摘要:鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)在現(xiàn)代鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用,其安全性與可靠性問(wèn)題仍是主要關(guān)注焦點(diǎn)。本文基于對(duì)鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的研究,探討了在組網(wǎng)過(guò)程中所面臨的安全性與可靠性挑戰(zhàn),并提出了相應(yīng)的解決方案。本文通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、通信協(xié)議、安全策略等方面的分析,旨在為鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的安全性與可靠性提供技術(shù)支持與保障。
關(guān)鍵詞:鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng);安全性;可靠性;組網(wǎng);技術(shù)研究
隨著鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的現(xiàn)代化進(jìn)程加速,鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)作為信息傳輸與控制的基礎(chǔ)設(shè)施愈發(fā)重要。然而,鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的安全性與可靠性問(wèn)題一直是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。在鐵路運(yùn)輸中,安全性與可靠性是首要因素,而數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行直接影響鐵路系統(tǒng)的安全性與運(yùn)行效率。因此,深入研究鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)組網(wǎng)中的安全性與可靠性技術(shù),對(duì)于提升鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的整體水平具有重要意義。
一、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)
鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)是確保其安全性與可靠性的基礎(chǔ)。合理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)當(dāng)考慮鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的特殊需求和復(fù)雜性,并采取相應(yīng)的措施以確保其穩(wěn)定運(yùn)行。在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)時(shí),需要考慮以下幾個(gè)方面:
(一)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇
在設(shè)計(jì)鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)考慮到鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的復(fù)雜性和分布式特點(diǎn)。例如,在鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中,各個(gè)車站、信號(hào)點(diǎn)、調(diào)度中心等地點(diǎn)都需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信,因此,需要一個(gè)靈活而具備高度容錯(cuò)能力的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中可以將鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)計(jì)為混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以結(jié)合星型、環(huán)型和網(wǎng)狀型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。
以星型結(jié)構(gòu)為例,可以在各個(gè)車站和調(diào)度中心建立中心節(jié)點(diǎn),與之相連的是各種監(jiān)測(cè)設(shè)備、信號(hào)設(shè)備和車輛等。這樣的結(jié)構(gòu)能夠簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)流程,并且能夠提供較好的可靠性和容錯(cuò)能力。而在環(huán)形結(jié)構(gòu)中,可以將環(huán)路用于車輛之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)環(huán)形連接可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)傳遞,保證信息的及時(shí)性和完整性。同時(shí),還可以在關(guān)鍵位置布置網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),以應(yīng)對(duì)各節(jié)點(diǎn)之間的通信需求,提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)展性。
(二)冗余設(shè)計(jì)
在鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的設(shè)計(jì)中,冗余設(shè)計(jì)是確保網(wǎng)絡(luò)高可用性和可靠性的重要手段之一。除了在物理鏈路和設(shè)備上進(jìn)行冗余備份之外,還可以在網(wǎng)絡(luò)路徑和傳輸層協(xié)議上實(shí)現(xiàn)冗余。例如,可以使用多路徑傳輸技術(shù),同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)中建立多條傳輸路徑,以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院涂垢蓴_能力。另外,還可以采用鏈路聚合技術(shù),將多個(gè)物理鏈路捆綁成一個(gè)邏輯鏈路,以提高帶寬利用率和網(wǎng)絡(luò)的冗余能力。
(三)網(wǎng)絡(luò)分割與隔離
在鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)中,網(wǎng)絡(luò)分割與隔離是保障網(wǎng)絡(luò)安全的重要手段。例如,可以將鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)劃分為多個(gè)邏輯子網(wǎng),根據(jù)業(yè)務(wù)需求和安全級(jí)別對(duì)不同子網(wǎng)進(jìn)行劃分和隔離。這樣可以有效地降低網(wǎng)絡(luò)攻擊和故障的影響范圍,提高網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。另外,還可以在子網(wǎng)之間建立安全網(wǎng)關(guān)和防火墻,以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾和檢查,防止惡意攻擊和未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。
(四) QoS保障
