JP4717069B2 - 通信ネットワークのためのトポロジおよびサービス品質管理装置および方法 - Google Patents

通信ネットワークのためのトポロジおよびサービス品質管理装置および方法 Download PDF

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Description

発明の分野
この発明は通信ネットワークに関し、より特定的には、通信ネットワークにおけるサービス品質(Quality of Service(QoS))管理に関する。
発明の背景
ワールドワイドウェブ(World Wide Web)(WWW)および広範囲のインターネットサービスをユビキタスで用いることにより、インターネットトラフィックが指数関数的に増えてきた。リアルタイム/ミッションクリティカルなアプリケーションからのトラフィックは、これら両方の種類のトラフィックに最善のサービスを提供するインターネットインフラストラクチャに亘る非リアルタイムのアプリケーションと共存している。インターネットトラフィックが高い場合、帯域幅/遅延の影響を受けやすいアプリケーションの性能が低下する恐れがある。
サービス品質(Quality of Service(QoS))は、エンドユーザおよびアプリケーションが経験する性能を指す。QoSはさまざまな方法で測定され、概して、エンドユーザおよびアプリケーションのサービス要件に依存している。このような要件は、たとえば、応答でもって問合せを処理するのにかかる時間、分散された協働的な制御を有効に実行する能力、IP電話通信を用いる音声通話のための許容可能なオーディオ品質、および、リアルタイムで映像を表示するための申し分のないビデオ品質に関し得る。
商業用および軍用の通信環境における衛星通信ネットワークを含むがこれに限定されないモバイル・アドホック無線ネットワークもまた著しく成長してきている。これらの無線モバイル通信ネットワークは、エンドユーザおよびアプリケーションのためのQoS性能に影響を及ぼし得るネットワークトポロジおよびリンク帯域幅の急速な変化を被る。
発明の概要
この発明は、一実現例においては、複数のノードを有するネットワークを管理する方法に向けられている。第1のノードは、少なくとも1つの受信ノードにアウトバウンドリンクの状態を伝達し、当該受信ノードは、伝達された状態に基づいて第1のノードおよび第2のノードのうちの少なくとも1つへの伝送の予定を決める。
別の実現例においては、この発明は、アドホック・ネットワークを構成する方法に向けられている。複数のノードの各々は、互いのノードのノード/リンク状態を受信する。少なくとも1つの受信されたノード/リンク状態に基づいて、第1のノードは、少なくとも1つのネットワークリンクを形成するよう第2のノードとペアリングする。各ノードは、前記ペアリングおよび受信されたノード/リンク状態に基づいてネットワークトポロジを維持する。
別の構成においては、この発明は、複数のノードを有するネットワークに向けられている。各ノードは、ネットワークに亘るパケットルーティングを決定するよう構成されたネットワーク制御モジュールを含む。ノード制御モジュールは、ノード内でのパケットルー
ティングを制御する。交換プラットホーム制御モジュールは、ノードとの間のパケットの交換を制御する。交換プラットホーム制御モジュールは、ノード制御モジュールおよびネットワーク制御モジュールを介して状態情報を他のノードの各々に供給する。当該状態情報は、ノードのアウトバウンドリンクに関する。
さらに別の構成においては、この発明は、メモリを有するプロセッサと用いるための機械読取可能媒体に向けられている。当該機械読取可能媒体は、ネットワークに亘るパケットルーティングを決定するためにネットワークの第1のノードのネットワーク制御モジュールをプロセッサに構成させる命令を含む。第1のノード内でのパケットルーティングを制御するよう第1のノードのノード制御モジュールをプロセッサに構成させる命令も含まれる。当該媒体はまた、第1のノードとの間のパケットの交換を制御し、かつノード制御モジュールおよびネットワーク制御モジュールを介して状態情報をネットワークの第2のノードに供給するために第1のノードの交換プラットホーム制御モジュールをプロセッサに構成させる命令を含む。当該状態情報は第1のノードのアウトバウンドリンクに関する。
特徴、機能および利点は、この発明のさまざまな実施例において独立して実現することができるか、または、さらに他の実施例において組合されてもよい。
この発明は、詳細な説明および添付の図面から、より十分に理解されるだろう。
好ましい実施例の詳細な説明
