Compute Canada服务器基础操作与实战入门指南

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简介：本教程将引导新手熟悉Compute Canada高性能计算平台的基础操作，并教授如何执行第一个计算任务。内容包括：SSH登录与认证、命令行界面基础操作、环境变量与模块系统使用、作业提交系统操作、并行计算基础、数据管理、日志与输出管理、错误处理和调试以及资源监控。此外，还包括最佳实践建议，确保用户能高效利用计算资源并进行科学研究。

1. Compute Canada平台介绍

Compute Canada是加拿大领先的高性能计算和数据分析基础设施。它的服务遍布全国，为学术和研究机构提供先进的计算资源，存储，和网络服务，目的是加速科学研究和创新。 Compute Canada支持包括物理科学，生物学，工程，数学，社会科学，以及人文学科在内的广泛研究领域，为这些领域的科学家和研究人员提供了访问高性能计算平台的能力。

该平台不仅提供了强大的计算资源，还包含了一系列用户培训、支持服务和软件资源，帮助研究人员有效利用这些资源完成他们的工作。Compute Canada的使命是推动加拿大科学研究的数字化转型，促进计算科学和数据分析的创新。平台的使用鼓励多学科合作，加强跨领域研究项目的开展。

对于IT行业和相关领域的专业人士来说，Compute Canada提供了一个强大的工具集，可以用来处理大规模数据，执行复杂的计算任务，以及进行高级模拟和建模工作。因此，无论对于经验丰富的研究者还是对高性能计算充满好奇的新手来说，Compute Canada都是一个宝贵的资源。

2. SSH登录与认证过程

2.1 SSH基础和登录方法

2.1.1 SSH协议的作用与重要性

SSH（Secure Shell）是一种网络协议，用于在不安全的网络上提供安全的加密通信。它主要被用来远程登录系统和执行命令，但也可用于其他安全通信服务，如文件传输。SSH的加密特性确保了数据在传输过程中的机密性和完整性，使之成为IT行业中最为广泛接受的远程管理工具之一。

在现代IT环境中，保护信息安全至关重要，而SSH协议提供了多种安全机制，包括密钥交换算法、服务器身份验证以及数据传输的加密。这些机制共同工作，确保了传输过程中的数据不会被截获或篡改，同时保证了服务器的身份验证，减少了中间人攻击的风险。

2.1.2 使用SSH客户端进行服务器登录

要通过SSH连接到远程服务器，您需要在本地机器上安装SSH客户端软件。大多数Linux发行版和macOS系统都内置了SSH客户端。Windows用户则可以通过安装如PuTTY或Windows的OpenSSH客户端来获得SSH功能。

SSH客户端的使用相对简单，基本的登录命令如下：

ssh username@hostname

在上述命令中， username 是您在远程服务器上的用户名，而 hostname 是远程服务器的域名或IP地址。第一次连接到一台新的服务器时，通常会看到一个关于服务器密钥的警告。这表示您的SSH客户端尚未保存该服务器的密钥信息，需要您确认服务器身份。确认后，您就可以输入密码进行身份验证。

2.1.3 公钥认证与安全性

公钥认证是使用SSH进行身份验证的一种更安全的方法，它利用一对密钥——公钥和私钥。用户将公钥保存在远程服务器上，而将私钥保持在本地机器。当尝试通过SSH登录时，服务器会发送一个加密挑战给客户端。如果客户端能够使用私钥成功解密该挑战，它会将解密后的信息发送回服务器进行验证。如果服务器验证成功，则允许登录。

这种方法的优势在于，即使有人截获了您的密钥，也无法使用它进行非法登录，因为它们没有与之配对的私钥。为了进一步增强安全性，建议使用密码对私钥进行加密，并在每次使用时输入密码短语。

2.2 高级认证技术

2.2.1 双因素认证的应用

双因素认证（Two-Factor Authentication, 2FA）是一种安全机制，它要求用户提供两个或以上的验证因素。对于SSH来说，这通常意味着除了用户名和密码之外，还需要提供一个在用户控制下的额外因素，比如一次性密码（OTP）或者手机认证。

实施双因素认证可以大幅度降低安全漏洞的风险。即使密码被破解或泄露，攻击者还需要第二个因素，这通常不容易获得。对于管理员和高权限用户来说，2FA是一种推荐的安全措施，可以显著增强系统安全。

