Faits:
A. Ressortissant macédonien né le 26 juillet 1980, X._ est entré en Suisse au mois d'août 2001. Sa demande d'asile, déposée sous le pseudonyme de Z._, a été rejetée le 10 septembre 2002 par l'Office fédéral des réfugiés, actuellement l'Office fédéral des migrations (ci-après: l'Office fédéral).
Le 14 novembre 2002, l'amie de X._, la ressortissante suisse Y._ avec laquelle il faisait alors ménage commun, a donné naissance aux jumeaux prénommés A._ et B._.
Le 16 avril 2003, X._ a été condamné sous son alias pour voies de fait, vol, dommage à la propriété et violation de domicile, survenus en avril et juillet 2002, à quatre mois d'emprisonnement sous déduction de vingt-trois jours de détention préventive avec sursis pendant deux ans, peine assortie d'une expulsion du territoire suisse pour une durée de quatre ans avec sursis pendant deux ans. Le 20 mai 2003, il a été refoulé vers son Etat d'origine.
B. Revenu en Suisse sous son nom actuel, X._ a épousé Y._ le 11 novembre 2004. Ayant mensongèrement indiqué qu'il n'avait pas fait l'objet de condamnations pénales en Suisse, X._ a obtenu une autorisation de séjour dès le 7 décembre 2004, qui a été régulièrement renouvelée; le 20 avril 2005, il a été autorisé à exercer une activité professionnelle pour une société de placements temporaires, avant d'obtenir l'aide sociale vaudoise à partir du 1er novembre 2004.
Le 16 mars 2006, le Tribunal d'arrondissement de la Broye et du Nord vaudois a condamné X._ pour vol en bande, dommage à la propriété, vol d'usage d'un véhicule et infraction à la loi sur le séjour et l'établissement des étrangers, faits survenus notamment en décembre 2002 et mars 2003, à une peine partiellement complémentaire à celle du 16 avril 2003 de dix mois d'emprisonnement, assortie d'une expulsion du territoire suisse pour une durée de cinq ans avec sursis pendant quatre ans.
Le 9 octobre 2005, X._ a été placé en détention préventive à la suite de la saisie d'un kilo d'héroïne dans le contexte d'un trafic de stupéfiants. Le 8 décembre 2006, il a été condamné à une peine de cinq ans de réclusion sous déduction de 427 jours de détention préventive, pour infraction grave et contravention à la loi fédérale du 3 octobre 1951 sur les stupéfiants et les substances psychotropes (LStup; RS 812.121), ainsi que pour infraction à la législation fédérale sur les armes et pour circulation sans permis de conduire, peine complémentaire à celle prononcée le 16 mars 2006.
Par décision du 28 décembre 2005, le Service de la population du canton de Vaud (ci-après: le Service cantonal) a révoqué l'autorisation de séjour de X._ et lui a imparti un délai immédiat pour quitter le territoire à sa libération de prison. Par arrêt du 15 mars 2007, qui est entré en force, le Tribunal administratif du canton de Vaud a rejeté le recours formé contre cette décision.
Le 21 mars 2006, X._ et Y._ sont devenus parents d'un troisième enfant, prénommé C._. Une quatrième enfant, prénommée D._, est née en 2010.
Depuis l'incarcération de X._ au sein des Etablissements pénitentiaires de Bellechasse, le 10 mai 2007, son épouse et ses enfants lui ont rendu visite à une fréquence quasi-hebdomadaire et il a lui-même bénéficié de cinq autorisations de sortie pour se rendre au domicile familial. Il a poursuivi l'exécution de sa peine sous le régime du travail externe dès le 8 janvier 2009.
C. Par demande de reconsidération du 26 novembre 2009 adressée au Service cantonal, X._ a sollicité l'octroi d'une autorisation de séjour par regroupement familial au motif qu'il aurait complètement changé d'attitude, qu'il souhaiterait reconstruire une vie avec sa femme et ses enfants et qu'il ne commettrait donc pas de nouvelles infractions à sa libération de prison.
Tout en acceptant d'entrer en matière à la forme, le Service cantonal a rejeté cette demande par décision du 15 décembre 2009.
