文/內(nèi)蒙古能源發(fā)電投資集團(tuán)有限公司電力工程技術(shù)研究院 鮑靜

計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全問(wèn)題分析

文/內(nèi)蒙古能源發(fā)電投資集團(tuán)有限公司電力工程技術(shù)研究院 鮑靜

信息技術(shù)的快速發(fā)展為各行業(yè)領(lǐng)域注入新鮮的活力，人們能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)完成許多生產(chǎn)生活活動(dòng)。然而計(jì)算機(jī)在帶來(lái)便利的同時(shí)，其存在的安全問(wèn)題也成為困擾用戶與計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)人員的重要難題。以其中的硬件設(shè)計(jì)為例，若在實(shí)際設(shè)計(jì)中未做好安全問(wèn)題的考慮，極易使計(jì)算機(jī)受到木馬威脅或外部攻擊等，不利于計(jì)算機(jī)應(yīng)用效果的發(fā)揮。對(duì)此，本文將對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的相關(guān)概述、計(jì)算機(jī)硬件的主要安全問(wèn)題、解決硬件設(shè)計(jì)安全問(wèn)題的策略以及硬件維護(hù)的相關(guān)建議進(jìn)行探析。

計(jì)算機(jī)硬件 安全問(wèn)題 策略 維護(hù)

1 引言

作為計(jì)算機(jī)的重要組成部分，硬件與軟件一樣，都是保證計(jì)算機(jī)各項(xiàng)功能發(fā)揮的主要構(gòu)件。近年來(lái)我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展中，許多軟件設(shè)計(jì)逐漸走入高端設(shè)計(jì)階段，而相比之下在硬件設(shè)計(jì)方面卻表現(xiàn)出一定的滯后性，特別在硬件安全問(wèn)題方面表現(xiàn)極為突出，難以保證用戶對(duì)計(jì)算機(jī)的安全使用。因此，如何做好硬件安全設(shè)計(jì)工作，成為現(xiàn)行計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展中需考慮的重要內(nèi)容。

2 關(guān)于計(jì)算機(jī)硬件的相關(guān)介紹

關(guān)于計(jì)算機(jī)硬件，可將其界定在構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物理部分，如其中的機(jī)械元件、電子元件等，這些物理部分都具有各自的功能，在組合過(guò)程中能夠形成具有某種特定功能的基礎(chǔ)部件，這些部件便是計(jì)算機(jī)的主要構(gòu)成。從目前計(jì)算機(jī)基本部件看，多集中在主機(jī)、外部輔助設(shè)備等方面，其中外部設(shè)備體現(xiàn)在鼠標(biāo)、鍵盤(pán)與相關(guān)配件，而主機(jī)則以CPU、主板、光驅(qū)以及內(nèi)存等為主。若以硬件功能進(jìn)行劃分，硬件構(gòu)成又體現(xiàn)在輸出與輸入設(shè)備、存儲(chǔ)器、控制器以及運(yùn)算構(gòu)件等方面，各部分在功能上又體現(xiàn)出不同的特征，如其中的運(yùn)算器，其會(huì)接收來(lái)自存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)并完成處理過(guò)程，在結(jié)構(gòu)上以邏輯單元以及累加器等為主。而作為計(jì)算機(jī)控制中心，控制器的功能表現(xiàn)在使計(jì)算機(jī)各構(gòu)件能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行，通?？刂破鬟\(yùn)行過(guò)程中會(huì)由存儲(chǔ)器向其輸送命令，在此基礎(chǔ)上控制器會(huì)向各構(gòu)件進(jìn)行命令的下達(dá)，這樣計(jì)算機(jī)所有運(yùn)行活動(dòng)能夠按照指令完成。而其中提及的存儲(chǔ)器則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，無(wú)論控制器或運(yùn)算器都需以存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)來(lái)源。再如輸出設(shè)備，多表現(xiàn)在負(fù)責(zé)傳輸出數(shù)據(jù)信息的終端設(shè)備方面，如音頻設(shè)備或顯示器等，而輸入設(shè)備則是以用戶需求為依托設(shè)計(jì)的設(shè)備，包括攝像頭、鼠標(biāo)或鍵盤(pán)等。正確認(rèn)識(shí)所有硬件設(shè)備的構(gòu)成，才能保證實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中各構(gòu)件設(shè)計(jì)的合理性。

3 計(jì)算機(jī)硬件的主要安全問(wèn)題分析

3.1 硬件安全問(wèn)題的主要表現(xiàn)

