DOCSIS
Norma para redes informáticas a través de un sistema de televisión por cable

La especificación de interfaz de servicio de datos por cable ( DOCSIS ) es un estándar internacional de telecomunicaciones que permite la incorporación de transferencia de datos de gran ancho de banda a un sistema de televisión por cable (CATV) existente. Muchos operadores de televisión por cable la utilizan para proporcionar acceso a Internet por cable a través de su infraestructura híbrida de fibra coaxial (HFC) existente.

DOCSIS fue desarrollado originalmente por CableLabs y empresas colaboradoras, entre ellas Arris , BigBand Networks , Broadcom , Cisco , Comcast , Conexant , Correlant, Cox , General Instrument , Harmonic , Intel , Motorola , Netgear , Terayon , Time Warner Cable y Texas Instruments . [1] [2] [3]

Versiones

DOCSIS 1.0
Lanzado en marzo de 1997, DOCSIS 1.0 incluía elementos funcionales de los módems de cable propietarios anteriores . [4]
DOCSIS 1.1
Lanzado en abril de 1999, DOCSIS 1.1 estandarizó los mecanismos de calidad de servicio (QoS) que se describieron en DOCSIS 1.0. [5]
DOCSIS 2.0 (abreviado D2)
Lanzado en diciembre de 2001, DOCSIS 2.0 mejoró las velocidades de datos ascendentes en respuesta a la creciente demanda de servicios simétricos como la telefonía IP.
DOCSIS 3.0 (abreviado D3)
Lanzado en agosto de 2006, DOCSIS 3.0 aumentó significativamente las velocidades de datos (tanto de subida como de bajada) e introdujo soporte para el Protocolo de Internet versión 6 (IPv6).
DOCSIS 3.1
El conjunto de especificaciones DOCSIS 3.1, publicado por primera vez en octubre de 2013 y actualizado posteriormente varias veces, admite capacidades de hasta 10 Gbit/s de bajada y 1 Gbit/s de subida utilizando 4096 QAM . Las nuevas especificaciones eliminaron el espaciado de canal de 6 MHz y 8 MHz de ancho y, en su lugar, utilizan subportadoras de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) más estrechas (de 25 kHz o 50 kHz de ancho) ; estas se pueden unir dentro de un espectro de bloque que podría terminar siendo de aproximadamente 200 MHz de ancho. [6] La tecnología DOCSIS 3.1 también incluye funciones de administración de energía que permitirán a la industria del cable reducir su uso de energía, y el algoritmo DOCSIS-PIE [7] para reducir el bufferbloat . [8] En los Estados Unidos , el proveedor de banda ancha Comcast anunció en febrero de 2016 que varias ciudades dentro de su área de cobertura tendrán disponibilidad de DOCSIS 3.1 antes de fin de año. [9] A finales de 2016, Mediacom anunció que se convertiría en la primera gran empresa de cable estadounidense en realizar la transición completa a la plataforma DOCSIS 3.1. [10]
DOCSIS 4.0
Mejora DOCSIS 3.1 para utilizar el espectro completo de la red de cable (de 0 MHz a ~1,8 GHz) al mismo tiempo en direcciones ascendentes y descendentes. Esta tecnología permite servicios simétricos de varios gigabits y, al mismo tiempo, conserva la compatibilidad con versiones anteriores de DOCSIS 3.1. CableLabs publicó la especificación completa en octubre de 2017. [11] Estas tecnologías, que antes se denominaban DOCSIS 3.1 Full Duplex, han cambiado su nombre y ahora forman parte de DOCSIS 4.0. [12]

Comparación

Pueden coexistir varias versiones de DOCSIS utilizando multiplexación por división de frecuencia y separando las nuevas versiones de DOCSIS de las antiguas según sus frecuencias de operación. [13]

Comparación de versiones DOCSIS [12]
Versión DOCSISFecha de producciónCapacidad máxima de descargaCapacidad máxima de subidaCaracterísticas
1.0199740 Mbit/s10 Mbit/sLanzamiento inicial
1.12001Se agregaron capacidades VOIP y mecanismos QoS
2.0200230 Mbit/sVelocidades de datos ascendentes mejoradas
3.020061 Gbps200 Mbit/sSe aumentaron significativamente las velocidades de datos de subida y bajada, se introdujo el soporte para IPv6 y se introdujo la unión de canales.
3.1201310 Gbps1–2 GbpsVelocidades de datos ascendentes y descendentes significativamente aumentadas, especificaciones de canal reestructuradas
4.020176 GbpsTasas de subida significativamente mayores a partir de DOCSIS 3.1

