LabVIEW와 산업용 사물 인터넷 (IoT)의 연결을 위한 실용 가이드

개요

본 기술백서에서는 클라우드 기반 개발 플랫폼과 산업용 사물 인터넷(IoT)의 연결에 가장 널리 사용되는 통신 프로토콜에 대해 알아봅니다. Amazon Web Services, IBM Bluemix, PTC ThingWorx, Microsoft Azure와 같이 가장 널리 사용되는 IoT 클라우드 개발 플랫폼에 대한 정보도 확인할 수 있습니다. 이러한 클라우드 플랫폼에서 LabVIEW 개방 그래픽 개발 환경을 통해 CompactRIO를 포함한 NI 임베디드 시스템과 연결하는 방법도 알아보십시오.

내용

세상에 많은 변화를 일으킬 IoT

새로운 인터넷 구현 어플리케이션이 배포됨에 따라 세계 경제는 향후 십년 간 크게 변화할 것으로 예상됩니다. 이러한 어플리케이션 중 상당수는 획기적이고 혁신적일 뿐만 아니라 경제적인 영향력도 클 것입니다. 호텔(Airbnb)과 택시(Uber) 등의 일반 소비자 분야에서 나타난 현상처럼, 수많은 산업 분야와 부문에 영향을 미칠 것입니다.

이러한 추세는 독일의 Industry 4.0 이니셔티브와 같이 산업 분야에서도 눈에 띕니다. Industry 4.0 또는 산업용 사물 인터넷(IoT)은 기존 기술을 통합하고 이를 더욱 효과적으로 활용하는 것에 초점을 맞춥니다. 그런 의미에서 산업과 머신, 제품, 사람은 모두 디지털로 연결됩니다. 제조업체들은 고유한 맞춤형 제품을 대량으로 생산하고 있습니다. 클라우드 안의 지능형 소프트웨어는 기업 IT 시스템을 운영 분야, 머신, 디바이스, 센서와 연결해 제품 흐름을 제어하고 최적화합니다.

그림 1 – 산업용 사물 인터넷 (IoT)의 공통 아키텍처: 지능형 엣지 노드로 센서와 액추에이터, 디바이스를 IT 시스템과 연결

연결 비용이 감소하면서 산업용 사물 인터넷 (IoT)의 프로세싱 디바이스와 센서 채택이 기하급수적으로 성장했습니다. 센서 데이터는 CompactRIO 또는 PXI 자동화 시스템 등의 스마트 엣지 디바이스를 통해 머신 가까이에서 수집 및 사전 처리할 수 있습니다. 엣지 디바이스가 가상 세계(IT 클라우드 플랫폼)에 데이터를 리얼타임으로 전송하면 데이터가 그곳에서 저장, 모니터링 및 분석되거나 동작을 트리거합니다.

산업용 사물 인터넷(IoT)의 가치는 디바이스 연결에 있는 것이 아니라, 기업이 스마트 디바이스의 데이터 스트림으로부터 도출하는 것에 있습니다. 클라우드 컴퓨팅 플랫폼 및 서비스가 이러한 인사이트를 도출하는 데 도움을 줍니다.

IoT 솔루션을 구현할 때는 여러 가지 상당한 과제를 고려해야 합니다. 이러한 과제에는 표준화, 상호 운용성, 빅 아날로그 데이터™ 처리, 보안, 개인정보 보호 등이 있습니다. 이 과제들을 유의하면서 보안에 특히 주의해야 합니다. 보안은 IoT 어플리케이션의 중요한 부분입니다. 산업용 사물 인터넷 (IoT) 디바이스는 강력한 보안 정책을 실행하고 최신 보안 패치로 정기 업데이트되어야 합니다. CompactRIO의 보안 모범 사례에 대해 자세히 알아보고 NI의 최신 보안 알림을 받아보려면 ni.com/support/security를 방문하십시오. 모든 클라우드 컴퓨팅 플랫폼은 데이터를 안전하게 송수신하며 강력한 인증 및 승인 방식과 암호화 기술을 사용합니다. 대부분의 플랫폼에는 감사 기능도 있습니다.

