DE102010029300A1 - Netzwerkschnittstelle und Verfahren zur Datenübertragung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Netzwerkschnittstelle (4) zum Anschließen eines Netzwerkteilnehmers (2.0 bis 2.4) an ein kabelgebundenes Netzwerk und ein Verfahren zur Datenübertragung mittels einer derartigen Netzwerkschnittstelle (4). Die Netzwerkschnittstelle (4) weist zwei Anschlusseinheiten (R, L) und eine mit ihnen verbundene Kopplungseinheit (6) auf, zwischen denen in einem aktiven Betriebszustand der Kopplungseinheit (6) Daten austauschbar sind. In einem deaktiven Betriebszustand der Kopplungseinheit (6) wird automatisch deren Verbindung mit den Anschlusseinheiten (R, L) gesperrt und eine Datennebenleitung (LR.01 bis LR.04) entsperrt, mittels derer die Kopplungseinheit (6) überbrückt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Netzwerkschnittstelle zum Anschließen eines Netzwerkteilnehmers an ein kabelgebundenes Netzwerk und ein Verfahren zur Datenübertragung mittels einer derartigen Netzwerkschnittstelle.
  • Netzwerke zur Datenübertragung, beispielsweise zur Steuerung von Automatisierungssystemen in Schienenfahrzeugen, werden gegenwärtig zur Reduzierung von Kosten für Netzwerkkomponenten und Verkabelung häufig als auf Ethernet basierenden Linienstrukturen realisiert. Die Netzwerkteilnehmer in der Linienstruktur verfügen dabei jeweils über einen Ethernetswitch, welcher die Weiterleitung nicht für sie bestimmter Datentelegramme übernimmt. Beim Ausfall eines Netzwerkteilnehmers oder bei dessen Abschalten wird der darin integrierte Ethernetswitch nicht mehr mit Energie versorgt und die Datenverbindung zu den dahinter liegenden Netzwerkteilnehmern bricht ab, so dass diese Netzwerkteilnehmer nicht mehr erreichbar sind.
  • Zur Lösung dieses Problems sind derzeit insbesondere zwei Verfahren bekannt:
    • 1) Einsatz von Mechanismen für Medienredundanz, d. h. Einsatz redundanter Leitungen. Diese Lösung erfordert jedoch zusätzliche Leitungen, Netzwerkkomponenten (Switches) und die Implementierung von Redundanzprotokollen auf allen Netzwerkkomponenten sowie das Management der Redundanz (Konfiguration, Parametrierung etc.).
    • 2) Bypassschaltungen auf Relaisbasis. Diese Lösung erfordert jedoch viel Bauraum und hat Risiken hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Funktionalität des Netzwerkes wegen der Vielzahl benötigter Relais und insbesondere weil die Relaiskontakte während des Normalbetriebs geschlossen sind und dadurch ihre Qualität durch mechanische Belastungen wie Vibrationen langfristig beeinträchtigt werden kann, was zu einer Störung der Kommunikation über das Netzwerk führen kann.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Netzwerkschnittstelle und einverbessertes Verfahren zur Datenübertragung in einem Datennetzwerk anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Netzwerkschnittstelle durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäße Netzwerkschnittstelle zum Anschließen eines Netzwerkteilnehmers an ein kabelgebundenes Netzwerk, umfasst zwei Anschlusseinheiten zum Anschließen von Datenkabeln und eine mit beiden Anschlusseinheiten verbundene Kopplungseinheit, über die in einem aktiven Betriebszustand Daten von wenigstens einer der beiden Anschlusseinheiten zur anderen Anschlusseinheit weiterleitbar und in einem deaktiven Betriebszustand keine Daten zwischen den beiden Anschlusseinheiten übertragbar sind. Ferner weist die Netzwerkschnittstelle für jede Anschlusseinheit eine elektronische Schalteinheit zum automatischen Sperren der Verbindung der jeweiligen Anschlusseinheit mit der Kopplungseinheit in deren deaktivem Betriebszustand und zum automatischen Entsperren dieser Verbindung im aktiven Betriebszustand der Kopplungseinheit auf. Die Netzwerkschnittstelle umfasst außerdem wenigstens eine die beiden Anschlusseinheiten verbindende Datennebenleitung zur Überbrückung der Kopplungseinheit in deren deaktivem Betriebszustand, und in jeder Datennebenleitung wenigstens ein Schaltelement zum automatischen Sperren der Datennebenleitung im aktiven Betriebszustand der Kopplungseinheit und zum automatischen Entsperren der Datennebenleitung im deaktiven Betriebszustand der Kopplungseinheit.