Alternativa europea

Como los planes de asignación de ancho de banda de frecuencia difieren entre los sistemas CATV de Estados Unidos y Europa, los estándares DOCSIS anteriores a la versión 3.1 se han modificado para su uso en Europa. Estas modificaciones se publicaron con el nombre de EuroDOCSIS . Las diferencias entre los anchos de banda existen porque la televisión por cable europea se ajusta a los estándares PAL / DVB-C de ancho de banda de canal de RF de 8 MHz y la televisión por cable norteamericana se ajusta a los estándares NTSC / ATSC que especifican 6 MHz por canal. El mayor ancho de banda de canal en las arquitecturas EuroDOCSIS permite asignar más ancho de banda a la ruta de datos descendente (hacia el usuario). Las pruebas de certificación EuroDOCSIS las realiza la empresa belga Excentis (antes conocida como tComLabs), mientras que las pruebas de certificación DOCSIS las realiza CableLabs. Normalmente, el equipo de las instalaciones del cliente recibe la "certificación", mientras que el equipo CMTS recibe la "calificación".

Normas internacionales

El Sector de Normalización de las Telecomunicaciones de la UIT (UIT-T) ha aprobado las distintas versiones de DOCSIS como normas internacionales. La versión DOCSIS 1.0 fue ratificada como Recomendación UIT-T J.112 Anexo B (1998), pero fue reemplazada por la versión DOCSIS 1.1, que fue ratificada como Recomendación UIT-T J.112 Anexo B (2001). Posteriormente, la versión DOCSIS 2.0 fue ratificada como Recomendación UIT-T J.122. Más recientemente, la versión DOCSIS 3.0 fue ratificada como Recomendación UIT-T J.222 (J.222.0, J.222.1, J.222.2, J.222.3).

Nota: Si bien el Anexo B de la Recomendación J.112 de la UIT-T corresponde a DOCSIS/EuroDOCSIS 1.1, el Anexo A describe un sistema de módem de cable europeo anterior (" DVB EuroModem") basado en estándares de transmisión ATM. El Anexo C describe una variante de DOCSIS 1.1 que está diseñada para funcionar en sistemas de cable japoneses. El cuerpo principal de la Recomendación J.122 de la UIT-T corresponde a DOCSIS 2.0, el Anexo F de la J.122 corresponde a EuroDOCSIS 2.0 y el Anexo J de la J.122 describe la variante japonesa de DOCSIS 2.0 (análoga al Anexo C de la J.112).

Características

DOCSIS ofrece una variedad de opciones disponibles en las capas 1 y 2 de interconexión de sistemas abiertos (OSI): las capas física y de enlace de datos .