硬件作為計(jì)算機(jī)的主要構(gòu)成部分，其涉及的信息安全內(nèi)容應(yīng)體現(xiàn)在集成、使用以及保密等方面，但這些安全內(nèi)容除體現(xiàn)在硬件內(nèi)容上，也包括軟件與用戶等。若以安全設(shè)計(jì)角度出發(fā)，無(wú)需進(jìn)行用戶行為的考慮，而從軟件設(shè)計(jì)方面看，現(xiàn)行軟件技術(shù)的發(fā)展已達(dá)到較高水平，無(wú)論用于軟件設(shè)計(jì)指導(dǎo)的理論，還是相關(guān)的設(shè)計(jì)方案都較為成熟。因此，薄弱的部分更多表現(xiàn)在硬件方面。根據(jù)近年來(lái)大多計(jì)算機(jī)硬件使用現(xiàn)狀看，其安全問(wèn)題多集中在存儲(chǔ)介質(zhì)、輸入設(shè)備以及輸出設(shè)備等方面。首先，從存儲(chǔ)介質(zhì)角度出發(fā)，由于計(jì)算機(jī)硬件儲(chǔ)存介質(zhì)并不具備較強(qiáng)的抵御外界攻擊能力，所以當(dāng)有非法入侵如硬件系統(tǒng)破壞、惡意攻擊或竊取等行為出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)受到嚴(yán)重的損壞，其中數(shù)據(jù)信息也將無(wú)法得到安全保障，存在被盜用或信息數(shù)據(jù)受損等問(wèn)題。其次，從輸入設(shè)備角度看，其存在的安全隱患問(wèn)題多集中在錯(cuò)誤輸入或信息自身風(fēng)險(xiǎn)隱患等方面，如信息在輸入過(guò)程中將病毒或木馬等帶入系統(tǒng)中，這樣原有的數(shù)據(jù)都可能受到侵蝕，而錯(cuò)誤地輸入同樣威脅內(nèi)部數(shù)據(jù)安全性。最后，從輸出設(shè)備的角度看，由于輸出設(shè)備大多能夠進(jìn)行輸出動(dòng)作記憶或直接記錄數(shù)據(jù)信息，若操作中忽視這種記憶功能而反復(fù)操作，便可能影響數(shù)據(jù)信息的安全性。因此，硬件安全問(wèn)題的存在極為明顯，不利于計(jì)算機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)在設(shè)計(jì)中做好完善工作。

3.2 硬件設(shè)計(jì)中面臨的主要難題

如何提高硬件安全性能關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)中是否可將其安全問(wèn)題進(jìn)行解決。在現(xiàn)行計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，硬件安全性的提高逐漸從較多安全方案著手如工程變異、多樣化設(shè)計(jì)等，其優(yōu)勢(shì)在于可減少計(jì)算機(jī)硬件運(yùn)行中的能耗問(wèn)題。以其中的工程變異為例，能夠?qū)㈦x子、光纖、納米以及CMOS等技術(shù)融入其中，可使芯片老化問(wèn)題、IC時(shí)序問(wèn)題等得以解決。但需注意的是這種方式盡管在設(shè)計(jì)安全中可起到良好效果，卻無(wú)法保證在抵御外部攻擊方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，所以硬件設(shè)計(jì)中需考慮芯片、安全原語(yǔ)設(shè)置以及病毒或木馬檢測(cè)等。綜合來(lái)看，硬件安全設(shè)計(jì)中面臨的問(wèn)題首先表現(xiàn)在硬件木馬方面，其所產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)在內(nèi)部數(shù)據(jù)信息受損、遺失等，要求從原始芯片著手，對(duì)惡意攻擊行為進(jìn)行修改。另外硬件安全設(shè)計(jì)中需考慮的問(wèn)題也表現(xiàn)在不可復(fù)制技術(shù)方面，該技術(shù)主要以工程變異為依托，可提高硬件安全水平。實(shí)際設(shè)計(jì)中需在理解工程變異的基礎(chǔ)上才可將不可復(fù)制技術(shù)引入其中，為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)一定的難題。

4 解決計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全問(wèn)題的具體策略

結(jié)合現(xiàn)行硬件設(shè)計(jì)中的主要技術(shù)與存在的安全問(wèn)題，在解決過(guò)程中應(yīng)在研發(fā)中做好安全問(wèn)題的考慮，解決內(nèi)置設(shè)計(jì)安全問(wèn)題與外部硬件檢測(cè)問(wèn)題，同時(shí)需在設(shè)計(jì)技術(shù)不斷創(chuàng)新，這樣才可使得安全問(wèn)題得到解決。具體解決的策略主要體現(xiàn)在以下幾方面。