2.2.2 安全密钥的管理与维护

密钥的管理是SSH安全的关键组成部分。一个组织应该有一个清晰的密钥管理策略，以确保密钥不会过期、滥用或被遗忘。以下是一些最佳实践：

• 密钥过期策略 ：定期更换密钥，减少密钥泄露的风险。
• 密钥审计 ：定期审计密钥，确保所有密钥都在使用中，移除未授权的密钥。
• 最小权限原则 ：为每个用户分配必要的最低权限，而非默认的最高权限。
• 加密存储 ：私钥应该使用强密码加密，并存储在安全的位置。

使用一个密钥管理工具（如Keybase或HashiCorp Vault）可以帮助自动化这些流程，同时提供审计跟踪和报警功能。适当的密钥管理策略不仅能够提高系统的安全性，还能简化密钥的生命周期管理。

通过深入理解SSH登录与认证过程，IT专业人员可以采取更安全的远程登录措施，有效防御潜在的安全威胁。下一章将介绍如何操作Linux命令行界面，这是进行服务器管理和配置的基础。

3. 命令行界面操作基础

3.1 Linux命令行概述

3.1.1 命令行界面的工作原理

命令行界面（CLI），也称为终端或控制台，是用户通过文本命令与计算机交互的界面。其工作原理基于文本输入和输出，用户输入命令，系统执行命令并返回结果。CLI通常比图形用户界面（GUI）更高效，因为它允许用户快速执行任务，无需通过多个菜单和对话框导航。

在Linux系统中，CLI通常由shell程序提供，最常见的shell是bash（Bourne Again SHell）。用户登录系统后，bash启动并显示一个提示符，等待用户输入命令。系统根据输入的命令调用相应的程序或脚本，执行完毕后显示结果或进一步提示用户输入。

3.1.2 常用的Linux命令及示例

Linux系统中存在成千上万个命令，以下是日常操作中常用的几个命令，及其用法示例：

• ls ：列出目录内容 bash ls -l /path/to/directory 使用 ls -l 可以详细列出目录中的文件和文件夹的权限、所有者等信息。

• cd ：改变目录 bash cd /path/to/directory cd 命令用于切换当前工作目录到指定的路径。

• cp ：复制文件或目录 bash cp sourcefile /path/to/destination 将 sourcefile 文件复制到指定的路径。

• mv ：移动或重命名文件或目录 bash mv oldname newname 将文件 oldname 重命名为 newname 。

• rm ：删除文件或目录 bash rm -r /path/to/directory 递归删除指定目录及其内容。

• mkdir ：创建新目录 bash mkdir newdir 创建一个名为 newdir 的新目录。

• rmdir ：删除空目录 bash rmdir emptydir 删除空的目录 emptydir 。

• cat ：查看文件内容 bash cat filename 显示 filename 文件的内容。

• grep ：文本搜索工具 bash grep 'pattern' filename 在 filename 文件中搜索包含 pattern 文本的行。

• find ：文件搜索命令 bash find / -name 'filename' 在根目录及其子目录下搜索名为 filename 的文件。

• chmod ：改变文件权限 bash chmod 755 filename 将 filename 文件的权限设置为可读、可写、可执行给文件所有者，可读、可执行给组用户和其他用户。

• chown ：改变文件所有者 bash chown newowner filename 将 filename 文件的所有者更改为 newowner 。

这些命令是Linux系统操作的基础，熟练掌握它们将大大提高工作效率。

3.2 文件系统导航与管理

3.2.1 目录结构和路径操作

Linux的文件系统是一种层次化的树形结构，所有文件和目录都位于根目录（/）下，这个树形结构以目录（也称为文件夹）的形式存在。每个目录可以包含其他目录或文件。

• . ：当前目录
• .. ：上一级目录
• / ：根目录
• ~ ：当前用户的主目录

路径操作是指对文件或目录路径进行管理，如改变当前工作目录、访问文件等。以下是路径操作的常用命令：

• pwd ：显示当前工作目录的完整路径 bash pwd
• cd ：改变当前工作目录 bash cd /path/to/directory
• pushd 和 popd ：用于存储和切换目录 bash pushd /path/to/directory popd

