董雙赫，嚴(yán)斌峰，胡 博，郭曉花

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院 北京 100032）

1 引言

20世紀(jì)80年代之后，數(shù)字無線通信技術(shù)引入了SIM（subscriber identity module，客戶識別模塊）卡的概念。SIM卡實(shí)際上是一張內(nèi)含大規(guī)模集成電路的智能卡，用來登記用戶的重要數(shù)據(jù)和信息，通過鑒權(quán)來防止未經(jīng)授權(quán)的無線接入，保護(hù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和用戶身份不被假冒；通過對傳輸加密防止在無線信道上被竊聽，保護(hù)用戶隱私；實(shí)現(xiàn)了移動通信終端的機(jī)卡分離，大大增強(qiáng)了各終端設(shè)備的共享性。如今，電信智能卡已經(jīng)普遍應(yīng)用于各種具有無線通信需求的終端中，如手機(jī)、平板、汽車、家電等。電信智能卡作為獨(dú)立的安全硬件具備用戶身份鑒權(quán)、個人數(shù)據(jù)（短信、通訊錄）存儲、運(yùn)行智能卡應(yīng)用等功能。隨著電信智能卡技術(shù)的發(fā)展，在智能卡上承載的業(yè)務(wù)越來越多，而智能卡自身又是用戶手中唯一完全由運(yùn)營商掌控的元素，這使得智能卡成為運(yùn)營商發(fā)展業(yè)務(wù)的有力武器。

但是近年來移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，作為移動互聯(lián)網(wǎng)的載體和入口，智能終端的種類和功能也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在用戶眼中智能終端品牌已經(jīng)顯得更為重要，而網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的品牌及其所提供的服務(wù)往往被忽略掉了。與智能終端的快速進(jìn)化相比，電信智能卡誕生至今發(fā)展卻一直非常緩慢。從2G卡到3G卡再到LTE卡，卡的功能一直相對單一，只有通信鑒權(quán)等簡單功能；卡容量從最初的8 KB到現(xiàn)在的512 KB，一直沒有大的提升，使得向卡內(nèi)存儲多個應(yīng)用或內(nèi)容時空間十分緊張；同時智能卡與終端的數(shù)據(jù)傳輸接口仍然沿用最古老的通信接口，數(shù)據(jù)傳輸速率十分有限。傳統(tǒng)智能卡的數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)存儲容量等的限制已成為運(yùn)營商發(fā)展智能卡新業(yè)務(wù)的瓶頸。

中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司 （以下簡稱中國聯(lián)通）在傳統(tǒng)電信智能卡基礎(chǔ)上正在研發(fā)并推出具備GB級存儲能力的新型大容量USIM （universal subscriber identity module，全球用戶身份模塊）電信智能卡（以下簡稱大容量卡），以提升智能卡基礎(chǔ)硬件能力，打造智能卡新型業(yè)務(wù)模式，建立移動互聯(lián)網(wǎng)時代新的用戶入口。

2 大容量卡的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 整體架構(gòu)

智能卡（CPU卡）是一種鑲嵌集成電路芯片并且芯片中帶有微處理器、存儲單元以及芯片操作系統(tǒng)的卡片，具有數(shù)據(jù)存儲、命令處理和數(shù)據(jù)安全保護(hù)等功能。傳統(tǒng)電信智能卡大部分采用8管腳或6管腳設(shè)計，內(nèi)部模塊包括CPU （8 bit）、ROM （3～8 kbit）、RAM （6～16 kbit）、EEPROM（128～512 kbit）和串行通信單元，與終端的接口只有標(biāo)準(zhǔn)的ISO 7816接口。

大容量卡與傳統(tǒng)電信智能卡采用了不同的封裝工藝，在原有卡片結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上集成了NAND flash（2～16 GB）閃存芯片，用于擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲容量；采用了新的IC-USB接口取代傳統(tǒng)的ISO 7816接口作為新的數(shù)據(jù)傳輸通道；將客戶端形式作為新的交互界面，大容量卡架構(gòu)如圖1所示。

