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    本發明揭示一種未知用於加密該開機影像的安全金鑰就可安全更新一開機影像之技術。
    公开号:TW201314492A
    申请号:TW101137298
    申请日:2009-02-10
    公开日:2013-04-01
    发明作者:Gordon Grigor；Phillip Norman Smith
    申请人:Nvidia Corp；
    IPC主号:G06F21-00
    专利说明:
    未知安全金鑰下開機影像之安全更新
    安全機制在電子產品當中日漸重要，系統以及系統內所使用裝置的製造商想要控制如何使用系統與裝置(例如停止未授權使用)，並保護程式(例如作業系統和應用程式)與內容免於複製、未授權修改等等。因此，裝置的製造商需要提供裝置等級安全機制及/或系統等級安全機制。裝置及/或系統安全技術也需要提供末端使用者安全機制來控制如何使用系統與裝置(例如停止未授權使用)以及保護程式(例如作業系統和應用程式)。
    電子裝置的製造商也牽涉到許多家公司，例如：裝置製造商可設計一給定裝置，但是該等裝置的實際製造卻外包。類似地，系統製造商可設計該系統，但是系統的實際製造卻外包。雖然某些團體彼此信賴，不過並非所有團體都信賴牽涉在裝置與系統的設計與製造內之所有其他公司。例如：裝置與系統製造商可彼此信賴，但是裝置製造商不信賴系統製造商所用的組裝工廠，或只是不要或沒有能力監督系統製造商所用的組裝工廠，來確定可信賴組裝工廠之取得軟體、韌體、組態參數及/或類似者。
    因此，持續需要有改良式技術提供用於裝置及/或系統安全機制。安全機制也應該在從裝置設計至系統製造的不同製造階段上提供保護。
    本發明的具體實施例指向一種未知用於加密開機影像的金鑰就可安全更新開機影像之技術。在一個具體實施例內，從服務提供者接收新開機載入碼並載入給定週邊內。然後執行重設開始開機程式碼的執行。開機程式碼的第一部分儲存在晶片上，並且建立信賴鏈。開機程式碼計算安全開機金鑰，驗證從服務提供者接收的新開機載入碼，然後將驗證過的新開機載入碼使用安全開機金鑰加密後儲存在指定用於執行開機載入碼表單之週邊裝置內。
    在此將詳細參考本發明的具體實施例，附圖內將說明其範例。雖然本發明將結合這些具體實施例來說明，吾人將瞭解這並不用於將本發明限制在這些具體實施例上。相反地，本發明用於涵蓋申請專利範圍範疇內所包含之變化、修改與同等配置。更進一步，在下列本發明的詳細說明中，將公佈許多特定細節以提供對本發明有通盤瞭解。不過，吾人瞭解在沒有這些特定細節的情況下也可實施本發明。在其他實例中，已知的方法、程序、組件和電路並未詳述，如此就不會模糊本具體實施例的領域。
    請參閱第一圖，在此顯示用於實施本發明具體實施例的示例性系統。示例性系統105包含一個裝置110和一或多個週邊115-130。週邊115-130可為內部和/或外部週邊裝置，像是鍵盤、游標控制器、通訊埠、計算裝置可讀取媒體(CDRM,“computing device readable medium)(例如硬碟(HDD,“hard disk driver”)125、隨機存取記憶體(RAM,“random access memory”)130)及/或類似者。週邊115-130可利用一或多個通訊通道耦合至裝置110。裝置110包含永遠開啟(AO,“always-on”)領域135和一或多個可控制電源領域140、145。AO領域135總是具有電源，並且若合適的話當裝置啟動時供給時脈信號。AO領域可包含一個即時時脈功能單元、一個電源管理控制器功能單元、一個鍵盤控制器功能單元及/或儲存暫存器功能單元。可控制電源領域140、145可包含一或多個可控制供應電位領域140及/或一或多個可控制時脈領域145。一或多個可控制供應電位領域140包含一或多個晶片上計算裝置可讀取媒體(CDRM)150、一或多個一般處理單元(例如CPU)155、一或多個特殊處理單元(例如GPU)160、一或多個功能單元(例如進階加密標準(AES,“Advanced Encryption Standard”)引擎)165和一或多個系統控制器170-180。一或多個可控制時脈領域145包含一或多個特殊處理單元及/或功能單元185。因此，裝置110可稱為系統晶片上(SoC,“system-on-a-chip”)積體電路。
