谢晴晴(1990-), 女,博士,讲师, CCF专业会员, 主要研究领域为应用密码学, 区块链技术
董凡(1995-), 男, 硕士生, 主要研究领域为轻量级区块链技术
传统的区块链技术为了保证交易账本的全网共识和不可篡改性, 要求矿工节点具有强大的计算能力和足够的存储空间, 这就限制了资源受限的设备加入区块链. 近几年, 区块链技术已经拓展到金融经济、医疗健康、物联网、供应链等多个领域, 但是这些应用场景存在大量算力弱、存储容量低的设备, 这给区块链的应用带来了巨大挑战. 为此轻量级的区块链技术应运而生. 从轻量级计算和轻量级存储两方面出发, 总结当前轻量级区块链的研究现状, 对比分析各个方案的优缺点. 最后展望未来轻量级区块链的发展.
In order to ensure the network-wide consensus and tamper proof of the transaction ledger, the miner nodes are required to possess strong computing and storage resource in the traditional blockchain technology. It greatly limits the resource-constrained devices to join in the blockchain systems. In recent years, blockchain technology has been expanded in many fields, such as financial economy, health care, Internet of Things, supply chain, etc. However, there is a large number of devices with weak computing power and low storage capacity in these application scenarios, which brings great challenges to the application of blockchain. Therefore, lightweight blockchain technology is emerging. This study summarizes some related works of lightweight blockchain from the two aspects of lightweight computing and storage. Their advantages and disadvantages are compared and analyzed. Finally, the future development of the lightweight blockchain systems is prospected.
区块链(blockchain)技术是近几年最热门的研究领域之一, 国家已将其列入发展战略, 习近平总书记更是亲自参与了区块链的学习研讨会, 并在会上为区块链的未来发展指明了方向. 当前, 区块链技术已经拓展到金融经济[
区块链是结合了P2P (peer to peer)网络、智能合约、共识机制、密码学等技术的新型的分布式账本技术, 凭借着去中心化和账本数据不可篡改、公开透明等特性, 区块链的出现为解决传统服务架构下存在的安全和信任问题提供了新思路. 但是, 传统区块链技术存在的高能耗、低效率等缺点严重阻碍了区块链技术的发展. 因此, 亟需一种轻量级的区块链技术. 本文总结分析了当前轻量级区块链技术的研究现状, 旨在推动区块链技术的发展, 为轻量级区块链技术的研究提供参考.
本文第1节对区块链技术进行概述, 指出了传统区块链技术在计算和存储上存在的问题. 第2节分别从计算、存储以及兼顾计算和存储3个方面对当前轻量级区块链技术进行总结分析, 并指出现有方案的优缺点. 第3节总结了物联网场景下典型的轻量级区块链架构. 第4节对轻量级区块链技术的未来研究进行了展望. 第5节对全文进行了总结.
区块链最初作为比特币[
区块链本质是一个集成了P2P网络、智能合约、共识机制、密码学等技术的去中心化的分布式数据库. 其整体架构自上到下可以分为应用层、合约层、激励层、共识层、网络层和数据层[
The hierarchical structure of blockchain
区块链分层结构
为解决上述挑战, 许多专家和学者根据特定的应用场景对传统区块链技术上进行了优化革新, 提出了轻量级区块链技术. 所谓轻量级主要体现在降低计算和存储消耗两方面. 在计算方面, 通过对传统高能耗的共识算法优化, 以减轻节点算力消耗; 安全的轻量级密码学工具的研究[
在资源受限的场景中应用传统的区块链有诸多限制, 轻量级区块链技术的探索与研究有助于拓展区块链的应用领域. 以下将从轻量级计算、轻量级存储和兼顾计算和存储的轻量级方案3个方面阐述当前轻量级区块链技术的研究现状.
The classification of lightweight blockchain technology
轻量级区块链技术分类
在区块链系统中, 节点通过共识机制实现对区块链账本的一致性维护; 利用加密算法、数字签名和验证机制保证交易数据的正确性和合法性. 区块链的算力消耗主要集中在矿工节点运行共识算法竞争记账权, 因此, 优化传统区块链的共识算法是轻量级计算研究的主要方向.
