JP2007519084A - 非クローン化可能光学的識別器を有する情報担体 - Google Patents

Abstract

本発明は、光ビーム（５）によりチャレンジされ且つ前記光ビーム（５）を散乱するための光散乱媒体（３）を有する非クローン化可能光学的識別器（２）を有する情報担体に関する。安全な情報担体（１）を提供するために、情報担体は、散乱光ビーム（８）を積分することによりレスポンス信号を得るための積分時間を長くするように、前記光ビーム（５）の強度を減少させるための光吸収手段（３，４）を更に有する。

Description

本発明は、非クローン化可能（ｎｏｎ−ｃｌｏｎａｂｌｅ）光学的識別器を有する情報担体、情報担体を読み取るための読み取り装置及び情報担体を識別するための方法に関する。

セキュリティ目的のための“物理的非クローン化可能機能（ＰＵＦ）”の使用については、例えば、文献、“Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｏｎｅ−Ｗａｙ Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ”，Ｒａｖｉｋａｎｔｈ Ｐａｐｐｕ ｅｔ ａｌ．，Ｖｏｌ．２９７ ＳＣＩＥＮＣＥ，２０／０９／２００２に記載されている。ＰＵＦを、例えば、スマートカード、チップ又は記憶媒体等のプロダクトに組み込むことは、そのプロダクトの“クローン”を作ることを極端に困難にする。“クローン”は、高信頼性を有するプロダクトの入力−出力挙動を予測することができるプロダクトの物理的コピーか又はモデルのどちらかを意味する。ＰＵＦの製造は制御されないプロセスであり、ＰＵＦは非常に複雑なオブジェクトであるため、物理コピーの困難性が現れる。適切なモデリングは、ＰＵＦの困難性のために極めて困難である。入力の僅かな変化は大きく発散した出力をもたらす。そのようなＰＵＦの特異性及び複雑性は、それらのＰＵＦを、識別、認証又は鍵生成目的のためによく適合させる。

光学ＰＵＦは、例えば、エポキシ樹脂含有ガラス球、気泡又は何れの種類の散乱粒子を有することが可能である。エポキシ樹脂は又、特定の他の透明な手段で置き換えられることが可能である。一般に、ＰＵＦを、以下、識別器という。レーザがＰＵＦを透過して光らせることにより、入射波面の特性及びＰＵＦの内部構造に非常に依存するスペックルパターンを生成する。入射（波面）は、レーザビームをシフト又はチルトさせること又は焦点を変えることにより変化される。波面は又、レーザビームの経路において空間光変調器（ＳＬＭ）を備えることにより変化される。ＳＬＭは、レーザビームの一部が透過又は遮断されるかを判定する透明な／暗い画素のアレイを有する。それに代えて、ＳＬＭは、位相変化画素のアレイ又はマイクロミラーのアレイを有することが可能である。異なる独立した応答を生成する課題の数があまり多くない数である場合、アタッカは識別器のクローンを生成することがうまくできることが可能である。
"Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｏｎｅ−Ｗａｙ Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ"，Ｒａｖｉｋａｎｔｈ Ｐａｐｐｕ ｅｔ ａｌ．，Ｖｏｌ．２９７ ＳＣＩＥＮＣＥ，２０／０９／２００２

それ故、本発明の目的は、改善された非クローン化可能光学的識別器を有するセキュアな情報担体を製造すること及び情報担体を読み取るための読み取り装置を製造することである。

その目的は、請求項１に記載された情報担体により達成される。

本発明は、全ての可能なチャレンジを用いてチャレンジすることにより識別器のクローンを作ること及び検出されたレスポンスを記憶することの試みを妨害するように、チャレンジ空間を拡大することに代えて又はそれに加えて、１つのレスポンスを得るために要する時間を延ばすことを可能にし、それ故、モデルを作成する時間が、現実的なハッキングのシナリオに対しては長すぎる、例えば、数年を要することとなる。１つの測定を得るための時間は、入射光ビームの強度を減少させるための光吸収手段を用いることにより簡単に延ばすことが可能であり、その入射光ビームは、好ましくは、レーザにより発生されるレーザビームであることが見出された。この光吸収手段は、光ビームが散乱媒体に入射する前か又は光ビームが散乱媒体を通った後のどちらかに、光散乱媒体の隣に備えられている。光吸収手段は、識別器をより安全にする応答信号を得るために必要な積分時間を延ばすことができる。

