无线传感器网:传感器网络

2021/11/05 19:55 · 传感器知识资讯 ·  · 无线传感器网:传感器网络已关闭评论
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传感器网络
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传感器网络,是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络,这些装置使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况(比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物)。无线传感器网络的发展最初起源于战场监测等军事应用。而现今无线传感器网络被应用于很多民用领域,如环境与生态监测、健康监护、家庭自动化、以及交通控制等。
中文名
传感器网络
外文名
Sensor networks
主要包括
感应、通讯、计算
领 域
计算机
目录
1
名词解释
2
原理
3
作用
4
体系结构
5
与物联网
传感器网络名词解释
语音
所谓传感器网络是由大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。传感网络的节点间距离很短,一般采用多跳(multi-hop)的无线通信方式进行通信。传感器网络可以在独立的环境下运行,也可以通过网关连接到Internet,使用户可以远程访问。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等,能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,通过嵌入式系统对信息进行处理,并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念。传感器网络节点的组成和功能包括如下四个基本单元:传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(由嵌入式系统构成,包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)、以及电源部分。此外,可以选择的其它功能单元包括:定位系统、运动系统以及发电装置等。在传感器网络中,节点通过各种方式大量部署在被感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络,以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息,可以实现对任意地点信息在任意时间的采集,处理和分析。一个典型的传感器网络的结构包括分布式传感器节点(群)、sink节点、互联网和用户界面等.传感节点之间可以相互通信,自己组织成网并通过多跳的方式连接至Sink(基站节点),Sink节点收到数据后,通过网关(Gateway)完成和公用Internet网络的连接。整个系统通过任务管理器来管理和控制这个系统。传感器网络的特性使得其有着非常广泛的应用前景,其无处不在的特点使其在不远的未来成为我们生活中不可缺少的一部分。
传感器网络原理
语音
传感器网络的每个节点除配备了一个或多个传感器之外,还装备了一个无线电收发器、一个很小的微控制器和一个能源(通常为电池)。单个传感器节点的尺寸大到一个鞋盒,小到一粒尘埃。传感器节点的成本也是不定的,从几百美元到几美分,这取决于传感器网络的规模以及单个传感器节点所需的复杂度。传感器节点尺寸与复杂度的限制决定了能量、存储、计算速度与频宽的受限。
[1]
在计算机科学领域,传感器网络是一个研究热点,每年都会召开很多的研讨会和国际会议。
传感器网络作用
语音
传感器网络主要包括三个方面:感应、通讯、计算(硬件、软件、算法)。其中的关键技术主要有无线数据库技术,比如使用在无线传感器网络的查询,和用于和其它传感器通讯的网络技术,特别是多次跳跃路由协议。例如摩托罗拉使用在家庭控制系统中的ZigBee无线协议。传感器网络与传感器传感器网络与传感器是什么关系呢?它究竟是一种传感器呢还是一种网络呢?在回答这个问题之前,我们先来看一下传感器网络中传感节点的系统组成吧。如图1所示,一般可以将传感节点分解为传感模块、微处理器最小系统、无线通信模块、电源模块和增强功能模块5个组成部分,其中增强功能模块为可选配置。
图1 传感器网络中传感节点的系统组成可以把传感模块和电源模块看作传统的传感器,如果再加上微处理器最小系统就可对应于智能传感器,而无线通信模块是为了实现无线通信功能而比传统传感器新增加的功能模块。增强功能模块是可选配置,例如时间同步系统、卫星定位系统、用于移动的机械系统等。从传感节点的系统组成上看,传感器网络可以看作是多个增加了无线通信模块的智能传感器组成的自组织网络。而从功能上看,传感器和传感器网络大致相同,都是用来感知监测环境信息的,不过显然传感器网络具备更高的可靠性。传感器网络的发展传感器网络是怎样发展起来的呢?最早的传感器网络可以追溯到上世纪70年代美军在越战中使用的“热带树”传感器。为了遏制北越在胡志明小道的后勤补给,美军在这条小道上沿途投放了上万个“热带树”传感器,这是一种振动和声响传感器,当北越车队经过时传感器探测到振动和声响即向指挥中心发送感知信号,美军收到信号后即组织轰炸,有资料显示越战期间美军依靠“热带树”的帮助总共炸坏了4万多辆北越运输卡车。“热带树”传感器之间没有通信能力,所以实际上还称不上网络的概念。20世纪80年代以来,美国军方陆续与高校开展传感器网络方面的研究合作,旨在建立能够用于军事用途的自组织的无线传感器网络,这期间在硬件、软件、标准化和产品化等方面取得了一系列的重大进展。2000年,美国加州大学伯克利分校发布了传感器节点专用操作系统TinyOS,后续又推出专用程序设计语言nesC。2001年,伯克利分校又推出Mica系列传感器节点产品。TinyOS和Mica取得了巨大的成功,直到今天它们仍然得到了广泛的应用。2001年,ZigBee联盟成立,并对无线传感器网络的通信协议进行了全面的标准化,后续多家公司发布了多款符合ZigBee协议标准的芯片和产品。传感器网络未来的发展趋势传感器网络未来的发展趋势又如何呢?传感器网络技术诞生至今也不过几十年的时间,最近更是得到了美国之外欧洲、中国和日韩等国的重视和关注,目前其发展前沿也在不断延伸。总体说来,大致可以将其发展趋势划分为两大类:其一是设计用于完成特殊任务的无线传感器网络,例如无线多媒体传感器网络和无线传感执行网络。其二是设计用于特殊应用环境下工作的无线传感器网络,例如水下环境和地下环境。无线多媒体传感器网络(WMSN, Wireless Multimedia Sensor Network)在传感器节点上借助多媒体传感单元将音频、视频、图像等多媒体信息传送到管理节点,能够实现对复杂多变环境的监测。无线传感执行网络(WSAN, Wireless Sensor and Actor Network)在WSN的基础上加入了执行节点(Actor),执行节点根据收集到的监测信息做出决策并执行相关操作,从而在对环境监测的基础上进一步实现对环境的控制。水声无线传感器网络(UW-ASN, Underwater Acoustic Sensor Network)采用水声无线通信技术实现水下传感器节点之间的通信连接,能够完成海洋采样、环境监测、水下开采、辅助航行等任务。
传感器网络体系结构
语音
传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor)、汇聚节点(sink node)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域(sensor field)内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据。
[2]
传感器网络与物联网
语音
通过感知识别技术,让物品“开口说话、发布信息”,是融合物理世界和信息世界的重要一环,是物联网区别于其他网络的最独特的部分。物联网的“触手”是位于感知识别层的大量信息生成设备,包括RFID、传感器网络、定位系统等。传感器网络所感知的数据是物联网海量信息的重要来源之一。传感器网络已被视为物联网的重要组成部分,如果将智能传感器的范围扩展到RFID等其他数据采集技术,从技术构成和应用领域来看,泛在传感器网络等同于现在我们提到的物联网。
词条图册
更多图册
参考资料
1.