The overview of lightweight computing solutions
轻量级计算方案概述
当前, 区块链中最常用的共识算法有两类, 一种是证明类共识算法, 如PoW、PoS (proof of stake)等; 另外一种是拜占庭类共识算法, 如PBFT (practical byzantine fault tolerance)[
(1) PoW
比特币在去中心化的场景中, 实现了用户之间安全的假名化交易, 目前占据了加密数字货币较大的市值份额. 以比特币为代表的Litecoin[
PoW共识的具体过程如下.
① 矿工节点反复试错来改变
② 出块节点构造新区块, 并在区块链网络中广播新区块.
③ 区块链网络中的其他节点验证区块和交易, 若区块和所有交易均合法, 那么将新区块写入区块链中, 同时进入下一轮共识; 否则忽略该区块并继续本轮共识.
在PoW共识中, 节点发动攻击需要控制全网51%的算力. 在没有中心化节点的情况下, 节点攻击成功的概率非常低. 因此, PoW共识能够有效地保障区块链系统的安全性. 但是, PoW共识存在严重的能耗问题[
(2) PoS
针对PoW共识存在的高能耗问题, 文献[
PoS共识的具体过程如下:
① 用户通过质押持有的代币来获取币龄, 币龄越长成为出块节点的概率越大, 挖矿需满足公式(2).
② 出块节点收集合法交易, 打包进新区块中, 并将新区块广播到区块链中.
③ 区块链网络中的其他对等节点对新区块进行验证, 若验证通过, 那么将新区块写入区块链中, 同时进入下一轮共识; 否则忽略该区块并继续本轮共识.
在PoS共识中, 节点不需要计算无意义的哈希值, 挖矿过程消耗少量的算力, 因此其能有效缓解PoW共识存在的高能耗问题. 此外, 在PoS共识中, 节点发动攻击需要控制全网51%的权益, 而恶意节点控制51%权益的难度高于控制51%算力, 因此, PoS共识安全性更好[
此外还有一些其他的共识算法, 如: PoB (proof of burn)是通过销毁基础代币来获得出块奖励的共识机制[
传统区块链共识算法要求节点计算无意义的哈希函数, 此过程造成大量资源浪费, 同时不利于在资源受限场景部署区块链. 因此, 许多专家和学者对传统区块链共识算法进行优化, 提出了轻量级共识算法.
Summary and analysis of lightweight computing schemes
轻量级计算方案总结分析
分类 | 共识机制 | 计算消耗 | 去中心化程度 | 安全性 | 可扩展性 | 优点 | 缺点 |
传统区块链共识方案 | PoW | 高 | 完全 | 强 | 弱 | 安全性强, 去中心化程度高 | 资源消耗大, 可扩展性低 |
PoS | 低 | 完全 | 强 | 中等 | 资源消耗低, 安全性强 | 产生马太效应, 内部共识依赖代币 | |
轻量级共识优化方案 | e-PoS | 低 | 完全 | 强 | 中等 | 资源消耗低, 公平性好 | 需要达成两次共识, 共识依赖代币 |
SMP | 低 | 完全 | 强 | 中等 | 资源消耗低, 公平性好 | 内部共识依赖代币 | |
Tangle | 低 | 完全 | 弱 | 强 | 资源消耗低, 扩展性强 | 安全性差, 无全局排序, 实现复杂 | |
PoEWAL | 低 | 完全 | 强 | 强 | 资源消耗低, 扩展性强 | 资源受限设备竞争记账权的概率低 | |
基于信任的PoW | 低 | 完全 | 强 | 中等 | 资源消耗低, 安全性强 | 恶意行为识别带来额外的计算开销 | |
PoBT | 低 | 半中心化 | 强 | 强 | 资源消耗低, 扩展性强 | 去中心化程度低, 依赖排序节点 |
(1) e-PoS (extended PoS)
基于股权的PoS共识协议容易造成马太效应, 因此, 文献[
The cycle of e-PoS consensus
e-PoS共识周期
e-PoS共识的具体过程如下.
① 上一轮周期的出块节点构造区块, 并计算每个区块的基线权益. 节点对一个周期内产生的所有交易按交易费降序排序, 并按顺序用这些交易填充区块, 基线权益表示为区块内所有交易的交易费之和. 节点将产生的一系列新区块及每个区块对应的基线权益广播到区块链系统中(此过程的节点均指的是上一轮周期的出块节点).