2.2 IC-USB高速機(jī)卡接口

傳統(tǒng)智能卡與智能終端的接口 （C7觸點(diǎn)）根據(jù)ISO/IEC 7816系列規(guī)范定義，通過APDU （application protocol data unit，應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元）交換數(shù)據(jù)，實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率非常慢（14 KB/s），這導(dǎo)致終端與卡只能進(jìn)行簡單的命令交互，無法快速傳輸大量數(shù)據(jù)。

大容量卡采用了新的IC-USB接口，該接口在TS 102 600規(guī)范中定義，用于在芯片間通過USB2.0協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該接口使用卡片預(yù)留的C4、C8接口作為數(shù)據(jù)I/O通道，終端則復(fù)用原有的USB2.0驅(qū)動即可實(shí)現(xiàn)與大容量卡的數(shù)據(jù)交互。

USB技術(shù)的實(shí)現(xiàn)包含了USB主機(jī)和USB設(shè)備兩個方面，但是在原有終端上，終端對于USB技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是基于USB設(shè)備的，而不是基于USB主機(jī)的，這兩者在實(shí)現(xiàn)技術(shù)上有比較大的區(qū)別。中國聯(lián)通與終端設(shè)備廠商經(jīng)過共同努力，克服了大量困難，在終端上實(shí)現(xiàn)了從USB設(shè)備向USB主機(jī)的轉(zhuǎn)化，包括集成USB主機(jī)芯片、改造BASE BAND設(shè)計、改造傳統(tǒng) SIM卡電氣部分接口（C4、C8）、添加 USB系統(tǒng)管理軟件等。目前已有多家芯片廠商具備了成熟的大容量卡芯片技術(shù)，多款終端能實(shí)現(xiàn)大容量卡配套功能。

圖1 大容量卡架構(gòu)

IC-USB接口支持APDU over USB模式，即通過USB協(xié)議發(fā)送APDU指令，使其在功能上能夠完全取代原有的ISO 7816接口，同時該接口還支持mass storage（大容量存儲）模式，能夠進(jìn)行較大數(shù)據(jù)和多媒體文件的傳輸；IC-USB接口使得智能卡與終端的數(shù)據(jù)傳輸速率有了質(zhì)的提升，目前支持 USB2.0全速模式 （12 Mbit/s），未來還將支持USB2.0高速（HSIC）模式。

IC-USB支持的智能卡—終端數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議有CCID（USB chip/smart card interface device，USB芯片智能卡接口設(shè)備）和ICCD（USB integrated circuit card device,USB集成電路卡設(shè)備）兩種。CCID定義了智能卡讀卡器接口規(guī)范，通過此規(guī)范終端可以與智能卡通信，智能卡集成了讀卡器功能和ICC功能；ICCD引用了CCID內(nèi)容，并針對部分規(guī)則做了特殊定義，如端點(diǎn)配置了bulk傳輸和control傳輸（CCID以bulk傳輸為主），支持3種報文（CCID支持14種報文），使用control傳輸實(shí)現(xiàn)低速數(shù)據(jù)交互（CCID支持全速及高速數(shù)據(jù)傳輸）。從目前技術(shù)支持和未來的發(fā)展情況看，CCID協(xié)議具備更好的設(shè)備兼容性、更強(qiáng)大的速率支持和更好的可擴(kuò)展性。因此，經(jīng)過綜合考慮，大容量卡的接口采用了CCID傳輸協(xié)議。

由于IC-USB接口承載了APDU over USB及mass storage等多個模式，智能卡需要具備處理通信中斷和延時的邏輯，即APDU指令具備最高優(yōu)先級。當(dāng)多條數(shù)據(jù)并發(fā)時，要保證APDU優(yōu)先發(fā)送，對其他數(shù)據(jù)進(jìn)行延時處理；當(dāng)正在進(jìn)行mass storage傳輸，有電信業(yè)務(wù)需要與卡通信時，應(yīng)中斷mass storage傳輸，處理APDU命令，并在結(jié)束后恢復(fù)mass storage的數(shù)據(jù)傳輸。