无线传感器网络的定义
.5联网[引用日期2012-09-01]
2.

无线传感器网络的网络协议栈
.5联网[引用日期2012-09-01]

无线传感器网:无线传感器

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无线传感器网络
(Wireless Sensor Network)
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无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络,它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信,因此网络设置灵活,设备位置可以随时更改,还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。
中文名
无线传感器网络
外文名
Wireless Sensor Networks
特 点
大规模、自组织、动态化等
用 途
环境监测、军事领域、医疗护理、其他用途
目录
1
概述
2
特点
3
组成结构
4
信息安全
?
安全需求
?
威胁
?
关键技术
5
应用范围
无线传感器网络概述
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语音
无线传感器网络是一项通过无线通信技术把数以万计的传感器节点以自由式进行组织与结合进而形成的网络形式。构成传感器节点的单元分别为:数据采集单元、数据传输单元、数据处理单元以及能量供应单元。其中数据采集单元通常都是采集监测区域内的信息并加以转换,比如光强度跟大气压力与湿度等;数据传输单元则主要以无线通信和交流信息以及发送接收那些采集进来的数据信息为主;数据处理单元通常处理的是全部节点的路由协议和管理任务以及定位装置等;能量供应单元为缩减传感器节点占据的面积,会选择微型电池的构成形式。无线传感器网络当中的节点分为两种,一个是汇聚节点,一个是传感器节点。汇聚节点主要指的是网关能够在传感器节点当中将错误的报告数据剔除,并与相关的报告相结合将数据加以融合,对发生的事件进行判断。汇聚节点与用户节点连接可借助广域网络或者卫星直接通信,并对收集到的数据进行处理。
[1]
传感器网络实现了数据的采集、处理和传输三种功能。它与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络,以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息,并最终把这些信息发送给网络的所有者。无线传感器网络所具有的众多类型的传感器,可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。潜在的应用领域可以归纳为:军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。
无线传感器网络特点
编辑
语音
相较于传统式的网络和其他传感器相比,无线传感器网络有以下特点:(1)组建方式自由。无线网络传感器的组建不受任何外界条件的限制,组建者无论在何时何地,都可以快速地组建起一个功能完善的无线网络传感器网络,组建成功之后的维护管理工作也完全在网络内部进行。(2)网络拓扑结构的不确定性。从网络层次的方向来看,无线传感器的网络拓扑结构是变化不定的,例如构成网络拓扑结构的传感器节点可以随时增加或者减少,网络拓扑结构图可以随时被分开或者合并。(3)控制方式不集中。虽然无线传感器网络把基站和传感器的节点集中控制了起来,但是各个传感器节点之间的控制方式还是分散式的,路由和主机的功能由网络的终端实现各个主机独立运行,互不干涉,因此无线传感器网络的强度很高,很难被破坏。(4)安全性不高。无线传感器网络采用无线方式传递信息,因此传感器节点在传递信息的过程中很容易被外界入侵,从而导致信息的泄露和无线传感器网络的损坏,大部分无线传感器网络的节点都是暴露在外的,这大大降低了无线传感器网络的安全性。
[2]
无线传感器网络组成结构
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语音