  • Die erfindungsgemäße Netzwerkschnittstelle ermöglicht eine Datenübertragung zwischen ihren beiden Anschlusseinheiten und damit zwischen mit diesen verbundenen Netzwerkteilnehmern sowohl im aktiven als auch im deaktiven Betriebszustand ihrer Kopplungseinheit. Im aktiven Betriebszustand der Kopplungseinheit erfolgt die Datenübertragung über die Kopplungseinheit, während sie im deaktiven Betriebszustand der Kopplungseinheit über die Datennebenleitung erfolgt. Mit anderen Worten wird die Kopplungseinheit in deren deaktivem Betriebszustand durch die Datennebenleitung überbrückt. Dadurch ermöglicht die erfindungsgemäße Netzwerkschnittstelle, dass über die Netzwerkschnittstelle miteinander verbundene Netzwerkteilnehmer auch dann noch miteinander kommunizieren können, wenn die Kopplungseinheit der Netzwerkschnittstelle ausfällt.
  • Besonders vorteilhaft ist dabei, dass im Normalbetrieb der Netzwerkschnittstelle, d. h. im aktiven Betriebszustand der Kopplungseinheit, ausschließlich elektronische und keine elektromechanischen Schalteinheiten eingesetzt werden. Insbesondere bei intensiver mechanischer Belastung wie beim Einsatz in Schienenfahrzeugen (z. B. bei Rüttelbewegungen) haben elektromechanische Schalteinheiten wie Relais gegenüber elektronischen Schalteinheiten nämlich den Nachteil, durch die mechanischen Belastungen relativ schnell zu verschleißen und dadurch zunehmend unzuverlässiger zu werden.
  • Bei der erfindungsgemäßen Netzwerkschnittstelle werden elektromechanische Schalteinheiten gar nicht oder lediglich als Schaltelemente zur Entsperrung von Datennebenleitungen im Falle eines Ausfalls der Kopplungseinheit der Netzwerkschnittstelle eingesetzt. Dadurch wird die Betriebssicherheit der Netzwerkschnittstelle verbessert und durch Reduzierung der Anzahl elektromechanischer Komponenten außerdem der für die Schalteinheiten benötigte Bauraum reduziert. Elektromechanische Schalter werden, wenn überhaupt, lediglich zur Überbrückung der Kopplungseinheit eingesetzt und sind dabei im Normalbetrieb geöffnet, so dass sie nicht verschleißen können.
  • Die zum Entsperren der Datennebenleitungen eingesetzten Schaltelemente können Relais oder selbstleitende elektronische Bauteile wie z. B. ein oder mehrere Sperrschicht-Feldeffekttransistoren sein. Dabei werden Relais vorzugsweise insbesondere dann eingesetzt, wenn eine hohe galvanische Trennung der Anschlusseinheiten der Netzwerkschnittstelle erforderlich ist und/oder ein niedriger elektrischer Widerstand in der Datennebenleitung erforderlich ist, da typische Relais elektrische Widerstände im Bereich einiger Milliohm haben, während beispielsweise selbstleitende Feldeffekttransistoren Widerstände im Bereich eines Ohm haben.
  • Ferner können erforderlichenfalls zum Schalten der Datennebenleitungen zwei oder mehr Schaltelemente elektrisch in Reihe oder parallel zueinander geschaltet werden. Dadurch kann die Schaltung an die Widerstände der Schaltelemente angepasst werden.
