軟件可靠性設(shè)計(jì)方法研究
2021-04-01 14:04:25何鳳軍蔡瑋王宇
計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò) 2021年1期
何鳳軍 蔡瑋 王宇
摘要：研究了軟件可靠性設(shè)計(jì)方法，軟件需求分析是研制高可靠性軟件的前提和基礎(chǔ)，軟件可靠性設(shè)計(jì)包括軟件體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、健壯性設(shè)計(jì)、容錯(cuò)設(shè)計(jì)、避錯(cuò)設(shè)計(jì)、錯(cuò)誤恢復(fù)設(shè)計(jì)及重用設(shè)計(jì)等。通過(guò)專業(yè)復(fù)雜網(wǎng)管軟件的研制實(shí)例，初樣評(píng)審測(cè)試、正樣評(píng)審測(cè)試及軟件測(cè)評(píng)的千行代碼缺陷密度證明了在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中運(yùn)用可靠性設(shè)計(jì)方法，可以提高軟件的質(zhì)量和可靠性。
關(guān)鍵詞：體系架構(gòu)設(shè)計(jì)；冗余設(shè)計(jì)；容錯(cuò)設(shè)計(jì)；健壯性設(shè)計(jì)；重用設(shè)計(jì)
中圖分類(lèi)號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2021）01-64-4
0引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，軟件在系統(tǒng)中的地位越來(lái)越重要[1]，其規(guī)模和復(fù)雜性急劇提高，能否可靠運(yùn)行已經(jīng)成為決定整個(gè)系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵部分。軟件的上述重要性使得其可靠性越來(lái)越被關(guān)注，因此每年都有大量經(jīng)費(fèi)投入其可靠性相關(guān)研究，且取得了初步成效。但迄今為止，尚未形成標(biāo)準(zhǔn)的、公認(rèn)的軟件可靠性設(shè)計(jì)思想和方法。
軟件可靠性是指軟件在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。需求分析和可靠性設(shè)計(jì)是研制可靠性軟件的2個(gè)重要階段。需求分析[2]是進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，在需求分析基礎(chǔ)之上，進(jìn)行體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、容錯(cuò)設(shè)計(jì)及重用設(shè)計(jì)等。
1軟件需求分析
詳盡的軟件需求分析[3]是研制高可靠性軟件的前提和基礎(chǔ)，軟件需求分析包括功能需求、性能指標(biāo)需求、內(nèi)外部接口需求、可擴(kuò)展性需求、軟件開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境需求及安全需求和部署需求。在充分了解軟件需求的基礎(chǔ)上，進(jìn)行軟件概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，是確保軟件可靠性的重要手段。
1.1軟件體系架構(gòu)設(shè)計(jì)
對(duì)于軟件而言，規(guī)模[4]越大，復(fù)雜度越高，可靠性越低。對(duì)于相同規(guī)模的軟件，軟件越復(fù)雜其可靠性越低，因此軟件可靠性總的設(shè)計(jì)原則是控制和減少軟件結(jié)構(gòu)和程序的復(fù)雜性，在網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)中，結(jié)構(gòu)復(fù)雜度控制進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：
（1）層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，復(fù)雜度控制
軟件的整體結(jié)構(gòu)采用層次結(jié)構(gòu)[5]，將系統(tǒng)的總需求進(jìn)行分級(jí)和分解，如功能需求模塊、性能需求模塊、內(nèi)外部接口需求模塊及擴(kuò)展需求模塊等，把這些需求模塊劃分成若干層，層與層之間只存在單向的依賴關(guān)系，這樣可以很大程度減少程序的復(fù)雜性，軟件的可靠性與軟件的復(fù)雜性成正比。
（2）模塊化設(shè)計(jì)