3.2.2 文件的创建、修改与管理

在Linux系统中，文件的创建、修改和管理可以通过命令行工具轻松实现。以下是几个相关的常用命令：

• touch ：创建空文件或修改文件时间戳 bash touch newfile 创建一个名为 newfile 的空文件。

• echo ：在文件中追加内容或创建文件 bash echo "Hello World" > newfile 将文本 Hello World 写入 newfile 。

• nano 或 vi ：文本编辑器，用于编辑文件 bash nano filename 使用nano编辑器打开 filename 文件。

• cp ：复制文件或目录 bash cp sourcefile /path/to/destination 将 sourcefile 文件复制到指定的路径。

• mv ：移动或重命名文件或目录 bash mv oldname newname 将文件 oldname 重命名为 newname 。

• rm ：删除文件或目录 bash rm -r /path/to/directory 递归删除指定目录及其内容。

• file ：显示文件类型信息 bash file filename 显示 filename 文件的类型。

熟练使用这些命令可以有效地对文件进行管理。在进行文件操作时，建议使用绝对路径或相对路径来确保命令的准确性和效率。

4. 环境变量与模块系统使用

4.1 环境变量的作用与配置

4.1.1 环境变量的基本概念

环境变量是操作系统用于存储关于系统环境设置的信息的变量。这些信息包括系统路径、用户信息、系统配置等，对于操作系统和在其上运行的程序而言至关重要。环境变量可以为不同的程序和进程设置独立的配置，而不影响全局环境。例如，PATH环境变量定义了操作系统搜索可执行文件的目录列表。

环境变量的典型用法包括：

• 简化程序的调用路径，比如将常用的程序目录添加到PATH变量中。
• 程序依赖特定的库文件时，设置库文件路径环境变量LD_LIBRARY_PATH。
• 设置程序运行所需的配置文件路径，如JAVA_HOME用于指定Java运行时环境。

在Linux系统中，用户可以通过 env 命令查看当前的环境变量，通过 export 命令设置环境变量。

4.1.2 如何设置和修改环境变量

环境变量的设置一般在用户登录时或通过配置文件完成，用户也可以在命令行临时或永久设置环境变量。

临时设置：

临时设置环境变量仅对当前的shell会话有效：

export MY_VAR="value"

这会在当前的shell会话中设置 MY_VAR 环境变量。如果需要在子shell中也有效，可以将此命令放入脚本或启动文件中，如 .bashrc 或 .profile 。

永久设置：

永久设置环境变量通常通过编辑用户的配置文件来完成。对于bash shell，可以编辑 ~/.bashrc 或 ~/.profile ：

echo 'export MY_VAR="value"' >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

将上述命令添加到文件中，然后重新加载文件使得更改生效。

特殊变量：

PATH 是最常用的环境变量之一，它指定了可执行文件的搜索路径：

echo $PATH

可以通过 : 分隔来添加新的路径到PATH变量：

export PATH=/new/path:$PATH

这会将 /new/path 添加到当前的PATH变量的开头。

注意事项：

当设置环境变量时，应该考虑到值的引用问题。对于包含空格的路径或值，需要使用引号将整个变量值引起来：

export MY_VAR="/path with space/value"

设置环境变量时，避免直接修改系统的全局配置文件，除非你确切知道自己在做什么，因为这可能会影响到系统中其他程序的行为。

通过合理的配置环境变量，用户可以优化操作系统和程序的运行环境，提高工作效率和程序的可移植性。

4.2 模块系统的功能与应用

4.2.1 模块系统的介绍

模块系统是一种在高性能计算中心广泛使用的工具，它允许用户动态地在他们的环境中添加或移除应用程序、库和环境变量。这一特性使得用户可以根据自己的需求，灵活地配置计算环境，而不影响系统全局或其他用户的环境配置。

模块系统的主要作用：

• 切换软件版本： 用户可以根据需要加载特定版本的软件，例如加载gcc 8或gcc 9。
• 管理依赖关系： 某些软件需要特定版本的依赖库，模块系统可以自动处理这些依赖关系。
• 隔离用户环境： 不同用户的环境可以独立配置，保证了环境的私密性和安全性。