无线传感器网络主要由三大部分组成,包括节点、传感网络和用户这3部分。其中,节点一般是通过一定方式将节点覆盖在一定的范围,整个范围按照一定要求能够满足监测的范围;传感网络是最主要的部分,它是将所有的节点信息通过固定的渠道进行收集,然后对这些节点信息进行一定的分析计算,将分析后的结果汇总到一个基站,最后通过卫星通信传输到指定的用户端,从而实现无线传感的要求。
[3]
无线传感器网络信息安全
编辑
语音
无线传感器网络安全需求
由于WSN使用无线通信,其通信链路不像有线网络一样可以做到私密可控。所以在设计传感器网络时,更要充分考虑信息安全问题。手机SIM卡等智能卡,利用公钥基础设施(Public Key Infrastructure, PKI)机制,基本满足了电信等行业对信息安全的需求。同样,亦可使用PKI来满足WSN在信息安全方面的需求。(1) 数据机密性数据机密性是重要的网络安全需求,要求所有敏感信息在存储和传输过程中都要保证其机密性,不得向任何非授权用户泄露信息的内容。(2)数据完整性有了机密性保证,攻击者可能无法获取信息的真实内容,但接收者并不能保证其收到的数据是正确的,因为恶意的中间节点可以截获、篡改和干扰信息的传输过程。通过数据完整性鉴别,可以确保数据传输过程中没有任何改变。(3) 数据新鲜性数据新鲜性问题是强调每次接收的数据都是发送方最新发送的数据,以此杜绝接收重复的信息。保证数据新鲜性的主要目的是防止重放(Replay)攻击。(4) 可用性可用性要求传感器网络能够随时按预先设定的工作方式向系统的合法用户提供信息访问服务,但攻击者可以通过伪造和信号干扰等方式使传感器网络处于部分或全部瘫痪状态,破坏系统的可用性,如拒绝服务(Denial of Service, DoS)攻击。(5)鲁棒性无线传感器网络具有很强的动态性和不确定性,包括网络拓扑的变化、节点的消失或加入、面临各种威胁等,因此,无线传感器网络对各种安全攻击应具有较强的适应性,即使某次攻击行为得逞,该性能也能保障其影响最小化。(6)访问控制访问控制要求能够对访问无线传感器网络的用户身份进行确认,确保其合法性。
无线传感器网络威胁
根据网络层次的不同,可以将无线传感器网络容易受到的威胁分为四类:(1)物理层:主要的攻击方法为拥塞攻击和物理破坏。(2)链路层:主要的攻击方法为碰撞攻击、耗尽攻击和非公平竞争。(3)网络层:主要的攻击方法为丢弃和贪婪破坏、方向误导攻击、黑洞攻击和汇聚节点攻击。(4)传输层:主要的攻击方法为泛洪攻击和同步破坏攻击。
[3]
无线传感器网络关键技术
1、混沌加密技术
无线传感器网路
密码学属于跨学科的一门科目,其探究的主要是通过一些手段与方式把真正有用的信息给隐藏起来,只有通过授权人的授权方可正确解读信息中的内容,把信息转变为无法读取形式的这项技术即为加密技术。无线传感器当中诸多的混沌加密技术里,最具代表性的一项技术就是对称密钥体制技术,也是一项密码算法,其耗能较低,相对来说计算起来并不是十分烦琐。在判断无线传感器网络利用的密码技术是不是最恰当的标准通常有以下几个方面:数据占用的长度跟处理花费的时间、消耗能量的大小、密码算法代码所需的长度。这当中密码算法包括有高级加密算法跟对称加密算法等等。混沌密码技术整体来说属于较为复杂的一项技术,它遵守了动力学的机制跟混乱与扩散的基本原则。2、密钥管理协议密钥管理协议是将密钥被生成到利用的所有步骤进行分级授权保护,保证密钥的封闭性同时也能做到灵活的使用。例如密钥的生成、分发授权于金融机构使其能够生成密钥分发给传递中支付方,使其能生成数字签名保证信息不可否认性,而最终的密钥公证则授权与特定机构,以验证信息的真实性。数据验证协议,是对用户将要使用数据进行安全验证的协议,验证大数据时代活动中交换的数据是否具有端级签名和个人签名。安全审计协议,协议内容是对大数据时代活动中所有有关安全的事件进行收集、检测和控制,起到危险防护的作用和对危害安全事件进行追责的作用。3、数字水印认证技术数字水印认证技术是通过算法将标识信息嵌入至原始载体中,便于合法使用者进行提取并识别。利用数字水印技术,能够保障认证信息是否被篡改,从而提升无线传感器网络的传输可靠性。数字水印技术主要由嵌入器、检测器两部分构成,其与密码学相结合,可以实现对信息的多重安全保护。通常,对于传输信息,利用水印嵌入器来形成水印密钥与原始载体数据的结合,而在使用时根据水印检测器来进行水印解密,输出信息。4、防火墙技术在具体的应用当中,这项技术具备很强的AAA管理功能,把内部主机IP地址翻译到外网中,使无线传感器网络共享Internet,还可促使外网隐藏到内网结构当中:可支持多种AAA协议对拨入ASA的各式各样远程来访问VPN、登录ASA管理会话中来认证AAA,并予以授权。在无线传感器网络当中,通过防火墙技术,能够确保网络不会遭受到蠕虫、黑客、病毒和坏件等的攻击,而且还含有无客户端模式VPN,保障无线传感器网络客户不用安装VPN客户端就可提供给他们网络服务。在无线传感器网络的组成中,可将无线网络跟核心网络有效隔离开,通过防火墙将一个或者几个无线网络实行分开管理的方式,这样一来即使成功地将无线客户端破解了,也无法攻击有线网络。
