JP2005258242A - 暗号化回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 秘匿性を増強した暗号化回路を提供する。
【解決手段】 ｎビット選択回路４は設定されたｎビットにより乱数発生回路５からの乱数パターンのうちのｎビットを選択する。スクランブルパターン発生回路２は暗号パターン発生回路１からの暗号パターンとｎビット選択回路からの乱数パターンとからスクランブルパターンを作り出す。データ暗号化回路３はスクランブルパターンによって入力信号を暗号化して暗号化データを出力する。乱数キーフレーム同期発生回路８は乱数発生回路からの乱数パターンに対する同期信号である乱数キーフレーム同期信号を発生する。乱数キーフレーム構成回路６は乱数発生回路からの乱数パターンと乱数キーフレーム同期信号とから乱数キーフレームを構成する。キーフレーム挿入回路７は暗号化データに乱数キーフレームを挿入して出力信号とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、暗号化回路、特にセキュリティの確保が必要とされる重要な情報データを伝送する機器に使用される暗号化回路に関する。

最近の各種データ伝送装置では、伝送される情報データのセキュリティの確保が重要な課題となるものが多くなってきている。特に無線を使用した通信が多様化され始めた現在、このような課題を解決するための技術は今後早急に確立させることが望まれよう。

この種の従来技術（暗号化回路）の例を図６および図７に示す（文献公知発明に係るものではない）。図６に示す送信側において、暗号パターン発生回路１は、設定された外部キーから暗号パターンを発生し、スクランブルパターン発生回路２は暗号パターンと乱数発生回路５から出力される乱数パターンとから暗号用スクランブルパターンを作り出す。データ暗号化回路３は、スクランブルパターンによってデータ信号を暗号化INHタイミング発生回路１０からのタイミングで暗号化する。

また、キーフレーム挿入回路７は、暗号化されたデータ信号に乱数発生回路５からの乱数パターンを暗号化INHタイミング発生回路１０からのキーフレーム挿入タイミングで挿入する。データ同期挿入回路９は、キーフレーム挿入回路７からの出力にデータ同期信号を挿入して送信信号とする。

図７に示す受信側では、データ同期検出回路１１は、受信信号のうちのデータ同期信号によって、暗号化され乱数パターンが挿入されているデータ信号を検出し、データ暗号解除回路１３に出力する。乱数パターン検出回路１４は、データ同期検出回路１１の出力から乱数パターンを検出する。

暗号パターン発生回路１は、設定された外部キーから暗号パターンを発生し、暗号用スクランブルパターン発生回路２は、暗号パターンと乱数パターンとから暗号用スクランブルパターンを検出する。データ暗号解除回路１３は、暗号用スクランブルパターンによって暗号を解除したデータ信号を得る。

上記の技術の他に、スクランブルキーを分割して別々の場所に保存し、またスクランブルキーの一部をユーザーの身辺に存在しないようにした技術も知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、秘密鍵の使用後に、アクセスパスフレーズと所定の情報とからスクランブルキーを生成し、スクランブルキーによって秘密鍵を暗号化・保存し、所定の情報は通信相手に送って自分のコンピュータから消滅させる。次回の秘密鍵使用時には、アクセスパスフレーズを通信相手に送ることによって所定の情報を受信し、アクセスパスフレーズと所定の情報とからスクランブルキーを復元し、これによって秘密鍵を復元する。

特開平９−２０５４１９（第１頁ー第４頁、図１）

古くからの暗号化回路では、その秘匿性が外部キーと伝送機器が持つ乱数発生回路のみであるため、秘匿性が必ずしも十分でない面があるという問題点があった。すなわち、外部キーは、一般的に送受側が同じ内容を持ち、予め相互の認識でキーの内容変更も含めた操作を行うものであるため、部外への情報漏れは十分想定できるキーであるとの認識が必要である。また、外部キーから発生させられる暗号パターンはランダム発生とはいいながら、ある周期で繰り返される情報パターンであるため、どうしても規則性がでることになる。よって、ある一定のキーのパターンを継続的に使用していると、キーの情報が手に入らなくても、暗号用のパターンは解読することが可能と考えられる。

