JP3977044B2 - 同期方法及び同期装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、相互に接続されたサブネットワーク間でサイクル同期をとる同期方法及びこの同期方法を実現する同期装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ネットワークをより広い範囲に拡張するために、例えば遅延量が大きい双方向接続(long delay bi-directional connections)等によって、サブネットワークを相互に接続する技術が知られている。この技術は、特に複数のIEEE1394シリアルバスを相互に接続して、例えば家屋全体に亘ってIEEE1394ネットワークを張り巡らす場合等に適用される。このような接続形態の基本的なトポロジを図1に示す。第1のインタフェース20は、複数のIEEE1394ノードを備える第1のIEEE1394シリアルバス21の一部である。また、第2のインタフェース22は、複数のIEEE1394ノードを備える第2のIEEE1394シリアルバス23の一部である。第1のインタフェース21と第2のインタフェース22は、遅延量が大きい、例えば同軸ケーブルからなる双方向接続線24を介して接続されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
独立した第1及び第2のIEEE1394シリアルバス21,23は、それぞれ同じサイクルレート(cycle rate)で同期させる必要がある。特に、オープンアイソクロノスチャンネル(opend isochronous channel)を提供するIEEE1394規格では、アイソクロノスパケットを各アイソクロノスサイクル毎に送信することが規定されている。相互に接続されたIEEE1394バスネットワーク間でアイソクロノス転送を保証するためには、全てのバスは、同じ周波数のアイソクロノスサイクルを有している必要がある。
【0004】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、相互に接続されたサブネットワーク間において、サイクル同期をとることができる同期方法及び同期装置を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明に係る同期方法は、相互に接続されたサブネットワーク間でサイクル同期をとる同期方法において、複数のサブネットワークのうちの1つのサブネットワークに接続された基準ノードから他の全てのサブネットワークのサイクルマスタに各サイクルタイム情報を繰返し時刻に送信するステップと、他の全てのサブネットワークのサイクルマスタにおいてそれぞれのサイクルタイムをサイクルタイム情報に基づいて調整するステップとを有する。
【0006】
本発明によれば、基準ノードからサイクルタイム情報を送信することによって、サブネットワークは、接続を介した伝送に用いられるクロック周波数に依存する必要がないため、サブネットワーク間の接続にかかわらず、複数の相互に接続されたサブネットワークを同期させることができる。他のサブネットワークのサイクルマスタは、サイクルタイム情報を受信した後、これに応じて自らのサイクルタイムを調整し、この結果、各サイクルマスタに接続されたIEEE1394シリアルバスにおけるサイクル周波数が調整される。したがって、N個のサブネットワークからなるネットワークにおいては、N−1個のサイクルマスタが自らのサイクルタイムを調整する必要があり、サイクルマスタによるサイクルタイムの調整を行わないサブネットワークは、自らのサイクルタイム情報をN−1個の他のサブネットワークのサイクルマスタに送信する基準ノードを備える必要がある。基準ノード及びサイクルマスタは、全てのサブネットワークを相互に接続する各サブネットワークのインタフェース内に配設することが望ましい。
【0007】
さらに、サイクルマスタにおいてサイクルタイムを調整するステップは、サイクルマスタの自らのクロックにより、基準ノードからのサイクルタイム情報の2つの受信時刻間の第1の時間間隔を検出するステップと、受信したサイクルタイム情報に基づいて、基準ノードからのサイクルタイム情報の対応する2つの送信時刻間の第2の時間間隔を検出するステップと、第1の時間間隔と第2の時間間隔を比較するステップと、この比較の結果に基づき、自らのサイクル長を調整するステップとを有している。これにより、大きなスケールの統合が可能である。
【0008】
