CN112637945A - 一种工业互联网络时钟同步的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业互联网络时钟同步的方法和系统，包括一个或多个时钟参数最优的时钟同步主时钟，执行BMCA算法或手动配置确定主时钟以后，若确定了多个主时钟，多个主时钟同时工作。网络中有线连接设备通过5G无线适配器与5G基站进行通信，其他具备5G通信能力的设备直接与5G基站进行通信。若5G基站不是主时钟，则接收到与时钟同步相关的报文以后，执行从时钟的相应操作；若5G基站是主时钟，会周期性广播发送与时钟同步相关的报文。本发明为工业互联网络提供高可靠高精度的时钟同步功能；能够支持有线连接和5G URLLC无线连接同时存在的情况；可以保障工业互联网络体系中的各个设备之间保持严格的时钟同步，保证工业互联网络其他功能的正常运行。

Description

一种工业互联网络时钟同步的方法和系统

技术领域

本发明涉及网络和通信技术领域，特别地，涉及到一种工业互联网络中的时钟同步方法和系统。

背景技术

随着“工业4.0”概念的提出，以总线技术为基础的工业互联网络体系架构正在发生变革。工业自动化控制、远程制造及控制、智能制造等需求的提出，要求工业互联网络具备大带宽、低时延、高可靠的特性，以太网将作为下一代核心网络通信技术应用在这些场景中。确定性网络通过采用时钟同步、流量调度、带宽预留等技术，实现工业互联网络传输的确定性特征，即报文在网络中的传输情况是确定可知的，它能够保障工业互联网络的高可靠、低时延需求。

5G通信的URLLC(Ultra-Relaible and Low Latency Communication，极可靠低时延通信)应用场景，通过采用一系列相关的5G技术，实现了高可靠低时延的无线通信网络。URLLC的特点是高可靠、低时延、极高的可用性，可以广泛应用于工业控制、远程制造、工业自动化、智能制造、智能驾驶、远程医疗等场景。随着工业生产智能化和自动化程度的提高，工业机器人在工厂内得到越来越广泛的使用，这使得工业互联网的网络部署复杂度增大。对采用标准以太网进行有线连接的轨道机器人和机械臂来说，其连接网线或电缆需要考虑多方面因素，网线部署往往较复杂。对工厂内的移动机器人来说，有线连接无法满足其移动性需求，故需要采用无线连接来进行网络通信，以保证机器人和监控台或者其他控制设备之间的通信。URLLC的特点使得其比较适合工业互联网络的无线连接需求，而5G基站的体积和重量都较小，也比较适合在工厂内快速部署和安装。

通信网络中的每个设备都有自己的时钟，由于制造工艺、时钟计算差异、环境变化等原因，随着网络的运行，每个设备的时钟值会出现偏差。由于报文传输的高可靠低时延等要求，各个网络设备之间需要有严格同步的时钟值，以保障报文所携带时间戳的严格统一以及各个设备能够按照统一的时间进行报文收发。因此，工业互联网络中需要有高精度高可靠的时钟同步机制。

IEEE802.1AS协议由TSN(Time Sensitive Networking，时延敏感网络)工作组提出，它可以为网络中的一个域提供高精度高可靠的时钟同步功能。IEEE802.1AS时钟同步的主要内容为：在网络中划分出若干个域，每个域内通过手动配置的方式或者所有时钟选举的方式产生一个主时钟。选举主时钟采用BMCA(Best Master Clock Algorithm)算法，根据域内各个时钟的参数选取参数最优的那个作为主时钟。选定主时钟以后，其他时钟为从时钟，主时钟定期和从时钟之间发送时钟同步报文进行校时，以更新从时钟的本地时间，从而实现网络所有节点间的时钟同步。同步过程中，主从时钟之间还会交互时延测量相关的报文，时延测量报文主要用于测量主从时钟之间的路径延时。在时钟同步时，根据测量结果进行时间值的补偿。