そのため、上述した従来技術では、キー以外の暗号化条件として、伝送機器内に乱数発生回路を設け予測できないパターンを作り出し、すぐ消滅するキ―として使用され始めた。しかし、すぐ消滅する乱数を使用した特殊キーで暗号化した場合は、解読するためにもその乱数が必要となり、送信するデータ内に乗せで送る方式が採用さている。この乱数キーの情報は、送受信機器管理者を含め部外者の誰も知ることが不可能となるが、送信するデータ回線上に乗せたことで、回線の送信途中でデータを取り込み解読することは可能であるため、ある程度の知識と時間があればデータの復元は可能となってしまう。

そこで、本発明の目的は、伝送路途中での情報取得ではキー解析が複雑化して困難となることにより秘匿性を増強した暗号化回路を提供することにある。

請求項１記載の発明は、設定されたキーから暗号パターンを発生する暗号パターン発生回路（図１の１）と、乱数パターンを発生する乱数発生回路（図１の５）と、設定されたｎビットにより乱数発生回路からの乱数パターンのうちのｎビットを選択するｎビット選択回路（図１の４）と、暗号パターンとｎビット選択回路からの乱数パターンとからスクランブルパターンを作り出すスクランブルパターン発生回路（図１の２）と、スクランブルパターンによって入力信号を暗号化して暗号化データを出力するデータ暗号化回路（図１の３）と、暗号化データに前記乱数発生回路からの乱数パターンを挿入して出力信号とするキーフレーム挿入回路（図１の７）とを送信側に設け、送信側の出力信号から乱数パターンを検出する乱数パターン検出回路（図２の１４）と、送信側と同一のｎビットにより乱数パターンのうちのｎビットを選択するｎビット選択回路（図２の４）と、送信側と同一のキーから暗号パターンを発生する暗号パターン発生回路（図２の１）と、暗号パターンとｎビット選択回路からの乱数パターンとからスクランブルパターンを作り出すスクランブルパターン発生回路（図２の２）と、送信側の出力信号をスクランブルパターンによって解除してデータ信号を得るデータ暗号解除回路（図２の１３）とを受信側に設けたことを特徴とする暗号化回路である。

つまり、送信側および受信側に、同じ機能を有する暗号パターン発生回路１，スクランブルパターン発生回路２およびｎビット選択回路４を備える。送信側では、設定されたキーで暗号パターンを発生させると共に、設定されたｎビットにより乱数パターンのうちの一部を選択し、暗号パターンと選択された乱数パターンとによりスクランブルパターンを生成する。そして、スクランブルパターンによって入力信号を暗号化して送信する。

受信側では、受信信号（送信側の送信信号）から乱数パターンを検出後、送信側と同じキーで暗号パターンを発生させると共に、送信側と同じｎビットにより乱数パターンのうちの一部を選択し、暗号パターンと選択された乱数パターンとにより送信側と同じスクランブルパターンを生成する。そして、このスクランブルパターンによって受信信号の暗号を解除してデータ信号を得る。

請求項２記載の発明は、設定されたキーから暗号パターンを発生する暗号パターン発生回路（図１の１）と、乱数パターンを発生する乱数発生回路（図１の５）と、設定されたｎビットにより乱数発生回路からの乱数パターンのうちのｎビットを選択するｎビット選択回路（図１の４）と、暗号パターンとｎビット選択回路からの乱数パターンとからスクランブルパターンを作り出すスクランブルパターン発生回路（図１の２）と、スクランブルパターンによって入力信号を暗号化して暗号化データを出力するデータ暗号化回路（図１の３）と、乱数発生回路からの乱数パターンに対する同期信号である乱数キーフレーム同期信号を発生する乱数キーフレーム同期発生回路（図１の８）と、乱数発生回路からの乱数パターンと乱数キーフレーム同期信号とから乱数キーフレームを構成する乱数キーフレーム構成回路（図１の６）と、暗号化データに乱数キーフレームを挿入して出力信号とするキーフレーム挿入回路（図１の７）を送信側に設け、送信側の出力信号から乱数キーフレームを検出するキーフレーム同期検出回路（図２の１２）と、乱数キーフレームから乱数パターンを検出する乱数パターン検出回路（図２の１４）と、送信側と同一のｎビットにより乱数パターンのうちのｎビットを選択するｎビット選択回路（図２の４）と、送信側と同一のキーから暗号パターンを発生する暗号パターン発生回路（図２の１）と、暗号パターンとｎビット選択回路からの乱数パターンとからスクランブルパターンを作り出すスクランブルパターン発生回路（図２の２）と、送信側の出力信号をスクランブルパターンによって解除してデータ信号を得るデータ暗号解除回路（図２の１３）とを受信側に設けたことを特徴とする暗号化回路である。