② 通过拍卖竞争记账权. 愿意参与区块拍卖的候选矿工将自身账户余额与区块基线权益进行比较, 当余额大于基线权益时, 则有资格参与该区块拍卖. 候选矿工对当前周期内的所有区块进行出价, 将出价发送到智能合约中, 其中出价以百分比形式表示. 系统按出价最高者选择最终的出块节点, 当出现出价相同时, 实际账户余额高的候选矿工获得记账权. 如
③ 最终选定的出块节点将自身余额质押到智能合约中, 同时获得对应区块. 节点验证区块中每笔交易, 如果所有交易均合法, 则对区块签名, 并广播到区块链网络中; 如果有交易违法则将其从区块移除.
④ 区块链网络中的其他对等节点验证新区块及对应出块节点的签名, 若验证成功, 将新区块写入区块链中, 否则将其丢弃.
⑤ 上一轮周期的出块节点执行智能合约, 将控制权转移给本轮周期挑选的出块节点, 同时开启下一轮周期的共识.
在e-PoS中, 新区块的产生并不需要运行复杂的密码学算法, 因此能耗相比于PoS更低; 此外基于自身资产的百分比来竞争记账权, 整个过程更加公平. 然而, 节点在构造区块前需要对交易池内的交易达成一次共识, 在之后的区块拍卖过程中又需要对区块的所属权达成一次共识, 因此整个过程需要两次共识, 增加了额外的计算开销和通信带宽消耗.
(2) SMP (synergistic multiple proof)
文献[
SMP共识具体过程如下(涉及的符号及含义见
Symbolic meaning in SMP consensus
SMP共识中符号含义
符号 | 含义 |
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持有的
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近200个块周期内该设备提出的区块数量 |
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近200块周期内网络平均吞吐量 |
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预定义的网络吞吐量阈值 |
① 节点反复试错来改变
② 出块节点负责收集合法交易, 将其打包进区块, 并将新区块广播到区块链网络中.
③ 区块链网络中的其他节点对新区块进行验证, 若验证通过, 那么将新区块写入区块链中, 同时进入下一轮共识; 否则忽略该区块并继续本轮共识.
在SMP下的挖矿难度远比PoW小, 有效降低了资源消耗. 此外, 为了防止PoS带来的马太效应, 定义了两个规则, 一是成功获得记账权的矿工需要初始化自己对应的持有时间(也就是币龄); 二是获胜者需要等待几个区块之后才能参加下一轮挖矿. 这种机制不仅提高了区块链的公平性, 同时也减少了计算力的浪费.
(3) Tangle (缠绕)
IoTA[
Tangle structure
Tangle结构图
Tangle共识的具体过程如下.
① 节点在发起新交易时, 需要在区块链网络中随机寻找两笔
② 每笔交易会直接验证两笔前缀交易, 并间接验证这两笔前缀交易直接和间接指向的更早的交易. 当交易被直接或间接验证的次数达到阈值时, 该笔交易就在全网达成共识. 如
在Tangle中剔除了矿工的角色, 节点不需要竞争记账权, 极大减少了共识的算力消耗; 此外, 交易并行处理, 提高了区块链的运行效率. 然而, 在基于Tangle技术的区块链系统中, 攻击者仅需较低的计算成本便能对区块链发动攻击[
(4) PoEWAL (proof of elapsed work and luck)
在PoEWAL[
PoEWAL共识的具体过程如下.
① 矿工节点在给定的时间内运行哈希运算, 将其具有最多数量连续零的哈希值的输出广播到区块链网络中. 系统比较所有矿工的输出, 以最多连续作为输出的矿工获得记账权.
② 若多个矿工节点拥有相同的最高数量的连续零, 会产生冲突, 导致区块链分叉. 为了避免分叉, 该机制引入了运气证明, 比较作为哈希运算输入的随机数的值, 拥有较低输入的矿工获得记账权.
③ 获得记账权的矿工节点构造新区块, 并广播到区块链网络中.
④ 区块链网络中的其他节点验证区块和交易, 若验证成功, 将新区块写入区块链中, 同时开启下一轮共识; 否则将其丢弃, 重新竞争记账权.