    晶片上CDRM 150儲存開機程式碼的第一部分用於配置該裝置，並且從一或多個週邊非揮發性CDRM(例如HDD、快閃媒體)125將開機程式碼的其他部分、作業系統(OS,“operating system”)、岔斷處置器和應用程式載入一或多個可存取至一般及/或特殊處理單元155、160的CDRM(例如RAM)130。一般處理單元(例如CPU)155提供計算硬體資源來執行裝置110的一般軟體功能。這種軟體功能可包含執行作業系統(OS)軟體、幫助裝置回應外部事件的岔斷處置軟體、應用程式軟體等等。特殊處理器(例如GPU)提供計算硬體資源執行特殊功能，像是圖形處理單元(GPU,“graphics processing unit”)160、數位信號處理、視訊編碼器/解碼器及/或類似者。系統控制器170-180提供許多功能用於裝置110的功能元件與週邊115-130之間通訊。
    系統105的裝置110調適成在裝置的複數個電源狀態期間處置儲存金鑰。裝置110也調適成安全更新裝置的開機程式碼，而不用知道開機金鑰。此外，裝置110也調適成提供安全回復模式。
    此時請參閱第二A圖至第二D圖，其中顯示根據本發明的一個具體實施例，在裝置的複數個電源狀態期間處置儲存金鑰的方法流程圖。一開始，系統105的裝置110執行開機程式來設定裝置110執行一或多個應用程式。開機程式通常包含一或多個部分，開機程式的第一部分儲存在晶片上ROM 150內，並且在此稱為開機ROM程式碼(BR,“boot-ROM”)。在202上，BR由處理單元155執行來建立信賴鏈。在BR執行期間，可存取安全開機金鑰(SBK,“secure boot key”)、裝置金鑰(DK,“device key”)和裝置識別碼(DID,“Device Identifier”)，並且在204上將SBK載入可由加密/解密引擎存取的對應SBK金鑰槽。加密/解密引擎支援對於金鑰槽的讀取、寫入、加密和解密權限。持續或「固著」位元控制對於金鑰槽的讀取和寫入權限，但是無法避免加密/解密操作的權限。SBK由裝置製造商用來保護並認證儲存在晶片外(例如在週邊內)的開機程式碼之部分。在一個實施當中，SBK為裝置製造商所選及/或由系統製造商所選之秘密金鑰。在一個實施當中，SBK程式編輯至SBK暫存器內，像是晶片上保險絲。因此，SBK可修改但是無法重設為先前值。在一個實施當中，SBK只能由受保護程式碼讀取。在一個實施當中，受保護程式碼為BR程式碼。在一個實施當中，SBK為128位元金鑰。在一個實施當中，DK為系統製造商已知的秘密值。在一個實施當中，DK程式編輯至DK暫存器內，像是晶片上保險絲。因此，DK可修改但是無法重設為先前值。在一個實施當中，DK只能由受保護程式碼讀取。在一個實施當中，受保護程式碼為BR程式碼。在一個實施當中，DK為32位元金鑰。在一個實施當中，DID為可由製造商程式編輯至晶片上保險絲內並且可公開存取之裝置特定值。在一個實施當中，DID為64位元值。
    在206上，安全系統金鑰(SSK,“Secure System Key”)從SBK、DK和DID計算得出，並且載入加密/解密引擎可存取的對應SSK金鑰槽內。安全儲存金鑰(SSK,“Secure Storage Key”)由系統製造商用來保護客戶定義資料。SSK從裝置製造商程式編輯的安全開機金鑰(SBK)、系統製造商程式編輯的裝置金鑰(DK)以及裝置製造商程式編輯的獨一裝置識別碼(UID,“unique Device Identifier”)計算得出。SSK在一個實施當中可計算如下：SSK=AES(SBK；DID^AES(SBK；DK))裝置製造商程式編輯DID對每一晶片都不同。因此，SSK對於每一晶片也是獨一的。此外，依照系統製造商的決定，SBK也可對於每一晶片獨一或多個晶片共用(例如許多)。DK也可對於每一晶片獨一或多個晶片共用。