模块系统通常提供了 module 这一命令行工具来管理模块，包括加载、卸载、显示可用模块等操作。

4.2.2 加载和切换不同软件模块的技巧

加载模块：

加载一个模块使用 module load 命令，例如加载GCC编译器：

module load gcc/9.3.0

这将会把gcc/9.3.0模块加载到用户的环境中，配置好必要的环境变量。

查看可用模块：

可以使用 module avail 命令查看当前系统中可用的所有模块：

module avail

切换模块版本：

如果想要切换到不同的模块版本，首先需要卸载当前加载的模块，然后加载新的模块：

module unload gcc
module load gcc/8.3.0

查看当前加载的模块：

使用 module list 可以查看当前用户环境中已加载的模块列表：

module list

自动加载模块：

一些计算环境可能在用户登录时自动加载某些模块。可以通过修改用户的 .bashrc 或 .bash_profile 文件来实现模块的自动加载：

echo 'module load my_module' >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

这样每次用户登录时，都会自动加载 my_module 模块。

模块系统的使用极大地简化了在复杂计算环境下的软件管理，使用户能够专注于研究和开发工作，而无需担心软件配置的复杂性。掌握模块系统的使用对于高效利用计算资源和提高工作效率具有重要意义。

5. 作业提交系统及批处理脚本编写

5.1 作业提交系统概述

5.1.1 作业调度器的作用和原理

作业调度器是高性能计算环境中不可或缺的组件，负责管理和调度用户的计算任务。它允许多个用户共享计算资源，而不会相互干扰，确保系统的高效运行。调度器的工作原理是基于一系列预设的规则和策略，以确定哪些作业可以运行、何时运行以及在哪个计算节点上运行。

作业调度器的核心功能包括：

• 资源分配 ：调度器根据可用资源，如CPU核心、内存大小等，将作业分配到相应的计算节点。
• 作业调度 ：通过队列管理系统，作业按优先级和预定策略进行排队和调度。
• 监控和管理 ：监控作业的执行状态，对完成的作业进行清理，并提供日志记录功能。

常见的作业调度器包括Slurm、SGE、PBS等。以Slurm为例，其工作流程大致如下：

5.1.2 提交作业的基本流程

在掌握了作业调度器的基本概念后，用户需要了解如何向调度器提交作业。以下是一个使用Slurm作业调度器的基本提交流程：

#!/bin/bash
#SBATCH –job-name=example_job
#SBATCH –output=example_job.out
#SBATCH –error=example_job.err
#SBATCH –nodes=1
#SBATCH –ntasks=1
#SBATCH –cpus-per-task=4
#SBATCH –time=01:00:00

module load gcc/9.3.0
./my_program

sbatch my_script.sh

squeue -u <username>

scancel <job_id>

掌握作业调度器的使用是高效利用计算资源的关键。通过合理地编写批处理脚本和利用作业调度器提供的功能，用户可以大幅提升研究和开发的效率。

5.2 编写批处理脚本

5.2.1 批处理脚本的结构和编写方法

批处理脚本是一种用于批量执行命令的文本文件，常见于Windows的 .bat 文件和Unix/Linux的 .sh 文件。在高性能计算环境中，我们通常指的是后者。一个良好的批处理脚本能够自动化复杂的工作流程，提高工作效率，并且能够被重复使用。

一个批处理脚本的基本结构包括：

• shebang行 ：指明脚本的解释器，如 #!/bin/bash 。
• 资源请求 ：使用脚本头部的 #SBATCH 指令声明所需的计算资源。
• 环境配置 ：通过 module load 等命令加载必要的软件环境。
• 程序运行指令 ：包含实际运行计算任务的命令。
• 输出管理 ：重定向标准输出和标准错误到指定的日志文件。

下面是一个示例批处理脚本：

#!/bin/bash
#SBATCH –job-name=example
#SBATCH –output=example.out
#SBATCH –error=example.err
#SBATCH –nodes=1
#SBATCH –ntasks-per-node=1
#SBATCH –cpus-per-task=4
#SBATCH –mem=4G
#SBATCH –time=01:00:00

module load gcc/9.3.0
module load openmpi/4.0.5

mpirun -np $SLURM_NTASKS ./my_parallel_program

在编写批处理脚本时，用户需要明确每个 #SBATCH 指令的含义和作用：

• –job-name ：指定作业的名称。
• –output 和 –error ：指定作业的标准输出和标准错误输出文件。
• –nodes ：指定需要使用的节点数量。
• –ntasks-per-node ：指定每个节点上运行的任务数量。
• –cpus-per-task ：指定每个任务需要使用的CPU核心数。
• –mem ：为作业请求的内存大小。
• –time ：作业运行的最大时间限制。