  • Die elektronischen Schalteinheiten können außerdem elektrisch oder optoelektronisch gesteuerte Analogschalteinheiten sein, wodurch sie den jeweiligen Anforderungen optimal angepasst werden können.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Datenübertragung wird mittels einer erfindungsgemäßen Netzwerkschnittstelle in dem deaktiven Betriebszustand der Kopplungseinheit automatisch deren Verbindung mit den Anschlusseinheiten gesperrt und die Datennebenleitung entsperrt und in dem aktiven Betriebszustand der Kopplungseinheit automatisch deren Verbindung mit den Anschlusseinheiten entsperrt und die Datennebenleitung gesperrt. Dadurch wird mit den oben ausgeführten. Vorteilen die Kopplungseinheit der Netzwerkschnittstelle im Falle deren Ausfalls überbrückt.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
  • 1 schematisch ein Netzwerk miteinander verbundener Netzwerkkomponenten,
  • 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Netzwerkschnittstelle, und
  • 3 ein Blockschaltbild einer elektronischen Schalteinheit und Transformatoreinheiten.
  • 1 zeigt schematisch ein kabelgebundenes Netzwerk zur Datenübertragung zwischen Netzwerkteilnehmern 2.0 bis 2.4, die über datenweiterleitende Switcheinheiten 1.1 bis 1.n an einen redundanten Ring 1 angeschlossen sind. Dabei sind einige Netzwerkteilnehmer 2.0, 2.1 direkt mit einer Switcheinheit 1.1 bis 1.n verbunden, während die anderen Netzwerkteilnehmer 2.2 bis 2.4 jeweils nur indirekt über eine Linienstruktur mit einer Switcheinheit 1.1 bis 1.n verbunden sind. Beispielhaft ist eine Linienstruktur mit vier Netzwerkteilnehmern 2.1 bis 2.4 dargestellt, die über eine Switcheinheit 1.2 an den Ring 1 angeschlossen ist. Entsprechend können weitere, nicht dargestellte Linienstrukturen über andere Switcheinheiten 1.1 bis 1.n an den Ring 1 angeschlossen sein.
  • Die Netzwerkteilnehmer 2.1 bis 2.4 der dargestellten Linienstruktur sind untereinander und mit der Switcheinheit 1.2 über Datenkabel 3.1 bis 3.4 verbunden. Dabei verbindet ein erstes Datenkabel 3.1 die Switcheinheit 1.2 mit einem ersten Netzwerkteilnehmer 2.1 und die weiteren Datenkabel 3.2 bis 3.4 verbinden jeweils in der Linienstruktur benachbarte Netzwerkteilnehmer 2.1 bis 2.4 miteinander. Die Netzwerkteilnehmer 2.1 bis 2.4 sind jeweils über eine in 2 näher beschriebene erfindungsgemäße Netzwerkschnittstelle 4 an die jeweiligen Datenkabel 3.1 bis 3.4 angeschlossen.
  • Das Netzwerk ist im betrachteten Ausführungsbeispiel als ein Ethernet-Netzwerk ausgeführt, d. h. die Switcheinheiten 1.1 bis 1.n sind in diesem Ausführungsbeispiel durch Ethernet-Switches und die Datenkabel 3.1 bis 3.4 sind als Ethernet-Datenkabel ausgeführt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Ethernet-Netzwerke beschränkt, sondern ist allgemein in Netzwerken ähnlicher Topologie einsetzbar, in denen elektronische Netzwerkkomponenten wie Switches zur Datenweiterleitung verwendet werden.
  • Netzwerke der beschriebenen Art sind beispielsweise für Automatisierungssysteme in Schienenfahrzeugen verwendbar, wobei die Netzwerkteilnehmer 2.0 bis 2.4 z. B. Untersysteme zur Steuerung von Bremsen, Türen oder Klimaanlagen sind.