在工业互联网络中，同样存在着多种不同的网络设备，为了满足报文传输的高可靠低时延需求，这些网络设备之间需要进行严格的时钟同步。此外，工厂内部可能同时存在有线通信和5G URLLC无线通信两种情况。因此，需要设计一种有效、可靠的工业互联网的时钟同步方案，该方案可实现高精度高可靠的时钟同步，且能够支持有线连接和无线连接的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工业互联网络时钟同步的方法和系统，为工业互联网络提供高可靠高精度的时钟同步功能。同时，本发明提供的方法和系统能够支持有线连接和5G URLLC无线连接两种方式同时存在的情况。

本发明提出一种工业互联网络时钟同步的方法和系统，其关键点在于，网络中存在一个或多个时钟参数最优的时钟同步主时钟，执行BMCA算法或手动配置确定主时钟以后，若确定了多个主时钟，多个主时钟同时工作。

网络中有线连接设备通过5G无线适配器与5G基站进行通信，具备5G通信能力的设备直接与5G基站进行通信。5G基站可以作为主时钟，也可以不作为主时钟。若5G基站不是主时钟，则接收到与时钟同步相关的报文以后，执行从时钟的相应操作。若5G基站是主时钟，会定期发送与时钟同步相关的报文。

5G无线适配器接收到时钟同步相关报文以后，在调整本地时间与主时钟一致的同时，将相关报文转发给有线连接的设备。具备5G通信能力的其他从时钟，接收到时钟同步相关报文以后，本地进行相应处理。各个从时钟在本地设置过滤算法，丢弃满足过滤条件的报文。

为了实现以上目的，本发明提供的工业互联网络时钟同步的方法和系统具体的技术方案如下：

一种工业互联网络时钟同步的方法和系统，其特征在于，所述工业互联网络时钟同步的方法和系统包括以下步骤：

步骤1：初始时，网络中存在一个或者多个时钟参数最优的时钟设备，所述时钟参数最优的时钟设备包括但不限于无线通信基站、无线适配器、具备无线通信能力的移动机器人，经过手动配置或者执行BMCA算法以后，网络中确定一个或者多个主时钟；

步骤2：所述一个或多个主时钟通过无线广播的方式发送时钟参数信息，并在确定时钟角色为主时钟之后，通过无线广播的方式周期性发送时钟同步相关的报文；

步骤3：所述无线适配器若作为从时钟，则接收到主时钟发送的报文以后，本地执行相应操作，并将报文转发到与本适配器通过有线连接的其他设备上；若作为主时钟，则通过有线连接将时钟参数和时钟同步相关报文发送到与本适配器相连的其他设备，并将所述报文通过无线广播发送到其他无线设备；

步骤4：所述具备无线通信能力的移动机器人和无线通信基站，若作为从时钟，接收到时钟参数信息和时钟同步相关报文以后，本地执行相应操作；若作为主时钟，则通过无线广播的方式发送时钟参数信息，并在确定时钟角色为主时钟之后，通过无线广播的方式周期性发送时钟同步相关的报文。

所述无线通信基站，包括但不限于5G基站gNB、4G LTE基站eNB等，且所述无线通信基站具备TSN时钟同步报文的封装、解封装、识别等能力；

所述无线适配器,包括但不限于5G URLLC无线技术适配、4G LTE无线技术适配、TSN时钟同步报文封装、解封装、识别等，且其具体实现包括但不限于独立的设备、交换机设备的一个模块、服务器设备的一个模块等；

所述具备无线通信能力的移动机器人，具备的无线通信能力包括但不限于5GURLLC无线技术、4G LTE无线技术等。

所述无线广播的方式，可以是利用已有的无线广播技术，在已有的所述无线广播技术中增加字段，以携带相应的内容；是一种新增的无线广播技术，用于广播时钟参数、时钟同步相关报文等；

所述时钟同步相关的报文，包括但不限于主时钟发送的时钟同步报文、时延测量请求报文、时延测量应答报文、Announce报文等。

所述步骤3的从时钟本地执行相应操作，具体为：包括但不限于本地设置过滤或归并算法，对报文进行过滤或者归并处理，发起时延测量请求，获得路径延时的测量值，更新本地时钟和主时钟保持一致等。

所述具备无线通信能力的移动机器人，由于是处于移动的状态，在进行时延测量等相关计算的时候，需要考虑位置信息和位置变化信息，再根据所述位置信息和位置变化信息对路径延时的计算值进行补偿。