4.1 硬件研發(fā)中對(duì)設(shè)計(jì)安全問(wèn)題的考慮

硬件研發(fā)是設(shè)計(jì)的基本前提，在研發(fā)中考慮技術(shù)內(nèi)容的同時(shí)，需將設(shè)計(jì)理念、相關(guān)人員以及設(shè)計(jì)重點(diǎn)等進(jìn)行綜合考慮，保證各方面存在的安全問(wèn)題得以解決才可達(dá)到安全保護(hù)的目標(biāo)。如其中設(shè)計(jì)人員方面，在研發(fā)中便需保證具備一定的安全保護(hù)意識(shí)?，F(xiàn)階段硬件設(shè)計(jì)中大多研發(fā)人員多考慮如何在硬件質(zhì)量與性能方面進(jìn)行提升，而安全保護(hù)工作往往被忽視，究其原因在于研發(fā)設(shè)計(jì)人員在硬件安全意識(shí)上較為缺失，導(dǎo)致硬件安全性能設(shè)計(jì)無(wú)法達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，所以在研發(fā)設(shè)計(jì)中人員安全意識(shí)的提高應(yīng)為基本前提。同時(shí)，從硬件設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)看，在強(qiáng)調(diào)硬件性能與質(zhì)量的同時(shí)，需將安全設(shè)計(jì)作為考慮內(nèi)容。一般計(jì)算機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，用戶能否獲得良好的體驗(yàn)多取決于性能與質(zhì)量，但一旦涉及個(gè)人隱私或其他經(jīng)濟(jì)安全問(wèn)題時(shí)便體現(xiàn)在硬件的安全設(shè)計(jì)方面。因此，硬件設(shè)計(jì)中的側(cè)重點(diǎn)應(yīng)將安全、性能與質(zhì)量視為同等重要，可考慮在內(nèi)置安全設(shè)計(jì)的同時(shí)加強(qiáng)外部檢測(cè)工作，有利于安全風(fēng)險(xiǎn)的有效控制。除此之外，在安全設(shè)計(jì)中還應(yīng)準(zhǔn)確評(píng)估硬件安全性能，可考慮引入相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備，利用其對(duì)硬件的安全、性能以及質(zhì)量進(jìn)行綜合測(cè)試，完成整個(gè)硬件的評(píng)估過(guò)程。實(shí)際評(píng)估中要求將輸出、輸入、存儲(chǔ)設(shè)備等測(cè)試內(nèi)容融入其中，確保硬件設(shè)備中存在的安全漏洞及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上使安全問(wèn)題得以解決。

4.2 從內(nèi)置安全設(shè)計(jì)角度

硬件安全問(wèn)題的解決關(guān)鍵在于內(nèi)置安全設(shè)計(jì)。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中要求從芯片制造著手，在引入EPIC技術(shù)的同時(shí)可考慮配合PUE技術(shù)，其目的在于保護(hù)硬件IP。這種保護(hù)硬件IP技術(shù)的方式主要源于Roy等人的理念，在原理上表現(xiàn)在以IC設(shè)計(jì)理念為依托，使所需要的物理版圖可利用EDA工具進(jìn)行獲取，在此基礎(chǔ)上將PUE技術(shù)引入中，完成PUF IC的制作。為提升其安全性能，應(yīng)進(jìn)行IC管理員權(quán)限的設(shè)計(jì)，這樣在硬件應(yīng)用過(guò)程中會(huì)有相應(yīng)的檢測(cè)密鑰判斷是否存在安全問(wèn)題。另外，利用這種方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可使計(jì)算機(jī)內(nèi)置原始模塊得到保護(hù)，其中涉及的驗(yàn)證模塊都完成加密工作，硬件的安全能力得到極大程度的提高。

4.3 從外部硬件安全檢測(cè)角度

現(xiàn)行對(duì)計(jì)算機(jī)外部硬件進(jìn)行安全測(cè)試中的常用技術(shù)主要以RAS技術(shù)為主，通過(guò)公鑰、私鑰等制作，可使密鑰管理水平得到提高。一般芯片中的許多信息都需依靠公鑰進(jìn)行保護(hù)，這樣芯片在得到安全保證的同時(shí)引入密鑰存儲(chǔ)器，進(jìn)而形成驗(yàn)證硬件安全的輔助裝置。同時(shí)，私鑰在應(yīng)用中也需依托于密鑰存儲(chǔ)器以達(dá)到存儲(chǔ)保護(hù)的目標(biāo)，實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中對(duì)于芯片中信息數(shù)據(jù)可直接通過(guò)RFID進(jìn)行獲取，進(jìn)而完成驗(yàn)證處理芯片的過(guò)程，達(dá)到數(shù)據(jù)信息保護(hù)的目標(biāo)。目前，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件安全的保護(hù)，通過(guò)外置檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)已成為較為常見(jiàn)的方式之一，其最大的優(yōu)勢(shì)便在于能夠在密匙管理下使硬件安全得到保障。