この発明は、請求項１記載の発明の送信側には乱数キーフレーム同期発生回路と乱数キーフレーム構成回路を付加し、これに伴って必要な変更をキーフレーム挿入回路に施している。これらの手段によって、送信する乱数パターンに対する同期信号である乱数キーフレーム同期信号と乱数パターンとで乱数キーフレームを構成し、これを暗号化データに挿入して送信する。

また、受信側ではキーフレーム同期検出回路を付加して乱数キーフレーム同期信号を検出し、これによって乱数パターンを検出するようにしている。

本発明の暗号化回路によれば、送信側にｎビット選択回路を設けたため、暗号パターンとともにスクランブルパターンを発生するときに使用する乱数パターンは固定的な長さとはならないので、スクランブルパターンはよりランダム性のある特性を持つ効果がある。更に、ｎビットの設定により外部キーとは異なる周期で秘匿性の周期を化変させる効果も生まれる。

また、乱数キーフレーム同期発生回路と乱数キーフレーム構成回路を設けることにより、データ信号のｍフレーム内で可変長の乱数パターンを効率よく送れる効果がある。更に、乱数パターンを主信号ｍフレーム分となるマルチフレーム構成で送ることにより、伝送路途中での情報取得ではキー解析がさらに複雑となる効果が発生する。

本発明の暗号化回路の送信側には、設定されたキーから暗号パターンを発生する暗号パターン発生回路と、乱数パターンを発生する乱数発生回路と、設定されたｎビットにより乱数発生回路からの乱数パターンのうちのｎビットを選択するｎビット選択回路と、暗号パターンとｎビット選択回路からの乱数パターンとからスクランブルパターンを作り出すスクランブルパターン発生回路と、スクランブルパターンによって入力信号を暗号化して暗号化データを出力するデータ暗号化回路と、乱数発生回路からの乱数パターンに対する同期信号である乱数キーフレーム同期信号を発生する乱数キーフレーム同期発生回路と、乱数発生回路からの乱数パターンと乱数キーフレーム同期信号とから乱数キーフレームを構成する乱数キーフレーム構成回路と、暗号化データに乱数キーフレームを挿入して出力信号とするキーフレーム挿入回路を設ける。

また、本発明の暗号化回路の受信側には、送信側の出力信号から乱数キーフレームを検出するキーフレーム同期検出回路と、乱数キーフレームから乱数パターンを検出する乱数パターン検出回路と、送信側と同一のｎビットにより乱数パターンのうちのｎビットを選択するｎビット選択回路と、送信側と同一のキーから暗号パターンを発生する暗号パターン発生回路と、暗号パターンとｎビット選択回路からの乱数パターンとからスクランブルパターンを作り出すスクランブルパターン発生回路と、送信側の出力信号をスクランブルパターンによって解除してデータ信号を得るデータ暗号解除回路とを受信側に設ける。

図１は本発明の暗号化回路の送信側、図２は本発明の暗号化回路の受信側を示す。

図１に示す送信側は、図６に示した従来の暗号化回路の送信側に、ｎビット選択回路４，乱数キーフレーム構成回路６および乱数キーフレーム同期発生回路８を付加した構成となっている。

暗号パターン発生回路１は、設定された外部キー102から暗号パターン103を発生し、乱数発生回路５は乱数パターン105を発生する。ｎビット選択回路４は、外部から設定されるｎビット106により、乱数発生回路５からの乱数パターン105のうちのｎビットを選択する。外部キー102とｎビット106の設定は、回線管理者または機器管理者が行う。しかし、この部分を機器内に取り込んで自動的に管理するようにしてもよい。

スクランブルパターン発生回路２は、暗号パターン発生回路１からの暗号パターン103と、ｎビット選択回路４からの乱数パターン105とからスクランブルパターン104を作り出す。本発明では、このように外部キー102とｎビット106という２つのキーによりスクランブルパターン104を生成する。データ暗号化回路３は、スクランブルパターン104によって入力信号101を暗号化して暗号化データ110を出力する。暗号化のタイミングは暗号化INHタイミング発生回路１０からの暗号化INHタイミング111による。

