javaeedev.com/blog/article.jspx?articleId=ff808081198fb524011993a9bb7a029a

fn2. Understanding SSL - http://developerspoint.wordpress.com/2008/06/21/understanding-ssl/

fn3. Change Cipher Spec Protocol - http://www.pierobon.org/ssl/ch2/ccs.htm

fn4. SSL & TLS Essentials: Securing the Web - http://www.amazon.com/SSL-TLS-Essentials-Securing-Web/dp/0471383546/ref=sr_1_1?ie=UTF8&s=books&qid=1280891641&sr=8-1
   发表时间:2012-07-11  
写了这多,总要有人坐个沙发呀
0 请登录后投票
   发表时间:2012-07-12  
支持一下,很好的文章
0 请登录后投票
   发表时间:2012-07-12  
作为资料存储了. 多谢lz分享
0 请登录后投票
   发表时间:2012-07-12  
另外,最重要的一点,服务端证书里面的CN一定和服务端的域名统一,我们的证书服务的域名是localhost,那么我们的客户端在连接服务端时一定也要用localhost来连接,否则根据SSL协议标准,域名与证书的CN不匹配,说明这个证书是不安全的,通信将无法正常运行
此次加入以下代码也可以解决:
System.setProperty("java.protocol.handler.pkgs", "javax.net.ssl");
     HostnameVerifier hv = new HostnameVerifier() {
          public boolean verify(String urlHostName, SSLSession session) {
           return urlHostName.equals(session.getPeerHost());
          }
     };
   
     HttpsURLConnection.setDefaultHostnameVerifier(hv);
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   发表时间:2012-07-12  
还有我觉得这样就可以了,不知道对不对?至少我能正常通信。
System.setProperty("javax.net.ssl.keyStore", "D:/server31.keystore");
System.setProperty("javax.net.ssl.keyStorePassword", "password");
System.setProperty("javax.net.ssl.trustStore", "D:/server31.keystore");
System.setProperty("javax.net.ssl.trustStorePassword", "password");
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   发表时间:2012-07-12  
最近项目也在用Https,其中一个系统1是银行系统,部署在银行内部,另外一个系统2可以部署在行内也可以部署在行外。之前系统2都是行内的,所以走socket通信,现在想增加一个https通信方便行外系统2对接系统1。

后台都是java写的。要求ssl双向认证。

用jdk生成证书然后Https通信都成功了。

想请教下:
1、这个证书的一个过程是怎么样的?证书是自己做的么?然后去CA认证,还是都是从CA买的,他们帮我们认证好?
2、从上面的说法,如果想发给服务器,需要把服务器证书倒出来到客户端,让客户端信任服务器证书,然后实现通信。但是如果证书是从CA那里验证过的,是不是不需要导出到客户端这个步骤,直接配置服务器证书就可以了,验证的工作室客户端拿服务器证书去CA认证,这个认证走通信么?会连接CA服务器还是本地证书文件验证?
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   发表时间:2012-07-12  
smallbee 写道
还有我觉得这样就可以了,不知道对不对?至少我能正常通信。
System.setProperty("javax.net.ssl.keyStore", "D:/server31.keystore");
System.setProperty("javax.net.ssl.keyStorePassword", "password");
System.setProperty("javax.net.ssl.trustStore", "D:/server31.keystore");
System.setProperty("javax.net.ssl.trustStorePassword", "password");


可以的,keyStore和trustStore可以共用一个文件,没有问题。store就相当于一个钱包,这里面可以放证书也可以放自己的密钥。
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   发表时间:2012-07-12  
smallbee 写道
最近项目也在用Https,其中一个系统1是银行系统,部署在银行内部,另外一个系统2可以部署在行内也可以部署在行外。之前系统2都是行内的,所以走socket通信,现在想增加一个https通信方便行外系统2对接系统1。

后台都是java写的。要求ssl双向认证。

用jdk生成证书然后Https通信都成功了。

想请教下:
1、这个证书的一个过程是怎么样的?证书是自己做的么?然后去CA认证,还是都是从CA买的,他们帮我们认证好?
2、从上面的说法,如果想发给服务器,需要把服务器证书倒出来到客户端,让客户端信任服务器证书,然后实现通信。但是如果证书是从CA那里验证过的,是不是不需要导出到客户端这个步骤,直接配置服务器证书就可以了,验证的工作室客户端拿服务器证书去CA认证,这个认证走通信么?会连接CA服务器还是本地证书文件验证?