実施形態においては、本発明に従った情報担体は請求項２に記載の特徴を有する。グレーフィルタは、好ましくは、光ビームが散乱粒子を有するエポキシ樹脂に入射する前に、光強度を減少させる。エポキシ樹脂、散乱粒子及びグレーフィルタはその製造が安価且つ容易である。

実施形態においては、本発明に従った情報担体は請求項３に記載の特徴を有する。この実施形態においては、通常の使用においては、識別器を永久に使用不可能にする位相変化層は暗いため、光ビーム強度は閾値を上回ることはない。この実施形態においては、識別器は、高い強度の光を用いる光学的精査に対して更に保護されるものである。この目的のために用いられる位相変化材料は、特定の閾値温度以上において、結晶状態から非晶質状態に変化することが可能であり又はその逆に変化することが可能であるＧｅＳｂＴｅであることが可能である。

実施形態においては、本発明に従った情報担体は請求項４に記載の特徴を有する。この実施形態においては、層が一時的に暗くなり、散乱媒体及び光学的識別器を特定の時間の期間の間、使用できないようにする。この実施形態においては、識別器は、高い強度の光を用いる光学的精査に対して更に保護されるものであるが、識別器は永久に使用不可能になることはない。この目的のために使用される市販のフォトクロミック材料は、ＰＰＧ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社製のＭＸＰ７−１１４があり、その材料はサングラスを色付けするために主に用いられる。その材料の化学名は、３，３−ジ（４−メトキシフェニル）−１３−ヒドロキシ−１３−メチル−インデノ［２，１−ｆ］ナフト［１，２ｂ］ピランである。

実施形態においては、本発明に従った情報担体は請求項５に記載の特徴を有する。閾値は存在せず、暗くなる速度は光の強度に比例する。通常の特定数を用いた後、識別器は使用不可能になる。この実施形態においては、識別器は、高い強度の光を用いる光学的精査に対して及び通常の光強度における繰り返し精査に対して又、保護されるものである。永久に光感応性を有する暗くなる材料は銀塩化物である。

更なる実施形態においては、本発明に従った情報担体は請求項６又は７に記載の特徴を有する。それらの実施形態は、他の実施形態、例えば、グレーフィルタにおいて備えられる光吸収手段がハッカーにより除去されない有利点を有する。

更なる実施形態においては、本発明に従った情報担体は請求項８又は９に記載の特徴を有する。

本発明の目的は又、請求項１０に記載の読み取り装置により達成される。

実施形態においては、本発明に従った情報担体は請求項１１に記載の特徴を有する。非認証光識別器を有する情報担体が読み取り装置に入れられる場合、特定のチャレンジは、記憶手段に記憶されているレスポンスと異なるレスポンスが検出されるようにする。記憶手段に記憶されているレスポンスが検出されるレスポンスと一致する場合にのみ、ユーザは認定される。

更なる実施形態においては、本発明に従った情報担体は請求項１２、１３又は１４に記載の特徴を有する。ＳＬＭは画素のアレイを有する。画素は、波面を変化させて、透過性から暗い状態にスイッチングされることが可能である。

積分時間を延ばすようにゆっくりスイッチングする光変調器を備えることが又、可能である。アレイをスイッチングする時間は１ｍｓｅｃを上回る必要がある。このようにゆっくりしたスイッチングＳＬＭは又、ＳＬＭの除去が識別器に損傷を与え、それが使用不可能にされるような方式で、識別器に取り付けられることが可能である。しかしながら、光変調器は又、読み取り装置の一部であることが可能である。そのようなゆっくりしたスイッチングは、好ましくは、ゆっくりした液晶のような適切な固有の材料特性を有する特定の材料を用いることにより備えることができる。

本発明の目的は、請求項１５に従った方法及び請求項１６に記載の情報担体に好適に使用される識別器により更に達成される。本発明のプロダクト及び方法の好適な実施形態については従属請求項に記載されている。