Capa física

  • Ancho del canal:
    • Transmisión descendente: todas las versiones de DOCSIS anteriores a la 3.1 utilizan canales de 6 MHz (por ejemplo, América del Norte) o canales de 8 MHz ("EuroDOCSIS"). DOCSIS 3.1 utiliza anchos de banda de canal de hasta 192 MHz en la transmisión descendente. [14]
    • Upstream: DOCSIS 1.0/1.1 especifica anchos de canal entre 200 kHz y 3,2 MHz. DOCSIS 2.0 y 3.0 especifican 6,4 MHz, pero pueden utilizar los anchos de canal más estrechos de las versiones anteriores para lograr compatibilidad con versiones anteriores. DOCSIS 3.1 utiliza anchos de banda de canal de hasta 96 MHz en el upstream.
  • Modulación:
    • Downstream: Todas las versiones de DOCSIS anteriores a la 3.1 especifican que se debe utilizar QAM de 64 o 256 niveles (64-QAM o 256-QAM) para la modulación de datos downstream, utilizando el estándar ITU-T J.83-Anexo B [15] para el funcionamiento de canal de 6 MHz, y el estándar de modulación DVB-C para el funcionamiento de 8 MHz (EuroDOCSIS). DOCSIS 3.1 añade 16-QAM, 128-QAM, 512-QAM, 1024-QAM, 2048-QAM y 4096-QAM, con soporte opcional de 8192-QAM/16384-QAM.
    • Upstream: Los datos upstream utilizan QPSK o QAM de 16 niveles (16-QAM) para DOCSIS 1.x, mientras que QPSK, 8-QAM, 16-QAM, 32-QAM y 64-QAM se utilizan para DOCSIS 2.0 y 3.0. DOCSIS 2.0 y 3.0 también admiten 128-QAM con modulación codificada en red en modo S-CDMA (con una eficiencia espectral efectiva equivalente a la de 64-QAM). DOCSIS 3.1 admite modulaciones de datos desde QPSK hasta 1024-QAM, con soporte opcional para 2048-QAM y 4096-QAM.
  • DOCSIS emplea una combinación de métodos de acceso deterministas para transmisiones ascendentes, específicamente acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) para DOCSIS 1.0/1.1 y tanto TDMA como S-CDMA para DOCSIS 2.0 y 3.0, con un uso limitado de contención para solicitudes de reserva de ancho de banda. En TDMA, un módem de cable solicita un tiempo para transmitir y el CMTS le otorga un intervalo de tiempo disponible. [16]
  • Para DOCSIS 1.1 y superiores, la capa de datos también incluye amplias funciones de calidad de servicio (QoS) que ayudan a soportar de manera eficiente aplicaciones que tienen requisitos de tráfico específicos, como baja latencia, por ejemplo, voz sobre IP .
  • DOCSIS 3.0 cuenta con unión de canales , lo que permite que un solo suscriptor utilice juntos y al mismo tiempo múltiples canales descendentes y ascendentes. [17]

Rendimiento

El ancho de banda se comparte entre los usuarios de un HFC, dentro de grupos de servicio que son grupos de clientes que comparten canales de RF . [18]

Las tres primeras versiones del estándar DOCSIS admiten un rendimiento de bajada con 256-QAM de hasta 42,88 Mbit/s por canal de 6 MHz (aproximadamente 38 Mbit/s después de la sobrecarga), o 55,62 Mbit/s por canal de 8 MHz para EuroDOCSIS (aproximadamente 50 Mbit/s después de la sobrecarga). El rendimiento de subida posible es de 30,72 Mbit/s por canal de 6,4 MHz (aproximadamente 27 Mbit/s después de la sobrecarga), o 10,24 Mbit/s por canal de 3,2 MHz (aproximadamente 9 Mbit/s después de la sobrecarga).

DOCSIS 3.1 admite un rendimiento descendente con 4096-QAM y espaciado de subportadora de 25 kHz de hasta 1,89 Gbit/s por canal OFDM de 192 MHz. El rendimiento ascendente posible es de 0,94 Gbit/s por canal OFDMA de 96 MHz . [19]

Capa de red

  • Los módems DOCSIS se administran a través de una dirección de Protocolo de Internet (IP).
  • La especificación 'DOCSIS 2.0 + IPv6' permitió la compatibilidad con IPv6 en módems DOCSIS 2.0 a través de una actualización de firmware. [20] [21]
  • DOCSIS 3.0 agregó administración sobre IPv6 . [17]

Rendimiento

Las tablas suponen una modulación 256-QAM para el flujo descendente y 64-QAM para el flujo ascendente en DOCSIS 3.0, y una modulación 4096-QAM para OFDM/OFDMA (primeros métodos de flujo descendente/flujo ascendente) en DOCSIS 3.1, aunque las velocidades de datos reales pueden ser inferiores debido a la modulación variable que depende de la relación señal/ruido. Es posible alcanzar velocidades de datos más altas, pero se requieren esquemas QAM de orden superior que requieren una mayor relación de error de modulación (MER) en el flujo descendente. DOCSIS 3.1 se diseñó para admitir hasta 8192-QAM/16,384-QAM, pero solo es obligatorio admitir hasta 4096-QAM para cumplir con los estándares mínimos de DOCSIS 3.1.