乱数キーフレーム同期発生回路８は、乱数パターン105に対する同期信号である乱数キーフレーム同期信号108を発生する。乱数キーフレーム構成回路６は、乱数パターン105と乱数キーフレーム同期信号108とから乱数キーフレーム109を構成する。キーフレーム挿入回路７は、暗号化データ110に乱数キーフレーム構成回路６からの乱数キーフレーム109を挿入して出力信号113とする。そのタイミングは、暗号化INHタイミング発生回路１０からのキーフレーム挿入タイミング112による。データ同期挿入回路９は、出力信号113にPCMフレーム同期信号を挿入して（付け替えて）出力信号114とする。

図２の受信側は、図４に示した従来の暗号化回路の受信側に、ｎビット選択回路１４およびキーフレーム同期検出回路１２を付加した構成となっている。

データ同期検出回路１１は、受信した入力信号201のうちのPCMフレーム同期信号によって、暗号化され乱数パターンが挿入されている入力信号202を検出して、キーフレーム同期検出回路１２に出力する。キーフレーム同期検出回路１２は入力信号202から乱数キーフレーム203を検出し、また暗号化データ信号206を出力する。乱数パターン検出回路１４は、乱数キーフレーム203から乱数パターン204を検出する。ｎビット選択回路４は、乱数パターン204からｎビット206によってｎビット選択乱数パターン207を選択する。

暗号パターン発生回路１は、設定された外部キー206から暗号パターン209を発生し、スクランブルパターン発生回路２は、暗号パターン209とｎビット選択乱数パターン207とからスクランブルパターン210を検出する。データ暗号解除回路１３は、暗号化データ信号206の暗号をスクランブルパターン210によって解除して、データ信号211を得る。

次に、以上のように構成された本暗号化回路の動作について図３および図４を参照して説明する。図３および図４は、図１に示した送信側の動作を説明するためのタイミングチャートである。図３では細い枠は８ビットを示し、図４では細い枠は１ビットを示ている。図３のデータ暗号化回路３に入力してくる入力信号101は、128個のチャンネルで構成されるPCMフレームのPCM信号である。図４のトップに示すように、PCMフレームの先頭のチャンネルはPCM同期信号を搬送し、最後尾のチャンネルは空チャンネル、残余のチャンネルはデータを搬送する。各チャンネルは８ビット構成である。

図３は、図１の上方の回路に対するものである。乱数キーフレーム同期発生回路８が発生している乱数キーフレーム同期信号108は、例えば「10101010」のような特定の８ビットパターンであり、乱数発生回路５が発生している乱数パターン105は、入力信号101のデータ構成に対応した８ビットパターンである。乱数キーフレーム同期信号108と乱数パターン105が重なる部分では、乱数パターン105は乱数キーフレーム構成回路６によって乱数キーフレーム同期信号108で置き換えられて乱数キーフレーム109とされ、キーフレーム挿入回路７に供給される。

乱数パターン105は、またｎビット選択回路４によって１６ビットが選択され、ｎビット選択乱数パターン107とされる。ｎビット選択乱数パターン107は、暗号パターン発生回路１が発生している暗号パターン103に対して、スクランブルパターン発生回路２においてスクランブルをかけるのに使用され、その結果により発生されるスクランブルパターン104がデータ暗号化回路３に供給される。

図４は、図１の下方の回路の動作を示す。暗号化INHタイミング発生回路１０は、暗号化INHタイミング111をデータ暗号化回路３に、キーフレーム挿入タイミング112をキーフレーム挿入回路７にそれぞれ供給している。

データ暗号化回路３に入力してくる入力信号101は、暗号化INHタイミング111のタイミングで暗号用スクランブルパターン104によって暗号化され暗号化データ110とされる。このとき、入力信号101のうちのPCMフレーム同期信号は暗号化INHタイミング111によって暗号化を阻止される。暗号化データ110のうちの最語尾チャンネルは空のままである。