证书,就是用来自己证明身份的证书,你可以自己生成一个,但是没有用。为什么呢?因为数字证书必须由第三方的权威机构签名后才有效。
权威机构就那几家,你可以打开你的任何浏览器,在选项里面,找高ssl相关的配置,可以看到每个浏览器里面,都有默认的几十家权威机构的数字签名文件。
对于java环境,这些默认的机构也存在,它们的签名保存在keystore里面,我们自己生成的数字证书,都是自签名的,自己签自己。
这种默认是不被浏览器或是jvm环境接受的,原因上面说了,因为我们自己签名不算数的,“自己”这个机构不在默认的keystore里面。

所以,现在问题来了,怎么样,让客户端信任服务端这个自签名的证书呢?
答案你已经知道了,将自己的证书,导进需要信任你的证书的keystore里面。

jvm有自已默认的keystore,在java的安装目录里面,是jre/lib/security/xxx那个。
/usr/lib/jvm/jre/lib/security/cacerts
里面包含了很多第三方的权威机构的数字证书。
但是我们在做项目的时候,不想污染这个默认的库,会产生安全问题。
所以我们用keytool自己生成一个全新的keystore,其实就是一个文件,你知道的。

对于自签名的证书,肯定是不可能通过验证的
如果我们把自签名的证书导进这个cacerts里面
那么我们自己签的所有证书,就都在自己的java环境下面可以认证通过了。
但是如果你想让别人的环境下面也认你这个证书,就要在别人的环境下面把你的证书给加进信任列表
如果对方是个浏览器,就把证书导出来,让对方加进浏览器的信任列表
如果对方是java,就让对方将你的证书导入到他们的keystore

当然,如果你的证书是找Verisign签过名的,那就完全没问题了。
但是Verisign非常贵,一年好多钱,所以只有生产系统上才用。因为,我们不可能让所有的用户都把服务端自签名证书导到他们的环境里,那是不现实的。而且,浏览器会弹窗报警,说服务端提供的证书不是受信的第三方签名的,用户一看有危险就闪人了。

所以,说了这么半天,你应该明白了一个道理:SSL并不存在服务端和客户端,只存在谁需要信任谁

那么我问个问题,双向握手时,需要几个证书?单向握手时,需要几个证书?

如果服务端强制要求客户端提供证书
那么他那边必定要给你生成一个能用的证书,在他的信任列表里面
否则你自己生成的客户端证书是没有用的,必须找对方签名才可以
因为对方的环境里面不可能信任你自生成的证书

如果是双向握手,为什么需要给你两个证书?
因为除了客户端要验证服务端身份, 服务器段也要验证客户端身份, 只有允许的客户端, 才能发起请求

所以,如果服务端需要验证客户端身份,那对方必须给你一个他信任的客户端证书,
要么就是:你自己生成一个客户端证书,让对方去签名。

总之必须由对方提供,你自己生成的自签名证书,是不可能在对方的信任列表里的。
如果手里现在只有一个证书,应该有两种情况:1. 这个是服务端证书,只需要单向握 2. 需要双向握手,对方少给你一个证书

我文章中单向握手的客户端的例子
客户端不向服务端提供客户端证书
客户端只验证服务端证书
即clientWithoutCert()这个列子


理解了原理最重要
后续的问题就都不难了。

原理特别简单:你自己做张信用卡,自己签个名,去商店买东西,没人要
于是你找银行给你背书:此信用卡有效,和银行账户绑定,你四处用,就okay了
但是银行给你签名要花钱,你只是试着玩,于是你找朋友商店,让他给你签个名,你这张卡在他的店里面有效,于是,你的卡在他的店里就能用了

所以不存在谁是客户端,谁是服务端,只是看谁签名,谁信任谁,就这样。把这个印在脑子里,就特别简单。


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   发表时间:2012-07-12  
keystore没什么神奇的,就是一个钱包,里面有你自己的卡(自己的证书),可以拿去用,还有几张证书(第三方机构的证书),别人在你这用卡的时候,你对证书查,发现别人的卡是你这证书上面机构发的,你就信任。
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