Máximo rendimiento bruto, incluidos los gastos generales
VersiónRío abajoRío arriba
Configuración del canalRendimiento DOCSIS en Mbit/sRendimiento de EuroDOCSIS en Mbit/sConfiguración del canalRendimiento en Mbit/s
Número mínimo de canales seleccionablesNúmero mínimo de canales que debe soportar el hardwareNúmero seleccionado de canalesNúmero máximo de canalesNúmero mínimo de canales seleccionablesNúmero mínimo de canales que debe soportar el hardwareNúmero seleccionado de canalesNúmero máximo de canales
1.x111142,8855,62111110.24
2.0111142,8855,62111130,72
3.014metroNo definidom  ×42,88m  ×55,6214norteNo definidon  ×30,72
3.11 canal OFDM
o
1 canal SC-QAM		2 canales OFDM
y
32 canales SC-QAM		metro 1
metro 2		No definidoDepende del ancho de banda del canal OFDM en MHz
más
m 2  × 42,88		Depende del ancho de banda del canal OFDM en MHz
más
m 2  × 55,62		1 canal OFDMA
o
1 canal SC-QAM		2 canales OFDMA
y
8 canales SC-QAM		número 1
número 2		No definidoDepende del ancho de banda del canal OFDMA en MHz
más
n 2  × 30,72

Para DOCSIS 3.0, el rendimiento máximo teórico para la cantidad de canales enlazados se enumera en la siguiente tabla. [22]

Número de canalesRendimiento descendenteRendimiento ascendente
Río abajoRío arribaDOCSISEuroDOCSIS
44171,52 Mbit/s222,48 Mbit/s122,88 Mbit/s
84343,04 Mbit/s444,96 Mbit/s
164686,08 Mbit/s889,92 Mbit/s
2481029,12 Mbit/s1334,784 Mbit/s245,76 Mbit/s
3281372,16 Mbit/s1779,712 Mbit/s

Tenga en cuenta que la cantidad de canales que puede admitir un sistema de cable depende de cómo esté configurado el sistema. Por ejemplo, la cantidad de ancho de banda disponible en cada dirección, el ancho de los canales seleccionados en la dirección ascendente y las restricciones de hardware limitan la cantidad máxima de canales en cada dirección. [ cita requerida ]

Tenga en cuenta que el ancho de banda máximo de bajada en todas las versiones de DOCSIS depende de la versión de DOCSIS utilizada y del número de canales de subida utilizados si se utiliza DOCSIS 3.0, pero los anchos de los canales de subida son independientes de si se utiliza DOCSIS o EuroDOCSIS. [ cita requerida ]

Río arriba

El DOCSIS tradicional en sentido ascendente en Norteamérica utiliza el rango de frecuencia de 5 a 42 MHz. El EuroDOCSIS utiliza el rango de 5 a 65 MHz. Esto se conoce como diseño de "división baja" o "subdivisión", capaz de una capacidad compartida total de ~108 Mbit/s en sentido ascendente (suponiendo 4 canales SC-QAM en sentido ascendente) para el grupo de servicios. [23]

En los últimos años, [¿ cuándo? ] los operadores de cable [¿ cuáles? ] han comenzado a aumentar la cantidad de ancho de banda dedicado al upstream. Las dos opciones más populares para esto incluyen un "mid-split" o un "high-split". [24]

Una división intermedia aumenta el rango de frecuencia ascendente a 5–85 MHz, lo que admite una capacidad ascendente compartida total de ~450 Mbit/s (suponiendo 4 canales SC-QAM + OFDMA) para el grupo de servicios. [25]

Una división alta aumenta el rango de frecuencia ascendente a 5–204 MHz, lo que admite una capacidad ascendente compartida total de ~1,5 Gbit/s (suponiendo 4 canales SC-QAM + OFDMA) para el grupo de servicios. [25]

DOCSIS 4.0, tanto en configuraciones full-duplex (FDX) como de espectro extendido DOCSIS (ESD), admitirá velocidades de subida superiores a 5 Gbit/s. [26]

Equipo

Un módem de cable DOCSIS 3.0
Un sistema de terminación de módem de cable (CMTS)

Una arquitectura DOCSIS incluye dos componentes principales: un módem de cable ubicado en las instalaciones del cliente y un sistema de terminación de módem de cable (CMTS) ubicado en la cabecera de CATV. [27]