[1]
无线传感器网络应用范围
编辑
语音
1、无线传感器在电气自动化中的应用在我国自动化技术不断发展的进程中,我国电力系统是发展较快的一个领域,电力系统的自动化,有助于减少不必要的能源浪费,减少事故的发生率,以及提高在事故发生时对其进行修理维护的效率。人工电力系统管理工作容错率较低,人们在进行工作的过程中,必须根据电力系统设备的运行情况进行适时调整,在电气自动化的过程中同样,需要对电力系统进行实时的监控,根据需求对电压进行调节,电力系统在运行的过程中,由于外界环境比如天气温度等,会时时刻刻发生变化,如果外界条件变化较为剧烈,在电力系统中的各项电力属性同样会发生较大的变化,为了补偿这部分变化,便需要对其进行调节,数据的采集首先是一项重要的内容,需要有一些装置能够对电气系统中的各项电气属性值进行统计,然后进行处理,将数据进行记录传输,根据传输的内容对其进行控制,提高其自动化水平。此外,还需要在电力系统中,在单位路程内设置一些温度和湿度等环境传感设备对电力系统的环境进行监管,以便预计电力系统的变化。在电气自动化中,大多使用无线传感装置,通过无线传感装置能够避免一些线路问题,提高传感装置的高效性。采用无线传感装置,相较于过去的监控管理装置而言具有较多的优点,其中较为明显的优点便是减少了线路的复杂性,在电力系统中,特别是高压输电线,如果线路较为复杂,在进行管理维护的过程中,会增加工作难度,而且具有较高的风险。相较于传统的感应装置,无线传感装置受损的可能性较小,而且传输的数据也更加具有精确性也使其具有更高的价值。2、无线传感技术在进行监测工作中的应用在使用无线传感技术进行监测的过程中,不同类型的监测工作所用的监测设备也不仅相同。其中在工业生产过程中,较为常用的传感技术是温度传感技术,在使用传感技术对工业生产进行监测的过程中,主要针对锅炉方面进行监测,确保锅炉的安全性。在锅炉中,与锅炉温度息息相关的是锅炉的水冷管,当今常见的水冷管大多都是由钢管组成的,热量在排出的过程中,需要通过钢管排出。但是由于在进行冷却的过程中,随着大量热量的排出,同时会排出一些杂物,比如一些细小的烟尘颗粒等,久而久之水冷壁内部可能会出现一些污垢附着在钢管上,如果污垢堆积过厚,会影响到钢管的散热情况,而水冷壁所能够承受的热量往往有一定的上限,水冷壁上的热量难以及时得到散失,便会在压力过大的情况下进行工作,长时间处于超负荷状态,会对水冷壁的结构造成较为严重的影响,使用一段时间之后,便可能出现较为严重的事故。在当今对锅炉工作进行管理大多采用计算机进行远程操控,这样可以避免高温环境对工作人员造成危害。但是,采用远程操控技术便需要对锅炉进行监控,在高温的环境下,采用有线监控装置,线路会受到高温环境的影响,造成额外的损失,需要投入较多的成本。而采用无线传感技术进行监控,在进行数据的传输过程中,无需其他物品作为媒介,可以直接传输测量数据,这样在进行监控管理的过程中,受损部位的数量会减少,能够有效降低生产成本。而且采用无线传感网络,可以更加全面地对不同部位进行监控,使工作更加全面。3、无线传感技术在进行定位中的应用无线传感技术在当今的应用,不仅仅可以有大型组织进行工作和科研进行使用。对于个人来说,由于技术的不断发展,无线传感技术的成本也越来越低,越来越多的人可以将无线传感技术用于个体身上。对于个人来说,无线传感技术的主要使用目的是用来进行定位,定位技术对于传感技术来说是应用较广的方面,在车辆上安装无线传感装置,可以通过无线传感技术,将车辆所在位置信息进行传输,然后再由中转站将信息进行处理发送,这样在接收站能够明确了解汽车所处位置信息。对于汽车进行导航具有重要的意义。此外,还可以对一些随身携带的物品采用无线传感技术,对一些老年人或者儿童进行实时定位,避免一些弱势人员出现意外事故。
[4]
词条图册
更多图册
参考资料
1.