5.2.2 脚本中的资源请求与参数配置

资源请求是批处理脚本中非常关键的部分，它决定了作业能够使用的计算资源。合理地请求资源不仅可以保证作业有足够的资源顺利运行，还可以避免浪费资源，提升整个系统的运行效率。

下面是一些关于资源请求的详细说明：

• 节点数量 ：通过 –nodes 参数请求所需的节点数，每个节点代表一个独立的计算资源。
• 任务数 ： –ntasks 参数用于指定作业要运行的任务总数，任务之间是独立执行的，可以并行运行。
• CPU核心数 ：每个任务可以请求多个CPU核心， –cpus-per-task 参数用于此目的。比如，如果你的程序可以并行处理数据，那么可以请求更多的CPU核心来加快计算速度。
• 内存 ：根据程序的需求请求足够的内存。如果请求的内存不足，可能会导致程序因为内存不足而退出。相反，请求过多的内存则会造成资源浪费。

作业提交系统会根据用户的资源请求来确定作业的调度和执行，因此用户必须根据实际情况，合理估算所需资源。如果估算不准确，可能会导致作业运行失败或者资源使用效率低下。

参数配置还涉及到程序运行时的一些特定选项。如并行程序可能会用到特定的MPI运行选项。在上面的示例中， mpirun 命令用于启动并行程序， -np $SLURM_NTASKS 告诉MPI运行器要启动多少个并行任务，其中 $SLURM_NTASKS 是Slurm为脚本变量提供的任务总数，该变量由调度器根据用户请求自动设置。

通过精炼的参数配置和资源请求，用户可以编写出既高效又经济的批处理脚本，以充分利用计算资源进行科学计算。

以上内容通过详细介绍批处理脚本的结构和编写方法，以及脚本中资源请求与参数配置的关键点，使读者能够掌握如何高效地编写和管理计算作业，进而提升计算任务的运行效率和资源利用率。

6. 并行计算概念与实现

6.1 并行计算基础

6.1.1 并行计算的原理与重要性

并行计算是指同时使用多个计算资源解决计算问题的过程。它通过并行执行多个计算任务或指令，显著缩短计算时间，从而达到高效率和高性能的目标。在分布式系统或具有多个处理单元的单一系统中，任务被分割成更小的部分，由多个处理器同时进行处理。

并行计算对于处理大规模科学、工程、金融等领域的复杂计算问题至关重要。相较于传统的串行计算，它能够在较短的时间内完成计算密集型任务，如天气预测、基因序列分析、物理模拟等。并行计算不仅提高了处理速度，还能解决内存限制问题，因为可以将数据分布在多个处理单元之间。

6.1.2 常见的并行计算模型

在并行计算领域中，存在多种并行计算模型，其中两种最常见的是共享内存模型和分布式内存模型。

• 共享内存模型 ：在这种模型中，多个处理器共享同一物理内存空间。因此，任何处理器都可以直接读写内存中的任何位置。这种模型的优点是编程模型简单，因为开发者不需要显式地管理数据在处理器间的移动。然而，它也带来了内存竞争和同步问题。

• 分布式内存模型 ：在这种模型中，每个处理器拥有自己的局部内存空间，处理器间通过消息传递进行通信。这种模型的主要优点是可扩展性好，适用于大型并行系统。但其缺点是编程复杂度较高，开发者需要管理不同处理器间的通信。

6.2 并行程序的开发与部署

6.2.1 开发并行程序的基本步骤

开发并行程序通常涉及以下基本步骤：

6.2.2 使用MPI和OpenMP进行编程示例

MPI (Message Passing Interface)

MPI是一个用于编写并行应用程序的标准，它定义了进程间通信的接口。下面是一个简单的MPI程序示例：

#include <mpi.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char** argv) {
MPI_Init(&argc, &argv);

int rank, size;
MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);
MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &size);

printf("Process %d of %d is alive and kicking!\\n", rank, size);