클라우드 컴퓨팅

클라우드 컴퓨팅은 사용자의 요청에 따라 네트워크를 통해 하드웨어, 소프트웨어 또는 데이터 리소스를 유연하게 전송하는 방식을 뜻합니다. 이는 로컬 컴퓨터에서 소프트웨어 어플리케이션을 실행하는 방식과 상반됩니다.

그림 2 - 클라우드 컴퓨팅 구성요소의 개요 (이미지 출처: Sam Johnston https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cloud_computing.svg)

 

일반적으로 볼 수 있는 클라우드 컴퓨팅의 세 가지 서비스 수준을 나타낸 표입니다.

SaaS

Software as a Service

완전한 비즈니스 서비스를 제공합니다. 서비스 공급업체가 전체 플랫폼을 실행 및 관리합니다. 예: Gmail, Salesforce.com

PaaS

Platform as a Service

플랫폼을 제공합니다. 벤더가 제공하는 런타임과 서비스를 활용해 사용자의 클라우드 어플리케이션을 구축 및 배포해야 합니다. 예: IBM Bluemix, Microsoft Azure, AWS IoT

IaaS

Infrastructure as a Service

서버 하드웨어, 스토리지, 네트워크 기능과 같은 기본적인 핵심 구성 요소를 제공합니다. OS와 어플리케이션은 사용자가 설치해야 합니다. 예: Amazon EC2 (Amazon이 제공하는 가상 머신), IBM SoftLayer

 

클라우드는 퍼블릭 (모든 서비스가 클라우드에서 호스팅되는 안전한 환경에서 실행되며 다른 사용자와 서버를 공유) 또는 프라이빗 (사용자 조직만 이용 가능하며 온프레미스 또는 오프프레미스로 존재) 방식으로 배포됩니다. 일부는 온프레미스, 기타 서비스는 클라우드로 제공되는 하이브리드로 배포할 수도 있습니다.

 

IoT 어플리케이션 프로토콜

통신 프로토콜은 서버와의 네트워크 연결을 담당합니다. Wi-Fi, 이더넷, 셀룰러, LoRaWAN 등의 프로토콜은 모두 이러한 연결 기능을 제공하는 통신 프로토콜입니다. 어플리케이션 프로토콜은 이를 바탕으로 어플리케이션별 메시지를 통신합니다.

디바이스와 클라우드 간 통신은 여러 개의 표준을 통해 처리됩니다. 어플리케이션의 요구 사항이 서로 다르기 때문에 다양한 IoT 프로토콜이 개발되었고 이에 따라 혼동이 있을 수 있습니다. 프로토콜 역시 여러 가지로 구현될 수 있고 IoT 플랫폼이 독점 IoT 솔루션을 보유할 수도 있습니다. 범용 솔루션을 제공하려면 디바이스, 어플리케이션, 플랫폼의 상호 운용이 가능해야 합니다. NI 임베디드 시스템은 유연하고 개방적이라 매우 효과적인 솔루션을 제공합니다. 이러한 솔루션은 NI Linux Real-Time OS, LabVIEW 그래픽 및 Eclipse C 프로그래밍 환경 지원, 활발한 에코시스템을 통해 가능한 여러 개의 Linux 패키지로 구현됩니다.

하이 레벨에서 어플리케이션 프로토콜의 주요 사용 사례는 디바이스 투 디바이스(D2D 또는 M2M), 디바이스 투 서버(D2S), 서버 투 서버(S2S) 통신의 세 가지로 나눌 수 있습니다. IoT 어플리케이션 프로토콜은 다양한 수준의 리얼타임 동작을 비롯한 다양한 특성을 가집니다. 다음 표는 이에 대한 개요를 보여줍니다.

IoT 연결을 위한 일반 어플리케이션 프로토콜

 

HTTP/HTTPS

WebSocket

DDS

MQTT

AMQP

설명

어플리케이션, 웹사이트 등에서 인터넷을 통해 데이터를 전송

어플리케이션, 웹사이트 등에서 인터넷을 통해 데이터를 전송

지능형 머신과 연결되는 통신 버스

데이터를 수집하고 이를 서버와 구독자에게 게시하는 경량 프로토콜

어플리케이션과 프로세스 (서버) 간에 안정적으로 메시지를 전송하는 대기열 시스템

일반적인 사용 사례

D2D

D2S

S2S, (D2S)