5G基站使用GPS/BDS卫星作为授时时钟源，5G无线适配器、有线连接的设备、移动机器人等使用恒温晶振作为时钟源。

当网络中仅有一个主时钟时，若该主时钟为基站主时钟，基站在确定为主时钟以后，定期广播与时钟同步相关的消息。若工厂内存在多个基站，则多个基站之间通过无线广播消息交互时钟同步信息。若该主时钟为5G无线适配器，适配器定期发送时钟同步相关报文。作为主时钟的适配器通过有线连接将报文发送到与本适配器以有线相连的设备上，同时通过5G无线技术广播时钟同步相关报文。若该主时钟为移动机器人，则移动机器人定期通过5G无线技术广播时钟同步相关报文。

从时钟接收到时钟同步相关的报文以后，若从时钟是基站，则在本地进行相应处理的同时，将时钟同步信息无线广播出去。若从时钟是5G无线适配器，则在本地进行相应处理的同时，将时钟同步信息通过有线连接转发到与本适配器相连的所有设备上。若从时钟是具备5G通信能力的移动机器人，则从时钟设备本地进行与时钟同步相关的处理。

从时钟在本地设置过滤算法，丢弃满足过滤条件的报文，对不满足过滤条件的报文，执行请求响应或更新本地时钟等操作。

当网络中有多个主时钟时，各主时钟在确定时钟角色以后，同时开始工作。各主时钟分别发送时钟同步相关报文，若主时钟是5G基站，通过5G无线技术发送；若主时钟是5G无线适配器，适配器同时通过有线连接和5G无线技术发送时钟同步相关报文；若主时钟是具备5G通信能力的移动机器人，则通过5G无线技术广播时钟同步相关报文。

当某个主时钟收到另一个主时钟发送过来的时钟同步相关报文时，根据本地设置的过滤算法判断是丢弃该报文，还是执行请求响应或者更新操作。此时，该接收到时钟同步相关报文的主时钟，只进行本地处理，而不对接收到的时钟同步相关报文进行转发。

当网络中存在多个主时钟时，从时钟设备会接收到多条时钟同步相关的同类报文，多条报文的源地址和目的地址不同。从时钟本地设置过滤算法，根据过滤算法判断是丢弃报文，还是根据报文内容执行响应或更新操作，从不同主时钟发送来的报文分别分开处理。若从时钟是5G基站，则在本地进行相应处理的同时，将时钟同步信息通过5G无线技术广播出去。若从时钟是5G无线适配器，则在本地进行相应处理的同时，将时钟同步信息通过有线连接转发到与本适配器相连的所有设备上。若从时钟是具备5G通信能力的移动机器人，则从时钟设备本地执行与时钟同步相关的操作。

当网络中存在多个主时钟时，若某个主时钟发生故障或者下线，该主时钟会停止发送与时钟同步相关的报文。此时，由于网络中仍然存在其他的主时钟在正常工作，故从时钟仍然能正常接收到时钟同步相关的报文，从而保障时钟同步的可靠性。

时钟同步功能可以采用IEEE802.1AS协议所规定的方法，也可采用如IEEE1588 v2协议所规定的方法。这两种标准协议都提供纳秒级别的高精度的时钟同步方法，TSN网络中建议采用IEEE802.1AS协议所规定的方法和流程。

本发明提供的以上以上方法和步骤，可以在工业生产园区内同时存在多种设备和多种连接方式的情况下，实现整个网络体系的时钟同步功能；IEEE802.1AS协议或IEEE1588v2协议皆是纳秒级别的高精度的时钟同步标准，且通过网络中同时存在多个主时钟的冗余方式，可以保障时钟同步的可靠性；可以保障工业互联网络体系中的各个设备之间保持严格的时钟同步，从而保证工业互联网络其他功能的正常运行。

附图说明

图1是本发明所涉一种工业互联网络时钟同步的方法和系统存在一个基站主时钟的示意图；

图2是本发明所涉一种工业互联网络时钟同步的方法和系统存在一个基站主时钟和一个适配器主时钟的示意图；

图3是本发明所涉一种工业互联网络时钟同步的方法和系统存在两个基站主时钟和一个适配器主时钟的示意图；

图4是本发明所涉一种工业互联网络时钟同步的方法和系统实现时钟同步功能的主要流程。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