    在208上，將SSK載入裝置110的AO領域140內之SSK暫存器中。從SBK金鑰槽清除SBK避免未經過SBK明確認證的其他程式碼使用SBK執行加密/解密操作。在210上，從給定週邊裝置中讀取稱為開機載入碼(BL,“Boot Loader”)的開機程式碼額外部分，特別用於儲存BL。儲存在週邊上的BL經過加密。在212上，開機載入碼使用SBK解密，藉此認證開機載入碼。開機載入碼可進一步根據認證技術使用摘要、數位證明等等來認證。使用SBK解密並認證開機載入碼維持了安全信賴鏈。
    AO領域內的SSK暫存器包含安全控制，該等安全控制保護BL之外對於暫存器的讀取與寫入。在一個實施當中，安全控制的SSK暫存器包含持續讀取與寫入位元。當在208上由BR將SSK載入SSK暫存器時，則在214上設定讀取固著位元(停用讀取權限)而非寫入固著位元(允許後續寫入權限)。此外，SBK和SSK金鑰槽受到由BR所設定的持續讀取/寫入位元所保護，避免來自BR之外的存取。
    在216上，若BL成功解密並認證時，則BL由處理單元155執行。在BL的執行期間，在218上從一或多個週邊當中讀取資料以及/或一或多個應用程式。在一個實施當中，應用程式可用加密形式儲存。在220上，任何已加密的資料或應用程式都使用SSK解密。
    在222上，裝置110可選擇性允許系統製造商改變SSK。若由系統製造商改變SSK，則在224上新的SSK儲存在對應的SSK金鑰槽內，並且SSK儲存在AO領域內的安全控制暫存器中。因為當第一次將SSK寫入AO領域內SSK暫存器中時未在214上設定寫入位元，則SSK可由系統製造商變更，並且可在加密/解密引擎從低電源狀態返回時恢復。不過，當在222上覆寫AO領域內SSK暫存器中的SSK，則可設定持續寫入位元避免覆寫。在此點上利用設定其持續寫入位元也可停用對於內含SSK的金鑰槽之寫入權限，藉此避免覆寫。在變更SSK之後若適用，則在226上執行應用程式。應用程式可包含OS、岔斷常式、公用程式以及使用者應用程式，像是音樂播放程式、遊戲、行動電話、GPS等等。
    在228上，其中之一包含加密/解密引擎165的一或多個領域可循環進入低電源狀態。在230上，當領域循環出低電源狀態時會發生重新啟動。在執行BL以回應重新啟動期間，一或多個週邊(例如RAM)內遺留的程式碼已經驗證，並且在232上重設對於AO領域內安全控制SSK暫存器的權限來允許讀取與寫入權限。在234上，從AO領域內的安全控制SSK暫存器中將SSK讀取進入SSK金鑰槽。當利用BL針對加密/解密引擎從SSK暫存器將SSK讀取進入對應金鑰槽時，則在236上設定讀取停用與寫入停用持續位元。之後，在238上從一或多個週邊讀取資料和/或一或多個應用程式。在一個實施當中，應用程式可用加密形式儲存。在240上，任何已加密的資料或應用程式都使用SSK解密。在242上，執行應用程式。
    因此，本發明的具體實施例對於維持AO領域內系統儲存金鑰(SSK)，並且當該加密/解密引擎啟動時將該SSK復原到加密/解密引擎有利。不過SSK只能由BL存取，該BL提供安全信任鏈結(secure chain of trust)。此外，具體實施例選擇性允許更新SSK。
    此時請參閱第三A圖至第三E圖，顯示根據本發明的一個具體實施例，安全更新裝置開機程式碼而不需要知道開機金鑰的方法。再者，在302上，由處理單元150執行BR(例如冷開機)來建立信賴鏈。在BR執行期間，可存取安全開機金鑰(SBK)、裝置金鑰(DK)和裝置識別碼(DID)，並且在304上將SBK載入可由加密/解密引擎存取的對應SBK金鑰槽。SBK暫存器受到在存取SBK之後由BR所設定的持續讀取/寫入位元所保護，避免來自BR之外的存取。在306上，安全系統金鑰(SSK)從SBK、DK和DID計算得出，並且載入對應的SSK金鑰槽，如上面的詳細說明所述。