本発明の上記の及び他の特徴については、図に関連付けて更に詳述する。

図１は、本発明に従った情報担体、例えば、破線で示しているスマートカード１を示している。スマートカードは、エポキシ樹脂３及びグレーフィルタ４を有する非クローン化可能光学的識別器２（即ち、ＰＵＦ）を有する。グレーフィルタ４は、レーザ１３から出射されるレーザビーム５が入射するエポキシ樹脂３の一面に配置されて備えられている。

情報担体１を読み取るための読み取り装置は主に、レーザ１３と検出器６とを有する。非クローン化可能光識別器２と読み取り装置とを有するスマートカード１は、レーザビーム５がグレーフィルタ４を照射し、それ故、レーザビーム５の強度が低減されるように備えられている。レーザビーム５は、エポキシ樹脂３を低減された強度で伝播し、エポキシ樹脂５に含まれ散乱粒子（図示せず）により散乱され、その結果、散乱レーザビーム８が得られる。

検出器６は、レーザ１３に対してスマートカード１の反対側に備えられている。検出器６は、散乱レーザビーム８によりもたらされるスペックルパターン７を検出する。それ故、特定の時間の期間に亘って積分することにより、応答信号が検出器６において得られる。識別器におけるフィルタ４による積分時間は、好ましくは、１ｍｓｅｃより長い。

レーザビーム５がグレーフィルタ４に入射する前に、そのレーザビームは空間光変調器（ＳＬＭ）１６を通る。光変調器１６は暗い画素及び明るい画素を有し、それらの画素は制御ユニット１７によりスイッチングされることができる。セットアレイを通ったレーザビーム５はチャレンジと呼ばれ、グレーフィルタ４に入射する。このチャレンジに関連するスペックルパターン７はレスポンスである。各々のアレイに対して、特定の関連するレスポンスが存在する。

スマートカード１が認証されるかどうかを調べ、発するための典型的なプロトコルは次のようなものである（ユーザのスマートカード１を調べる銀行１８の例を用いて）。先ず、“登録”フェーズがある。銀行１８は、ＰＵＦを有する新たに作製されたスマートカード１を取り込み、複数のチャレンジ及びレスポンス（ＣＲ）の対を測定し、メモリ１５、例えば、ハードディスクにそれらを記憶する。通常、全部の有効なＣＲ対は時間が長く掛かり過ぎるため、全部でない有効なＣＲ対が記憶される。次いで、ＰＵＦを有するスマートカード１が口座名義人（“ユーザ”）に与えられる。

第２フェーズは認証フェーズである。ユーザはそのユーザのスマートカード１をリーダ２０に入れる。リーダ２０は銀行に連絡する。銀行１８は限定されたデータベース１５から１つのチャレンジを選択する。ユーザが実際にＰＵＦを処理する場合、ユーザは、例えば、銀行１８にある比較器により調べられる適切なレスポンスを与えることができる。安全なチャネル１９が、ＰＵＦレスポンスの共有秘密知識に基づいて、リーダ２０と銀行１８との間で形成される。ユーザと銀行との間の安全が確保されていないラインに対する安全な通信のための暗号鍵に関して合意をとる幾つかの方法がある。ＣＲの対は１度だけ認証のために用いられる必要がある。安全なチャネル１９はＣＲの対についての銀行のデータベースをリフレッシュするために用いられる。銀行１８は複数のランダムなチャレンジを送信し、ＰＵＦはそのレスポンスを送り返す。それらのＣＲの対は後に認証のために用いられる。

メモリ１５及び比較器１４は又、読み取り装置２０の一部であることが可能であることに留意する必要がある。

光学的識別器２のクローンを作るためには、ハッカーは、明るい画素と暗い画素との組み合わせの有効なチャレンジ全てを用いてエポキシ樹脂３をチャレンジし、そのレスポンスを記憶することが必要である。それらのチャレンジ及びレスポンスの対はエポキシ樹脂３を完全に特徴付ける。

ＳＬＭがＭ個のスイッチング可能画素を有する場合、ハッカーは、チャレンジ全てに対してスペックルパターンＩ（ｘ，ｙ）を理解するためにＭ（Ｍ＋１）／２回の測定を行う必要がある。このことを、次のように理解することができる。検出器６に当たる単一の透過性画素ｉによるライトフロント（ｌｉｇｈｔ ｆｒｏｎｔ）はｆ_ｉ（ｘ，ｙ）と表され、２つの透過性の画素によるライトフロントはｆ_ｉｊ（ｘ，ｙ）と表され、それ故、測定されるスペックルパターンの強度Ｉ_ｉ（ｘ，ｙ）及びＩ_ｉｊ（ｘ，ｙ）は次の式により与えられ、
Ｉ_ｉ＝｜ｆ_ｉ｜^２