在設(shè)計(jì)鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)時(shí),需要充分考慮對(duì)服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)的保障,以滿足鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的需求。在實(shí)際應(yīng)用中,可以采用基于流量的QoS技術(shù),對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行優(yōu)先級(jí)設(shè)置和調(diào)度,以保障重要業(yè)務(wù)的優(yōu)先傳輸。另外,還可以采用基于時(shí)間的QoS技術(shù),對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延和抖動(dòng)進(jìn)行控制,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性和可靠性。
(五)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與管理
在運(yùn)行鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的過(guò)程中,需要建立完善的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與管理系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)和性能指標(biāo),及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決網(wǎng)絡(luò)故障和安全威脅。在實(shí)際應(yīng)用中,可以采用網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)(NMS)、安全信息與事件管理系統(tǒng)(SIEM)等技術(shù),對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量、設(shè)備狀態(tài)和安全事件等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析。另外,還可以采用自動(dòng)化運(yùn)維技術(shù),對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和配置,提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率和管理效能。
二、通信協(xié)議選擇
鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的通信協(xié)議選擇直接影響網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性和性能表現(xiàn)。在鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中,通信協(xié)議應(yīng)當(dāng)具備高度的實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性,以滿足對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膰?yán)格要求。針對(duì)鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的特點(diǎn)和需求,應(yīng)當(dāng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行通信協(xié)議的選擇與優(yōu)化:
(一)優(yōu)先考慮標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議
在選擇通信協(xié)議時(shí),首先應(yīng)優(yōu)先考慮已經(jīng)經(jīng)過(guò)廣泛驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議。TCP/IP協(xié)議族作為互聯(lián)網(wǎng)中最常用的協(xié)議之一,在鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)中同樣具備重要的地位。其成熟穩(wěn)定、廣泛支持、豐富的應(yīng)用和強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn),能夠?yàn)殍F路數(shù)據(jù)網(wǎng)提供可靠的通信基礎(chǔ)。在鐵路調(diào)度系統(tǒng)中,車站間的通信、列車位置追蹤、乘客信息管理等功能都可以基于TCP/IP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。
近年來(lái),隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)通信協(xié)議也逐漸向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)靠攏。例如,關(guān)于鐵路列車間通信的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議如IEC 61375,定義了在列車間和列車與地面系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,為鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的協(xié)議選擇提供了更多的參考依據(jù)。
(二)基于實(shí)時(shí)性要求的協(xié)議優(yōu)化
考慮到鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)對(duì)實(shí)時(shí)性的高要求,通信協(xié)議的實(shí)時(shí)性成為選擇協(xié)議類型的重要參考因素。除了TCP/IP協(xié)議外,可以結(jié)合實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(Real-time Transport Protocol,RTP)等實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化。RTP協(xié)議能夠提供較低的傳輸時(shí)延和更好的實(shí)時(shí)性,適用于鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)中對(duì)列車位置信息、信號(hào)狀態(tài)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸。通過(guò)在TCP/IP協(xié)議之上疊加RTP協(xié)議,可以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。
例如,近年來(lái),隨著5G技術(shù)的逐步成熟,其低時(shí)延、高帶寬和高速率等特點(diǎn),為鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的實(shí)時(shí)傳輸提供了新的可能性。鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)可以借助5G網(wǎng)絡(luò),利用其高速傳輸和低時(shí)延的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)列車位置信息、信號(hào)狀態(tài)等重要數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和監(jiān)測(cè),從而進(jìn)一步提升鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的實(shí)時(shí)性和響應(yīng)能力。
(三)特定領(lǐng)域協(xié)議的應(yīng)用