  • 2 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Netzwerkschnittstelle 4, mittels derer im dargestellten Beispiel der Netzwerkteilnehmer 2.2 des in 1 dargestellten Netzwerkes an die Datenkabel 3.2, 3.3 der dort dargestellten Linienstruktur anschließbar ist.
  • Die Netzwerkschnittstelle 4 umfasst zwei Anschlusseinheiten L, R zum Anschließen von Datenkabeln 3.1 bis 3.4, eine Kopplungseinheit 6, für jede Anschlusseinheit L, R eine elektronische Schalteinheit LU, RU, Datenhauptleitungen L.01 bis L.04, R.01 bis R.04, Schaltelemente LRU1, LRU2, Datennebenleitungen LR.01 bis LR.04, Schalteinheitsteuerleitungen LU.1, LU.2, Schaltelementsteuerleitungen LRU1.1, LRU2.1 und Transformatoreinheiten LT1, LT2, RT1, RT2.
  • Die Anschlusseinheiten L, R sind über die Datenhauptleitungen L.01 bis L.04, R.01 bis R.04 und die Transformatoreinheiten LT1, LT2, RT1, RT2 mit der Kopplungseinheit 6 verbunden. Dabei verbinden zwei Datenhauptleitungen L.01, L.02 eine erste Transformatoreinheit LT1 mit einem Ausgang einer ersten Anschlusseinheit L und zwei weitere Datenhauptleitungen L.03, L.04 eine zweite Transformatoreinheit LT2 mit einem Eingang der ersten Anschlusseinheit L, wobei die beiden Transformatoreinheiten LT1, LT2 mit der Kopplungseinheit 6 verbunden sind. Entsprechend sind ein Ausgang und ein Eingang der zweiten Anschlusseinheit R über die anderen Datenhauptleitungen R.01 bis R.04 und Transformatoreinheiten RT1, RT2 mit der Kopplungseinheit 6 verbunden.
  • In den mit der ersten Anschlusseinheit L verbundenen Datenhauptleitungen L.01 bis L.04 ist eine erste elektronische Schalteinheit LU angeordnet. Die zweite elektronische Schalteinheit RU ist entsprechend in den mit der zweiten Anschlusseinheit R verbundenen Datenhauptleitungen R.01 bis R.04 angeordnet.
  • Die elektronischen Schalteinheiten LU, RU sind jeweils über Schalteinheitsteuerleitungen LU.1, LU.2 mit der Kopplungseinheit 6 verbunden, so dass sie in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Kopplungseinheit 6 eine Datenübertragung über die Datenhauptleitungen L.01 bis L.04, R.01 bis R.04 zu oder von der Kopplungseinheit 6 sperren oder entsperren können.
  • Die Kopplungseinheit 6 hat einen aktiven Betriebszustand und einen deaktiven Betriebszustand. Im aktiven Betriebszustand wird sie über eine Versorgungsleitung P von dem Netzwerkteilnehmer 2.2 mit einer elektrischen Betriebsspannung versorgt und kann Datenpakete zwischen den Datenhauptleitungen L.01 bis L.04 und R.01 bis R.04 oder/und über Datenverbindungsleitungen 2.2.1 an den Netzwerkteilnehmer 2.2 weiterleiten. Dazu weist sie einen Ethernet-Switch zur Datenvermittlung auf. Im aktiven Betriebszustand der Kopplungseinheit 6 entsperren die Schalteinheiten LU, RU die Datenhauptleitungen L.01 bis L.04 und R.01 bis R.04, so dass über diese eine Datenübertragung zwischen der Kopplungseinheit 6 und den Anschlusseinheiten L, R möglich ist.
  • Wenn die Kopplungseinheit 6 nicht mit einer Betriebsspannung versorgt wird oder defekt bzw. nicht betriebsbereit ist, befindet sie sich im deaktiven Betriebszustand und kann keine Datenpakete zwischen den Datenhauptleitungen L.01 bis L.04 und R.01 bis R.04 oder zu oder von dem Netzwerkteilnehmer 2.2 weiterleiten. Im deaktiven Betriebszustand der Kopplungseinheit 6 sperren die Schalteinheiten LU, RU die Datenhauptleitungen L.01 bis L.04 und R.01 bis R.04 für eine Datenübertragung von und zu der Kopplungseinheit 6.