ここで、クロス項はＣ_ｉｊで表される。ハッカーはスペックルパターンＩ_ｉ及びＩ_ｉｊ全てを測定する。それらの回数はＭ（Ｍ＋１）／２である。任意のチャレンジは、どの画素が透過性（ａ_ｉ＝１）であり、どの画素が遮断する（ａ_ｉ＝０）を指定するリストとして表される。

結果的に得られるスペックルパターンＩ（ｘ，ｙ）は次式により与えられる。

全てのＩ_ｉ及びＣ_ｉｊはハッカーに知られているため、スペックルパターンを、Ｉ_ｉ、Ｃ_ｉｊ及びチャレンジ｛ａ_ｉ｝から再構築することができる。それ故、

識別器のクローンを作るためにはＭ^２回のみの測定が必要であるが、実際に攻撃を阻止するには、それは十分に大きい。このことは、識別器２における測定は限定された時間量を要するということから得られる。例えば、１つのチャレンジを測定するために必要な時間は１０^−４ｓｅｃであり、そしてＭ＝１０^６であり、消耗される攻撃は１０^８ｓｅｃ、即ち、約３年を要する。それ故、識別器２はゆっくり作製される必要がある。そのように測定プロセスがゆっくりであることは、識別器２の物理特性から得られる。光学スペックルパターン７を測定する検出器６は、入射散乱光８を積分する最小時間量を必要とする。この時間は、通常、積分時間と呼ばれ、光の強度に依存する。積分時間は又、検出器６におけるノイズの量に依存する。ノイズレベルにおける下限は、所謂、ショットノイズにより与えられる。これは、積分ノイズにおける基本的な物理的下限である。それ故、そのノイズレベルはより良好な技術により低減されることはない。

レーザが光の全パワーＰを出射することを前提とする場合、このパワーは、識別器２と係数η_ＰＵＦＰを有するグレーフィルタ４とにより減衰される。レーザビーム５はエネルギーｈｃ／λを有する光子から成り、ここで、λは真空中のその光の波長であり、ｈはプランクの定数であり、そしてｃは真空中の光の速度である。検出器６に入射する１秒当たりの平均光子数は、それ故、η_ＰＵＦＰλ／ｈｃである。検出器６は、η_ＰＵＦＰλ／ｈｃＭとして画素に入射する１秒当たりの平均光子数を与えるＭ個の画素を有する。検出器６においては、光子は、画素当たり及び１秒当たりη_Ｑη_ＰＵＦＰλ／ｈｃＭの平均電子数を与える量子効率η_Ｑを有する電子に変換される。電子は、特定の時間インターバル、即ち、積分時間Ｔの間、収集される。実際の信号Ｎｅは、積分時間Ｔの間に収集された全電子数であり、フレーム周波数１／Ｔを用いて読み取られる。検出器６における光電子生成はポアソンプロセスであり、それ故、Ｎ_ｅは統計的変数である。Ｎ_ｅの平均は次式に等しく、Ｎ_ｅの分散は次式により与えられる。

信号パワー及びノイズパワーの比は、それ故、次式により与えられる。

実際には、これは、他のノイズ源が考慮されないときの、信号対ノイズ比についての上限である。それ故、積分時間は少なくとも次式のようになる。

Ｔ≧ｈｃＭ・ＳＮＰＲ／η_Ｑη_ＰＵＦＰλ
画素当たりの測定信号から抽出される有用なビット数Ｒはシャノン理論に従って、次式のように限定される。

Ｒ≦Ｃ＝１／２（ｌｏｇ_２［１＋ＳＮＲ］）
Ｍ個の画素が存在するため、応答はＫ＝ＲＭ＝ξＣＭである有用なビットを有し、ここで、ξは、チャネルビットから有用なビットを抽出するコードの効率である。ここでは、積分時間は次式のように限界付けられる。