さらに、第1の時間間隔と第2の時間間隔の比較は、自らのサイクル長の前の調整を考慮して行ってもよく、サイクルマスタにおける自らのサイクル長の調整は、段階的に行ってもよく、及び/又はサイクルマスタにおける自らのサイクル長の調整は、1サイクル内のローカルクロック数を調整することによって行ってもよい。
【0009】
特に、1サイクル内のローカルクロック数を調整することによりサイクル長を調整する場合、サイクルマスタにおける自らのサイクル長の調整は、第1の時間間隔と第2の時間間隔が等しい場合には、ローカルクロック数を1サイクル内の理想的なクロック数に設定し、第1の時間間隔が第2の時間間隔より小さい場合には、ローカルクロック数を1サイクル内の理想的なクロック数より小さい値に設定し、第1の時間間隔が第2の時間間隔より大きい場合には、ローカルクロック数を1サイクル内の理想的なクロック数より大きい値に設定してもよい。このような処理は、非常に容易であり、サブネットワーク間のデータの送受に用いられている伝送方法から独立して、相互に接続されたサブネットワーク間において信頼度の高い同期を実現することができる。
【0010】
サイクルマスタにおける自らのサイクル長の調整を行うステップ幅は、第1の時間間隔と第2の時間間隔の差に基づいて設定してもよい。これにより、同期をどれほどの速度でとるかを決定することができ、及び/又は考慮すべきサイクルマスタ内におけるサイクルタイマの誤差をより大きく又は小さくすることができる。
【0011】
さらに、基準ノードから送信されるサイクルタイム情報は、基準ノードのサイクルタイムレジスタの内容であってもよい。この場合、サイクルマスタにおける自らのサイクルタイムの調整は、基準ノードのサイクルタイムレジスタの受信した連続する2つの内容の差として求められる基準ノードのサイクルタイム情報における2つの送信時刻間の時間間隔を示す値と、自らのサイクルタイムレジスタの連続する2つのサンプリングされた内容の差として求められる自らのサイクルタイマにおける2つのサンプリング時刻間の時間間隔に誤差修正値を加えた値との平均誤差が0になるように、行ってもよい。もちろん、連続する3以上の送信時刻を用いてもよいが、この場合、本発明に基づくサイクル同期装置を実現するためのハードウェア設計におけるコストが高くなる。さらに、誤差修正値は、前の調整において用いられた値に対応するものとしてもよい。
【0012】
さらに、繰返し時刻は、変化の小さな一定の間隔を有していてもよい。
【0013】
また、上述の課題を解決するために、自らのサイクルタイマのタイミング誤差を検出するクロックオフセット推定手段と、クロックオフセット推定手段で検出されたタイミング誤差が供給され、このタイミング誤差を減少させるように、自らのサイクルタイマを調整するサイクル調整ループ手段とを備える。この同期装置は、クロックオフセット推定手段とサイクル調整ループ手段との間に配設され、タイミング誤差をフィルタリングするジッタ抑圧フィルタを備えていてもよい。
【0014】
本発明は、特に、分散型のIEEE1394ネットワークに好適に適用することができる。IEEE1394ネットワークにおいては、サブネットワークとみなされる複数のIEEE1394シリアルバスは、例えば遅延量が大きい双方向接続線により相互に接続されている。本発明によれば、ネットワーク内の基準ノードのサイクルタイム情報の送信時刻に基づいて検出される自らのサイクルタイマの誤差に基づいてサイクル同期をとることができるため、サイクルマスタの自励発振器(free-running oscillators)によりサイクル同期を実現でき、標準的なIEEE1394インタフェースを使用することができる。さらに、基準ノードは、サイクルマスタである必要はなく、すなわち基準ノードを予め決定することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る同期方法及び同期装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、本発明を、IEEE1394規格に準拠した実施例に基づいて説明するが、本発明は、このような実施例に限定されるものではない。
【0016】