实施例1：

此实施例如附图1所示。

初始时，工业互联网络中存在一个时钟参数最优的时钟，该时钟为5G基站设备上的时钟模块，该时钟模块使用GPS/BDS作为授时时钟源。该5G基站上电以后，定期向外广播无线接入信息和时钟参数信息。

网络中其他各个设备在上电以后，具备5G通信能力的无线适配器、移动机器人等，根据接收到的无线接入信息向5G基站发起接入流程。

网络中其他各个设备接入成功后，根据5G基站广播的时钟参数信息，发起BMCA选举算法。通过有线连接到5G无线适配器的设备，将时钟参数信息发送给适配器，若存在时钟参数更优的设备，则适配器将该参数信息通过有线转发给与本适配器相连的其他有线设备，并通过无线向外广播该时钟参数信息。5G基站若发现比自己时钟参数更优的设备，则广播该更优的时钟参数信息。移动机器人若发现比当前时钟参数更优的设备，也广播该更优的时钟参数信息。最终选定5G基站为主时钟，各设备停止广播时钟参数信息。

选定5G基站为主时钟以后，主时钟开始通过无线广播发送时钟同步报文和Announce报文。其中，Announce报文用于表明主时钟当前的工作状态，从时钟通过该报文来判断主时钟是否异常。

5G无线适配器接收到时钟同步报文以后，根据本地设置的过滤算法，判断是否需要根据报文内容执行相应操作。若接收到的时钟同步报文满足过滤条件，则丢弃该报文，否则向5G基站发起时延测量请求。在发起时延测量请求的同时，将该报文通过有线连接转发到与本适配器相连的所有设备。

5G基站接收到5G无线适配器发送的时延测量请求报文以后，开始进行与适配器之间的时延测量流程。基站和适配器之间的时延测量流程结束以后，适配器获得路径延时的值，并将该值转发到与本适配器有线相连的所有设备。

与适配器有线相连的设备，在接收到适配器发送的时钟同步报文以后，根据本地设置的过滤算法，判断该报文的有效性。若是有效的时钟同步报文，则向5G无线适配器发起时延测量流程，以测量与适配器之间的路径延时。

5G无线适配器获得与基站主时钟之间的路径延时的值以后，根据该值对主时钟下发的同步时间进行补偿。然后根据补偿后的值，更新本地时钟值，达到与主时钟保持时钟同步的目的。

5G无线适配器接收到与本适配器有线相连的设备发起的时延测量请求报文以后，开始执行时延测量流程。流程结束后，各个与5G无线适配器有线相连的从时钟设备获得与适配器之间的路径延时的值。

各个与5G无线适配器有线相连的从时钟设备获得与适配器之间的路径延时的值以后，再结合适配器发送过来的适配器与基站之间的路径延时的值，对主时钟下发的同步时间进行补偿。然后根据补偿后的值，更新本地时钟值，达到与主时钟保持时钟同步的目的。

具备5G通信能力的移动机器人，在接收到基站主时钟发送的时钟同步报文以后，根据本地设置的过滤算法，判断是否需要根据报文内容执行相应操作。若接收到的时钟同步报文满足过滤条件，则丢弃该报文，否则向5G基站发起时延测量请求。

基站接收到移动机器人发送的时延测量请求报文以后，执行时延测量流程。在进行与移动机器人之间的时延测量流程的时候，需要考虑机器人的移动速度和GPS定位信息，对路径延时的值进行补偿。

移动机器人获得与基站主时钟之间路径延时的值以后，对主时钟下发的同步时间进行补偿。然后根据补偿后的值，更新本地时钟值，达到与主时钟保持时钟同步的目的。

至此，工业互联网络中的各个设备都与基站主时钟保持时钟同步，实现了严格的时钟同步功能。

实施例2：

此实施例如附图2所示。

与实施例1相比，不同之处在于，初始时，工业互联网络中存在两个时钟参数最优的时钟，分别为5G基站设备上的时钟模块和5G无线适配器上的时钟模块。基站时钟模块使用GPS/BDS作为授时时钟源，适配器的时钟模块使用恒温晶振作为授时时钟源。该5G基站上电以后，定期向外广播无线接入信息和时钟参数信息。拥有最优时钟参数的适配器，在上电以后不广播信息。