IC-USB接口實(shí)際傳輸速率（讀速率為700 KB/s，寫速率為500 KB/s）是傳統(tǒng)接口的40～50倍，見表1。這使得向卡內(nèi)下載較大的應(yīng)用程序無需長時間等待，讀取卡內(nèi)數(shù)據(jù)更為快捷，甚至播放卡內(nèi)存儲的720 p視頻都十分流暢。

表1 機(jī)卡速率對比

2.3 大容量存儲芯片

傳統(tǒng)電信智能卡存儲介質(zhì)為EEPROM或NOR flash。EEPROM通過電子擦除，價格很高、寫入時間長、寫入速度慢；NOR flash目前正在取代EEPROM成為主流的存儲介質(zhì)，NOR的特點(diǎn)是應(yīng)用簡單、無需專門的接口電路、傳輸效率高，屬于芯片內(nèi)執(zhí)行（execute in place，XIP），這樣應(yīng)用程序可以直接在NOR flash內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。但是NOR flash只在1～4 MB的小容量時才具備較高的成本效益，很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。

與NOR flash相比，NAND flash能提供極高的單元密度，并且寫入和擦除的速度都很快，但是不支持在內(nèi)部運(yùn)行程序，是高數(shù)據(jù)存儲密度的理想解決方案。因此大容量卡采用了全新的封裝工藝，在不改變卡片尺寸的基礎(chǔ)上封裝了NAND flash大容量閃存芯片，使得大容量卡具備至少2 GB的數(shù)據(jù)存儲容量，極大地擴(kuò)展了電信智能卡的數(shù)據(jù)存儲空間。

大容量卡采用雙芯片設(shè)計，集成了智能卡芯片和閃存控制器。智能卡芯片實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電信智能卡的安全功能；閃存控制器控制NAND flash閃存芯片的數(shù)據(jù)I/O。

擴(kuò)展的大容量空間可用來存儲用戶私密數(shù)據(jù)（通訊錄、短信、通話記錄等），告別了傳統(tǒng)電信智能卡只能存儲幾百條短信和通訊錄的歷史。同時，這部分空間還可用于存儲各種應(yīng)用程序、各類文檔和多媒體文件等，極大地擴(kuò)展了智能卡的應(yīng)用場景。普通SIM卡和大容量卡存儲空間見表2。

表2 普通SIM卡和大容量卡存儲空間對比

2.4 新型業(yè)務(wù)交互界面

傳統(tǒng)電信智能卡的業(yè)務(wù)交互界面為基于OTA的動態(tài)STK（SIM card tool kit，SIM卡工具套件）菜單，它是一種小型編程語言的軟件，可以固化在SIM卡中，為SIM卡的增值業(yè)務(wù)提供一個簡單、易操作的開發(fā)平臺。STK能夠接收和發(fā)送短信數(shù)據(jù)，起到SIM卡與短信之間的接口作用，同時還允許SIM卡運(yùn)行自己的應(yīng)用軟件。這些功能經(jīng)常被用在可通過軟件激活的電話顯示屏上，以文本菜單方式進(jìn)行信息檢索操作或交易。

但是隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，用戶交互界面也發(fā)展為以圖形化界面為主的趨勢，STK菜單的交互模式已經(jīng)變得陳舊和繁瑣，STK菜單只有文本的顯示方式，且由多級構(gòu)成，操作不便，同時無法展示卡內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)內(nèi)容。因此，中國聯(lián)通開發(fā)了大容量卡管理客戶端，以終端應(yīng)用的形式管理大容量卡，展示卡內(nèi)數(shù)據(jù)，提供各種服務(wù)。

大容量卡管理客戶端基于智能終端應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，使得電信智能卡具備了豐富多彩、方便友好的用戶界面，同時功能上實(shí)現(xiàn)大容量卡的空間管理，包括卡存儲內(nèi)容的展示和管理、基于卡空間數(shù)據(jù)的服務(wù)和應(yīng)用等，如圖2所示。大容量卡管理客戶端讓智能卡管理具備了媲美互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的用戶體驗(yàn)，使其成為一個新的業(yè)務(wù)入口。大容量卡管理客戶端的主要功能如下。