  • Die Schalteinheiten LU, RU sind in unten näher beschriebener Weise als elektrisch oder optoelektronisch gesteuerte Analogschalteinheiten ausgebildet.
  • Die Datennebenleitungen LR.01 bis LR.04 verbinden die Anschlusseinheiten L, R miteinander und ermöglichen dadurch eine Überbrückung der Kopplungseinheit 6 in deren deaktivem Betriebszustand. In den Datennebenleitungen LR.01 bis LR.04 sind die Schaltelemente LRU1, LRU2 angeordnet, mittels derer die Datennebenleitungen LR.01 bis LR.04 im aktiven Betriebszustand der Kopplungseinheit 6 für eine Datenübertragung zwischen den Anschlusseinheiten L, R gesperrt und im deaktiven Betriebszustand der Kopplungseinheit 6 entsperrt werden. Zur Steuerung der Schaltelemente LRU1, LRU2 in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Kopplungseinheit 6 ist diese über die Schaltelementsteuerleitungen LRU1.1, LRU2.1 mit den Schaltelementen LRU1, LRU2 verbunden.
  • Die Schaltelemente LRU1, LRU2 sind jeweils als Relais ausgeführt. Dies ist insbesondere in Anwendungen vorteilhaft, die eine besonders hohe galvanische Trennung der Anschlusseinheiten L, R erfordern. Alternativ können die Schaltelemente LRU1, LRU2 als selbstleitende elektronische Bauteile, z. B. als Sperrschicht-Feldeffekttransistoren, ausgebildet sein. Erforderlichenfalls können in den einzelnen Datennebenleitungen LR.01 bis LR.04 auch mehrere Schaltelemente LRU1, LRU2 angeordnet sein, die parallel oder in Reihe geschaltet sind.
  • Im Normalbetrieb der Netzwerkschnittstelle 4 befindet sich die Kopplungseinheit 6 im aktiven Betriebszustand. In diesem Zustand werden Daten über die Kopplungseinheit 6 zwischen den Anschlusseinheiten L, R übertragen und/oder zwischen den Anschlusseinheiten L, R und dem an die Kopplungseinheit 6 angeschlossenen Netzwerkteilnehmer 2.2. Im deaktiven Betriebszustand der Kopplungseinheit 6 werden dagegen Daten zwischen den Anschlusseinheiten L, R über die Datennebenleitungen LR.01 bis LR.04 übertragen. In einem Netzwerk wie in dem in 1 dargestellten Beispiel ermöglicht die Netzwerkschnittstelle 4 dadurch vorteilhaft eine Datenübertragung zwischen den Netzwerkteilnehmern 2.1 und 2.3 bei einem Ausfall des Netzwerkteilnehmers 2.2 oder der mit ihm verbundenen Netzwerkschnittstelle 4, so dass die hinter dem Netzwerkteilnehmer 2.2 liegenden Netzwerkteilnehmer 2.3 und 2.4 auch bei einem derartigem Ausfall in dem Netzwerk erreichbar bleiben.
  • 3 zeigt ein Blockschaltbild einer elektronischen Schalteinheit LU und der mit dieser verbundenen Transformatoreinheiten LT1, LT2. Die Schalteinheit LU umfasst elektronische oder optoelektronische Analogschalter A.01 bis A.04, die jeweils eine der Datenhauptleitungen L.01 bis L.04 schalten und über Schalteinheitsteuerleitungen LU.1 mit einer Steuereinheit 7 verbunden sind.
  • Die Steuereinheit 7 ist mit der Kopplungseinheit 6 (in 3 nicht dargestellt) verbunden und steuert die Schaltung der Analogschalter A.01 bis A.04 in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Kopplungseinheit 6. Je nach Ausführung der Analogschalter A.01 bis A.04 ist die Steuereinheit 7 dabei als elektronische (z. B. als DC/DC-Wandler) oder optoelektronische Schalteinheit ausgeführt.