리얼타임 동작

No

No

Yes, us–ms 범위

No, ms–s 범위

No, 두 번째 범위

메시징

요청/응답

요청/응답

데이터버스

게시/구독

게시/구독

전송

TCP

TCP

TCP, UDP, 공유 메모리 등

TCP

TCP

보안

Yes: HTTPS (SSL 또는 TLS)

Yes: wss:// (SSL/TLS)

Yes

가능: SSL 또는 TLS

Yes: TLS 또는 SASL (단순 인증 및 보안 레이어)

LabVIEW 지원

Yes, 기본

Yes, VI Package Manager (MediaMongrels)를 통해

Yes, VI Package Manager (RTI)를 통해

Yes, VI Package Manager, LabVIEW Tools Network, GitHub에 구현

VI Package Manager (LabbitMQ) 및 GitHub에 구현

서비스 품질

No

No

Yes, 20개 이상의 레벨

Yes, 3개 레벨

Yes

 

다음 섹션에서는 가장 일반적인 MQTT, AMQP, DDS 프로토콜에 대해 자세히 알아봅니다.

 

MQTT

MQTT(Message Queueing Telemetry Transport)는 IoT 연결 프로토콜입니다. MQTT는 전력 사용량 모니터링, 오일 파이프라인 모니터링과 같이 수천 개의 센서를 이용하는 어플리케이션에 사용됩니다. MQTT는 대역폭, 배터리, 리소스 효율이 우수합니다. MQTT는 게시/구독 모델을 사용합니다. IoT 디바이스가 TCP를 토픽으로 MQTT 브로커에 데이터를 게시합니다. 권한 있는 클라이언트는 어떤 토픽이든 구독하고 게시자에 도달하는 브로커로부터 가치를 얻을 수 있습니다. 게시자(디바이스)가 모든 구독자를 알 필요는 없기 때문에 디바이스 레벨의 관리가 더욱 쉽습니다. 브로커는 수많은 디바이스의 여러 동시 연결을 지원할 수 있습니다. 토픽은 계층 레벨을 가질 수 있으며 와일드카드도 지원하는 단순 스트링입니다. 토픽의 예는 GothamCityPlant/Building1/Pump7/Power입니다. 메시지 데이터는 JSON 포맷으로 전송되며 클라우드 플랫폼의 IoT 서비스에 따라 달라질 수 있습니다.

 

그림 3 – 엣지 디바이스가 인터넷을 통해 센트럴 브로커로 MQTT 메시지를 전송하면 브로커가 메시지를 권한 있는 구독자에게 배포

MQTT가 지원하는 3가지 서비스 품질 레벨:

  • QoS 0 — 대부분 1회
  • QoS 1 — 최소한 1회
  • QoS 2 — 정확히 1회

 

MQTT는 LabVIEW 안의 표준 HTTP 호출로 구현할 수 있습니다. LabVIEW Tools Network와 GitHub에는 NI 얼라이언스 파트너와 커뮤니티 버전의 구현이 있습니다. TLS/SSL을 구현하는 오픈소스 버전은 GitHub(링크)에 있습니다.

MQTT 클라이언트를 로컬 컴퓨터에 설치하면 MQTT 통신을 디버깅할 수 있습니다. 인기 있는 무료 MQTT 클라이언트는 mqttfx.org/에서 받을 수 있는 MQTTfx입니다.

인터넷에는 통신을 테스트할 수 있는 여러 MQTT가 있습니다. 가장 인기 있는 것 중 하나가 모스키토입니다. 토픽을 test.mosquitto.org에 게시하면 통신을 테스트할 수 있습니다. 모스키토 브로커는 오픈소스이며 샌드박스 테스트 또는 MQTT의 프로덕션 용도로 인하우스에서 사용할 수 있습니다.