Par arrêt du 31 août 2010, la Cour de droit administratif et public du Tribunal cantonal du canton de Vaud (ci-après: le Tribunal cantonal) a admis très partiellement le recours formé par X._ contre la décision du 15 décembre 2009. Constatant notamment que, depuis sa libération conditionnelle, des liens affectifs "intacts et forts" s'étaient noués entre X._ et sa famille, lesquels rendraient son renvoi de Suisse lourd de conséquences sur le plan familial, le Tribunal cantonal a néanmoins fait prévaloir l'intérêt public à exiger l'éloignement d'un trafiquant de drogue condamné à une importante peine privative de liberté. En revanche, les juges cantonaux ont considéré qu'au regard du respect de la vie privée et familiale de l'intéressé (art. 8 CEDH), la mesure de renvoi de X._ devait s'accompagner de la possibilité pour lui de requérir un réexamen du refus d'autorisation, dans un délai de cinq ans à compter de la date de l'arrêt cantonal, s'il démontrait en particulier: un comportement irréprochable au moyen de la production d'extraits suisse et étranger de son casier judiciaire, la reprise d'une activité professionnelle à l'étranger, sa contribution à l'entretien de la famille et le maintien de liens avec son épouse et ses enfants suisses depuis l'étranger. Annulant la décision du Service cantonal du 15 décembre 2009, le Tribunal cantonal lui a retourné le dossier pour qu'une nouvelle décision intègre ces aspects.
D. Le 1er octobre 2010, X._ a déposé au Tribunal fédéral un recours en matière de droit public contre l'arrêt du Tribunal cantonal du 31 août 2010. Il demande, sous suite de dépens, principalement, d'admettre le recours et de réformer l'arrêt cantonal de sorte à lui accorder une autorisation de séjour; subsidiairement, d'annuler l'arrêt attaqué et de renvoyer la cause au Tribunal cantonal pour instruction et nouvelle décision. Il se plaint de la violation du droit fédéral, de l'art. 8 CEDH et de la Convention du 20 novembre 1989 relative aux droits de l'enfant (CDE; RS 0.107). Il requiert l'assistance judiciaire.
Le Service cantonal a renoncé à se déterminer sur le recours, tandis que l'Office fédéral et le Tribunal cantonal ont conclu à son rejet, en se référant aux considérants de l'arrêt entrepris.
Par ordonnance présidentielle du 5 octobre 2010, le Tribunal fédéral a admis la demande d'effet suspensif déposée par le recourant.

Considérant en droit:
1. La demande en reconsidération portant sur l'octroi d'une autorisation de séjour par regroupement familial en faveur du recourant a été formée le 26 novembre 2009. Dans la mesure où le recourant fait état, à l'appui de sa demande de réexamen, d'éléments nouveaux survenus postérieurement à l'entrée en vigueur du nouveau droit le 1er janvier 2008 (cf. arrêt 2C_376/2010 du 18 août 2010 consid. 2.2.2), il y a lieu d'appliquer la loi fédérale du 16 décembre 2005 sur les étrangers [LEtr; RS 142.20] (art. 126 al. 1 LEtr a contrario).
2. Le Tribunal fédéral examine d'office sa compétence (<ref-law>). Il contrôle librement la recevabilité des recours qui lui sont soumis (<ref-ruling> consid. 1 p. 96).
2.1 Le recourant est toujours marié à une ressortissante suisse. Il vit en ménage commun avec cette dernière et leurs quatre enfants. Il dispose partant d'un droit potentiel à l'octroi d'une autorisation de séjour selon les art. 42 ss LEtr, respectivement l'art. 8 CEDH (<ref-ruling> consid. 1.3.2 p. 146; arrêts 2C_50/2010 du 17 juin 2010 consid. 1; 2C_651/2009 du 1er mars 2010 consid. 2.1). Le recours en matière de droit public est donc recevable sous l'angle de l'art. 83 let. c ch. 2 LTF.
2.2 L'arrêt attaqué annule la décision du Service cantonal du 15 décembre 2009 en lui renvoyant le dossier pour nouvelle décision dans le sens des considérants; toutefois, ledit renvoi ne laisse plus aucune marge de manoeuvre au Service cantonal, qui a été enjoint de rendre une décision identique à la première en spécifiant que le recourant pourra présenter une nouvelle demande de reconsidération portant sur l'octroi d'une autorisation de séjour dans un délai de cinq ans à compter de la date de l'arrêt s'il remplit certaines conditions. L'arrêt querellé doit partant être assimilé non pas à une décision incidente (<ref-law>), mais à une décision finale au sens de l'<ref-law> (<ref-ruling> consid. 1.3 p. 127 in: RDAF 2008 II 333; arrêt 2C_132/2010 du 17 août 2010 consid. 1.2).