この空チャンネルに、キーフレーム挿入回路９によって乱数キーフレーム109が挿入されて出力信号113とされる。更に、出力信号113のうちの乱数キーフレーム同期信号がデータ同期挿入回路９において、付け替えられて最終的な出力信号となる。この付替えは、当初の乱数キーフレーム同期信号が処理の過程で劣化する場合があることに備えたものである。

図５は、図２に示した受信側の動作を説明するためのタイミングチャートである。図５では細い枠は１ビットを示ている。データ同期検出回路１１に入力してくる入力信号201は、図１の送信側からの出力信号114である。この入力信号201は、データ同期検出回路１１においてPCMフレーム同期信号が検出されて、そのまま入力信号202としてキーフレーム同期検出回路１２に出力される。PCMフレーム同期信号は、データ同期検出回路１１において、暗号化され乱数パターンが挿入されているデータ信号を検出するために使用される。

入力信号202は、キーフレーム同期検出回路１２において、乱数キーフレーム203（図３，図４の乱数キーフレーム109と同じ）と暗号化データ206（図４の暗号化データ110と同じ）に分離される。乱数キーフレーム203は乱数パターン検出回路１４、暗号パターン206はデータ暗号解除回路１３にそれぞれ供給される。

乱数キーフレーム203からは乱数パターン検出回路１４によって乱数パターン204（図３の乱数パターン105と同じ）が検出され、乱数パターン204からはｎビット選択回路４によってｎビット選択乱数パターン207（図３のｎビット選択乱数パターン107と同じ）が選択される。このとき使用されるｎビット206も図１におけるｎビット106と同じである。

一方、暗号パターン発生回路１は外部キー208（図１の外部キー102と同じ）から暗号パターン209（図３の暗号パターン103と同じ）を発生してスクランブルパターン発生回路１２に供給している。スクランブルパターン発生回路１２では、暗号パターン209とｎビット選択乱数パターン207とからスクランブルパターン210（図３，図４のスクランブルパターン104と同じ）が発生され、データ暗号解除回路１３に供給される。このときのスクランブルパターン210の発生は、１暗号パターン周期だけ遅れる。データ暗号解除回路１３では、暗号化データ206の暗号をスクランブルパターン210によって解除してデータ信号211（図４の入力信号101と同じ）を得る。

以上に説明したように、本発明では外部キー102とｎビット106という外部設定の２重キーを使用して、暗号化のためのスクランブルパターン104を作り出す。すなわち、外部キー102から暗号パターン103を発生し、かつ乱数発生回路５が発生する乱数パターン105のうちのｎビットを選択してｎビット選択乱数パターン107とする。そして、ｎビット選択乱数パターン107は、ｎビット106の設定により制御されることによって可変長とすることができる。

したがって、暗号パターン103とｎビット選択乱数パターン107とによってスクランブルパターン発生回路２で発生されるスクランブルパターン104は、上述のその乱数ビット長の変化によりランダム性のある特性を持つこととなり、ｎビット106の設定により外部キー102とは異なる周期で秘匿性の周期を可変とさせ、その結果、秘匿性を向上させることができる。

また、乱数パターン105を乱数キーフレーム構成回路６に送り、乱数キーフレーム同期発生回路８からの乱数キーフレーム同期信号108と合わせて乱数キーフレーム109を構築し、キーフレーム挿入回路７で暗号化データ110に挿入して送信する構成としたため、暗号化データ110のｍフレーム内で乱数パターン105を効率よく送ることができる。

受信側では、受信した入力信号についてキーフレーム同期検出回路１２が乱数キーフレーム203と暗号化データ206とに分離し、乱数パターン検出回路１４が乱数キーフレーム203から検出した乱数パターン204のうちの必要なビット数のみがｎビット選択回路４で取り込まれスクランブルパターン発生回路２に送られる。このようにして得られたｎビット選択乱数パターン204は送信側のｎビット選択乱数パターン107と同一内容である。

また、暗号パターン発生回路１が発生する暗号パターン209も送信側の暗号パターン103と同一内容である。したがって、スクランブルパターン発生回路２は、送信側と同一内容のスクランブルパターン210を得ることができるので、データ暗号解除回路１３において暗号化データ206は暗号が正しく解除される。