AMQP

AMQP(Advanced Message Queuing Protocol)는 서버 간, 디바이스에서 서버로 또는 역방향으로 트랜잭션 메시지를 전송할 수 있는 오픈 메시지 프로토콜입니다. AMQP의 장점은 안정적인 통신(데이터가 받는 측에 정확히 1회 전달됨)과 상호 운용성입니다. AMQP는 브로커를 통해 클라이언트로부터 데이터를 받습니다. 그러면 클라이언트(또는 게시자)가 메시지를 브로커에게 퍼블리싱하고 브로커는 이를 처리하여 대기열로 이동시킵니다. 대기열의 메시지는 해당 데이터를 구독하는 클라이언트에게 전송됩니다. AMQP는 집중적으로 모든 메시지를 추적하고 각 메시지를 의도한 대상에게 전달했는지 (디바이스가 일시적으로 오프라인일 경우에도) 확인합니다. 대량의 데이터를 생성하는 디바이스는 AMQP 서버로 스트리밍할 수 있고 리시버는 이를 소비하여 모니터링과 분석을 진행할 수 있습니다. AMQP 어플리케이션 사례로 데이터 센터의 자동차 운전 동작 분석을 들 수 있습니다. 일부 클라우드 개발 플랫폼은 WebSocket을 통한 AMQP 또는 AMQP로의 디바이스 연결을 지원합니다. 인기 있는 오픈소스 AMQP 브로커는 RabbitMQ, ActiveMQ, Kafka를 들 수 있습니다.

LabbitMQ는 LabVIEW의 AMQP 라이브러리로서 VI Package 매니저를 통해 설치할 수 있습니다. LabVIEW 내 오픈소스 AMQP 클라이언트 구현은 GitHub에서 이용할 수 있습니다.

 

DDS

DDS(Data Distribution Service)의 주요 사용 사례는 데이터를 기업 시스템과 모바일 디바이스에 배포할 수 있음에도 다른 디바이스에 직접 배포하는 것입니다. 이러한 어플리케이션은 풍력 발전소, 자동차 테스트, 자산 추적, 국방 및 Big Physics에서 찾아볼 수 있습니다. 디바이스는 밀리초 단위로 측정된 서로 다른 디바이스의 데이터를 리얼타임으로 요구하는 경우가 많습니다. 대량 데이터 스트리밍에서는 이러한 모든 요구가 안정적, 일상적으로 발생합니다. DDS는 구성 가능한 신뢰성, 중복성, 필터링을 포함한 세부 품질의 서비스 컨트롤을 제공하며 어떤 데이터를 어디로 보낼지를 정확히 선택합니다. 이를 위해 DDS는 데이터를 수천 개의 디바이스로 전송할 수 있는 디바이스 투 디바이스 버스 통신을 이용합니다.

LabVIEW의 DDS 지원은 VI Package Manager를 통해 설치할 수 있습니다. RTI는 DDS 및 LabVIEW의 사용에 관한 유용한 튜토리얼을 제공합니다.

 

클라우드 개발 플랫폼

공지: 내쇼날인스트루먼트는 어떠한 클라우드 플랫폼도 공개적으로 지지하지 않습니다. 주요 목적은 메이저 플랫폼을 간단히 소개하는 것입니다. 사용자는 자신의 어플리케이션에 가장 적합한 플랫폼이 무엇인지 판단하기 전에 철저한 조사를 거쳐야 합니다.

Amazon AWS IoT

AWS(Amazon Web Services)는 IT 인프라를 클라우드 컴퓨팅, 데이터베이스 스토리지, 콘텐츠 전송 등의 용도로 공급합니다. AWS IoT는 매니지드 클라우드 플랫폼으로서 디바이스가 룰 엔진을 통해 다른 AWS 클라우드 어플리케이션 및 서비스와 연결 및 상호 작용하도록 지원합니다. AWS IoT는 디바이스 게이트웨이와 디바이스 섀도우도 제공합니다. 디바이스 게이트웨이는 디바이스와 AWS IoT의 연결을 관리하고 MQTT, WebSocket, HTTP 프로토콜을 지원합니다. 디바이스 섀도우는 오프라인일 때도 디바이스의 최신 상태를 유지하는 가상 디바이스를 만듭니다. AWS 내부의 어플리케이션은 가상 디바이스를 게시할 수 있고 디바이스가 온라인으로 돌아오면 상태가 동기화됩니다. AWS는 오픈소스 IoT SDK를 제공하여 하드웨어 디바이스와 AWS IoT의 연결을 지원합니다.