    在308上，將SSK載入裝置110的AO領域140內之SSK暫存器中。在310上，從給定週邊裝置中讀取稱為開機載入碼(BL)的開機程式碼額外部分，特別用於儲存BL。儲存在週邊上的BL經過加密。在312上，開機載入碼使用SBK解密，藉此認證開機載入碼。開機載入碼可進一步根據認證技術使用摘要、數位證明等等來認證。使用SBK解密並認證開機載入碼維持了安全信賴鏈。
    在314上，若BL成功解密並認證時，則BL由處理單元150執行。在BL執行期間，在316上從金鑰槽清除SBK。SBK可用覆寫成全部為零或某些其他圖案予以清除。之後，在318上從一或多個週邊讀取一或多個應用程式。在一個實施當中，應用程式可用加密形式儲存。在320上，任何已加密的應用程式都使用SSK解密。在322上，執行應用程式。應用程式可包含OS、岔斷常式、公用程式以及使用者應用程式，像是音樂播放程式、遊戲、行動電話、GPS等等。
    在324上，從服務提供者接收新開機載入碼。新開機載入碼可使用公開金鑰加密或類似方式來編碼。在此後的某點上，裝置重新啟動(例如冷開機)。在326上，執行BR以回應重新啟動。在BR執行期間，可存取安全開機金鑰(SBK)、裝置金鑰(DK)和裝置識別碼(DID)，並且在328上將SBK載入可由加密/解密引擎存取的對應SBK金鑰槽。SBK暫存器受到在存取SBK之後由BR所設定的持續讀取/寫入位元所保護，避免來自BR之外的存取。在330上，安全系統金鑰(SSK)從SBK、DK和DID計算得出，並且載入對應的SSK金鑰槽，如上面的詳細說明所述。在332上，將SSK載入裝置110的AO領域140內之SSK暫存器中。在334上，然後從週邊讀取新開機載入碼。新開機載入碼通常將儲存在加密的格式當中。在336上，從服務提供者所接收新開機載入碼係經過認證。在338上，使用SBK將新開機載入碼加密，並儲存在指定用於儲存BL的給定週邊內。在340上，SBK從金鑰槽清除。在342上設定讀取詭異位元(停用讀取權限)而非寫入固著位元(允許後續寫入權限)。此外，SBK和SSK金鑰槽受到由BR所設定的持續讀取/寫入位元所保護，避免來自BR之外的存取。
    在344上，若新BL成功解密並認證時，則BL由處理單元155執行。在346上，在該新BL的執行期間從一或多個週邊當中讀取資料以及/或一或多個應用程式。在一個實施當中，應用程式可用加密形式儲存。在348上，任何已加密的資料或應用程式都使用SSK解密。在350上，執行應用程式。應用程式可包含OS、岔斷常式、公用程式以及使用者應用程式，像是音樂播放程式、遊戲、行動電話、GPS等等。
    下次裝置冷開機時將會載入新BL並執行。因此，本發明的具體實施例也有利於啟用開機載入碼程式碼的安全更新而不用知道安全開機金鑰。
    此時請參閱第四A圖至第四B圖，顯示依照本發明一個具體實施例的安全復原方法。再一次，在402上，由處理單元155執行BR(例如冷開機)來建立信賴鏈。在BR執行期間，可存取安全開機金鑰(SBK)、裝置金鑰(DK)和裝置識別碼(DID)，並且在404上將SBK載入可由加密/解密引擎存取的對應SBK金鑰槽。在406上，安全系統金鑰(SSK)從SBK、DK和DID計算得出，並且載入對應的SSK金鑰槽，如上面的詳細說明所述。
    在408上，將SSK載入裝置110的AO領域135內之SSK暫存器中。在410上，從指定用於儲存BL的給定週邊裝置中讀取BL。儲存在週邊上的BL係經過加密。在412上，開機載入碼使用SBK解密，藉此認證開機載入碼。開機載入碼可進一步根據認證技術使用摘要、數位證明等等來認證。