通过调整给定时间段的大小, 可以有效降低区块开采的资源消耗, 算力低的设备也可以参与挖矿. 但是, 该共识的本质仍然是通过不断地哈希运算以获得更多连续零的哈希值. 类似于PoW , 拥有高算力的节点成功挖矿的概率更高.
(5) 基于信任的PoW机制
文献[
The model of malicious behavior detection consensus
恶意行为检测共识模型
具体共识过程如下.
① 恶意行为检测机制对节点行为进行监控, 对于存在恶意行为的节点进行标记, 系统根据积极和消极两方面参数动态调整节点的信用值.
② 节点运行PoW共识算法竞争记账权. 节点的挖矿难度由信用值决定, 诚实节点获得较低的挖矿难度; 被标记的恶意节点由于信用值低会产生较高的挖矿难度, 成功挖矿的概率远低于诚实节点.
③ 获得记账权的节点构造区块, 并将新区块广播到区块链网络中. 其他对等节点验证新区块, 并更新区块链账本数据.
大量实验表明, 当模拟节点发起恶意行为时, 节点的信用值出现下降趋势, 会产生较高的挖矿难度, 成功挖矿的概率远低于诚实节点[
(6) PoBT (proof of block and trade)
PoBT[
The model of PoBT consensus
PoBT共识模型
PoBT共识过程如下.
① 物联网设备形成交易提案通过SDK发送到与其连接的Peer节点. 如
② 连接交易双方的Peer节点执行交易, 然后发送到排序节点.
③ 交易在排序节点中形成候选区块, 在区块提交前, 由排序节点执行相应算法挑选出参与本区块交易的Peer节点形成一个会话, 区块和区块中的交易由这些会话节点进行验证. 如
④ 排序节点为每个会话节点分配一组交易, 会话节点验证完所有交易后会返回给排序节点一个完成的响应, 当收到超过半数的响应后排序节点批准新区块, 然后将新区块连同排序节点的签名一起发送给网络中所有连接的Peer节点. 每个Peer节点都会验证签名并将该区块添加到其分类帐中.
在PoBT共识中, 新区块由排序节点产生, 剔除了矿工的角色, 节点不需要浪费巨大的算力资源来竞争记账权. 此外, 交易的验证仅限于直接参与交易的Peer节点, 这显著减少了信息交换所需的时间以及大量节点参与验证带来的额外计算开销. 缺点就是去中心化程度不高, 共识过程严重依赖于排序节点.
由于区块链账本数据的不可篡改性, 随着时间的推移账本数据不断增长, 存储空间受限的节点将无法保存完整的区块链副本, 以至于无法参与区块链的维护, 从而导致去中心化程度的降低. 轻量级存储技术的研究能够有效解决账本数据不断增长带来的问题. 下面将从历史交易数据删除、区块压缩、分片技术、新型架构下的本地交易模型4个方面阐述当前区块链中轻量级存储技术的发展.
The overview of lightweight storage solutions
轻量级存储方案概述
Summary and analysis of lightweight storage schemes
轻量级存储方案总结分析
分类 | 概述 | 优点 | 缺点 |
基于UTXO模型的数据卸载 | 对于不包含UTXO的区块定期执行算法卸载, 以节省空间 | 缓解节点存储压力, 账本数据卸载达43.35%[ |
破坏账本数据完整性
|
基于账户模型的数据卸载 | 交易包含账户状态验证路径, 节点仅需保存最新区块 | 缓解节点存储压力, 账本数据卸载高达90%以上[ |
破坏账本数据完整性, 节点频繁更新验证路径, 增加计算开销 |
账本数据压缩算法 | 当节点自身存储空间不足时, 将历史区块压缩成一个区块 | 缓解节点存储压力, 减少63%的存储空间消耗[ |
破坏数据完整性, 压缩频率过高, 增加出块和交易处理时延 |
分片技术 | 利用分片技术, 节点仅存储自己分片的账本数据 | 减少存储成本, 提高区块链的可扩展性 | 跨分片交易处理成本高, 单个分片的安全性和抵御攻击的能力差 |
本地交易 | 连接到同一节点的设备产生的交易仅存储在该节点内 | 在一定程度上能缓解存储压力 | 去中心化程度低; 节点连接大量设备时, 增加交易处理时延 |
通过分析UTXO (unspent transaction outputs)模型和账户模型下的区块链系统的验证机制, 不难发现, UTXO集合和账户状态都是在不断更新变化的. 对于那些动态存储的内容, 只保存可能由后续交易直接引用的数据, 至于微不足道的部分, 应该在不影响系统正常运行的情况下从本地转移下来. 基于此思想, 一些学者提出通过删除那些“无用”的历史交易数据的方法来缓解节点的存储压力. 下面将具体介绍两种模型下的数据卸载方案.