4.4 設(shè)計(jì)技術(shù)的創(chuàng)新

無(wú)論內(nèi)置設(shè)計(jì)或檢測(cè)裝置的引入，其都需在設(shè)計(jì)技術(shù)方面不斷創(chuàng)新，若硬件安全技術(shù)長(zhǎng)期處于滯后狀態(tài)，不僅難與計(jì)算機(jī)軟件相適應(yīng)，更無(wú)從談及使信息竊取問(wèn)題得到解決。因此，計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)中應(yīng)做好創(chuàng)新工作，確保硬件設(shè)計(jì)中融入更多的創(chuàng)新理念。具體設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新的策略主要表現(xiàn)在三方面，即：第一，對(duì)安全設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行完善。盡管近年來(lái)關(guān)于硬件安全問(wèn)題已引入較多安全設(shè)計(jì)技術(shù)，但對(duì)于安全問(wèn)題的解決仍較為局限，所以需根據(jù)安全問(wèn)題的具體表現(xiàn)，有針對(duì)性的進(jìn)行安全技術(shù)的完善，這樣才可使硬件安全缺陷得以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并被解決。第二，進(jìn)行安全技術(shù)體系的構(gòu)建。硬件的安全問(wèn)題涵蓋較多方面如硬件自身設(shè)計(jì)中的漏洞或缺陷、外部木馬或病毒的入侵等，若單純強(qiáng)化硬件中某一部分的安全作用，將無(wú)法使所有安全威脅被解決。因此，應(yīng)注重統(tǒng)一各硬件部分，使所有技術(shù)間的交互得以加強(qiáng)，對(duì)安全技術(shù)體系的完善具有十分重要的意義。第三，注重新硬件安全技術(shù)的開(kāi)發(fā)。信息技術(shù)的快速發(fā)展為硬件安全技術(shù)的完善提供可能，如當(dāng)前依托于光學(xué)理論設(shè)計(jì)的光學(xué)硬件或依托于量子理論設(shè)計(jì)的量子硬件，也有以超微生物理論為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的硬件，這些硬件在實(shí)際應(yīng)用中都可使信息數(shù)據(jù)的安全得到保障，促進(jìn)計(jì)算機(jī)整體運(yùn)行效率進(jìn)一步提高。

5 計(jì)算機(jī)硬件維護(hù)的相關(guān)建議

安全技術(shù)的應(yīng)用是計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)的技術(shù)保障，但在設(shè)計(jì)技術(shù)完善的基礎(chǔ)上，還需做好計(jì)算機(jī)使用中硬件維護(hù)工作。維護(hù)過(guò)程中可遵循相關(guān)的原則，并引入具體的硬件維護(hù)方法，有利于硬件安全問(wèn)題的解決。

5.1 計(jì)算機(jī)硬件維護(hù)的相關(guān)原則

實(shí)際維護(hù)過(guò)程中需遵循的原則主要表現(xiàn)在：第一，注重以預(yù)防為主，做到問(wèn)題及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)解決。事實(shí)上，對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件的維護(hù)，只有保證做好日常保養(yǎng)工作才可使問(wèn)題處理較為簡(jiǎn)便。硬件設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中便可考慮將相關(guān)的硬件保養(yǎng)內(nèi)容融入其中，如以110V電源為主的計(jì)算機(jī)，其在220V家用電源條件下，在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)系統(tǒng)電壓過(guò)大，使電源面臨老化問(wèn)題。因此在開(kāi)機(jī)中首先應(yīng)先開(kāi)電源，一段時(shí)間內(nèi)再使系統(tǒng)開(kāi)啟，有利于電源使用周期的延長(zhǎng)。第二，計(jì)算機(jī)使用過(guò)程中應(yīng)做好檢測(cè)工作，如計(jì)算機(jī)運(yùn)行在不同溫度、濕度環(huán)境下可能出現(xiàn)的的元器件受損、引線銹蝕等問(wèn)題，都需進(jìn)行適時(shí)檢測(cè)，避免硬件故障問(wèn)題逐漸嚴(yán)重。