    若BL成功解密並認證，則BL由處理單元155執行。不過，若410、412的讀取和/或解密/認證處理失敗，則在414上裝置進入復原模式。當無法讀取和/或解密和認證BL時，則考慮該裝置已上鎖或遭封鎖。此外，當裝置仍舊在製造階段上，使用復原模式第一次將SBK、DK和/或BL載入系統上。在復原模式期間，裝置110在给定的通訊通道上廣播裝置110的DID。在一個實施當中，通訊通道為萬用序列匯流排(USB,“Universal Serial Bus”)鏈結418。包含裝置105的系統可直接或透過網路505和區域介面裝置510耦合至主機422，如第五A圖和第五B圖內所示。在420上，主機裝置422接收並映射DID至給定SBK。然後主機422使用給定SBK產生自我驗證訊息，並在424上將自我驗證訊息傳輸至裝置110。在示例性實施當中，該訊息包含一個(不安全)長度605、一個雜湊610、一個隨機AES區塊615、一個安全長度620、指令與資料625、一個酬載630和填充(例如需要時OX80接著額外0X00位元組)635，如第六圖內所述。隨機AES區塊615、安全長度620、指令與資料625、酬載630和填充635都使用映射至DID的SBK編碼。在426上，使用裝置的SBK由裝置110接收並驗證訊息。在一個實施當中，若不￥安全長度605匹配安全長度620、雜湊610正確、指令615有效(例如用於給定訊息的有效指令類型)、若訊息的尺寸正確(如指令與資料所指定)、若酬載的尺寸正確、若填充圖案正確以及/或若指令與資料625內BR版本號碼匹配裝置110上BR版本，則所接收的訊息有效。若該訊息有效，則在428上裝置110將該訊息載入週邊(例如RAM)並執行之。在428上，復原模式可執行該訊息內一或多個指令、執行該訊息內含的程式碼以及/或將該訊息內的BL程式碼儲存至給定週邊內。若在該訊息內接收BL程式碼，則該BL儲存在用SBK編碼的給定週邊內。選擇性地，裝置110可下載並驗證來自主機的額外資料。該額外資料在寫入至週邊之前可使用SBK加密並簽署。在此方式中，復原模式可提供用於多訊息傳輸和回應順序。若該訊息無效，則裝置110進入需要系統重設的無限迴圈。
    因此，本發明的具體實施例也有利用於啟用BL程式碼安全下載至鎖定系統。
    上述本發明特定具體實施例的說明已用於引例以及說明之用，在此並未徹底或要將本發明限制到所公佈的精確型態，並且在上述教導之中可進行許多修改以及變化。具體實施例經過選擇與說明來最佳闡述本發明原理，並且以許多具體實施例讓其他精通此技術的人士對本系統有最佳瞭解，這些具體實施例都適合特定使用期待。而本發明範疇由下列申請專利範圍及其同等項所定義。
    105‧‧‧示例性系統
    110‧‧‧裝置
    115‧‧‧週邊
    120‧‧‧週邊
    125‧‧‧週邊
    130‧‧‧週邊
    135‧‧‧永遠開啟領域
    140‧‧‧可控制供應電位領域
    145‧‧‧可控制時脈領域
    150‧‧‧晶片上計算裝置可讀取媒體
    155‧‧‧一般處理單元
    160‧‧‧特殊處理單元
    165‧‧‧功能單元
    170‧‧‧系統控制器
    175‧‧‧系統控制器
    180‧‧‧系統控制器
    185‧‧‧特殊處理單元及/或功能單元
    422‧‧‧主機
    505‧‧‧網路
    510‧‧‧區域介面裝置
    605‧‧‧(不安全)長度
    610‧‧‧雜湊
    615‧‧‧隨機AES區塊
    620‧‧‧安全長度
    625‧‧‧指令與資料
    630‧‧‧酬載
    635‧‧‧填充
    本發明的具體實施例藉由範例進行說明並且不受其限制，在附圖中的數據以及其中相同的參考編號指示相同的元件，其中：第一圖顯示實施本發明具體實施例的示例性系統之方塊圖。
    第二A圖至第二D圖顯示根據本發明的一個具體實施例，在裝置的複數個電源狀態期間處置儲存金鑰的方法流程圖。
    第三A圖至第三E圖顯示根據本發明的一個具體實施例，安全更新裝置開機程式碼而不需要知道開機金鑰的方法流程圖。