AWS는 SQL 유사 구문을 적용하여 디바이스로부터 수신한 데이터를 선택하고 동작을 수행하는 IoT 룰 엔진을 사용합니다. 룰 엔진이 있으면 디바이스로부터 수신한 데이터를 수집, 분석, 처리, 조치하는 IoT 어플리케이션을 구축할 수 있습니다. 룰 엔진은 메시지를 AWS Lambda (업로드된 코드를 실행하는 컴퓨팅 서비스), Amazon Kinesis (대량의 데이터 스트리밍을 리얼타임으로 처리), Amazon S3 (단순 스토리지 서비스), Amazon Machine Learning, Amazon DynamoDB를 비롯한 수많은 AWS 엔드포인트로 라우팅할 수 있습니다.

NI는 LabVIEW Tools Network를 통해 사용자의 LabVIEW 어플리케이션을 AWS S3, SNS, SQS, IoT 서비스의 클라우드 스토리지, 푸시 알림 등과 직접 연결할 수 있는 무료 툴킷을 제공합니다.

 

IBM Watson IoT for Bluemix

IBM의 클라우드 플랫폼인 Bluemix는 PaaS입니다. Bluemix가 있으면 빅 데이터 분석, 스토리지, 데이터베이스, 보안, IoT, 인지 어플리케이션과 같은 IBM 소프트웨어 서비스에 액세스할 수 있습니다.

Watson IoT for Bluemix를 사용하면 어플리케이션이 연결된 디바이스와 통신하고 그러한 디바이스와 디바이스 게이트웨이로부터 받은 데이터를 소비할 수 있게 해줍니다. MQTT는 디바이스 및 게이트웨이와의 통신에 사용됩니다. 디바이스는 MQTT over TLS를 사용해 Watson IoT와 안전하게 연결할 수 있습니다.

Watson IoT MQTT 브로커와의 MQTT 연결을 수립하려면 먼저 디바이스를 IBM Bluemix에 등록해야 합니다. 데이터 처리를 위한 룰과 로직은 node.js (Node-RED), Java, Python 등을 포함하여 IBM Bluemix가 지원하는 모든 언어로 정의할 수 있습니다.

CompactRIO 연결 예제와 IBM Watson IoT for Bluemix에 대한 자세한 설명은 LabVIEW Tools Network에서 확인할 수 있습니다.

 

PTC ThingWorx

ThingWorx는 완전한 어플리케이션 설계, 런타임, 환경을 제공하는 모델 기반의 IoT 어플리케이션 개발 플랫폼입니다. ThingWorx는 연결, 분석, 협업, 시각화(증강 현실 포함)를 위한 구성요소를 제공합니다. 플랫폼의 핵심 개발 기능은 다음과 같습니다.

  • Composer — '사물', 로직, 시각화, 데이터 스토리지, 보안 모델링을 위한 어플리케이션 모델링 환경
  • Mashup builder — mashup이 있는 웹 페이지를 ThingWorx라 하며 Mashup builder 툴을 사용해 웹 페이지를 시각화할 수 있음
  • SQUEAL — 모델 안의 모든 데이터를 검색할 수 있게 해주는 검색 기능
  • 실행 엔진 및 스토리지 — 빅 데이터를 저장, 연결, 노출하여 가치 있고 실행 가능한 데이터로 만드는 실행 및 저장용 이벤트 드리븐 플랫폼

ThingWorx는 직접 네트워크 연결, MQTT 및 AMQP, 타사 디바이스 클라우드, PTC Kepware 소프트웨어를 통한 OPC-UA 연결의 여러 가지 디바이스 연결 방식을 지원합니다.

NI는 NIWeek 2017에 myRIO Student 임베디드 디바이스에서 ThingWorx 플랫폼으로 연결할 수 있게 해주는 IoT Education 베타 프로그램을 출시했습니다.

Microsoft Azure IoT Suite

Azure IoT Suite는 디바이스로부터 데이터를 수집하고 데이터 분석, 데이터 저장, 리얼타임 및 히스토리 데이터 시각화, 백오피스 시스템과의 통합과 같은 서비스 세트를 제공합니다. Azure IoT 허브는 IoT 디바이스로부터 데이터를 수신합니다. 수신한 디바이스 데이터는 나중에 처리, 분석, 관리할 수 있도록 저장하거나 패스할 수 있습니다. 디바이스는 HTTP, MQTT 또는 AMQP 프로토콜을 통해 IoT 허브와 통신할 수 있습니다. Microsoft는 GitHub를 통해 Azure IoT 디바이스 SDK 세트를 공급합니다.