好ましいシステムおよび方法の以下の説明は、本質的に単に例示的なものであり、この発明、その応用例または用途を限定することを意図するものではない。この発明のさまざまな構成が、ノードおよび他のネットワーク構成要素の中に配線式リンクを有するものとして図に示されているが、この発明はそのようには限定されない。さまざまなネットワークリンクが無線であってもよく、自由空間光通信(free space optic(FSO))および/または無線周波数接続を含み得るがこれに限定されないことが理解されるべきである。
この発明のさまざまな実現例が、概して図1において参照番号20で示される公知のネットワークプロトコルスタックアーキテクチャに関連して説明され得る。ネットワークデータ伝送は、たとえば、分散されたアプリケーションおよび電子メールからアプリケーション層24において発生し得る。プレゼンテーション層28は、たとえば、ネットワーク端末プロトコル間での暗号化、解読および翻訳に関連し得る。セッション層32は、ネットワーク接続の確立、維持および終了に関連し得る。トランスポート層36は、たとえば、パケットの形成および処理に関し得る。ネットワーク層40は、パケットを適切な宛先にアドレス指定することに関し得る。リンク層44は、物理層48に亘るパケット伝送の準備に関係し得る。上述のスタックアーキテクチャが例示的なものにすぎず、この発明の実現例がまた、他のスタックアーキテクチャおよび/または層に関連して説明され得ることが理解されるべきである。スタック20を説明するのに用いられる語が例示的なものであり、この発明の如何なる実現例をも限定するものと解釈されるべきではないことにも留意されたい。
この発明の原理に従ったネットワークの一実現例は、図2において概して参照番号100で示される。この例においては、ネットワーク100は、複数のノード108、たとえばノード108a〜108dが互いに通信し得るアドホック・ネットワークである。ノード108は、たとえば、1つ以上のルータを含み得る。しかしながら、「ルータ」という語が、ノード108の一局面、すなわち、以下に記載されるとおり情報をルーティングするための能力を単に説明するために用いられることが理解されるべきである。ノード108は、付加的な機能、たとえば、ノードにとってローカルであり得るアプリケーション機
能、を含み得る。ノード108は、以下にさらに説明されるとおり、ネットワーク100における別のノード108にリンクされ得る。
ネットワーク100は、たとえば、ネットワークによってカバーされる所与の領域内において、ノード108間の帯域外通信を可能にする「呼び線」チャネル112を含む。「帯域外」および「帯域内」という語は、この明細書中では、ネットワーク100を介する通信が正常に確立される1つ以上の周波数帯域に関連して用いられる。呼び線チャネル112は、特定のネットワークシステムに属していてもよく、または属していなくてもよく、高帯域幅容量を有する必要はない。呼び線チャネル112は、好ましくは、低検出確率(low probability of detection(LPD))、低ジャミング確率(low probability of
jamming(LPJ))および低インターセプト確率(low probability of intercept(LPI))の特徴を有する。呼び線チャネル112は、いくつかの構成においては、ノード108が配置され得る所与の領域をカバーするのに十分に長い範囲に亘って全方向性通信をもたらし得る。他の構成においては、呼び線チャネル112は、他のノードの各々と通信するための手段を各ノード108に提供するが、このような通信手段は必ずしも全方向性でなくてもよい。
ノード108はネットワーク100を結合し得るか、または代替的には、以下の例示的な態様で、ネットワーク100などのアドホック・ネットワークを作成し得る。ノード、たとえばノード108aは、呼び線チャネル112に亘ってその存在を通知し、他のノード108に、それらのノード/リンク状態情報を呼び線チャネル112を介してノード108aに送信するよう要求する。ノード/リンク状態情報は、たとえば、ノード位置および軌道、リンクの数、現在のペアリング状態、ビット誤り率、ならびにリンク帯域幅および利用を含み得る。ノード108aは、応答ノードからこのような情報を受信すると、これによって、たとえばノード108b、108cおよび108dを含む応答ノードを発見する。ノード108aは、1つ以上の基準に基づいてノード108のペアリングリストを構成する。このような基準は、隣接ノードのノード/リンク状態、大気条件、ノード108aの位置および軌道に対する隣接ノード108の位置および軌道、ならびに、ネットワーク100の現在のトポロジを含み得る。