圖2 大容量卡管理客戶端界面

· 文件管理：大容量存儲區(qū)作為存儲介質(zhì)掛載，以文件形式管理大容量存儲區(qū)，用戶可進(jìn)行文件的復(fù)制、粘貼、剪切、刪除等操作，其他應(yīng)用也可訪問該存儲區(qū)。

· 內(nèi)容分類展示：客戶端中視頻、圖片、文檔、應(yīng)用等都有單獨(dú)的展示區(qū)域，用戶可更方便地瀏覽各種內(nèi)容，同時各種文件都可通過調(diào)用終端的相應(yīng)程序打開。

·智能卡服務(wù)入口：實(shí)現(xiàn)基于智能卡的業(yè)務(wù)和功能，包括內(nèi)容定制、數(shù)據(jù)備份等，是運(yùn)營商推廣智能卡增值業(yè)務(wù)的重要途徑。

3 大容量卡業(yè)務(wù)模式與應(yīng)用場景

大容量卡通過一系列技術(shù)創(chuàng)新和硬件升級大幅度提升了電信智能卡的能力，更快的數(shù)據(jù)傳輸速率、更大的數(shù)據(jù)存儲空間使其可以支撐更多的新型業(yè)務(wù)模式。目前，中國聯(lián)通結(jié)合自身特點(diǎn)和移動互聯(lián)網(wǎng)時代的用戶需求探索出一套大容量卡業(yè)務(wù)體系，通過終端客戶端、云平臺、大容量電信智能卡和適配終端形成了閉環(huán)的業(yè)務(wù)流，同時開放接口讓第三方智能卡應(yīng)用開發(fā)者都可以使用大容量卡業(yè)務(wù)，以形成大容量卡業(yè)務(wù)生態(tài)系統(tǒng)。

3.1 業(yè)務(wù)模型

大容量卡業(yè)務(wù)模型包括手機(jī)管理客戶端、應(yīng)用管理平臺、大容量卡及其適配終端，大容量卡業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 大容量卡業(yè)務(wù)架構(gòu)

管理客戶端負(fù)責(zé)大容量卡內(nèi)數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)和使用，各種業(yè)務(wù)的展示和使用，是用戶與運(yùn)營商的接觸點(diǎn)。

應(yīng)用管理平臺是大容量卡業(yè)務(wù)的承載和管理平臺，實(shí)現(xiàn)的功能包括大容量卡客戶端的下載和升級、大容量卡內(nèi)應(yīng)用和數(shù)據(jù)的管理、用戶管理和信息統(tǒng)計等。

客戶端、云平臺、大容量卡及適配終端共同構(gòu)成了大容量卡的業(yè)務(wù)鏈，在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)各種新的運(yùn)營商業(yè)務(wù)，包括數(shù)據(jù)安全管理、應(yīng)用及內(nèi)容的預(yù)置與分發(fā)、數(shù)據(jù)備份和還原等。

3.2 數(shù)據(jù)安全管理

隨著技術(shù)的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)對人們經(jīng)濟(jì)、社會活動的介入越來越深，信息和數(shù)據(jù)的收集也變得越來越便捷。一方面使相關(guān)行業(yè)能夠利用信息和數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)更大的價值創(chuàng)造，另一方面也給個人信息的保護(hù)帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。用戶信息不僅涉及個人隱私，更是一種重要的“數(shù)據(jù)資產(chǎn)”，特別是互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的崛起使“大數(shù)據(jù)”帶來的商業(yè)價值日益凸顯。也正因?yàn)槿绱?，相關(guān)行業(yè)的數(shù)據(jù)和信息被作為核心資源廣泛爭奪。然而，一方面缺少監(jiān)管，一方面又有利可圖，使非法獲取個人信息的行為獲得了很大的操作空間。近年來，由于經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使、行業(yè)生態(tài)的混亂、法律法規(guī)的缺失以及公民自身對個人信息保護(hù)意識的欠缺等原因，圍繞個人信息的采集、加工、開發(fā)和銷售正悄然變?yōu)橐粭l“數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈”，信息泄露造成的“精準(zhǔn)營銷”和金融詐騙活動給人們的隱私和財產(chǎn)造成了難以估量的損失。