与实施例1相比，不同之处在于，拥有最优时钟参数的适配器，在接收到其他设备通过有线或者无线发送的时钟参数信息以后，由于其自身的参数是最优的，故不会广播更优的时钟参数信息。

与实施例1相比，不同之处在于，BMCA算法执行完毕以后，网络中有两个设备为主时钟设备，确定了两个主时钟。

网络确定了两个主时钟以后，它们同时开始工作，周期性通过5G无线广播技术发送时钟同步报文和Announce报文，发送的周期根据需求确定，可以相同，也可以不同。

与实施例1相比，不同之处在于，从时钟设备会收到来自不同主时钟的时钟同步报文。若从时钟设备接收到的时钟同步报文来自于5G无线适配器，从时钟发起的时延测量流程所测量的，即为从时钟设备与主时钟适配器之间的路径时延。进一步地，如果从时钟设备是与作为主时钟的适配器有线连接的，则通过时延测量流程获得的路径时延的值只有从时钟与适配器之间的路径时延。

当某个主时钟设备发生故障以后，由于网络中仍然存在其他正常工作的冗余主时钟设备，从时钟仍然可以正常接收到时钟同步相关的报文，从而时钟同步功能不受影响。

至此，工业互联网络中的各个设备之间实现了严格的时钟同步功能，且不会受到某个主时钟发生故障的影响，保障了时钟同步功能的可靠性。

实施例3：

与实施例1相比，不同之处在于，初始时，工业互联网络中存在两个时钟参数最优的时钟，分别为5G基站设备上的时钟模块和移动机器人上的时钟模块。基站时钟模块使用GPS/BDS作为授时时钟源，移动机器人的时钟模块使用恒温晶振作为授时时钟源。该5G基站上电以后，定期向外广播无线接入信息和时钟参数信息。拥有最优时钟参数的移动机器人，在上电以后不广播信息。

与实施例2相比，不同之处在于，当从时钟设备接收到的时钟同步报文来自移动机器人时，从时钟发起与移动机器人之间的时延测量流程。由于移动机器人是移动的，故时延测量流程中需要考虑移动机器人的位置信息，以对路径时延的测量值进行补偿。

当某个主时钟设备发生故障以后(比如移动机器人主时钟发生故障)，由于网络中仍然存在其他正常工作的冗余主时钟设备(5G基站)，从时钟仍然可以正常接收到时钟同步相关的报文，从而时钟同步功能不受影响

通过本实施例所提供的方法，可以实现工业互联网络设备之间的严格的时钟同步功能，且不会受到某个主时钟发生故障的影响，保障了时钟同步功能的可靠性。

实施例4：

此实施例如附图3所示。

初始时，工业互联网络中存在三个时钟参数最优的时钟，分别为5G基站A设备上的时钟模块、5G基站B设备上的时钟模块和5G无线适配器上的时钟模块。基站A和基站B的时钟模块使用GPS/BDS作为授时时钟源，适配器的时钟模块使用恒温晶振作为授时时钟源。5G基站A和5G基站B上电以后，定期向外广播无线接入信息和时钟参数信息。拥有最优时钟参数的适配器，在上电以后不广播信息。

具备5G通信能力的设备接收到基站广播的无线接入信息以后，发起无线接入流程。由于各个设备会接收到两个不同基站发送无线接入信息，设备根据无线信号强度择优或者其他择优原则，选择其中的一个基站接入。

与实施例2相比，不同之处在于，BMCA算法执行完毕以后，网络中有三个设备为主时钟设备，确定了三个主时钟，分别为基站A、基站B和拥有最优时钟参数的适配器。

与实施例2相比，不同之处在于，确定三个不同的主时钟以后，它们周期性通过5G无线广播技术发送时钟同步报文和Announce报文。时钟同步报文和Announce报文发送的周期根据需求确定，可以相同，也可以不同。