各IEEE1394ノードは、サイクルタイム情報(cycle time information)を保持している。サイクルタイム情報は、基本的にはレジスタによって保持され、このレジスタは、24.576MHz又はこの整数倍の自励クロック(free-running clock)により局部的に(ローカルで)インクリメントされる。本発明において、このサイクルタイム情報は、複数のサブネットワークを相互に接続する媒体、例えば図1に示す例では、遅延量が大きい双方向接続線24を介して、一定の間隔で伝送される。この方法は、基本的に、伝送サイクルが繰返し時刻(recurring time instants)、好ましくは一定の間隔で、例えば10ms毎に起こることを前提(assumption)としている。この伝送サイクルの間隔の正確な値は、正確な値がサイクルタイムレジスタの伝送されてきた2つのサンプル間の差から再生することができ、また、受信機の対応するタイムスタンプは伝送されてきたサンプルを受信したときにサンプリングされるので、重要ではない。
【0017】
サイクルタイム情報の送信及び受信のタイミングについて図2を用いて説明する。基準ノード(reference node)として選択されたノードは、少なくとも他のノードのうちのサイクルマスタ(cycle master)となる全てに時間情報を送信する。上述のように、基準ノードは、必ずしも自らが接続されているIEEE1394サブネットワーク内のサイクルマスタである必要はない。図2に示すように、基準ノードは、ローカルのサイクルタイムレジスタを一定の間隔でサンプリングして、すなわち第1の送信時刻t0、第2の送信時刻t3、第3の送信時刻t5において、サイクルタイムレジスタのそれぞれの内容(コンテンツ(content))を送信する。さらに、図2に示す具体例では、実際の送信時刻である第2の送信時刻t3は、理想的な第2の送信時刻t2から時間差tjitter1だけずれている。サイクルタイムレジスタの各内容の送信の後、これらの内容は、第1の受信時刻t1、第2の受信時刻t4、第3の受信時刻t6において受信される。図2に示す具体例では、送信の際と同様に、サイクルタイムレジスタの内容の実際の受信時刻である第2の受信時刻t4は、理想的な受信時刻からずれている。この理想的な受信時刻と、遅延した実際の第2の受信時刻t4との差分には、tjitter2のラベルを付している。さらに、実際の第1の送信時刻t 0 と第2の送信時刻t 3 間の差をΔt2とし、実際の第2の送信時刻t 3 と第3の送信時刻t 5 間の差をΔt2’とする。また、実際の第1の受信時刻t 1 と第2の受信時刻間t 4 の差をΔt1とし、実際の第2の受信時刻t 4 と第3の受信時刻t 6 間の差をΔt1’とする。
【0018】
送信側及び受信側の両方で起こる重大なジッタ(jitter)に対応するために、本発明では、サイクル長の調整範囲を±1クロックに制限する及び/又はジッタ抑圧フィルタ(de-jitter filter)を使用した追加的なフィルタリング処理(optional filtering)を実行することができる。
【0019】
送信の後、受信側ノードは、遠隔(リモート)のサイクルタイム情報を受信した時刻において、自らのローカルのサイクルタイマ(cycle timer)をサンプリングする。標準的なIEEE1394ノードにおいては、1サイクルは、24.576MHzの発振器の3072クロック分の期間を有する。以下に示す本発明の好ましい実施の形態においては、1サイクルを3071クロック、3072クロック又は3073クロックに調整することができるサイクルタイマを使用する。なお、1クロックの期間を可変としてもよい。リモート及びローカルのサイクルタイムレジスタを用いて、1サイクル毎のローカルクロック数を調整する。
【0020】
本発明の好ましい実施の形態においては、同期をとるために、図3に示すような特別な位相同期ループ(phase locked loop)を用いる。
【0021】
図3に示すサイクル同期(cycle synchronization)をとる位相同期ループ(以下、サイクル同期装置ともいう。)は、クロックオフセット推定(clock offset estimation)回路1を備える。クロックオフセット推定回路1は、図3に示すように、ジッタ抑圧フィルタ(de-jitter filter)4を介して、サイクル調整ループ(cycle adjustment loop)回路2に供給するクロックのタイミング誤差(timing error in clock)を検出する。一方、サイクル調整ループ回路2は、新たなサイクル期間を決定し、このサイクル期間をクロックオフセット推定回路1に戻す。
【0022】