2.3 Au surplus, en tant qu'il s'en prend à l'arrêt du Tribunal cantonal du 29 mai 2009, le recours est dirigé contre une décision rendue en dernière instance cantonale par un tribunal supérieur (art. 86 al. 1 let. d et al. 2 LTF); en outre, il a été déposé en temps utile (<ref-law>) et dans les formes prescrites (<ref-law>) par le destinataire de l'acte attaqué qui a un intérêt digne de protection à son annulation ou à sa modification (<ref-law>), de sorte qu'il convient d'entrer en matière.
3. 3.1 Saisi d'un recours en matière de droit public, le Tribunal fédéral examine librement la violation du droit fédéral et du droit international (cf. art. 95 let. a et b ainsi que 106 al. 1 LTF), sous réserve des exigences de motivation figurant à l'<ref-law> (<ref-ruling> consid. 3.2 p. 88). En tant que le recourant se prévaut de la CDE, dont il ne spécifie d'ailleurs pas la disposition prétendument violée, ce grief est dépourvu de motivation suffisante et doit être d'emblée déclaré irrecevable.
3.2 Le Tribunal fédéral examine le recours en se fondant sur les faits constatés par l'autorité précédente (<ref-law>), à moins que ces faits n'aient été établis de façon manifestement inexacte ou en violation du droit au sens de l'<ref-law> (<ref-law>). Le recourant doit expliquer de manière circonstanciée en quoi les conditions d'une exception prévue par l'<ref-law> seraient réalisées, faute de quoi il n'est pas possible de tenir compte d'un état de fait qui diverge de celui qui est contenu dans l'acte attaqué. En particulier, l'autorité de céans n'entre pas en matière sur des critiques de type appellatoire portant sur l'état de fait ou sur l'appréciation des preuves (cf. <ref-ruling> consid. 5.2.2 p. 322; <ref-ruling> consid 1.4 p. 400).
4. Le recourant soutient que le Tribunal cantonal a violé son droit d'être entendu en ne requérant pas l'établissement d'un rapport de comportement par la Fondation vaudoise de probation.
4.1 Le droit d'être entendu (art. 29 al. 2 Cst.) comprend notamment le droit pour le justiciable d'obtenir qu'il soit donné suite à ses offres de preuves pertinentes. L'autorité peut toutefois mettre un terme à l'instruction lorsque les preuves administrées lui ont permis de forger sa conviction et que, procédant d'une manière non arbitraire à une appréciation anticipée des preuves qui lui sont encore proposées, elle a la certitude que celles-ci ne pourraient l'amener à modifier son opinion. Le Tribunal fédéral ne revoit en principe l'appréciation anticipée des preuves que sous l'angle restreint de l'arbitraire (art. 9 Cst.; cf. <ref-ruling> consid. 2.2.2. p. 318 s.), qui se confond alors avec le grief tiré du droit d'être entendu (<ref-ruling> consid. 5.3 p. 148; arrêt 8C_983/2009 du 16 novembre 2010 consid. 5.1).
4.2 En l'espèce, l'appréciation anticipée des preuves opérée par le Tribunal cantonal, qui s'est estimé suffisamment renseigné sans devoir encore requérir l'établissement d'un rapport de comportement par la Fondation vaudoise de probation, ne viole pas l'art. 29 al. 2 Cst. Comme le concède le recourant, le Tribunal cantonal a soigneusement instruit son dossier, en entendant de nombreux témoignages et en ordonnant plusieurs échanges d'écritures. Dans ce cadre, il n'a d'ailleurs remis en cause ni le déroulement satisfaisant de la période de détention du recourant, lequel a réintégré avec succès le foyer familial, ni "le fait que son comportement aurait été exemplaire depuis sa mise en liberté", estimant néanmoins que le laps de temps qui s'était écoulé depuis la libération du recourant était trop court pour conclure à une situation exceptionnelle permettant de reléguer à l'arrière-plan ses antécédents pénaux graves. A la lumière de ce raisonnement, la confection d'un rapport portant sur le suivi du recourant par sa conseillère de probation après sa libération aurait tout au plus confirmé un élément dont le Tribunal cantonal avait d'ores et déjà tenu compte au titre de sa pesée globale des intérêts mais qu'il n'avait pas considéré comme prépondérant. Il convient ainsi d'écarter le grief tiré de l'art. 29 al. 2 Cst.