Ｔ≧ｈｃＭ（２^{２Ｋ／Ｍξ}−１）／η_Ｑη_ＰＵＦＰλ＝ｈｃＭ（２^２Ｃ−１）／η_Ｑη_ＰＵＦＰλ
右側の変数全ては、攻撃が無駄になるように、積分時間のためのこの下限が十分に長くするように、ユーザの自由になる。積分時間を増加させるように、画素数Ｍを増加させることが可能であり、画素（２^Ｃ）当たりの階調数は増加されることができ、検出器（η_Ｑ）の量子効率は検出器６の下にシリコンを適切にデザインすることにより減少されることができ、エポキシ樹脂３及び／又はグレーフィルタ４（η_ＰＵＦ）の透過率は減少されることができ、又はレーザビーム５のパワーは減少されることができる。更に、レーザビーム５の波長は減少されることができる、即ち、赤色レーザの代わりに青色レーザを用いることは有利である。

現実的な状況下で積分時間を評価して、パラメータについて次のような値を用いることができる。即ち、ｈ＝６．６＊１０^−３４Ｊｓｅｃ、ｃ＝３＊１０^８ｍ／ｓｅｃ、Ｃ＝４、η_Ｑ＝３＊１０^−１、η_ＰＵＦ＝１０^−２、Ｐ＝１０^−３Ｗ及びλ＝５＊１０^−７ｍである。このとき、積分時間はＴ＝１０^―４ｓｅｃになる。識別器２のクローンを作るための全時間Ｔ_ｔｏｔ＝Ｔ＊Ｍ^２は、それ故、約３年である。

図２は、本発明に従った読み取り装置の他の実施形態の一部を示している。その図において、レーザビーム５は第１凹レンズ９により広げられる。広げられたビームはＳＬＭ１０を通る。レーザビームの経路において、凹レンズ１１は、レーザビームを狭くするためにＳＬＭ１０の隣に備えられている。第２凹レンズ１２はレーザビームを平行にする。このような構成は、ＳＬＭ１０がレーザビームの断面に備えられているため、小さい半径を有するレーザビームに対して非常に多数の画素を可能にし、ＳＬＭにおいては、レーザビームは既に広げられている。

一般に、ＰＵＦ２は、好ましくは、ガラス球又はロッド、金属、金属酸化物、ＧａＳｂ合金のような位相変化材料及びＡｇＢｒ_２のような光化学材料等のミクロンスケールの散乱粒子を有するエポキシ樹脂から成る。それらは非常に安価であり、製造プロセスを制御する必要がない。検出器６は、好ましくは、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ型である。

読み取り装置においてＳＬＭ制御ユニット１７及び光変調器１６（１０）を備えることに代えて、それらは又、情報担体自体と置き換えられる。ＳＬＭは、それ故、それが用いられない限り、暗い状態にＰＵＦを保つシャッタとしての機能を果たすことが可能である。そのような情報担体の実施形態について、図３に示している。

上記の発明は、例えば、スマートカードのための識別器を改善する。既知の識別器は、識別器のクローンを作るための全てのチャレンジ−レスポンスの対を収集することを実際には不可能にする大きいチャレンジ空間を用いる。本発明は、信頼性高い信号を得るように積分時間を延ばすために光吸収手段を備えることにより安全な識別器を与えることができる。更に、原理的に、小さいチャレンジ空間のために安全が確保されていないが、本発明を用いることにより安全にされる識別器を備えることができる。これにより、小型化のために適する小さく且つ安価な識別器を得ることができる。

本発明に従った情報担体を有する原理的構成を示す図である。 本発明に従った読み取り装置の構成を示す図である。 本発明に従った情報担体の他の実施形態を示す図である。

Claims (16)