与实施例2相比，不同之处在于，从时钟设备会收到来自三个不同主时钟的时钟同步报文。当从时钟收到不同主时钟发送的时钟同步报文以后，分别与不同的主时钟发起时延测量流程。进一步地，如果从时钟设备是与作为主时钟的适配器有线连接的，则通过时延测量流程获得的路径时延的值只包括从时钟与适配器之间的路径时延。

与实施例2相比，不同之处在于，基站主时钟会接收到另一个基站主时钟发送的时钟同步报文。由于两个基站的时钟参数相同，故当基站接收到另一个基站发送的时钟同步报文时，将该报文丢弃，不做处理。

当某个主时钟设备发生故障以后(比如基站A)，由于网络中仍然存在其他正常工作的冗余主时钟设备(基站B和适配器主时钟)，从时钟仍然可以正常接收到时钟同步相关的报文，从而时钟同步功能不受影响。

通过本实施例所提供的方法，可以实现工业互联网络设备之间的严格的时钟同步功能，且不会受到某个主时钟发生故障的影响，保障了时钟同步功能的可靠性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种工业互联网络时钟同步的方法和系统，其特征在于，所述工业互联网络时钟同步的方法和系统包括以下步骤：

步骤1：初始时，网络中存在一个或者多个时钟参数最优的时钟设备，所述时钟参数最优的时钟设备包括但不限于无线通信基站、无线适配器、具备无线通信能力的移动机器人，经过手动配置或者执行BMCA算法以后，网络中确定一个或者多个主时钟；

步骤2：所述一个或多个主时钟通过无线广播的方式发送时钟参数信息，并在确定时钟角色为主时钟之后，通过无线广播的方式周期性发送时钟同步相关的报文；

步骤3：所述无线适配器若作为从时钟，则接收到主时钟发送的报文以后，本地执行相应操作，并将报文转发到与本适配器通过有线连接的其他设备上；若作为主时钟，则通过有线连接将时钟参数和时钟同步相关报文发送到与本适配器相连的其他设备，并将所述报文通过无线广播发送到其他无线设备；

步骤4：所述具备无线通信能力的移动机器人和无线通信基站，若作为从时钟，接收到时钟参数信息和时钟同步相关报文以后，本地执行相应操作；若作为主时钟，则通过无线广播的方式发送时钟参数信息，并在确定时钟角色为主时钟之后，通过无线广播的方式周期性发送时钟同步相关的报文。

2.根据权利要求1所述的工业互联网络时钟同步的方法和系统，其特征在于，所述步骤1中：

所述无线通信基站，包括但不限于5G基站gNB、4G LTE基站eNB等，且所述无线通信基站具备TSN时钟同步报文的封装、解封装、识别等能力；

所述无线适配器,包括但不限于5G URLLC无线技术适配、4G LTE无线技术适配、TSN时钟同步报文封装、解封装、识别等，且其具体实现包括但不限于独立的设备、交换机设备的一个模块、服务器设备的一个模块等；

所述具备无线通信能力的移动机器人，具备的无线通信能力包括但不限于5G URLLC无线技术、4G LTE无线技术等。

3.根据权利要求1所述的工业互联网络时钟同步的方法和系统，其特征在于，所述步骤2还包括：

所述无线广播的方式，可以是利用已有的无线广播技术，在已有的所述无线广播技术中增加字段，以携带相应的内容；是一种新增的无线广播技术，用于广播时钟参数、时钟同步相关报文等；

所述时钟同步相关的报文，包括但不限于主时钟发送的时钟同步报文、时延测量请求报文、时延测量应答报文、Announce报文等。

4.根据权利要求1所述的工业互联网络时钟同步的方法和系统，其特征在于，所述步骤3的从时钟本地执行相应操作，具体为：包括但不限于本地设置过滤或归并算法，对报文进行过滤或者归并处理，发起时延测量请求，获得路径延时的测量值，更新本地时钟和主时钟保持一致等。

5.根据权利要求1所述的工业互联网络时钟同步的方法和系统，其特征在于，所述步骤4中，具备无线通信能力的移动机器人，由于是处于移动的状态，在进行时延测量等相关计算的时候，需要考虑位置信息和位置变化信息，再根据所述位置信息和位置变化信息对路径延时的计算值进行补偿。

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