ノード108aは、ペアリングリストからの適切な隣接ノード108、たとえばノード108bとペアリングするようにとの要求を伝達する。要求されたペアリングがノード108bにとって許容可能であれば、2つのノード間において接続が確立され得る。接続は、たとえば、伝送制御プロトコル(TCP)を用いて、ネットワークプロトコルスタック20のプレゼンテーション層28、セッション層32およびトランスポート層36に関連付けられる態様で確立され得る。
ペアリングするようにとの要求がノード108bにとって許容可能でなければ、ノード108aは、ノード108aがノード108とペアリングすることに成功するか、または、実現可能な隣接ノードのペアリングリストが使い果たされるまで、ペアリングリストなどにおける別のノード108(たとえば、ノード108c)とペアリングするようにとの要求を送信する。上述のペアリングプロセスは、ノード108aと他のノード108との間に付加的なリンクを確立するよう繰返されてもよい。隣接ノード108とペアリングするのに成功した後、ノード108aは、そのノード/リンク状態を、たとえばマルチキャストすることにより帯域内通信を通じてネットワーク100内における他のノード108に伝達することができる。
一構成においては、帯域内通信は以下の態様で行なわれてもよい。先に述べられたとおりノード108aと108bとの間に接続が確立されると、データパケット(図示せず)が、ノード108aから伝送スケジューラ114および出力リンク116を介してノード
108bに送信され得る。帯域内通信は、帯域外の呼び線チャネル112によってもたらされる通信に追加される。ネットワーク100に属さないが呼び線チャネル112の範囲内にあるノードとの通信が呼び線チャネル112を介して維持され得ることに留意されたい。
なお、上述の発見およびペアリングプロセスは、たとえば、ネットワーク動作中のバックグラウンドプロセスとして、繰返し継続的に実行されてもよい。この構成においては、ネットワーク100のノード108すべての現在のノード/リンク状態が常に各ノード108において維持され得る。このような態様では、現在のトポロジ情報およびノード/リンク状態情報は、各ノード108がこの明細書中に記載されるとおりトポロジ管理を実行し得るように各ノードにとって利用可能になり得る。各ノード108が他のノードとは独立してネットワーク100に対してトポロジ管理を実行し得るので、ネットワーク100は分散された態様で管理され得る。
各ノードに特有のノード108aが、図3に、より詳細に示される。ノード108aは、階層的に編成され得る複数の制御モジュール204を有するノード/ネットワークコントローラ200を含む。ノード108aは、オプションのサービス品質(QoS)モジュール212を含む。モジュール212は、たとえば、QoSプロビジョニングに関して入力パケットを分類するプロトコルスタック20のネットワーク層40に関連付けられるディファレンシャルサービス(DiffServ)コンポーネントであってもよい。QoSを提供するための、たとえば、統合サービス(IntServ)モデルに基づいて提供するための他のまたは付加的なモジュールがネットワーク100において用いられ得ることも意図される。しかしながら、1つ以上のノード108がQoSモジュール212を含み得ない構成も意図される。
(“transmission scheduler”とも称される)伝送(transmit)スケジューラ114は、以下にさらに説明されるとおり、ノード/ネットワークコントローラ200と通信する。伝送スケジューラ114は、ノード108aからの伝送についてパケットの予定を決める複数の出力キュー(図示せず)を管理する。入力パケットが、たとえばパケットヘッダに含まれるものとしてQoS分類を含む場合、伝送スケジューラ114は、QoS分類に基づいて適切な出力キューを選択し得る。
この構成においては、ノード/ネットワークコントローラ200は3つのモジュール204を含む。ネットワーク制御モジュール204aは、以下にさらに説明されるとおり、ネットワーク100に亘るパケットルーティングを決定するよう構成される。ノード制御モジュール204bは、ノード108a内でのパケットルーティングを制御し、ネットワーク制御モジュール204aと通信する。交換プラットホーム制御モジュール204cは、ノード108aとの間のデータパケットの交換を制御し、ノード制御モジュール204bと通信する。交換プラットホーム制御モジュール204cは、ノード制御モジュール204bおよびネットワーク制御モジュール204aを介して、ネットワーク100における他のノード108の各々に状態情報を供給する。当該状態情報は、たとえばノード108aのアウトバウンドリンク、たとえば(図2に示される)リンク116に関係する。