    第四A圖至第四B圖顯示根據本發明的一個具體實施例，安全更新裝置開機程式碼而不需要知道開機金鑰的方法流程圖。
    第五A圖至第五B圖顯示根據本發明的一個具體實施例，範例回復模式系統之方塊圖。
    第六圖顯示根據本發明的一個具體實施例，示例性回復模式自我驗證訊息之方塊圖。
    105‧‧‧示例性系統
    110‧‧‧裝置
    115‧‧‧週邊
    120‧‧‧週邊
    125‧‧‧週邊
    130‧‧‧週邊
    135‧‧‧永遠開啟領域
    140‧‧‧可控制供應電位領域
    145‧‧‧可控制時脈領域
    150‧‧‧晶片上計算裝置可讀取媒體
    155‧‧‧一般處理單元
    160‧‧‧特殊處理單元
    165‧‧‧功能單元
    170‧‧‧系統控制器
    175‧‧‧系統控制器
    180‧‧‧系統控制器
    权利要求:
    Claims (8)
    [1] 一種安全更新一開機影像之方法，包含：從一服務提供者，接收一開機碼的一新開機載入碼部份；將接收的該開機碼的該新開機載入碼部份載入一給定的週邊裝置；將接收的該開機碼的該新開機載入碼部份載入一給定的週邊裝置後，執行一重設；以及回應於執行的該重設，用一處理單元執行該開機碼的第一部份，其儲存於該處理單元的一積體電路晶片上，藉由該處理單元執行儲存於該處理單元的該積體電路晶片上的該開機碼的該第一部份，以開始一信賴安全鏈，於執行該開機碼的該第一部份的過程中得到一安全開機金鑰，於執行該開機碼的該第一部份的過程中，驗證從該給定的週邊裝置來的該開機碼的該新開機載入碼部份，以及將該驗證過的該開機碼的該新開機載入碼部份使用該安全開機金鑰加密後，儲存在一指定的週邊裝置內。
    [2] 如申請專利範圍第1項之方法，其中執行儲存在一晶片上的開機程式碼第一部分來開始一信賴安全鏈，包含執行一安全開機ROM程式碼。
    [3] 如申請專利範圍第1項之方法，其中該驗證過的該開機碼的該新開機載入碼部份儲存於該處理單元的該積體電路晶片上。
    [4] 一或多種儲存一或多個計算裝置可讀取指令並且該指令由一裝置執行時會執行一處理之計算裝置可讀取媒體，該處理包含：接收一開機碼的一新開機載入碼部份；將接收的該新開機載入碼部份載入一給定的週邊裝置；將該新開機載入碼部份載入該給定的週邊裝置後，由一處理單元執行一重設；回應於執行的該重設，用該處理單元執行該開機碼的第一部份，其儲存於該處理單元上，藉由該處理單元執行儲存於該處理單元上的該開機碼的該第一部份，以開始一信賴安全鏈，存取由一裝置製造商或該裝置的系統製造商所選取之一第一秘密金鑰，驗證該新開機載入碼部份，若該新開機載入碼部份通過驗證，則將用該第一秘密金鑰加密的該新開機載入碼部份儲存至一指定週邊裝置內。
    [5] 如申請專利範圍第4項之儲存一或多個計算裝置可執行指令並且該指令由該裝置執行時會執行該處理之該一或多個計算裝置可讀取媒體，其中執行一開機程式碼的第一部分，包含執行一開機ROM程式碼。
    [6] 如申請專利範圍第5項之儲存一或多個計算裝置可執行指令並且該指令由該裝置執行時會執行該處理之該一或多個計算裝置可讀取媒體，其中存取一第一秘密金鑰，包含從由受保護程式碼可讀取的一暫存器中讀取該第一秘密金鑰。
    [7] 如申請專利範圍第6項之儲存一或多個計算裝置可執行指令並且該指令由該裝置執行時會執行該處理之該一或多個計算裝置可讀取媒體，其中驗證該新開機載入碼部份進一步包含將該新開機載入碼部份解密。
    [8] 如申請專利範圍第7項之儲存一或多個計算裝置可執行指令並且該指令由該裝置執行時會執行該處理之該一或多個計算裝置可讀取媒體，進一步包含若成功解密並驗證該新開機載入碼部份，則執行該新開機載入碼部份。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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