5.2 計(jì)算機(jī)硬件維護(hù)的主要方法

在硬件維護(hù)過(guò)程中，首先需合理分配計(jì)算機(jī)資源。無(wú)論Windows 7或Windows XP都可進(jìn)行資源的自動(dòng)配置，但需保證其中各設(shè)備在動(dòng)態(tài)內(nèi)存地址方面應(yīng)保持統(tǒng)一，避免出現(xiàn)設(shè)備難以正常運(yùn)行的情況。通常這些能夠進(jìn)行資源配置的設(shè)備多以即插即用設(shè)備為主。而其他非即插即用類(lèi)型設(shè)備，在資源分配過(guò)程中很可能發(fā)生與自動(dòng)分配矛盾問(wèn)題，為保證其可靠運(yùn)行應(yīng)對(duì)該類(lèi)型設(shè)備進(jìn)行資源的手動(dòng)配置。在資源分配的基礎(chǔ)上，硬件維護(hù)過(guò)程中應(yīng)注重系統(tǒng)還原功能的發(fā)揮。以Windows XP為例，在利用還原工具過(guò)程中需保證充分理解還原工具的用途，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)異常，便可在還原工具的幫助下使系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)，而且還原中用戶的電子文檔或郵件等都不會(huì)丟失。

其次，應(yīng)注重保護(hù)主機(jī)。主機(jī)是計(jì)算機(jī)的重要硬件部分，如內(nèi)存、光驅(qū)以及CPU都涵蓋其中，對(duì)其進(jìn)行維護(hù)有利于硬件安全性能的提升。在維護(hù)過(guò)程中應(yīng)避免頻繁開(kāi)啟或關(guān)閉主機(jī)，通常開(kāi)機(jī)與關(guān)機(jī)操作需保證有一定時(shí)間間隔，且為防止數(shù)據(jù)丟失，應(yīng)考慮在由軟件環(huán)境退出的基礎(chǔ)上退出操作系統(tǒng)，這樣關(guān)機(jī)工作完成后，系統(tǒng)不會(huì)受到損壞。

再次，對(duì)光驅(qū)與光盤(pán)的維護(hù)。計(jì)算機(jī)中的光驅(qū)部分具有損耗大的特征，如其中的刻錄、DVD等光驅(qū)，都要求做好維護(hù)工作。維護(hù)中需注意的問(wèn)題具體表現(xiàn)在：①光驅(qū)操作中，對(duì)于托盤(pán)進(jìn)出應(yīng)通過(guò)面板按鈕實(shí)現(xiàn)，避免制強(qiáng)行開(kāi)關(guān)托盤(pán)；②讀取光驅(qū)過(guò)程中，禁止存在光盤(pán)強(qiáng)制彈出等操作，其原因在于在讀取過(guò)程中， 光盤(pán)處于快速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，強(qiáng)制彈出很可能發(fā)生托盤(pán)、光盤(pán)相互摩擦問(wèn)題，導(dǎo)致光盤(pán)受損；③光盤(pán)中禁止長(zhǎng)時(shí)間擱放盤(pán)片，其可能在計(jì)算機(jī)運(yùn)行中因盤(pán)片的存在而影響光驅(qū)的使用壽命，在光盤(pán)使用后應(yīng)及時(shí)取出光盤(pán)。

最后，對(duì)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)以及顯示器的維護(hù)。如其中的顯示器，在本身作為輸出設(shè)備，維護(hù)中應(yīng)做到避免將磁性較強(qiáng)的物品放置附近，且在使用后可利用防塵罩將顯示器套住，這樣可防止顯示器內(nèi)部有大量灰塵落入。同時(shí)，對(duì)于顯示器的分辨率、亮度以及對(duì)比度等也應(yīng)禁止隨意改動(dòng)，其容易加速顯示器熒光粉老化。而對(duì)于鍵盤(pán)的維護(hù)，主要要求用戶在使用過(guò)程中避免將水、雜物等掉到鍵盤(pán)內(nèi)，也可直接對(duì)鍵盤(pán)利用相應(yīng)的保護(hù)膜罩住。另外，在鼠標(biāo)維護(hù)過(guò)程中，主要需做好鼠標(biāo)墊的選擇工作，并保證按鍵或滾動(dòng)球操作較為合理，這樣可使鼠標(biāo)的使用壽命得到延長(zhǎng)。

6 結(jié)語(yǔ)

硬件安全問(wèn)題的解決是提升計(jì)算機(jī)運(yùn)行效率的關(guān)鍵內(nèi)容。實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)正確認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)硬件的基本構(gòu)成，分析計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)面臨的主要安全問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的解決策略，包括研發(fā)設(shè)計(jì)中對(duì)安全問(wèn)題的考慮、內(nèi)置安全設(shè)計(jì)以及外部檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)等。同時(shí)在安全技術(shù)引入的基礎(chǔ)上，還需做好硬件維護(hù)工作，這樣才可使硬件安全得到保障。

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