  • Die Transformatoreinheiten LT1, LT2 weisen Transformatoren LT1.1, LT1.2, LT2.1, LT2.2 auf, die mit den Datenhauptleitungen L.01 bis L.04 gemäß 3 verbunden sind. Die Transformatoren LT1.1, LT1.2, LT2.1, LT2.2 verhindern eine direkte elektrische Verbindung der ersten Anschlusseinheit L mit der Kopplungseinheit 6 und isolieren dadurch vorteilhaft die Anschlusseinheit L elektrisch von der Kopplungseinheit 6. Die Transformatoreinheiten LT1, LT2 sind ferner zur Schaltungsstabilisierung über geeignete elektrische Widerstände R1, R2 geerdet. Entsprechend sind die Transformatoreinheiten RT1, RT2 ausgeführt.

Claims (7)

  1. Netzwerkschnittstelle (4) zum Anschließen eines Netzwerkteilnehmers (2.0 bis 2.4) an ein kabelgebundenes Netzwerk, umfassend zwei Anschlusseinheiten (R, L) zum Anschließen von Datenkabeln (3.1 bis 3.4), eine mit beiden Anschlusseinheiten (R, L) verbundene Kopplungseinheit (6), über die in einem aktiven Betriebszustand Daten von wenigstens einer der beiden Anschlusseinheiten (R, L) zur anderen Anschlusseinheit (R, L) weiterleitbar und in einem deaktiven Betriebszustand keine Daten zwischen den beiden Anschlusseinheiten (R, L) übertragbar sind, für jede Anschlusseinheit (R, L) eine elektronische Schalteinheit (LU, RU) zum automatischen Sperren der Verbindung der jeweiligen Anschlusseinheit (R, L) mit der Kopplungseinheit (6) in deren deaktivem Betriebszustand und zum automatischen Entsperren dieser Verbindung im aktivem Betriebszustand der Kopplungseinheit (6), wenigstens eine die beiden Anschlusseinheiten (R, L) verbindende Datennebenleitung (LR.01 bis LR.04) zur Überbrückung der Kopplungseinheit (6) in deren deaktivem Betriebszustand, und in jeder Datennebenleitung (LR.01 bis LR.04) wenigstens ein Schaltelement (LRU1, LRU2) zum automatischen Sperren der Datennebenleitung (LR.01 bis LR.04) im aktiven Betriebszustand der Kopplungseinheit (6) und zum automatischen Entsperren der Datennebenleitung (LR.01 bis LR.04) im deaktiven Betriebszustand der Kopplungseinheit (6).
  2. Netzwerkschnittstelle (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schaltelement (LRU1, LRU2) ein Relais ist.
  3. Netzwerkschnittstelle (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schaltelement (LRU1, LRU2) ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor ist.
  4. Netzwerkschnittstelle (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Schaltelemente (LRU1, LRU2) elektrisch in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sind.
  5. Netzwerkschnittstelle (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine elektronische Schalteinheit (LU, RU) eine elektrisch gesteuerte Analogschalteinheit ist.
  6. Netzwerkschnittstelle (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine elektronische Schalteinheit (LU, RU) eine optoelektronisch gesteuerte Analogschalteinheit ist.
  7. Verfahren zur Datenübertragung mittels einer Netzwerkschnittstelle (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in dem deaktiven Betriebszustand der Kopplungseinheit (6) automatisch deren Verbindung mit den Anschlusseinheiten (R, L) gesperrt und die Datennebenleitung (LR.01 bis LR.04) entsperrt wird und in dem aktiven Betriebszustand der Kopplungseinheit (6) automatisch deren Verbindung mit den Anschlusseinheiten (R, L) entsperrt und die Datennebenleitung (LR.01 bis LR.04) gesperrt wird.
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