除了通用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議外,鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)還可以考慮采用針對(duì)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)特定領(lǐng)域的專用協(xié)議。例如,Train Communication Network(TCN)是專門用于鐵路列車間通信的協(xié)議,具有低時(shí)延、高可靠性和實(shí)時(shí)性特征。TCN協(xié)議適用于鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)中對(duì)車輛控制和調(diào)度的通信需求,能夠確保列車之間信息交換和指令傳遞的及時(shí)性和可靠性。
在近期的技術(shù)發(fā)展中,針對(duì)鐵路行業(yè)的專用通信協(xié)議不斷涌現(xiàn),如ETCS(European Train Control System)的通信協(xié)議,它是一種用于鐵路列車自動(dòng)控制和調(diào)度的專用通信協(xié)議,具有高度的實(shí)時(shí)性和可靠性,適用于鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)中對(duì)列車行駛狀態(tài)和信號(hào)控制的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)度。
(四)加密與安全協(xié)議的應(yīng)用
為了確保鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的安全性,通信協(xié)議的選擇還應(yīng)考慮數(shù)據(jù)的加密與安全性。除了TCP/IP和RTP等協(xié)議外,還應(yīng)當(dāng)采用支持加密傳輸?shù)陌踩珔f(xié)議,如SSL、TLS等。這些協(xié)議能夠在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和認(rèn)證,確保數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性,有效防止數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中被竊取、篡改或偽造。例如,在鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)中,通過(guò)使用SSL/TLS協(xié)議,對(duì)列車的位置信息、乘客數(shù)據(jù)等敏感信息進(jìn)行加密傳輸,可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>
目前,隨著信息技術(shù)的發(fā)展,針對(duì)鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)安全需求的通信協(xié)議也在不斷優(yōu)化和改進(jìn)。例如,基于量子密碼學(xué)的安全通信協(xié)議,具有抵抗量子計(jì)算攻擊的能力,可以為鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)提供更加安全可靠的通信保障。
(五)自適應(yīng)協(xié)議的應(yīng)用
在選擇鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的通信協(xié)議時(shí),還應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化和不確定性。因此,應(yīng)采用具有自適應(yīng)性能的協(xié)議,以適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)條件下的數(shù)據(jù)傳輸需求,提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和適應(yīng)性。例如,UDP、ICMP等自適應(yīng)協(xié)議能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況自動(dòng)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸策略,適用于鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)中對(duì)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和抖動(dòng)要求較高的場(chǎng)景。
例如,在鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)中,針對(duì)列車間通信時(shí)延敏感的情況,研究人員提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的自適應(yīng)通信協(xié)議,通過(guò)對(duì)列車間通信時(shí)延的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析,自動(dòng)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸策略和路由選擇,以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車間通信時(shí)延的優(yōu)化和控制。
三、安全策略與防護(hù)措施
鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的安全策略與防護(hù)措施是確保網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其涉及身份認(rèn)證、訪問(wèn)控制、數(shù)據(jù)加密和安全監(jiān)控等多個(gè)方面。在鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的安全管理中,應(yīng)當(dāng)采取以下措施來(lái)加強(qiáng)安全性:
(一)身份認(rèn)證與授權(quán)
鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)應(yīng)當(dāng)建立完善的身份認(rèn)證機(jī)制,確保網(wǎng)絡(luò)中用戶和設(shè)備身份的合法性和可信度。例如,在列車運(yùn)行過(guò)程中,調(diào)度員需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作,工程師需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行配置和維護(hù)。因此,可以使用基于證書的身份認(rèn)證技術(shù),如公鑰基礎(chǔ)設(shè)施(Public Key Infrastructure,PKI),對(duì)用戶和設(shè)備進(jìn)行身份驗(yàn)證,并對(duì)其進(jìn)行合理的授權(quán)和權(quán)限管理,以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和操作。
目前,基于生物識(shí)別技術(shù)的身份認(rèn)證也開始在鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)中得到應(yīng)用。例如,指紋識(shí)別、虹膜掃描和人臉識(shí)別等技術(shù)可以用于對(duì)調(diào)度員和工程師進(jìn)行身份驗(yàn)證,以提高身份認(rèn)證的準(zhǔn)確性和安全性。
(二)訪問(wèn)控制與權(quán)限管理
在鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)中,應(yīng)當(dāng)實(shí)施嚴(yán)格的訪問(wèn)控制策略,對(duì)用戶和設(shè)備的訪問(wèn)進(jìn)行精細(xì)化管理和控制。例如,在調(diào)度中心,只有經(jīng)過(guò)許可的調(diào)度員才能進(jìn)行列車運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和控制操作。通過(guò)采用訪問(wèn)控制列表(Access Control Lists,ACLs)、角色-based訪問(wèn)控制(RBAC)等技術(shù),精細(xì)化管理用戶和設(shè)備的訪問(wèn)權(quán)限,確保只有經(jīng)過(guò)授權(quán)的用戶和設(shè)備才能訪問(wèn)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源。
目前,基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Networking,SDN)的訪問(wèn)控制技術(shù)也開始應(yīng)用于鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)中。SDN技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的動(dòng)態(tài)控制和管理,根據(jù)實(shí)際需求對(duì)不同用戶和設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)控制和流量調(diào)度,以提高網(wǎng)絡(luò)的安全性和靈活性。
(三)數(shù)據(jù)加密與傳輸安全
為了保護(hù)鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)安全,應(yīng)當(dāng)采用數(shù)據(jù)加密技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和保護(hù)。例如,在列車間的通信過(guò)程中,車載設(shè)備和調(diào)度中心之間傳輸?shù)牧熊囄恢眯畔ⅰ⑿盘?hào)狀態(tài)等敏感數(shù)據(jù)需要進(jìn)行加密傳輸,以防止數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中被竊取、篡改或截獲。通過(guò)使用安全套接字層(Secure Socket Layer,SSL)、傳輸層安全(Transport Layer Security,TLS)等協(xié)議,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行端到端的加密傳輸,可以保障數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性。
目前,量子密鑰分發(fā)(Quantum Key Distribution,QKD)技術(shù)開始應(yīng)用于鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)中,為數(shù)據(jù)加密提供了更加安全可靠的解決方案。QKD技術(shù)利用量子力學(xué)的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)密鑰的安全分發(fā),能夠抵御量子計(jì)算攻擊,有助于提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>
(四)安全審計(jì)與監(jiān)控
鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)應(yīng)當(dāng)建立健全的安全審計(jì)與監(jiān)控機(jī)制,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)和安全事件,并及時(shí)發(fā)現(xiàn)和應(yīng)對(duì)潛在的安全威脅。例如,通過(guò)采用網(wǎng)絡(luò)入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Intrusion Detection System,IDS)、安全信息與事件管理系統(tǒng)(Security Information and Event Management,SIEM)等技術(shù),對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量和日志進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和監(jiān)控,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常行為和安全事件,從而提高網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)能力。
目前,人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)也開始應(yīng)用于安全審計(jì)與監(jiān)控領(lǐng)域。通過(guò)建立基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的安全分析模型,對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量和日志進(jìn)行智能分析和識(shí)別,可以快速發(fā)現(xiàn)并應(yīng)對(duì)新型的安全威脅和攻擊行為,提高安全監(jiān)控的效率和準(zhǔn)確性。
(五)漏洞管理與安全更新
在鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的安全管理中,應(yīng)當(dāng)建立漏洞管理與安全更新機(jī)制,定期對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和軟件進(jìn)行漏洞掃描和安全更新,及時(shí)修補(bǔ)已知的安全漏洞,提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。同時(shí),應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和軟件的安全配置和管理,避免因配置錯(cuò)誤或不當(dāng)使用而導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)。
目前,自動(dòng)化漏洞管理和安全更新技術(shù)開始應(yīng)用于鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)中。通過(guò)采用自動(dòng)化的漏洞掃描工具和安全更新系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和軟件的自動(dòng)化漏洞檢測(cè)和修復(fù),提高漏洞管理的效率和及時(shí)性,保障鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的安全運(yùn)行。
四、結(jié)束語(yǔ)
對(duì)鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的安全性與可靠性技術(shù)研究是當(dāng)前鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域的重要課題。本文從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)、通信協(xié)議選擇,以及安全策略與防護(hù)措施等方面進(jìn)行了探討與分析。通過(guò)合理的技術(shù)選型與嚴(yán)密的安全管理,可以有效提升鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的安全性與可靠性,為鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)保障。
作者單位:王力東 中鐵二十二局集團(tuán)電氣化工程有限公司
參考文獻(xiàn)
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