1. 非クローン化可能光学的識別器を有する情報担体であって：
   光ビームによりチャレンジされ且つ前記光ビームを散乱するための光散乱媒体；及び
   散乱される前記光ビームを積分することによりレスポンス信号を得るために積分時間が延ばされるように、前記光ビームの強度を減少させるための光吸収手段；
   を有することを特徴とする情報担体。
2. 請求項１に記載の情報担体であって、前記光吸収手段は、前記光散乱媒体に取り付けられたグレーフィルタを有する、ことを特徴とする情報担体。
3. 請求項１に記載の情報担体であって、前記光吸収手段は位相変化層を有し、その位相変化層は、前記光ビームの前記強度が閾値強度より大きいときに永久に暗くなる、ことを特徴とする情報担体。
4. 請求項１に記載の情報担体であって、前記光吸収手段は光層を有し、その光層は、前記光ビームの前記強度が閾値強度より大きいときに永久に暗くなる、ことを特徴とする情報担体。
5. 請求項１に記載の情報担体であって、前記光吸収手段は、光にさらされるとき、永久に暗くなる光層を有する、ことを特徴とする情報担体。
6. 請求項１に記載の情報担体であって、前記散乱媒体及び前記光吸収手段は一体化されている、ことを特徴とする情報担体。
7. 請求項６に記載の情報担体であって、前記光吸収手段は、位相変化材料又は光効果材料を有する、低光透過率又は反射率を有する散乱材料を用いることにより実施される、ことを特徴とする情報担体。
8. 請求項１に記載の情報担体であって、前記非クローン化可能光学的識別器は前記光ビームに対向するように情報担体の側に光変調器を更に有する、ことを特徴とする情報担体。
9. 請求項８に記載の情報担体であって、前記光変調器は１ｍｓｅｃより長いスイッチング時間を有する、ことを特徴とする情報担体。
10. 散乱される光ビームを積分することによりレスポンス信号を得るために積分時間を長くするように、前記光ビームによりチャレンジされ且つ前記光ビームを散乱するための光散乱媒体と、前記光ビームの強度を減少させるための光吸収手段とを有する非クローン化可能光学的識別器を有する情報担体を読み取るための読み取り装置であって：
    前記情報担体の前記光学的識別器をチャレンジするために光ビームを出射するための光源；
    前記情報担体の散乱媒体により散乱された散乱光を検出するため、及び対応するチャレンジ信号と関連付けられる記憶されているレスポンス信号を比較するために用いられるレスポンス信号を得るための時間の期間に亘って前記散乱光を積分するための検出器；
    を有することを特徴とする読み取り装置。
11. 請求項１０に記載の読み取り装置であって：
    前記識別器についてのチャレンジ信号及び関連レスポンス信号を記憶するための記憶手段；並びに
    対応するチャレンジ信号と関連する記憶されているレスポンス信号と前記の得られたレスポンス信号を比較するための比較手段；
    を更に有する、ことを特徴とする読み取り装置。
12. 請求項１０に記載の読み取り装置であって、前記情報担体が前記読み取り装置の内部にあるとき、前記光源と前記識別器との間に備えられている光変調器を更に有する、ことを特徴とする読み取り装置。
13. 請求項１２に記載の読み取り装置であって、前記光変調器は暗い画素及び明るい画素のアレイを有し、前記アレイはスイッチングされることができる、ことを特徴とする読み取り装置。
14. 請求項１２に記載の読み取り装置であって、前記光ビームを広げるためのレンズ系を更に有し、前記光変調器は前記光ビームの広げられた部分に備えられている、ことを特徴とする読み取り装置。
15. 散乱される光ビームを積分することによりレスポンス信号を得るために積分時間を長くするように、前記光ビームによりチャレンジされ且つ前記光ビームを散乱するための光散乱媒体と、前記光ビームの強度を減少させるための光吸収手段と、を有する非クローン化可能光学的識別器を有する情報担体を識別するための方法であって：
    光ビームにより前記情報担体の前記光学的識別器をチャレンジする段階；
    前記情報担体の前記散乱媒体により散乱された散乱光を検出する段階；
    前記レスポンス信号を得るための時間の期間に亘って前記散乱光を積分する段階；及び 対応するチャレンジ信号に関連する記憶されているレスポンス信号と前記得られたレスポンス信号を比較する段階；
    を有することを特徴とする方法。
16. 特に、請求項１に記載の情報担体で用いられる非クローン化可能光学的識別器であって：
    光ビームによりチャレンジされ且つ前記光ビームを散乱するための光散乱媒体；及び
    散乱される前記光ビームを積分することによりレスポンス信号を得るために積分時間が延ばされるように、前記光ビームの強度を減少させるための光吸収手段；
    を有することを特徴とする非クローン化可能光学的識別器。

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