El PC del cliente y los periféricos asociados se denominan equipos en las instalaciones del cliente (CPE). Los CPE están conectados al módem por cable, que a su vez está conectado a través de la red HFC al CMTS. El CMTS luego enruta el tráfico entre el HFC e Internet. Mediante sistemas de aprovisionamiento y a través del CMTS, el operador de cable ejerce control sobre la configuración del módem por cable. [27]

DOCSIS 2.0 también se utilizó en frecuencias de microondas (10 GHz) en Irlanda por Digiweb , utilizando enlaces inalámbricos dedicados en lugar de una red HFC. En las instalaciones de cada suscriptor, el CM ordinario está conectado a una caja de antena que convierte a/desde frecuencias de microondas y transmite/recibe en 10 GHz. Cada cliente tiene un enlace dedicado, pero el mástil del transmisor debe estar en la línea de visión (la mayoría de los sitios están en la cima de una colina). [28]

Seguridad

DOCSIS incluye servicios de seguridad de la capa de control de acceso al medio (MAC) en sus especificaciones de interfaz de privacidad básica. DOCSIS 1.0 utilizó la especificación de interfaz de privacidad básica (BPI) inicial. La BPI se mejoró posteriormente con el lanzamiento de la especificación de interfaz de privacidad básica Plus (BPI+) utilizada por DOCSIS 1.1 y 2.0. Más recientemente, se agregaron varias mejoras a la interfaz de privacidad básica como parte de DOCSIS 3.0, y la especificación pasó a llamarse "Seguridad" (SEC).

El objetivo de las especificaciones BPI/SEC es describir los servicios de seguridad de la capa MAC para las comunicaciones entre CMTS DOCSIS y módems de cable. Los objetivos de seguridad de BPI/SEC son dos:

  • Proporcionar a los usuarios de módem de cable privacidad de datos en toda la red de cable
  • Proporcionar a los operadores de servicios de cable protección del servicio (es decir, evitar que módems y usuarios no autorizados obtengan acceso a los servicios RF MAC de la red)

BPI/SEC tiene como objetivo evitar que los usuarios de cable se escuchen entre sí. Para ello, cifra los flujos de datos entre el CMTS y el módem de cable. BPI y BPI+ utilizan el cifrado estándar de cifrado de datos (DES) de 56 bits, mientras que SEC añade compatibilidad con el estándar de cifrado avanzado (AES) de 128 bits . Sin embargo, la clave AES está protegida únicamente por una clave RSA de 1024 bits. [29]

BPI/SEC tiene como objetivo permitir a los operadores de servicios de cable rechazar el servicio a módems de cable no certificados y usuarios no autorizados. BPI+ reforzó la protección del servicio añadiendo autenticación basada en certificado digital a su protocolo de intercambio de claves , utilizando una infraestructura de clave pública (PKI), basada en autoridades de certificación digital (CA) de los evaluadores de certificación, actualmente Excentis (antes conocida como tComLabs) para EuroDOCSIS y CableLabs para DOCSIS. Normalmente, el operador de servicios de cable añade manualmente la dirección MAC del módem de cable a la cuenta de un cliente con el operador de servicios de cable; [30] y la red permite el acceso sólo a un módem de cable que pueda dar fe de esa dirección MAC utilizando un certificado válido emitido a través de la PKI. La especificación BPI anterior (ANSI/SCTE 22-2) tenía una protección de servicio limitada porque el protocolo de gestión de claves subyacente no autenticaba el módem de cable del usuario.

La seguridad en la red DOCSIS mejora enormemente cuando solo se permiten las comunicaciones críticas para la empresa y se deniega la comunicación del usuario final con la infraestructura de red. Los ataques exitosos suelen ocurrir cuando el CMTS está configurado para ser compatible con versiones anteriores de los módems DOCSIS 1.1 anteriores al estándar. Estos módems eran "actualizables por software en el campo", pero no incluían certificados raíz DOCSIS o EuroDOCSIS válidos. [ cita requerida ]