5. Le recourant reproche au Tribunal cantonal d'avoir mis en doute, en violation de l'<ref-law> et de façon insoutenable, son évolution post-carcérale positive, notamment en usant du verbe "sembler", ainsi que d'avoir négligé les liens familiaux très forts existant avec d'autres membres de la famille plus éloignée. Cet argument revient à se plaindre de l'appréciation des faits par les juges cantonaux, que le Tribunal fédéral ne revoit que sous l'angle de l'arbitraire (cf. arrêt 8C_15/2009 du 11 janvier 2010 consid. 3.2).
Comme indiqué précédemment, le Tribunal cantonal a dûment constaté l'évolution positive affichée par le recourant tant durant qu'après sa détention pénale. S'agissant de l'emploi du verbe "sembler" dans l'arrêt querellé, que le recourant illustre à l'aide de trois exemples, il n'est nullement choquant que les juges cantonaux aient placé cet auxiliaire devant des verbes exprimant ses regrets, la prise de conscience de ses actes ou encore sa ferme intention de ne plus récidiver, soit des émotions ou une volonté qui relèvent de son for intérieur et sont partant difficilement démontrables. De surcroît, on ne voit guère en quoi une valorisation accrue des liens familiaux existant entre le recourant et sa famille plus éloignée, dont l'arrêt tient au demeurant compte, eût été apte à influer sur l'issue de la procédure cantonale, dès lors que le Tribunal cantonal a traité en détail des liens encore plus forts existant entre le recourant et sa famille la plus proche, soit son épouse et leurs quatre enfants (cf. <ref-ruling> consid. 3.1 p. 148). Manifestement mal fondé, ce grief doit par conséquent être écarté.
6. Le recourant se plaint également de la violation du droit fédéral et de l'art. 8 CEDH; selon lui, le Tribunal cantonal aurait donné à tort une importance déterminante à ses condamnations pénales.
6.1 En tant que conjoint d'une ressortissante suisse vivant en ménage avec elle, le recourant a droit à la délivrance et à la prolongation d'une autorisation de séjour (art. 42 al. 1 LEtr); rien ne permet de douter de la réalité de leur lien conjugal. Une révocation et, a fortiori, le refus d'octroi de cette autorisation dans le cadre d'une demande de réexamen, est possible aux conditions de l'art. 63 LEtr, applicable par renvoi de l'art. 51 al. 1 let. b LEtr. Selon l'art. 63 al. 1 let. a, qui renvoie à l'art. 62 let. a et b LEtr, l'autorisation de séjour du conjoint marié à une ressortissante suisse s'éteint si l'étranger a fait de fausses déclarations ou a dissimulé des faits essentiels durant la procédure d'autorisation (cf. arrêts 2C_100/2010 du 19 juillet 2010 consid. 3.2; 2C_60/2008 du 9 juin 2008 consid. 2.2.1), ou s'il a été condamné à une peine privative de liberté de longue durée, que la jurisprudence considère comme atteinte à partir d'un an d'emprisonnement (<ref-ruling> consid. 4.2 p. 379 ss; arrêt 2C_651/2009 du 1er mars 2010 consid. 4.1.1), qu'elle soit ou non assortie du sursis (partiel) [arrêt 2C_515/2009 du 27 janvier 2010 consid. 2.1]. Les motifs de révocation de l'art. 63 LEtr correspondent en principe aux motifs d'expulsion prévus à l'art. 10 de l'ancienne loi fédérale du 26 mars 1931 sur le séjour et l'établissement des étrangers (LSEE; RS 1.113).