「階層的に編成された」という語は、制御が、如何に、1つのモジュール204によって別のモジュール204に対して「トップダウン」式に実行され得るかを指す。より具体的には、たとえば、ネットワーク制御モジュール204aは、モジュール204bによる性能についての制御およびコマンド情報をノード制御モジュール204bに供給する。加えて、ノード制御モジュール204bは、モジュール204cによる性能についての制御およびコマンド情報を交換プラットホーム制御モジュール204cに供給する。「階層的に編成された」とはまた、情報が、如何に、1つのモジュール204により「ボトムアッ
プ」式に別のモジュール204に渡され得るかを指し得る。たとえば、この構成においては、交換プラットホーム制御モジュール204cは、リンク状態情報をノード制御モジュール204bに供給し、ノード制御モジュール204bは、リンク状態情報をネットワーク制御モジュール204aに供給する。
交換プラットホーム制御モジュール204cは、たとえばプロトコルスタック20の物理層48とインターフェイスするさまざまな機能を管理する。具体的には、たとえば、交換プラットホーム制御モジュール204cは、超高速パケット交換プラットホームに関連付けられるさまざまな機能を管理する。出力パケットについては、「超高速」という語は、たとえば、コンテンツをノードメモリからノード108aの特定の出力ポートに専用に移動させることを説明するのに用いられてもよい。入力パケットについては、「超高速」とは、ノード108aによって生成される1つ以上のハッシュテーブルに対するパケットヘッダの適合を説明し得る。
ノード制御モジュール204bは、ノード108aと他のノード108との間に、超高速交換プラットホームと、たとえば自由空間光通信(FSO)および/または無線周波数(RF)リンクを含むリンクを確立するための端末とに関連付けられるさまざまなノード機能を管理する。ノード制御モジュール204bはノード108a内におけるルーティングを制御する。このようなルーティングは、ハイブリッド(たとえば、ノード108aのFSO端末からRF端末へのルーティング)であり得、パケットヘッダに含まれるリンク状態、パケット宛先およびサービス品質(QoS)要件などの基準に基づいていてもよい。
ネットワーク制御モジュール204aは、ネットワーク100に関するネットワークシステム管理を実行し得る。具体的には、たとえば、モジュール204aはネットワーク100に亘るルーティングを決定し、たとえば、ノード/リンク状態、トポロジおよび/または大気条件の変化に基づいてこのようなルーティングを更新し得る。一構成においては、集中型ノード108または他の中心的な位置を用いて、ネットワークレベルのルーティングを実行し、たとえば1つ以上のルートテーブルなどのルーティングをノード108に分散させる。付加的または代替的には、各ノード108の制御モジュール204aは、そのノード108に関するルートテーブルを独立して計算し得る。こうしてネットワークレベルで決定されたルートテーブルがノード制御モジュール204bに渡され、これにより、ルートテーブルが交換プラットホーム制御モジュール204cに渡され得る。
一構成においては、サービス品質(QoS)プロビジョニングをサポートするネットワークが、概して図4に参照番号300で示される。ネットワーク300は複数のノード308を含む。図3に示される要素と同じであるかまたはこれに類似しているノード308の要素は、図3に示される要素と同じ番号が付けられている。
ノード308aのアウトバウンドリンク304上の提供されたトラフィックは、特定のアウトバウンドリンク304に行先が定められたピアノード308bおよび308cからノード308aに到達するトラフィックを含み得る。リンク304上の提供されたトラフィックはまた、ノード308aの上位層312から(たとえば、図1に関連して説明されるようにアプリケーション層24に関連付けられるアプリケーションから)発生するトラフィックを含み得る。ノード308aの上位層312から発生しリンク304を介して出て行くトラフィックに使用可能な帯域幅容量が、たとえば、アウトバウンドリンク304の帯域幅容量と、特定のアウトバウンドリンク304に行先が定められたピアノード308bおよび308cからノード308aに到達するトラフィックとの間の差として測定され得る。
たとえばリンク304がFSOまたはRFリンクであるアウトバウンドリンク304の