(1) 基于UTXO模型的数据卸载
文献[
(2) 基于账户模型的数据卸载
同样考虑对账本数据删除的方案, 文献[
在PoP方案中, 验证交易不需要历史区块, 节点可以在存储空间不足时删除历史区块, 以缓解存储压力. 对于新参与者允许先下载最新区块参与竞争记账权, 完整区块链可以在后台下载, 这就减少了参与者的等待时间. 但是, 节点频繁更新验证路径会带来额外计算开销.
文献[
The model of block compression
区块压缩模型
分片技术是数据库中常用的手段, 其通过将大型数据库分割为大量小而易管理的数据碎片, 以提高数据的处理效率. 在区块链中, Luu等人[
文献[
文献[
The process of local transaction
本地交易流程
不同于第2.1、2.2节所阐述的单一优化的轻量级方案, 本节讨论的方案能够有效兼顾计算和存储优化, 解决资源受限场景下无法部署区块链的问题.
The overview of lightweight solutions that take into account both computing and storage
兼顾计算和存储的轻量级方案概述
(1) LightChain
LightChain[
在LightChain中, 节点不需要存储完整区块链账本, 通过检索跳图按需访问交易和区块; 在基于跳图的验证证明(proof-of-validation, PoV)共识机制下, 节点能够平等的参与竞争记账权, 而不受算力和资产的影响. 该方案不仅能有效缓解节点的存储压力, 同时减少了共识过程中计算资源的消耗, 提高共识公平性, 解决了资源受限设备无法参与区块链的问题. 但是节点频繁地查找、插入、删除操作增加了网络消耗.
Summary and analysis of lightweight solutions that take into account both computing and storage
兼顾计算和存储的轻量级方案总结分析
分类 | 概述 | 优点 | 缺点 |
LightChain | 运行在基于跳图结构的P2P覆盖网络上的无许可区块链 | 减少了共识过程中计算资源的消耗, 提高共识公平性, 缓解节点存储压力 | 节点频繁地查找、插入、删除操作增加了网络消耗 |
Dewblock | 基于Cloud-Dew架构, 构建轻量级全节点 | 缓解个人设备的计算和存储压力, 云提供更高效的计算处理能力 | 部署成本高, 云存储安全性低 |
多云存储机制 | 云服务提供商作为节点维护区块链 | 提高区块链运行效率, 能够解决个人设备资源限制的问题 | 物联网设备产生大量的、时效性低的数据存储在云端, 造成资源浪费, 增加部署成本 |
(2) DewBlock
DewBlock[
在DewBlock中, 节点由Dew服务器和云服务器组成. Dew服务器部署在个人计算机或移动设备中, 与云服务器连接, 构成一个全节点. 云服务器和Dew服务器可以充当区块链客户端. 当Dew客户端独立运行时, 其功能类似于轻节点, 不存储区块数据, 同时无法参与验证和挖矿. 当Dew客户端与云客户端连接时, 其具有全节点的功能, 云客户端通过特定的通信协议与Dew客户端通信, 以提供计算和存储服务, 在此状态下的Dew客户端可以参与区块链的维护工作. DewBlock将区块链的存储和计算工作都集中在云服务器中, 以此来缓解个人设备的计算和存储压力. 利用云服务能够有效地解决在资源受限场景中无法部署区块链的问题, 但同时也给区块链带来了隐私泄露和数据安全等问题.