采用層次結(jié)構(gòu)與模塊化設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，在分層的基礎(chǔ)上，將每一個(gè)層次結(jié)構(gòu)分解為若干個(gè)模塊。模塊劃分合適，可減少開(kāi)發(fā)工作量，降低程序復(fù)雜度。模塊化設(shè)計(jì)思想，將功能細(xì)化到每個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，模塊之間通過(guò)消息中間件進(jìn)行交互，這樣的設(shè)計(jì)理念既可以將軟件模塊故障縮小在各個(gè)模塊內(nèi)部，防止軟件模塊故障影響整個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)也減少故障影響范圍，又可以利用可靠的軟件模塊形成新的系統(tǒng)，提高效率和系統(tǒng)的可靠性。模塊設(shè)計(jì)思想是高內(nèi)聚低耦合，模塊間的消息交互僅通過(guò)消息參數(shù)，各個(gè)軟件模塊內(nèi)部功能緊耦合且獨(dú)立實(shí)現(xiàn)特定功能，從而大大提高軟件模塊的可靠性。
（3）服務(wù)化設(shè)計(jì)
將具有獨(dú)立功能的軟件模塊封裝為服務(wù)，通過(guò)消息中間件進(jìn)行服務(wù)間通信，既可以將錯(cuò)誤局限在各個(gè)服務(wù)內(nèi)部[6]，防止服務(wù)化的軟件模塊故障影響整個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)也減少故障影響范圍，又可以利用可靠的軟件服務(wù)形成新的系統(tǒng)，提高工作效率和系統(tǒng)的可靠性。采用服務(wù)化技術(shù)，服務(wù)注冊(cè)發(fā)布之后，可以被調(diào)用，可靠性增高。
每一個(gè)服務(wù)都必須是Web Services的服務(wù)，都需要提供WSDL接口。為了標(biāo)準(zhǔn)化每一個(gè)服務(wù)，需要在定義每個(gè)服務(wù)的WSDL接口時(shí)，均遵循標(biāo)準(zhǔn)化模式和格式。
同時(shí)，在定義每個(gè)服務(wù)的WSDL方法中，需要定義啟動(dòng)和停止操作：
①startService操作：函數(shù)表示服務(wù)處于正常工作狀態(tài)。啟動(dòng)服務(wù)操作是無(wú)參數(shù)函數(shù)，返回值為布爾型。如返回true則表示服務(wù)正常啟動(dòng)，否則表示啟動(dòng)失敗。
②stopService操作：函數(shù)表示讓處于正常工作狀態(tài)的服務(wù)停止工作。停止服務(wù)操作是無(wú)參數(shù)函數(shù)，返回值為布爾型。如返回true則表示服務(wù)停止成功，否則表示停止失敗。
（4）可擴(kuò)展設(shè)計(jì)
mib庫(kù)表和配置參數(shù)基于配置文件進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠在管理對(duì)象擴(kuò)展或功能設(shè)計(jì)變更時(shí)靈活擴(kuò)展。
1.2冗余設(shè)計(jì)
冗余是指為改善系統(tǒng)運(yùn)行可靠性而引入重復(fù)或代替的系統(tǒng)元素，以確保該特定元素失效時(shí)，系統(tǒng)能繼續(xù)運(yùn)行。在軟件冗余設(shè)計(jì)方面主要包括如下幾方面設(shè)計(jì)思路：
①主備熱備：網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)軟件采用主備管理方式，因此總部級(jí)網(wǎng)管中心采用主備、熱備雙機(jī)工作方式，當(dāng)主用網(wǎng)管出現(xiàn)故障時(shí)，備用網(wǎng)管立即切換為主用網(wǎng)管。采用操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)熱備份及共享存儲(chǔ)資源的方式；對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，提供包括物理和邏輯2種方式的備份/恢復(fù)策略保證數(shù)據(jù)安全；在數(shù)據(jù)庫(kù)冗余設(shè)計(jì)方面，主要針對(duì)數(shù)據(jù)訪問(wèn)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，采用本地緩存策略設(shè)計(jì)，防止批量并發(fā)操作訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)時(shí)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)庫(kù)崩潰而無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，保證系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可靠訪問(wèn)控制。
②重要模塊備份：網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)功能強(qiáng)大且復(fù)雜，軟件模塊眾多，如果所有的模塊都進(jìn)行備份，不僅降低運(yùn)行效率，而且造成系統(tǒng)資源的極大浪費(fèi)；如果都不備份，軟件的可靠性無(wú)法保證。因此選擇重要的軟件模塊，如拓?fù)涔芾砟K、故障管理模塊及通信機(jī)模塊等進(jìn)行備份。