帯域幅容量は、たとえば、大気および/またはトポロジ条件に応じて異なり得る。したがって、ノード308aのノード/ネットワークコントローラ200は、たとえば、リンク304を介する所望のビット誤り率(BER)でのデータ通信の実行を確実にするために、アウトバウンドリンク304の状態に基づいて、たとえばアウトバウンドリンク304の信号対雑音比(SNR)の特徴に基づいて、リンク304の伝送速度を切換え得る。加えて、または代替的には、十分に不利な大気条件の下では、たとえば条件が改善されるまで、リンク304を介する伝送を停止してもよい。
アウトバウンドリンク304の状態は、図3に関連して上に述べられたように、ノード308aの交換プラットホーム制御モジュール204cにより、ネットワーク300に亘ってノード308aのノード制御モジュール204bおよびネットワーク制御モジュール204aに伝達される。こうして、ノード308cは、ノード308aから出て行くリンクに関する情報を受信する。アウトバウンドリンク304の状態は、ノード308cの制御モジュール204a、204bおよび204cを介して、ノード308cの伝送スケジューラ114に伝達され得る。ノード308cの伝送スケジューラ114は、たとえば、ノード308cからノード308aに出て行くリンク316を介する伝送の予定を決める場合、上述の動的なアウトバウンドリンク特徴を考慮に入れ得る。このようなスケジューリングは、ノード308cのネットワーク制御モジュール204aによって得られる伝送基準に基づいていてもよい。こうして、たとえば、ノード308aのノード/リンク状態が不利な大気条件の間に変化する場合、ノード308cはリンク320を形成するようノード308dとペアリングを行い、リンク316および304を介して予め予定が決められていたかもしれないリンク320に亘る伝送の予定を決め得る。
一構成においては、アウトバウンドリンク304のリンク状態は、ネットワーク300におけるQoSプロビジョニングに影響を及ぼすよう、ノード308aおよび308cのうちの1つまたはこれら両方のQoSプロビジョニングコンポーネント212を更新するのに用いられる。一実現例においては、帯域幅の時間平均ヒストリおよびアウトバウンドリンク304に関する瞬時変化を用いて、ノード相互接続性および/またはネットワークルーティングが図2および図3に関連して上に説明されたとおり更新される必要があるかどうか判断するよう、たとえばノード308cのネットワーク制御モジュール204aを促し得る。
上述の説明から、複数のノードを有するネットワークを管理する方法の一実現例が以下のとおり説明可能であることが理解され得る。当該ノードのうちの1つが、アウトバウンドリンクの状態を当該ノードのうちの他のノードに伝達し、当該他のノードのうちの1つ以上が、伝達された状態に基づいて伝送の予定を決める。上述の方法は、たとえば、悪天候条件および/またはネットワーク使用の変更の場合には、「急いで(on the fly)」伝送の予定を再び決めることを可能にする。こうして、ノード伝送スケジューラ114は、伝送の予定を決めるために、別のノードにおける伝送条件に関するネットワーク制御レベルで利用可能な情報を用いることができる。付加的または代替的には、DiffServまたは他のプロビジョニング能力を用いてQoSプロビジョニングがサポートされる構成において、このようなプロビジョニングをこのような情報に基づいて更新することができる。
上述の管理装置および方法の実現例は、速やかに決定され得るルーティングおよびリソース管理についての「十分に優れた」解決策を提供し得る。このような方策が実現されるネットワークがリソース条件の変化に適合し得る一方で、許容可能なレベルの全体的なネットワーク利用効率が維持される。上述の装置および方法により、FSOおよび/またはRFリンクなどの方向性の高いポイントツーポイントリンクを用いるノードが、たとえば、動的なアドホック・モバイル異種ネットワーク環境内においてアドホック・インフラストラクチャを作成または結合することが可能となる。上述の制御モジュールは、類似の通
信システムに亘って用いることのできるスケーラブルなモジュラー設計を可能にする。上述の装置および方法は、動的なアドホック・モバイル異種ネットワーク環境内においてネットワークシステムおよび各ネットワークノードを管理および制御するための拡張可能な方策を提供する。
さまざまな好ましい実施例を説明してきたが、当業者は、発明の概念から逸脱することなく作成され得る変形例または変更例を認識するだろう。これらの例はこの発明を例示するがそれを限定するよう意図されるものではない。したがって、この説明および添付の特許請求の範囲は、関連する先行技術に鑑みて必要とされるように限定されるだけで、自由に解釈されるべきである。