A son retour en Suisse, sous le nom de X._, après un premier renvoi consécutif à une condamnation pénale de quatre mois d'emprisonnement sous un alias, le recourant avait faussement déclaré ne pas avoir fait l'objet de condamnations pénales en Suisse et avait pu obtenir une autorisation de séjour à la suite de son mariage du 11 novembre 2004 avec Y._. Hormis ses condamnations portant sur les événements antérieurs à son premier renvoi, l'intéressé a également fait l'objet d'une condamnation à cinq ans de réclusion pour son implication dans un trafic d'héroïne survenu entre juin et octobre 2005. Au total, le recourant aura donc été condamné à plus de six années de peine privative de liberté. En conséquence, il réalise les deux motifs de révocation mentionnés à l'art. 62 let. a et b LEtr.
6.2 Le refus ou la révocation de l'autorisation de séjour ne se justifie toutefois que si la pesée globale des intérêts à effectuer fait apparaître la mesure comme proportionnée au sens de l'art. 96 LEtr et de l'art. 8 par. 2 CEDH (cf. <ref-ruling> consid. 4.2 p. 380; <ref-ruling> consid. 2.1 et 2.2 p. 154 ss), étant précisé que la prévention des infractions pénales et la mise en oeuvre d'une politique restrictive en matière de séjour des étrangers constituent des buts légitimes au regard de cette disposition conventionnelle (ATF <ref-ruling> consid. 2.2.1 p. 156). En examinant la proportionnalité de la mesure, il convient de prendre en considération la gravité de la faute commise, auquel cas la peine pénale infligée est le premier critère d'évaluation, le degré d'intégration, la durée du séjour effectué en Suisse et le préjudice que l'intéressé et sa famille, spécifiquement ses enfants, auraient à subir (<ref-ruling> consid. 4.3 p. 381 s.; arrêt 2C_418/2009 du 30 novembre 2009 consid. 4). La jurisprudence se montre particulièrement rigoureuse avec les ressortissants étrangers qui se livrent au trafic de drogue, surtout s'ils ne sont pas eux-mêmes consommateurs de drogue, mais agissent par pur appât du gain (2C_651/2009 du 1er mars 2010 consid. 4.3). De plus, le comportement correct de l'étranger durant l'exécution de sa peine ne permet pas sans autres de conclure à sa reconversion durable; plus la violation des biens juridiques a été grave, plus il sera facile de retenir un risque de récidive (arrêt 2C_36/2009 du 20 octobre 2009 consid. 3.2 et 3.3). Lorsque l'autorité cantonale effectue une pesée soignée des intérêts, le Tribunal fédéral ne revoit celle-ci qu'avec retenue.
6.3 En l'espèce, le Tribunal cantonal a soupesé avec minutie les différents éléments en présence.
6.3.1 D'une part, il convient de retenir en faveur du recourant: ses liens affectifs "intacts et forts" avec sa famille tant pendant son incarcération qu'à sa sortie de prison; son grand engagement, dès sa libération, en faveur de ses enfants et de son épouse; ses bons contacts avec sa famille plus éloignée vivant en Suisse et avec son voisinage; son comportement adéquat au cours de sa détention; ses regrets par rapport à ses errements passés; la perspective de trouver éventuellement un emploi en cas de régularisation de sa situation en Suisse; le fait qu'en cas de renvoi du recourant, le départ vers la Macédoine de son épouse et de leurs quatre enfants, qui ont tous la nationalité suisse, "semble contraire à leurs intérêts".