具体的には、クロックオフセット推定回路1には、リモートの時間情報が供給され、このリモートの時間情報は、第1の加算器9に被減数として直接供給されるとともに、第1の遅延器11を介して、第1の加算器9に減数として供給される。第1の遅延器11は、リモートの時間情報の前のサンプルを保持し、すなわち1サンプル分の記憶容量を有するFIFOとして動作する。これにより、第1の加算器9は、リモートの時間差(remote time delta)、すなわち基準ノードのタイムレジスタの2つのサンプル間の時間差を出力する。このリモートの時間差は、第2の加算器5に被減数として供給される。
【0023】
また、クロックオフセット推定回路1は、サイクルマスタであるローカルのサイクルタイマ3を備える。このローカルのサイクルタイマ3から出力されるローカルの時間情報は、第3の加算器10に被減数として直接供給されるとともに、第2の遅延器12を介して、第3の加算器10に減数として供給される。第2の遅延器12は、第1の遅延器11と同じ遅延量Tを有する。これにより、第3の加算器10は、第1の加算器9から出力されるリモートの時間差に時間的に対応するローカルの時間差を出力する。このローカルの時間差は、減数として第2の加算器5に供給され、第2の加算器5は、クロックのタイミング誤差をジッタ抑圧フィルタ4に供給する。ジッタ抑圧フィルタ4は、クロックのタイミング誤差をフィルタリングして、サイクル調整ループ回路2に供給する。
【0024】
また、第3の加算器10から出力されたローカルの時間差は、コントローラ7に供給され、コントローラ7は、この期間のクロックにおけるサイクル期間から理想的なサイクル期間を減算し、これにより得られた差に、前のサンプル時刻からこのサンプル時刻までのクロック数をこの期間におけるクロックのサイクル期間で割った商を乗算する演算処理に基づき、クロックのスキップ数又は挿入数を決定する。
【0025】
サイクル調整ループ回路2は、第4の加算器8を備え、第4の加算器8は、ジッタ抑圧フィルタ4からクロックのタイミング誤差が第1の被加数として供給され、コントローラ7からクロックのスキップ数又は挿入数が第2の被加数として供給され、これらの和を算出する。第4の加算器8は、算出した和を積分器13に供給し、積分器13は、第4の加算器8から供給される和を積分して、その結果を量子化器6に供給する。量子化器6は、クロックオフセット推定回路1内のサイクルタイマ3の次のサイクルを3071クロックとするか、3072クロックとするか、3073クロックとするかを決定する。積分器13における積分の結果が−80より小さい(<−80)場合は次のサイクルを3071とし、積分の結果が80より大きい(>80)場合は次のサイクルを3073クロックとし、積分の結果が−80以上(≧−80)、80以下(≦80)の場合は次のサイクルを3072クロックとする。この比較により、サイクル調整ループ回路2にヒステリシスが生じ、この結果、連続サイクルにおいては、通常、1クロックの差しか存在せず、すなわち連続するサイクルにおいて、3071クロックから3073クロックに移行することはなく、3072クロックと3073クロック間又は3071クロックと3072クロック間の移行しか存在しない。したがって、10msに等しい80サイクル以外の値を用いてもよい。量子化器6から出力されるクロック数は、第1の遅延器11と同じ遅延量Tを有する第3の遅延器14に供給される。第3の遅延器14から出力されるサイクル期間は、コントローラ7に供給され、コントローラ7は、サイクルタイマ3におけるクロックのスキップ数又は挿入数を決定する。
【0026】
上述のように、第1、第2及び第3の遅延器11,12,14における遅延量Tは、固定されておらず、送信されてくるリモートの時間情報に依存して決定される。さらに、これらの第1、第2及び第3の遅延器11,12,14の遅延量Tは、固定された、すなわち所定の遅延時間ではないが、第1、第2及び第3の遅延器11,12,14におけるサンプル及びホールド処理は、同時に実行される。
【0027】
本発明を適用した図3に示すサイクル同期をとる位相同期ループは、リモートクロックにより測定されるリモートの時間間隔と、ローカルクロックにより測定されるローカルの時間間隔に誤差修正値を加えた値との平均誤差が0になるような調整処理を行う。
【0028】