公知のネットワークプロトコルスタックアーキテクチャを示すブロック図である。 この発明の一構成に従ったネットワークを示すブロック図である。 この発明の一構成に従ったネットワークのノードを示すブロック図である。 この発明の一構成に従ったネットワークを示すブロック図である。

Claims (8)

  1. 複数のノードを有するネットワークを管理する方法であって、下記a)〜e)のステップを有する方法、
    a)第1及び第2ノードがアウトバウンドリンクの状態を帯域外のチャンネルで受信ノードに伝達すること、
    b)前記受信ノードが、前記第1よび第2のノードのうちの少なくとも1つのノードとペアリングして、帯域内のチャネルの自由空間光通信(FSO)リンクと帯域内のチャネルの無線周波数(RF)リンクとを前記少なくとも1つのノードと形成し、前記少なくとも1つのノードへのパケットベースの伝送の予定を決めることで、該パケットベースの伝送に対応するパケットはサービス品質(QoS)分類を含み、
    c)所望のビットエラー率におけるパケットベースのデータ通信を確かにするため、前記受信ノードは前記形成されたリンクの特性に基づいて、前記FSOリンク及び/またはRFリンクの伝送速度を切り換えること、
    d)前記受信ノードは、前記形成されたリンクに対応した、前記受信ノードから前記少なくとも1つのノードへの伝送のためパケットをスケジューリングする、複数の出力キューを管理すること、
    e)前記パケットのQoS分類と、前記出力キューに対応した前記リンクに関連し、ビットエラー率、リンク帯域幅及びリンク利用のうち少なくとも1つを有するリンク状態と前記パケットのパケット宛先とに基づいてパケットをルーティングするため、前記受信ノードは適当な出力キューを選択すること
  2. 前記形成されたリンクの少なくとも1つによる伝送が、条件が改善されるまで停止される、請求項1に記載の方法。
  3. 請求項1のa)及びb)のステップが繰返し継続的に実行される、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記ネットワークにおける各ノードが、前記帯域外チャネルによって前記ネットワーク内の他のノードから受信されたノード状態/リンク情報に基づいて、前記ネットワークのトポロジを管理することをさらに含む、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 前記ネットワークのノードが、帯域外チャネルを用いて、前記ネットワークにリンクされていないノードと通信することをさらに含む、請求項1記載の方法。
  6. 前記アウトバウンドリンクがアウトバウンドする起点のノードによっては満足されない前記受信ノードの少なくとも1つの基準に基づいて、前記受信ノードが前記第2のノードとペアリングしリンクすることをさらに有する、請求項1ないし5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記受信ノードのノード制御モジュールが前記受信ノード内で前記通信状態に基づいてハイブリッドルーティングを制御することをさらに含む、請求項1ないし6のいずれか1項に記載の方法。
  8. ネットワークにおけるノードであって、
    a)他の第1及び第2の各ノードがアウトバウンドリンクの状態を帯域外のチャンネルで当該ノードに伝達し、
    b)当該ノードが、前記他の第1および第2のノードのうちの少なくとも1つのノードとペアリングして、帯域内のチャネルmp自由空間光通信(FSO)リンクと帯域内の無線周波数(RF)リンクとを前記少なくとも1つのノードと形成し、前記少なくとも1つのノードへのパケットベースの伝送の予定を決め、ここで該パケットベースの伝送に対応するパケットはサービス品質(QoS)分類を含み、
    c)所望のビットエラー率におけるパケットベースのデータ通信を確かにするため、当該ノードは前記形成されたリンクの特性に基づいて、前記FSOリンク及び/またはRFリンクの伝送速度を切り換え、
    d)当該ノードは、前記形成されたリンクに対応し、当該ノードから前記少なくとも1つのノードへの伝送のためパケットをスケジューリングする、複数の出力キューを管理し、
    e)前記パケットのQoS分類と、前記出力キューに対応した前記リンクに関連し、ビットエラー率、リンク帯域幅及びリンク利用のうち少なくとも1つを有するリンク状態と前記パケットのパケット宛先とに基づいてパケットをルーティングするため、当該ノードは適当な出力キューを選択する、ノード。
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