6.3.2 D'autre part, il sied de tenir compte des faits suivants qui plaident en défaveur de l'octroi d'une autorisation de séjour: l'arrivée du recourant en Suisse en août 2001 sous une fausse identité; son expulsion du pays le 20 mai 2003 à la suite d'une première condamnation pénale en avril 2003, suivie de deux autres condamnations en mars et en décembre 2006, dont la dernière portait sur des événements postérieurs à son retour et à son mariage en Suisse, infractions qui totalisaient ensemble plus de six ans de peine privative de liberté et dont la gravité allait in crescendo; le fait que la dernière infraction, soit la participation à un trafic aggravé relatif à un kilo d'héroïne et interrompu par l'arrestation du recourant le 9 octobre 2005, n'avait pas servi, contrairement aux dires du recourant, à assurer la subsistance de sa famille, mais avait été dictée par son appât du gain; le fait que, comme l'a retenu le jugement pénal concernant cette dernière infraction reproduit dans l'arrêt attaqué, le recourant avait utilisé et impliqué un tiers pour le transport de l'héroïne et qu'en "commettant de nouvelles infractions après son mariage et la légitimation de son séjour en Suisse, soit à un moment où sa famille pouvait enfin aspirer à une certaine stabilité", il avait, agissant de façon "égoïste et peu responsable", "fait fi des répercussions de ses actes délictueux à l'égard de celle-ci". La libération de prison du recourant est en outre encore trop récente pour pouvoir exclure un cas de récidive, au vu de la gravité de la dernière infraction commise et des trois condamnations dont le recourant a fait l'objet en l'espace de quelques années seulement, la dernière remontant à l'année 2005. De plus, il faut prendre en compte: l'existence de liens familiaux (ses parents et son frère) dans son pays d'origine où il a vécu jusqu'en 2001 et de mai 2003 jusqu'en 2004; la possibilité pour le recourant de conserver avec son épouse et ses enfants les liens que permet la distance géographique (téléphone, visites durant les vacances, etc.), étant précisé que Y._, qui est actuellement sans emploi et s'est régulièrement rendue dans ce pays pour des vacances, envisage de suivre le recourant en Macédoine en cas de renvoi; le fait que le jeune âge des quatre enfants du couple, nés respectivement en 2002, en 2006 et en 2010, leur permettrait de s'adapter à la nouvelle vie dans cet Etat (cf. arrêts 2C_418/2009 du 30 novembre 2009 consid. 5.2; 2C_541/2009 du 1er mars 2010 consid. 3.2).
6.3.3 Au vu de ce qui précède, le Tribunal cantonal a procédé à une juste pesée des intérêts non seulement au regard de l'importance accordée à la gravité des infractions commises et de l'intensité de l'intégration familiale et sociale du recourant, mais aussi au sujet du retour de celui-ci dans son pays d'origine et du risque de récidive qui ne saurait être totalement exclu, compte tenu de ses antécédents et de son comportement vis-à-vis des autorités. Les juges cantonaux n'ont en particulier pas abusé de leur pouvoir d'appréciation en retenant que le comportement irréprochable du recourant depuis sa sortie de prison ne saurait, au vu de sa libération encore récente et des autres critères examinés, passer pour si exceptionnelle qu'il conviendrait de relativiser les infractions graves et comportements inappropriés survenus durant les années précédentes (cf. arrêt 2C_36/2009 du 20 octobre 2009 consid. 3.5).
6.4 Vu l'ensemble des circonstances, il apparaît que l'intérêt public à éloigner le recourant l'emporte sur l'intérêt privé de celui-ci et de sa famille à pouvoir vivre ensemble en Suisse. Par conséquent, en rendant l'arrêt attaqué, le Tribunal cantonal n'a violé ni la LEtr ni l'art. 8 CEDH, ni le principe de la proportionnalité.
Certes, dans le cadre de la présente procédure, l'on peut douter de la portée juridique de l'injonction faite au Service cantonal de permettre au recourant de déposer une demande de reconsidération dans un délai de cinq ans à partir du prononcé de l'arrêt querellé. En effet, même sans cette injonction, une demande de réexamen pourrait, de toute façon, être déposée à des conditions semblables fixées par la jurisprudence (cf. arrêt 2C_36/2009 du 20 octobre 2009 consid. 3.2). Il n'y a pas lieu d'entrer plus avant sur ce point, cette injonction n'étant pas contestée.
7. Au vu de ce qui précède, le recours doit être rejeté dans la mesure où il est recevable. Les conclusions du recourant étaient dépourvues de toute chance de succès, de sorte qu'il convient de lui refuser l'assistance judiciaire (<ref-law>). Compte tenu de la situation financière du recourant, il sera toutefois renoncé à mettre les frais à sa charge (art. 65 et 66 al. 1 LTF). Aucun dépens ne sera alloué (<ref-law>).

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté dans la mesure où il est recevable.
2. La demande d'assistance judiciaire est rejetée.
3. Il n'est pas perçu de frais judiciaires.
4. Le présent arrêt est communiqué au mandataire du recourant, au Service de la population et au Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour de droit administratif et public, ainsi qu'à l'Office fédéral des migrations.
Lausanne, le 22 décembre 2010
Au nom de la IIe Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Le Greffier:
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