(3) 多云存储机制
文献[
Multi-cloud storage mechanism
多云存储机制
物联网环境中存在海量异构、轻量级的智能设备, 这些设备收集的大量数据暴露在网络中, 时刻面临着数据安全等问题, 传统集中式的数据处理策略存在性能瓶颈以及单点故障的问题. 区块链凭借其分布式架构、去中心化以及不可篡改的特性为解决物联网数据存在的安全问题提供了新思路. 但传统的区块链技术存在的能耗高、扩展性差等问题, 这使得区块链与物联网的结合存在巨大挑战. 为解决上述问题, 许多专家和学者展开了物联网场景下的轻量级区块链技术研究. 本节将一些轻量级区块链应用架构分为以下3种类型: 1) 物联网设备以全节点身份参与区块链; 2) 物联网设备以轻节点身份参与区块链; 3) 物联网设备以轻节点-全节点身份参与区块链.
这类架构不需要额外部署其他资源强大的设备, 通过研究轻量级的共识机制与数据存储, 试图让资源受限的物联网设备以全节点的身份参与共识过程、区块数据存储、交易验证与区块挖掘的工作. “时态区块链”[
此类架构虽然可以使资源受限的物联网设备作为全节点直接管理区块链, 但该类研究忽略了一个重要的细节就是物联网设备的主要工作是收集数据、处理数据以及交换数据, 而这些工作将占据物联网设备的绝大多数资源. 将物联网设备作为全节点管理区块链势必会影响其收集、处理数据的效率, 同时也不利于区块链的扩展. 因此, 目前将物联网设备作为全节点的方案效果不佳.
在这类架构下, 通过额外部署其他资源强大的设备充当全节点维护区块链, 而资源受限的物联网设备以轻节点的身份参与区块链, 不需要存储完整的区块链账本. 如基于Hyperledger Fabric框架PoBT[
此类架构能有效解决区块链与物联网融合问题, 在一定程度上提高了物联网区块链的可扩展性, 但未充分利用物联网设备资源, 忽视物联网不同层的设备之间的差异性.
不同于上述两类架构, 本节讨论的架构充分考虑了物联网的分层结构, 使区块链与物联网的不同层有机结合形成新的架构[
文献[
LSB architecture
LSB架构
本节所介绍的区块链架构能有机的结合物联网各层设备, 并利用轻量级区块链技术能有效解决低资源设备无法满足传统区块链的高算力要求以及无法存储完整区块链账本的问题, 更好地促进了区块链与物联网等资源受限场景的融合发展.
针对目前区块链存在算力消耗大、扩展性差以及账本数据不断增大等问题, 大规模应用区块链还有许多工作需要开展和完善. 如何解决资源受限场景中部署区块链的问题, 还需要继续深入研究. 轻量级区块链技术的研究仍具有重要现实意义, 未来可以从以下4个方面展开研究.
(1)多级共识机制研究
对大型区块链系统进行合理化的分层处理, 建立多级共识, 先在低层次节点之间建立共识, 再向上层传递, 直到所有节点之间达成共识. 以此来缓解区块链中的算力消耗和网络带宽消耗.
(2)共识融合分片技术
将共识机制与分片技术结合, 利用状态分片的思想, 合理解决跨分片交易问题, 实现区块链性能的扩展以及可持续存储.
(3)账本数据的合理优化
现有的一些数据优化方案如删除历史数据、压缩区块等破坏了交易数据的完整性, 如何在保证交易数据完整性的前提下对区块链账本进行瘦身仍需要深入研究.
(4)安全性和隐私保护
大多数的轻量级区块链方案着重于解决能耗问题, 对于区块链中隐私保护方面缺乏关注. 因此, 在轻量级区块链技术的研究过程中更应该注重对隐私问题的关注.
区块链凭借其去中心化, 账本数据不可篡改, 公开透明以及可溯源等特点, 能够有效应对当前互联网环境下存在的安全和信任问题, 现已拓展到多个应用领域. 但是, 能耗高、运行效率低等问题制约着区块链的发展, 在资源受限的场景中部署传统区块链仍存在巨大挑战. 本文总结了部分典型的应用在资源受限的场景中的轻量级区块链方案, 通过对比分析, 这些方案虽然在一定程度上能够缓解传统区块链的弊端, 但仍然存在一些缺点, 如安全性不高, 缺乏隐私保护等. 因此, 需要更加深入的研究轻量级区块链技术, 推动区块链的融合发展.
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