③信息冗余：數(shù)據(jù)庫(kù)是網(wǎng)管系統(tǒng)重要的信息存儲(chǔ)方式，在數(shù)據(jù)庫(kù)的選型方面選擇可靠性較高的數(shù)據(jù)庫(kù)，而且進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)備份。
1.3軟件健壯性設(shè)計(jì)
軟件健壯性是指軟件在所運(yùn)行的硬件環(huán)境如計(jì)算機(jī)或顯示器發(fā)生故障，或在使用軟件時(shí)出現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)不合理或非正常操作時(shí)，或輸入數(shù)據(jù)越限等非軟件所能承受的非正常情況發(fā)生時(shí)，軟件仍能正常運(yùn)行而不出現(xiàn)故障的能力，即軟件不僅要在正確的操作使用和運(yùn)行環(huán)境下正常運(yùn)行，而且要對(duì)非正常運(yùn)行環(huán)境和非法輸入具有免疫能力。軟件的健壯性設(shè)計(jì)包括環(huán)境冗余設(shè)計(jì)、非法輸入提示、非正常運(yùn)行環(huán)境檢測(cè)和提示等設(shè)計(jì)。
1.4軟件避錯(cuò)設(shè)計(jì)
在網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，主要采用如下避錯(cuò)設(shè)計(jì)方法：
①需求分析階段，多與用戶溝通交流，充分了解用戶的需求，在需求階段引入的錯(cuò)誤的修正代價(jià)是其他階段錯(cuò)誤的千百倍甚至更多，因此做好需求分析是軟件避錯(cuò)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。
②軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)階段，采用模塊化設(shè)計(jì)，一個(gè)功能采用一個(gè)軟件模塊實(shí)現(xiàn)，模塊之間基于消息進(jìn)行交互，采用松耦合高內(nèi)聚的方式。
③界面設(shè)計(jì)中，對(duì)于需要用戶輸入的地方，盡量采用下拉列表框設(shè)計(jì)控件，這樣可以避免用戶的直接輸入，減少出錯(cuò)機(jī)會(huì)。如果必須要使用編輯框，首先要設(shè)置編輯框的屬性，如只允許輸入數(shù)字、輸入字符的長(zhǎng)度限制等，對(duì)輸入數(shù)據(jù)的有效性及合理性、數(shù)據(jù)輸入范圍等采用自動(dòng)避錯(cuò)，當(dāng)出現(xiàn)非法操作時(shí)，程序以文字方式提示操作員，同時(shí)高亮顯示錯(cuò)誤輸入的編輯框，允許用戶重新輸入。
④加強(qiáng)軟件測(cè)試，在軟件進(jìn)行需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)之后，通過(guò)加強(qiáng)各階段的軟件測(cè)試可進(jìn)一步提高軟件可靠性。為最大限度發(fā)現(xiàn)軟件缺陷、提高軟件的可靠性，就要對(duì)軟件進(jìn)行盡可能完備的測(cè)試。每個(gè)階段的測(cè)試都要制定測(cè)試大綱、測(cè)試細(xì)則、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試規(guī)范，涵蓋軟件功能、軟件性能、內(nèi)外部接口、軟件安裝、軟件運(yùn)行環(huán)境及軟件的擴(kuò)展性等，測(cè)試要盡可能詳盡，要強(qiáng)化輸入測(cè)試，針對(duì)每個(gè)界面輸入要包括設(shè)計(jì)輸入正常值、邊界值、異常值測(cè)試用例，要進(jìn)行充分的邊界測(cè)試。
1.5軟件容錯(cuò)設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)的一些缺陷是不可避免的，不同的使用模式和不同的操作方式導(dǎo)致有些軟件錯(cuò)誤是不易被發(fā)現(xiàn)的。軟件容錯(cuò)技術(shù)就是軟件在缺陷存在的情況下能夠正確運(yùn)行的設(shè)計(jì)思想。在軟件測(cè)試階段和調(diào)試階段能夠發(fā)現(xiàn)和排除90%的軟件錯(cuò)誤和缺陷，但是由于軟件的缺陷與軟件的使用方式息息相關(guān)，不同的使用模式會(huì)有不同的運(yùn)行剖面，不同的運(yùn)行剖面會(huì)挖掘出不同的軟件缺陷。如果有些運(yùn)行剖面沒(méi)有運(yùn)行，則軟件缺陷是不可能被發(fā)現(xiàn)的，避錯(cuò)技術(shù)和排錯(cuò)技術(shù)不可能使軟件完全正確。因此，軟件容錯(cuò)技術(shù)也是提高軟件可靠性的一種很重要的實(shí)際理念。容錯(cuò)的本質(zhì)是在軟件運(yùn)行環(huán)境或操作使用發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，軟件系統(tǒng)仍然具有正常運(yùn)行能力的一種設(shè)計(jì)方法。