范波.无线传感器网络安全的关键技术[J].建筑工程技术与设计,2018,(30):3397.
2.

袁梦鑫.浅谈无线传感器网络安全及策略[J].科教导刊-电子版(中旬),2018,(11):274.
3.

范波.无线传感器网络入侵检测分析[J].建筑工程技术与设计,2018,(32):4157.
4.

唐明双.无线传感器网络应用技术综述[J].科技资讯,2018,16(36):42-43.
无线传感器网:传感器网络  第3张

无线传感器网:无线传感器网络概述

无线传感器网络概述
无线传感器网络定义
WSN(wireless?sensor?networks)是无线传感器网络,是由大量的具有感知能力的传感器节点,通过自组织方式构成的无线网络。传感器监控不同位置的物理或环境状况(比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物)。无线传感器网络的发展最初起源于战场监测等军事应用。而现今无线传感器网络被应用于很多民用领域,如环境与生态监测、健康监护、家居自动化以及交通控制等。

无线传感器网络组成结构
2.1 网络体系结构

无线传感器网络的体系结构的节点是多跳式转发模式,多个节点经过因特网和卫星通信网络将节点信息汇集,在传感器区域内经过多跳转发模式,把传感
信息再传送给用户,在整个系统架构中传输介质是因特网和卫星通信,而节点群、汇集节点以及网络用户端组成了整个体系结构,如图 1 所示。

?

2.2? 网络节点结构

在无线传感器网络中节点是至关重要的核心基本元素,其节点结构如图 2 所示,主要包含传感器、A/D转换器、数据处理与控制模块、无线通信收发器模块、电池和能量转换模块。

?

一种新型无线传感器网络安全研究
这是一种基于可搜索加密技术的无线传感器网络的安全架构,使无线传感器网络各个节点网络专注于搜集传输数据节省宝贵的计算能力,可以提高整个无线传感器网络的效率。整体网络架构如下图所示:

?

上图中无线传感器网络由 n 个节点网络组成,每个节点网络由 1 个中心节点和若干个普通节点组成。中心节点负责将普通节点搜集的数据传递出去。

其方案的架构如下图所示:

?

节点网络在搜集完该节点网络的数据后,对明文数据提取关键词集合,然后根据关键词集合建立索引,同时对明文数据加密得到密文。中心节点将密文数据和对应的索引传递到数据中心。

该系统针对无线传感器网络计算能力较小、难以完成复杂计算的问题,设计了一种无线传感器网络安全架构方案。方案将无线传感器网络划分为若干个以中心节点作为信息传输端的节点网络,中心节点传递该节点网络搜集的信息到数据中心进行处理。采用可搜索加密技术,使得管理员可以直接获取所需信息对应的密文,而不用对整体密文解密后再搜集,提高了无线传感器网络的效率。 ?

说明:个人作业资料整理

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