ジッタ又は外乱(disturbances)がなければ、基準ノードとサイクル同期装置間の伝送パスにおける遅延は一定であるので、本発明に基づく方法では、ローカル及びリモートの測定値(measurement)に時間間隔を正確に使用する。また、それぞれの測定に使用される各発振器の発振周波数は若干異なり、すなわちIEEE1394規格においては、±100ppmの誤差が許容されているため、これらローカル及びリモートの時間間隔の測定により、正確に同じクロック数が得られない。本発明に基づくサイクル同期は、各時間間隔において経過したサイクル数n_cyclesを抽出し、現在のサイクル期間に応じて、修正クロック数を+n_cycles、0、−n_cyclesのいずれかに設定する。上述した、3072クロック毎の修正値−1、0、+1は、±325ppm(=±166/3072)の調整範囲に等しい。さらに、これより大きな修正値を用いてもよいが、これによりローカルのジッタが大きくなるため、修正値を必要以上に大きくすることは好ましくない。以上のようにして、リモートのサイクル数とローカルのサイクル数が等しくされる。
【0029】
図3に示すように、サイクル調整ループ回路2の前段には、ジッタ抑圧フィルタ4を挿入するようにしてもよい。ジッタ抑圧フィルタ4としては、ローパスフィルタが好ましいが、他の種類のフィルタ、例えば連続平均又は時間適応的ローパスフィルタ(running mean or time-adaptive lowpass)を使用してもよい。サイクル調整ループ回路2から独立したローパスフィルタの時定数を高い適切な値に選択することにより、ジッタを除去することができる。
【0030】
IEEE1394シリアルバスは、自己構成バス(self-configuring bus)であり、ネットワークの基準ノードは、各ネットワークの再構成処理、例えばノードの追加又は削除の後、自動的に決定される必要がある。
【0031】
したがって、本発明においては、発振器ではなく、1サイクル内のクロック数が調整される。このため、電圧制御発振器ではなく、自励発振器(free-running oscillator)を使用することができる。このような特徴により、本発明に基づくサイクル同期装置(又は位相同期ループ)は、単一の半導体チップに組み込むことができる。さらに、本発明は、上述のように、異なるサブネットワーク間の接続チャンネル、すなわちIEEE1394シリアルバスから独立してサイクル同期をとる。さらに、このサイクル同期は、本発明に基づくサイクル同期装置をサブネットワークの各サイクルマスタに設けるだけの僅かな変更により実現できる。さらに、サブネットワークの1つが同期の基準として機能するので、接続ネットワークはマスタクロックを必要としない。
【0032】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る同期方法は、複数のサブネットワークのうちの1つのサブネットワークに接続された基準ノードから他の全てのサブネットワークのサイクルマスタに各サイクルタイム情報を繰返し時刻に送信し、他の全てのサブネットワークのサイクルマスタにおいてそれぞれのサイクルタイムをサイクルタイム情報に基づいて調整する。これにより、相互に接続されたサブネットワーク間において、サイクル同期をとることができる。
【0033】
また、本発明に係る同期装置は、自らのサイクルタイマのタイミング誤差を検出するクロックオフセット推定手段と、クロックオフセット推定手段で検出されたタイミング誤差が供給され、このタイミング誤差を減少させるように、自らのサイクルタイマを調整するサイクル調整ループ手段とを備える。これにより、相互に接続されたサブネットワーク間において、サイクル同期をとることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 遅延量が大きいIEEE1394ネットワークの概略を示す図である。
【図2】 本発明に基づく同期方法の具体例を説明するタイミングチャートを示す図である。
【図3】 本発明に基づいてサイクル同期をとるサイクル同期装置(位相同期ループ)の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 クロックオフセット推定回路、2 サイクル調整ループ回路、3 サイクルタイマ、4 ジッタ抑圧フィルタ、5 第2の加算器、6 量子化器、7 コントローラ、8 第4の加算器、9 第1の加算器、10 第3の加算器、11第1の遅延器、12 第2の遅延器、13 積分器、14 第3の遅延器
Claims (12)
- 相互に接続されたサブネットワーク間でサイクル同期をとる同期方法において、
複数のサブネットワークのうちの1つのサブネットワークに接続された基準ノードから他の全てのサブネットワークのサイクルマスタに各サイクルタイム情報を繰返し時刻に送信するステップと、