在網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，主要采用了如下容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法：
①軟件容錯(cuò)：采用模塊化設(shè)計(jì)，界面采用下拉框，減少輸入，邊界值和有效值進(jìn)行輸入控制。
②環(huán)境容錯(cuò)：在軟件安裝過(guò)程中，如果檢測(cè)到內(nèi)存小于軟件正常運(yùn)行所需的內(nèi)存，則提示操作員，停止安裝。所處的環(huán)境發(fā)生變化時(shí)（如出現(xiàn)內(nèi)存溢出、斷電及硬件故障等異?，F(xiàn)象時(shí)），軟件都能按預(yù)定方式進(jìn)行處理（如數(shù)據(jù)自動(dòng)備份等），使重要信息不丟失，避免發(fā)生災(zāi)難性的后果。
③設(shè)計(jì)容錯(cuò)：在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用版本管理控制工具，詳細(xì)記錄不同開(kāi)發(fā)人員開(kāi)發(fā)相同或不同軟件模塊的開(kāi)發(fā)軌跡，如果新修改的程序出現(xiàn)問(wèn)題，可以通過(guò)對(duì)比或者恢復(fù)原來(lái)的程序版本進(jìn)行差錯(cuò)處理，大大提高軟件開(kāi)發(fā)效率。
1.6軟件錯(cuò)誤恢復(fù)設(shè)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)軟件在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)由于軟件運(yùn)行環(huán)境故障、人員操作異常、軟件自身錯(cuò)誤等原因造成軟件出錯(cuò)故障。在軟件發(fā)生錯(cuò)誤后盡快恢復(fù)、繼續(xù)正常運(yùn)行是軟件可靠性設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)，有如下3種機(jī)制：
①日志機(jī)制：網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用日志管理設(shè)計(jì)，提供安全日志、操作日志、登錄日志等各種日志的實(shí)時(shí)記錄和存儲(chǔ)備份功能，在軟件發(fā)生故障后，可以查看日志記錄查找故障原因，快速恢復(fù)軟件。
②狀態(tài)恢復(fù)機(jī)制：網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)總部級(jí)網(wǎng)管中心軟件采用雙機(jī)熱備份，在主用發(fā)生故障后，備用能迅速啟用，狀態(tài)轉(zhuǎn)化為主用。
③數(shù)據(jù)恢復(fù)機(jī)制：網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)軟件采取自動(dòng)保存、數(shù)據(jù)備份等手段，確保軟件發(fā)生故障后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)的可恢復(fù)性來(lái)提高軟件的可靠性。
1.7軟件重用設(shè)計(jì)
軟件重用就是直接使用已有的成熟可靠的軟件模塊，能夠減小工作量進(jìn)而縮短開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)也能提高軟件的可維護(hù)性和可靠性。因?yàn)榭芍赜玫能浖K已經(jīng)過(guò)多輪測(cè)試和篩選，很多錯(cuò)誤已在開(kāi)發(fā)、運(yùn)行和測(cè)試過(guò)程中被發(fā)現(xiàn)和排除，可靠性比較高。
軟件重用的過(guò)程如下：候選、選擇、資格、分類(lèi)和存儲(chǔ)、查找和檢索。在選擇可重用構(gòu)件時(shí)，一定要有嚴(yán)格的選擇標(biāo)準(zhǔn)，可重用的構(gòu)件必須是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試的、可靠性高、正確性好、高度可擴(kuò)展可使用構(gòu)件，應(yīng)模塊化、結(jié)構(gòu)清晰，且有高度可適應(yīng)性。
重用模塊應(yīng)有相當(dāng)?shù)睦^承性，能在構(gòu)建各種系統(tǒng)時(shí)方便地重復(fù)使用，主要功能如下：
①模塊具有獨(dú)立功能：功能獨(dú)立單一完整，且經(jīng)過(guò)多輪測(cè)試，內(nèi)部功能緊耦合高內(nèi)聚，對(duì)外部有明確的接口。
②具有高度可擴(kuò)展性：能夠根據(jù)具體的使用需求或者功能升級(jí)，提供可擴(kuò)展接口以便進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)或者集成。
③接口清晰、簡(jiǎn)明、可靠，軟件模塊松耦合，模塊之間均基于標(biāo)準(zhǔn)的接口進(jìn)行消息交互。