MPI_Finalize();
return 0;
}

OpenMP

OpenMP是一种基于共享内存的并行编程API。下面是一个简单的OpenMP程序示例：

#include <stdio.h>
#include <omp.h>

int main() {
#pragma omp parallel
{
int thread_id = omp_get_thread_num();
printf("Hello from thread %d\\n", thread_id);
}
return 0;
}

在这些示例中，我们看到了如何使用MPI和OpenMP创建一个简单的并行程序，以及如何利用各自提供的API来实现多线程或多进程并行计算。并行程序的开发涉及对这些API的深入理解和适当使用。

7. 数据传输与管理

数据传输与管理是计算平台使用中的一个核心环节，涉及到数据安全、传输效率以及存储策略等多个方面。在本章节中，我们将重点介绍数据传输工具与技术，以及数据存储与备份的策略。

7.1 数据传输工具与技术

使用SCP和rsync进行文件传输

SCP (Secure Copy Protocol) 和 rsync 是常用的文件传输工具，它们提供了一个相对简单的命令行接口来高效地在本地和远程主机之间传输数据。

SCP命令的基本使用

SCP命令的基本格式如下：

scp [选项] [原路径] [目标路径]

举个例子，将本地文件传输到远程服务器：

scp /path/to/local/file username@remotehost:/path/to/remote/directory

如果需要反向操作，即从远程服务器下载文件到本地，则可以将路径参数的位置互换。

rsync命令的高级应用

rsync 不仅仅是一个文件传输工具，它还支持文件同步，这意味着它在复制文件的同时，能够检查源和目标文件系统的差异，并只传输发生变化的部分。

rsync 命令的基本格式为：

rsync [选项] [源路径] [目标路径]

一个典型的 rsync 命令可能看起来像这样：

rsync -avz /path/to/local/directory username@remotehost:/path/to/remote/directory

这里 -a 选项代表归档模式，它保留符号链接、文件权限、用户组等信息； -v 为详细模式，显示传输过程中的信息； -z 代表在传输时进行压缩。

高效的数据传输策略与最佳实践

高效的数据传输不仅要选择合适的工具，还需要考虑网络带宽、存储I/O和数据安全等因素。以下是一些最佳实践：

• 备份前压缩数据 ：使用如gzip或bzip2等工具压缩数据可以减少传输时间。
• 增量备份 ：与全备份相比，只备份自上次备份以来发生变化的数据可以节省大量的时间和资源。
• 网络质量 ：选择网络负载较低的时段进行大数据传输，以提高效率。
• 自动化脚本 ：编写自动化脚本来调度数据传输任务，以确保任务的定期执行。

7.2 数据存储与备份

分布式文件系统简介

分布式文件系统（如HDFS或GPFS）是针对大数据处理和存储而设计的文件系统，它能跨越多个物理存储设备和服务器，提供了高可用性和可伸缩性。

分布式文件系统的关键特性包括：

• 容错性 ：通过数据冗余来保证在某些节点故障时数据不会丢失。
• 并行访问 ：允许对数据的并行读写，提升了访问速度。
• 可扩展性 ：能够轻松地增加更多的存储容量。

备份策略与数据恢复方法

备份是为了防止数据丢失的预防措施。一个好的备份策略应考虑以下几点：

• 备份频率 ：根据数据更新频率和重要性，定期执行备份任务。
• 备份类型 ：可以是全备份、差异备份或增量备份，根据需要选择。
• 备份位置 ：本地备份与异地备份结合使用，增加数据安全性。
• 验证备份 ：定期检查备份数据的完整性和可恢复性。

数据恢复是备份的逆过程。在灾难发生时，应该有一个明确的恢复流程来指导快速、准确地恢复数据。数据恢复的方法包括：

• 单文件恢复 ：如果只需要从备份中恢复一个或几个文件，使用专门的恢复工具或命令。
• 系统恢复 ：在系统完全失败的情况下，可能需要使用系统的镜像或者备份数据进行整体恢复。

确保数据传输与管理的高效性和安全性是计算资源有效利用的关键。在本章节中，我们了解了多种数据传输工具和技术，以及如何制定和执行有效的存储和备份策略，以确保数据的长期安全和可用性。

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