從互聯(lián)網(wǎng)到移動互聯(lián)網(wǎng)，智能終端功能越強(qiáng)大，安全隱患就越多。近年來愈演愈烈的手機(jī)病毒、木馬、詐騙短信造成越來越多的信息泄露、電話短信騷擾甚至銀行卡被盜刷等不安全因素。大容量卡作為獨(dú)立于智能終端的獨(dú)立硬件，具備獨(dú)有的安全機(jī)制，配合管理客戶端可以實(shí)現(xiàn)多種安全能力，使得用戶數(shù)據(jù)得到更好地保護(hù)。

（1）文件加密存儲

大容量存儲區(qū)可以進(jìn)行文件的加密存儲，支持多種加密算法，包括IDEA、RSA、AES等主流算法。用戶的敏感數(shù)據(jù)可通過管理客戶端加密后，存儲在大容量卡的加密存儲區(qū)內(nèi)，而加密數(shù)據(jù)的讀取也必須通過客戶端進(jìn)行，可以有效防止惡意程序非法訪問用戶的隱私數(shù)據(jù)。

（2）訪問控制機(jī)制

安全訪問控制主要采取全局平臺可信任框架的GPAC（global platform access control，全局平臺訪問控制）機(jī)制。GPAC由終端的訪問控制模塊與用戶卡中的規(guī)則文件構(gòu)成，可對手機(jī)應(yīng)用訪問大容量卡的權(quán)限進(jìn)行控制和管理，以防止 SIM/SE訪問 API（application programming interface，應(yīng)用程序編程接口）的非法使用給用戶卡帶來的危害。

通過多重安全保護(hù)機(jī)制，大容量卡能有效保護(hù)用戶隱私數(shù)據(jù)的安全，同時能夠安全存儲支付證書、支付密鑰、交易信息等信息，保證移動支付及金融應(yīng)用的安全。

3.3 應(yīng)用、內(nèi)容的預(yù)置與分發(fā)

大容量卡的大容量存儲空間可進(jìn)行各種內(nèi)容的預(yù)置，包括終端常用應(yīng)用、熱門視頻、音樂、書籍、圖片等，這些內(nèi)容在制卡的時候進(jìn)行預(yù)置，發(fā)卡時能夠直接到達(dá)用戶。預(yù)置內(nèi)容不僅方便用戶的直接使用，還是一種推廣應(yīng)用和內(nèi)容的天然渠道。

結(jié)合管理客戶端和管理平臺，大容量卡可以實(shí)現(xiàn)一種內(nèi)容推送服務(wù)。例如，用戶選擇感興趣的內(nèi)容，在終端空閑時平臺可以向用戶卡內(nèi)定向推送用戶選擇的內(nèi)容?？▋?nèi)內(nèi)容由于是本地存儲，使用時有比在線內(nèi)容更流暢的用戶體驗(yàn)（如播放視頻文件更為流暢，隨意切換進(jìn)度），在離線時也可使用多媒體內(nèi)容。

3.4 卡內(nèi)數(shù)據(jù)備份還原

智能卡作為用戶通信的核心入口，保存著用戶通訊錄、短信、通話記錄等重要信息。但是隨著這些數(shù)據(jù)體積越來越大，傳統(tǒng)的電信智能卡已經(jīng)沒有空間來進(jìn)行存儲，同時當(dāng)終端需要讀取這些信息時，受限于數(shù)據(jù)通道的速率限制，讀取時間也相應(yīng)越來越長。以至于近年來用戶的通訊錄、短信等都已經(jīng)轉(zhuǎn)移至終端上存儲。但是當(dāng)用戶更換手機(jī)時，舊終端上的這些信息無法導(dǎo)入新的終端中，導(dǎo)致重要聯(lián)系人的丟失、重要信息無法轉(zhuǎn)移的問題。