実施例１の送信側の回路を示す図１から、乱数キーフレーム同期発生回路８と乱数キーフレーム構成回路６を削除し、かつ実施例１の受信側の回路を示す図２から、キーフレーム同期検出回路１２を削除した実施例が考えられる。これによって乱数キーフレーム同期発生回路８が発生する乱数キーフレーム同期信号が無くなるため、乱数パターン送信の効率と伝送路途中の秘匿性が低下するものの、外部キーとｎビットとによる二重キーによる秘匿性は維持できる。

本発明の暗号化回路の送信側を例示するブロック図 本発明の暗号化回路の受信側を例示するブロック図 図１に示した回路の前半部のタイムチャートを示す図 図１に示した回路の後半部のタイムチャートを示す図 図２に示した回路のタイムチャートを示す図 従来の暗号化回路の送信側を例示するブロック図 従来の暗号化回路の受信側を例示するブロック図

符号の説明

１ 暗号パターン発生回路
２ スクランブルパターン発生回路
３ データ暗号化回路
４ ｎビット選択回路
５ 乱数発生回路
６ 乱数キーフレーム構成回路
７ キーフレーム挿入回路
８ 乱数キーフレーム同期発生回路
９ データ同期挿入回路
１０ 暗号化INHタイミング発生回路
１１ データ同期検出回路
１２ キーフレーム同期検出回路
１３ データ暗号解除回路
１４ 乱数パターン検出回路

Claims (2)

1. 設定されたキーから暗号パターンを発生する暗号パターン発生回路と、
   乱数パターンを発生する乱数発生回路と、
   設定されたｎビットにより前記乱数発生回路からの乱数パターンのうちのｎビットを選択するｎビット選択回路と、
   前記暗号パターンと前記ｎビット選択回路からの乱数パターンとからスクランブルパターンを作り出すスクランブルパターン発生回路と、
   前記スクランブルパターンによって入力信号を暗号化して暗号化データを出力するデータ暗号化回路と、
   前記暗号化データに前記乱数発生回路からの乱数パターンを挿入して出力信号とするキーフレーム挿入回路とを送信側に設け、
   送信側の前記出力信号から前記乱数パターンを検出する乱数パターン検出回路と、
   送信側と同一のｎビットにより前記乱数パターンのうちのｎビットを選択するｎビット選択回路と、
   送信側と同一のキーから暗号パターンを発生する暗号パターン発生回路と、
   前記暗号パターンと前記ｎビット選択回路からの乱数パターンとからスクランブルパターンを作り出すスクランブルパターン発生回路と、
   送信側の前記出力信号を前記スクランブルパターンによって解除してデータ信号を得るデータ暗号解除回路とを受信側に設けたことを特徴とする暗号化回路。
2. 設定されたキーから暗号パターンを発生する暗号パターン発生回路と、
   乱数パターンを発生する乱数発生回路と、
   設定されたｎビットにより前記乱数発生回路からの乱数パターンのうちのｎビットを選択するｎビット選択回路と、
   前記暗号パターンと前記ｎビット選択回路からの乱数パターンとからスクランブルパターンを作り出すスクランブルパターン発生回路と、
   前記スクランブルパターンによって入力信号を暗号化して暗号化データを出力するデータ暗号化回路と、
   前記乱数発生回路からの乱数パターンに対する同期信号である乱数キーフレーム同期信号を発生する乱数キーフレーム同期発生回路と、
   前記乱数発生回路からの乱数パターンと前記乱数キーフレーム同期信号とから乱数キーフレームを構成する乱数キーフレーム構成回路と、
   前記暗号化データに前記乱数キーフレームを挿入して出力信号とするキーフレーム挿入回路とを送信側に設け、
   送信側の前記出力信号から前記乱数キーフレームを検出するキーフレーム同期検出回路と、
   前記乱数キーフレームから乱数パターンを検出する乱数パターン検出回路と、
   送信側と同一のｎビットにより前記乱数パターンのうちのｎビットを選択するｎビット選択回路と、
   送信側と同一のキーから暗号パターンを発生する暗号パターン発生回路と、
   前記暗号パターンと前記ｎビット選択回路からの乱数パターンとからスクランブルパターンを作り出すスクランブルパターン発生回路と、
   送信側の前記出力信号を前記スクランブルパターンによって解除してデータ信号を得るデータ暗号解除回路とを受信側に設けたことを特徴とする暗号化回路。
   

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