Véase también

Referencias

  1. ^ "Se consideran los sistemas de cinco fabricantes de módems para las especificaciones de datos por cable". CableLabs. 23 de septiembre de 1996. Archivado desde el original el 21 de octubre de 2002. Consultado el 15 de abril de 2023 .
  2. ^ "CableLabs selecciona a Broadcom y Terayon para que creen propuestas de tecnología de módem avanzada". CableLabs. 13 de noviembre de 1998. Archivado desde el original el 11 de octubre de 2013. Consultado el 15 de abril de 2023 .
  3. ^ "Especificaciones de la interfaz de servicio de datos por cable (DOCSIS)". Community.Cisco.com . Cisco Systems . 1 de marzo de 2019 . Consultado el 15 de abril de 2023 .
  4. ^ "Sistema de terminación de módem por cable: especificación de interfaz del lado de la red" (PDF) . CableLabs. Archivado desde el original (PDF) el 17 de agosto de 2016 . Consultado el 27 de julio de 2016 .
  5. ^ "Especificaciones". CableLabs . Consultado el 2 de diciembre de 2017 .
  6. ^ "DOCSIS 3.1 apunta a 10 Gig de transmisión en bajada". Lectura ligera .
  7. ^ Greg, White; Rong, Pan. "Gestión activa de colas (AQM) basada en controlador integral proporcional mejorado (PIE) para módems de cable con especificaciones de interfaz de servicio de datos por cable (DOCSIS)". Tools.IETF.org . Consultado el 12 de abril de 2021 .
  8. ^ "Gestión de colas activas en módems de cable DOCSIS 3.x" (PDF) . CableLabs.
  9. ^ "Comcast presentará el primer servicio de Internet Gigabit con tecnología DOCSIS 3.1 en Atlanta, Chicago, Detroit, Miami y Nashville". BusinessWire.com . 2 de febrero de 2016 . Consultado el 15 de febrero de 2016 .
  10. ^ "Mediacom adoptará DOCSIS 3.1 para fin de año". Light Reading . Consultado el 2 de diciembre de 2017 .
  11. ^ Hamzeh, Belal (11 de octubre de 2017). "CableLabs completa la especificación DOCSIS dúplex completo". CableLabs . Consultado el 17 de junio de 2019 .
  12. ^ ab "Tecnología DOCSIS 4.0". CableLabs . Consultado el 7 de marzo de 2023 .
  13. ^ Downey, John J. (31 de julio de 2014). «Descripción general de DOCSIS 3.1». PiedmontSCTE.org . Consultado el 24 de octubre de 2024 .
  14. ^ "Tecnología DOCSIS". Rohde & Schwarz .
  15. ^ "Recomendación J.83 (1997) Enmienda 1 (11/06)". Noviembre de 2006. Consultado el 20 de junio de 2013 .
  16. ^ "Comprensión del rendimiento de datos en un mundo DOCSIS". Cisco . Consultado el 21 de febrero de 2024 .
  17. ^ ab "CableLabs publica especificaciones DOCSIS 3.0 que permiten 160 Mbps". CableLabs. Archivado desde el original el 20 de noviembre de 2010. Consultado el 2 de diciembre de 2017 .
  18. ^ Lograr el triple play: tecnologías y modelos de negocios para el éxito: informe completo. Consorcio Internacional de Ingeniería. 15 de marzo de 2024. ISBN 978-1-931695-37-4.
  19. ^ Sinclair, Dave. "DOCSIS What's Next - An Overview" (PDF) . SCTE-SanDiego.org . Archivado (PDF) del original el 15 de agosto de 2017 . Consultado el 6 de marzo de 2023 .
  20. ^ "Interfaz DOCSIS 2.0". CableModem.com . Archivado desde el original el 4 de septiembre de 2009.
  21. ^ Torbet, Dan (9 de abril de 2008). "IPv6 y cable: cómo el cable está gestionando la transición de IPv4 a IPv6" (PDF) . Grupo de trabajo sobre IPv6 de las Montañas Rocosas . Consultado el 12 de febrero de 2015 .
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  • DOCSIS 3.1 Esta nota de aplicación de Rohde & Schwarz analiza los avances tecnológicos fundamentales de DOCSIS 3.1.
  • Tutorial de DOCSIS (2009) en la firma Volpe

Presupuesto

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  • Especificaciones DOCSIS 1.1
  • Especificaciones DOCSIS 2.0
  • Especificaciones DOCSIS 3.0
  • Especificaciones DOCSIS 3.1
  • Especificaciones DOCSIS 4.0
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