上記他の全てのサブネットワークのサイクルマスタにおいてそれぞれのサイクルタイムを上記サイクルタイム情報に基づいて調整するステップとを有し、
上記サイクルマスタにおいてサイクルタイムを調整するステップは、
上記サイクルマスタの自らのクロックにより、上記基準ノードからのサイクルタイム情報の2つの受信時刻間の第1の時間間隔(Δt 1 ,Δt 1 ’)を検出するステップと、
上記受信したサイクルタイム情報に基づいて、上記基準ノードからのサイクルタイム情報の対応する2つの送信時刻間の第2の時間間隔(Δt 2 ,Δt 2 ’)を検出するステップと、
上記第1の時間間隔(Δt 1 ,Δt 1 ’)と上記第2の時間間隔(Δt 2 ,Δt 2 ’)を比較するステップと、
上記比較の結果に基づき、自らのサイクル長を調整するステップとを有することを特徴とする同期方法。 - 上記第1の時間間隔(Δt1,Δt1’)と上記第2の時間間隔(Δt2,Δt2’)の比較は、自らのサイクル長の前の調整を考慮して行われることを特徴とする請求項1記載の同期方法。
- 上記サイクルマスタにおける自らのサイクル長の調整は、段階的に行われることを特徴とする請求項1又は2記載の同期方法。
- 上記サイクルマスタにおける自らのサイクル長の調整は、1サイクル内のローカルクロック数を調整することによって行われることを特徴とする請求項1乃至3いずれか1項記載の同期方法。
- 上記サイクルマスタにおける自らのサイクル長の調整は、
上記第1の時間間隔(Δt1,Δt1’)と上記第2の時間間隔(Δt2,Δt2’)が等しい場合には、上記ローカルクロック数を1サイクル内の理想的なクロック数に設定し、
上記第1の時間間隔(Δt1,Δt1’)が上記第2の時間間隔(Δt2,Δt2’)より小さい場合には、上記ローカルクロック数を1サイクル内の理想的なクロック数より小さい値に設定し、
上記第1の時間間隔(Δt1,Δt1’)が上記第2の時間間隔(Δt2,Δt2’)より大きい場合には、上記ローカルクロック数を1サイクル内の理想的なクロック数より大きい値に設定することを特徴とする請求項4記載の同期方法。 - 上記サイクルマスタにおける自らのサイクル長の調整を行うステップ幅は、上記第1の時間間隔(Δt1,Δt1’)と上記第2の時間間隔(Δt2,Δt2’)の差に基づいて設定されることを特徴とする請求項5記載の同期方法。
- 上記基準ノードから送信されるサイクルタイム情報は、該基準ノードのサイクルタイムレジスタの内容であることを特徴とする請求項1乃至6いずれか1項記載の同期方法。
- 上記サイクルマスタにおける自らのサイクルタイムの調整は、上記基準ノードのサイクルタイムレジスタの受信した連続する2つの内容の差として求められる該基準ノードのサイクルタイム情報における2つの送信時刻間の時間間隔を示す値と、自らのサイクルタイムレジスタの連続する2つのサンプリングされた内容の差として求められる自らのサイクルタイマにおける2つのサンプリング時刻間の時間間隔に誤差修正値を加えた値との平均誤差が0になるように、行われることを特徴とする請求項7記載の同期方法。
- 上記誤差修正値は、前の調整において用いられた値に対応することを特徴とする請求項8記載の同期方法。
- 上記繰返し時刻は、変化の小さな一定の間隔を有することを特徴とする請求項1乃至9いずれか1項記載の同期方法。
- 相互に接続された複数のサブネットワークのうちの1つのサブネットワークに接続された基準ノードから他の全てのサブネットワークのサイクルマスタに各サイクルタイム情報を繰返し時刻に送信し、上記他の全てのサブネットワークのサイクルマスタにおいてそれぞれのサイクルタイムを上記サイクルタイム情報に基づいて調整して、上記サブネットワーク間でサイクル同期をとる同期装置において、
自らのサイクルタイマのタイミング誤差を、リモートのサイクルタイム情報を用いることによって検出するクロックオフセット推定手段と、
上記クロックオフセット推定手段で検出されたタイミング誤差が供給され、該タイミング誤差を減少させるように、上記自らのサイクルタイマを調整するサイクル調整ループ手段とを備える同期装置。 - 上記クロックオフセット推定手段とサイクル調整ループ手段との間に配設され、上記タイミング誤差をフィルタリングするジッタ抑圧フィルタを備えることを特徴とする請求項11記載の同期装置。
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