構(gòu)件涵蓋了開(kāi)發(fā)工具、開(kāi)發(fā)思想、程序代碼等領(lǐng)域，而且均經(jīng)過(guò)詳盡的測(cè)試和反復(fù)的試用，附加詳盡的操作使用說(shuō)明文檔，這些構(gòu)件有的可以直接使用，有的根據(jù)實(shí)際使用需求進(jìn)行改進(jìn)完善后即可使用，大大節(jié)省軟件開(kāi)發(fā)周期，提高軟件可靠性。
2實(shí)例驗(yàn)證
以一個(gè)規(guī)模較大、復(fù)雜性較高、專業(yè)性極強(qiáng)的軟件項(xiàng)目為例進(jìn)行軟件可靠性設(shè)計(jì)說(shuō)明，從項(xiàng)目的需求分析、軟件概要設(shè)計(jì)、軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)、軟件研制編碼、軟件測(cè)試、軟件聯(lián)試開(kāi)發(fā)的各個(gè)階段，嚴(yán)格進(jìn)行軟件可靠性設(shè)計(jì)。最終開(kāi)發(fā)的軟件相對(duì)于原軟件而言，具有更高的可靠性和更好的軟件質(zhì)量，得到了用戶的高度認(rèn)可。
①需求分析，通過(guò)原型系統(tǒng)與用戶充分溝通了解需求，包括功能（拓?fù)洹⑴渲?、性能、故障、流量、安全管理）、性能?個(gè)性能指標(biāo)）、接口（北向接口及協(xié)議、南向接口及協(xié)議）、運(yùn)行環(huán)境（操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)）、可靠性和安全性需求。
②軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，由于部署套量非常多，因此選擇B/S軟件架構(gòu)，便于安裝部署。
③冗余設(shè)計(jì)：拓?fù)涔芾砗蛿?shù)據(jù)庫(kù)管理是重要的模塊，因此進(jìn)行模塊冗余設(shè)計(jì)；采用數(shù)據(jù)庫(kù)熱備份，進(jìn)行物理和邏輯備份；對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行基于Excel的備份恢復(fù)機(jī)制。
④健壯性和容錯(cuò)設(shè)計(jì)：安裝時(shí)，軟件自動(dòng)檢測(cè)所需內(nèi)存是否夠用，對(duì)于需要用戶輸入的地方，盡量采用下拉列表框，如果必須要使用編輯框，首先要設(shè)置編輯框的屬性，只允許輸入數(shù)字，輸入字符的長(zhǎng)度限制，輸入范圍（最大值、最小值、合理值、非法值）等。
⑤錯(cuò)誤恢復(fù)設(shè)計(jì)：進(jìn)行操作日志和安全日志記錄，重要信息刪除提示，刪除信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便于出現(xiàn)誤操作時(shí)能恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。
⑥軟件重用：重用了用戶管理、報(bào)表管理、消息處理等構(gòu)件，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期。
經(jīng)過(guò)可靠性設(shè)計(jì)后，網(wǎng)管系統(tǒng)軟件的可靠性大大提高，實(shí)踐證明在168可靠性考核中，軟件一直正常運(yùn)行。雖然該網(wǎng)管軟件專業(yè)復(fù)雜度較高，但是在初樣測(cè)試、正樣測(cè)試中問(wèn)題個(gè)數(shù)最少，在出所測(cè)試時(shí)，軟件代碼138萬(wàn)行，測(cè)試用例318個(gè)，首輪測(cè)試未通過(guò)測(cè)試用例為11個(gè)，千行代碼缺陷密度為0.001 5%。
3結(jié)束語(yǔ)
隨著通信與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，軟件在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在大型系統(tǒng)中的占比越來(lái)越高，地位越來(lái)越重要，軟件規(guī)模也越來(lái)越大，復(fù)雜性急劇提高。因軟件故障而造成的重大事故屢有發(fā)生，因此軟件可靠性研究和設(shè)計(jì)越來(lái)越受到重視，而軟件可靠性設(shè)計(jì)是一個(gè)全生命周期過(guò)程，需要在需求分析、軟件概要設(shè)計(jì)、軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)、軟件體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件測(cè)試等各個(gè)軟件生命周期的每一個(gè)重要環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，才能開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)高可靠性高質(zhì)量的軟件。
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