Google Cloud Platform, GE Predix를 포함한 기타 여러 가지 플랫폼도 이용할 수 있습니다. 자세한 정보는 벤더의 해당 제품 페이지를 참조하십시오.

 


부록 A: 4가지 주요 IoT 클라우드 플랫폼 개요

 

AWS IoT

IBM Watson IoT for Bluemix

PTC ThingWorx

Microsoft Azure IoT

무료 평가

1년 무료 평가판

30일 무료 평가판 이후 라이트 버전

30일 평가판

IoT 허브 무제한 무료 평가판

가격

사용량 기반, 최소 요금 없음

디바이스, 교환 데이터, 저장 데이터당 결제

구독 이후 사용량에 따른 결제

사용량 기반 (IoT Hub 메시지 수)

배포 옵션

퍼블릭 클라우드

퍼블릭 또는 프라이빗

프라이빗 또는 하이브리드

퍼블릭, 프라이빗 또는 하이브리드

시작용 참고 자료 (튜토리얼, 기술백서, 동영상)

Yes

Yes

Yes

Yes

플랫폼 액세스 옵션

GUI, CLI

GUI, CLI

GUI

GUI, CLI

MQTT 지원

Yes

Yes

Yes

Yes

MQTT WebSockets

Yes

Yes

미정

Yes

AMQP

타사 대신 SQS 이용

타사 이용

Yes

Yes

AMQP WebSockets

타사 이용

미정

Yes

데이터 포맷

JSON

JSON

JSON

JSON

스토리지

S3 (파일), DynamoDB (NoSQL 데이터베이스), Redshift (데이터베이스) 및 기타

Cloudant (NoSQL 데이터베이스), Mongodb 및 기타

데이터 테이블, 스트림 및 가치 스트림

SQL 스토리지, DocumentDB (NoSQL), 블롭 스토리지 (파일), 테이블 스토리지

LabVIEW 연결

Yes, LabVIEW Cloud Toolkit for AWS, MQTT

Yes, MQTT

Yes, MQTT/AMQP

Yes, MQTT/AMQP

디바이스 SDK 이용 가능 여부

Yes

Yes

Yes

Yes

룰 엔진

Yes, 룰 엔진이 데이터에 적용되어 데이터를 타 서비스로 라우팅

Yes, node.js 어플리케이션

Yes, Expression Widget

Yes, Azure Stream Analytics

데이터 시각화

QuickSight 또는 맞춤형 개발

Yes, Watson IoT Real-Time Insight

Yes, ThingWorx SQUEAL, 위젯, Vuforia, Mashup

Via Azure 웹 앱, 파워 BI, 알림

플랫폼 리얼타임 스트리밍 분석

Amazon Kinesis

IoT Real-Time Insights, IBM Streaming Analytics

Yes

스트림 분석

플랫폼 머신 학습

Amazon Machine Learning

IBM Predictive Analytics

Predictive Analytics

Azure ML

분석

TLS/SSL

TLS

TLS

TLS/SSL

이 표의 기능은 즉시 사용 가능한 기능입니다. 추가적인 서비스를 설치하여 기능을 추가할 수도 있습니다.

 


부록 B: 출처

AWS         https://aws.amazon.com

IBM           http://www.ibm.com

Intel          http://www.intel.com

PTC           http://www.ptc.com/internet-of-things/technology-platform-thingworx

NI              http://www.ni.com/nl-nl/innovations/industrial-internet-of-things.html

전기 설계 — 사물 인터넷의 바탕이 되는 프로토콜에 대한 이해 http://www.electronicdesign.com/iot/understanding-protocols-behind-internet-things

IoT (사물 인터넷) 개발 플랫폼 — IBM Bluemix, P Kumar, Koblenz-Landau            대학교의 사례 https://kola.opus.hbz-nrw.de/frontdoor/index/index/docId/1373

IoT 표준 및 프로토콜        https://www.postscapes.com/internet-of-things-protocols/

산업용 사물 인터넷 플랫폼 비교           https://www.mandsconsulting.com/industrial-iot-platform-comparison

 

서적:

Internet of Things, W. Vermeend, J.W. Timmer, 2016, ISBN 97890821993-4-5

Enterprise IoT, Naveen Balani, 2016, ISBN 9781535505642

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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