大容量卡擁有很大的存儲容量，使得存儲通訊錄和短信不再受到容量的限制，同時高速的IC-USB通道也解決了讀取速率的瓶頸。這樣用戶可以將通訊錄和短信全部存在大容量卡中，在更換終端時可以實(shí)現(xiàn)通訊錄和短信的無縫遷移，不再丟失重要聯(lián)系人或信息。

在大容量卡管理客戶端內(nèi)還提供了通訊錄、短信的備份和還原服務(wù)，用戶可以將終端內(nèi)通訊錄短信備份到卡（本地）或者管理平臺（云平臺）上，當(dāng)使用新卡時可以及時恢復(fù)這些重要信息。

除了通訊錄和短信，客戶端配合云平臺還可以提供卡內(nèi)多種數(shù)據(jù)的備份還原服務(wù)，包括各類應(yīng)用、視頻、音樂等，讓用戶在換卡后能夠還原數(shù)據(jù)，保證文件不丟失，體驗(yàn)無縫銜接。

4 未來技術(shù)演進(jìn)及應(yīng)用擴(kuò)展

大容量卡技術(shù)已經(jīng)具備了商用能力，但是與智能終端及其他存儲設(shè)備相比還有一些不足之處，如機(jī)卡接口傳輸速率仍然較低，向卡內(nèi)存儲較大文件時時間較長；相比現(xiàn)在智能終端或其他存儲設(shè)備的存儲容量，大容量卡的存儲容量較?。浑m然在硬件上大容量卡已經(jīng)有了質(zhì)的提升，但在業(yè)務(wù)模式上的探索還處在不成熟的階段。

未來大容量卡的技術(shù)演進(jìn)及應(yīng)用場景擴(kuò)展可以從以下幾方面入手。

（1）提高大容量卡與終端接口的數(shù)據(jù)傳輸速率

目前采用的IC-USB接口最大傳輸速率為USB2.0全速（12 Mbit/s），未來可以升級為 HSIC接口，實(shí)現(xiàn) USB2.0高速（480 Mbit/s）的傳輸速率。

（2）增大數(shù)據(jù)存儲容量

隨著封裝技術(shù)的進(jìn)步，未來大容量卡可集成更大容量的NAND flash芯片（2～16 GB），極大擴(kuò)充智能終端的存儲容量，同時為運(yùn)營商開展業(yè)務(wù)提供更充足的空間。

（3）應(yīng)用場景擴(kuò)展

大容量卡的應(yīng)用場景不僅限于運(yùn)營商業(yè)務(wù)，還可應(yīng)用于多種場景。如大容量卡與NFC功能結(jié)合的復(fù)合型智能卡、行業(yè)應(yīng)用（如對于個人數(shù)據(jù)需要加密存儲、通信過程加密處理的行業(yè)）、物聯(lián)網(wǎng)（利用大容量卡自身超大數(shù)據(jù)存儲能力與通信能力的結(jié)合優(yōu)勢）等。未來的應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)模式還需要更多地被發(fā)掘。

5 結(jié)束語

大容量USIM電信智能卡具備高速IC-USB接口、超大數(shù)據(jù)存儲空間、新型的交互界面和業(yè)務(wù)模式，是中國聯(lián)通推出的新一代電信智能卡，也是中國聯(lián)通在移動互聯(lián)網(wǎng)時代不斷創(chuàng)新、尋求技術(shù)突破、探索新型業(yè)務(wù)模式的嘗試。本文詳細(xì)介紹了大容量卡的關(guān)鍵技術(shù)和架構(gòu)、具體實(shí)現(xiàn)方法和未來演進(jìn)路線，探討了基于大容量卡的各種應(yīng)用創(chuàng)新和業(yè)務(wù)模式，同時提出了對未來發(fā)展的建議。

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