1、控制和信息融合
融合已經(jīng)不是一個(gè)新的概念。比如,公司常常通過(guò)擴(kuò)張、合并和收購(gòu)的方式進(jìn)行融合。企業(yè)系統(tǒng)把不同的商業(yè)系統(tǒng)統(tǒng)一到一個(gè)公共的企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)系統(tǒng)。最終,用戶把聲音、圖像、影像和數(shù)據(jù)匯聚到一個(gè)公共的信息網(wǎng)絡(luò)。
在制造企業(yè)中,生產(chǎn)和控制的自動(dòng)化島嶼。日益地匯聚到一個(gè)集成工廠級(jí)的控制和信息平臺(tái)。用戶也結(jié)合了批處理、連續(xù)過(guò)程、離散、安全、運(yùn)動(dòng)控制和驅(qū)動(dòng)控制等不同的工業(yè)網(wǎng)絡(luò),集成到基于EtherNet/IP、使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)以太網(wǎng)當(dāng)中。在制造企業(yè)大量部署的EtherNet/IP也觸發(fā)了從傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)模型到一個(gè)融合的以太網(wǎng)模型的遷移,參見(jiàn)圖1。融合沒(méi)有使網(wǎng)絡(luò)模型變平。功能分段、地理位置和信任域的安全需要一個(gè)多層模型。
在以太網(wǎng)的早期,傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)模型發(fā)生演化。有些特性,諸如:沖突域、半雙工和10Mbps的速度限制了以太網(wǎng)在生產(chǎn)控制應(yīng)用中的使用。在早期,專用的、制造商特定的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)非常流行。直到出現(xiàn)了像ODVA這樣的開(kāi)放組織,開(kāi)始推廣和使用公共工業(yè)協(xié)議(CIP)。
按照功能和地域把一個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)小的局域網(wǎng)(LAN),三層網(wǎng)絡(luò)模型提供了一種自然的網(wǎng)絡(luò)劃分。這樣就減少了管理和安全信息對(duì)控制的影響。連接的設(shè)備,諸如:驅(qū)動(dòng)器和帶有控制器的機(jī)器人,一個(gè)設(shè)備級(jí)的網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)智能設(shè)備進(jìn)行控制、配置,并且可以從中收集數(shù)據(jù)。在一個(gè)區(qū)中的設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)一般不和其他的設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互。做為一個(gè)設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)的骨干,控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制器互鎖,并且提供與監(jiān)控計(jì)算機(jī)的連接。網(wǎng)關(guān)提供了一種從制造系統(tǒng)到企業(yè)系統(tǒng)的信息映射。手動(dòng)、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的映射機(jī)制需要巨大的人力和物力的支撐。
融合的以太網(wǎng)模型減少了對(duì)專用網(wǎng)關(guān)的依賴,信息可以自然地流動(dòng)。雖然進(jìn)行了技術(shù)的融合,但模型并沒(méi)有變平。在任何地方、在任何時(shí)間要對(duì)數(shù)據(jù)訪問(wèn)的需求,對(duì)企業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)。制造商還必須保護(hù)好他們的資產(chǎn),防止來(lái)自內(nèi)部和外部的威脅(好人也可能犯錯(cuò)誤,并由此給企業(yè)帶來(lái)?yè)p害)。因?yàn)橹圃靺^(qū)域不再孤立,連接在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)和控制器會(huì)和企業(yè)區(qū)一樣,遇到安全問(wèn)題的困擾。
企業(yè)范圍的以太網(wǎng)需要很好地設(shè)計(jì)和構(gòu)建。建立比較小的LAN,控制和管理網(wǎng)絡(luò)流量,以及需要一種多層、分段的方法,建立可信任域,限制訪問(wèn)人員。
2、建立工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和方法
設(shè)計(jì)和部署一個(gè)堅(jiān)固和安全的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要很好的規(guī)劃路線圖。首先,要了解制造過(guò)程中的應(yīng)用設(shè)備,諸如:傳感器和執(zhí)行器,以及它們的地理位置。然后,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)用戶對(duì)運(yùn)行情況的咨詢,能夠決定對(duì)控制信息的要求。比如,那些控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)連鎖。再者,通過(guò)對(duì)企業(yè)用戶了解,決定商業(yè)系統(tǒng)需要哪些生產(chǎn)信息。比如,一個(gè)商業(yè)系統(tǒng)可能需要KPI(關(guān)鍵性能指標(biāo))或者集成相關(guān)數(shù)據(jù)。最后,路線圖應(yīng)該使用公共的術(shù)語(yǔ)、方法和最佳實(shí)踐,完成標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行。
制造企業(yè)的參考架構(gòu)是建立在IT和制造的公共技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)之上的。這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容包括了諸如:IEEE的802.3標(biāo)準(zhǔn)、未經(jīng)修改的以太網(wǎng),因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)的因特網(wǎng)協(xié)議(IP),和ODVA的公共工業(yè)協(xié)議(CIP)。另外,制造企業(yè)參考構(gòu)架是使用制造標(biāo)準(zhǔn)建立的一個(gè)制造企業(yè)框架,如圖2所示。這個(gè)框架為網(wǎng)絡(luò)分段、流量管理和策略實(shí)施建立了基礎(chǔ),諸如:安全實(shí)施、遠(yuǎn)程訪問(wèn)和服務(wù)質(zhì)量(QoS)。這個(gè)框架使用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)諸如:ISA.95企業(yè)一控制系統(tǒng)集成,ISA.99的制造及控制系統(tǒng)安全和控制等級(jí)的珀杜(Purdue)參考模型。
羅克韋爾自動(dòng)化公司和思科公司都具有使用公共技術(shù)的觀點(diǎn),支持網(wǎng)絡(luò)融合的建立和應(yīng)用,極力推動(dòng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)、未經(jīng)修改以太網(wǎng)的宣傳和執(zhí)行。做為ODVA主要成員,除了提供服務(wù),兩個(gè)公司還參加了像ISA這樣的標(biāo)準(zhǔn)化組織。
通過(guò)制造企業(yè)的參考架構(gòu),術(shù)語(yǔ)里引用了“層(Layer)”。“級(jí)(Level)”和“區(qū)(Zone)”的概念。開(kāi)放系統(tǒng)互連(OSI)七層參考模型中,定義了層:比如第1層為物理層,第2層為數(shù)據(jù)鏈路層,第3層為網(wǎng)絡(luò)層;跀(shù)據(jù)鏈路層的特性,諸如:媒體訪問(wèn)控制(MAC),第2層設(shè)備具有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的功能;谝蛱鼐W(wǎng)協(xié)議(IP),第3層設(shè)備具有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的功能。
圖2描述了在制造企業(yè)架構(gòu)中的級(jí)和區(qū)。使用了ISA-95和用于控制級(jí)別的珀杜參考模型,按運(yùn)行在制造企業(yè)中的設(shè)施,可以把工業(yè)控制設(shè)備劃分成多個(gè)“級(jí)”。使用“級(jí)”做為公共術(shù)語(yǔ),可以拆分和決定企業(yè)范圍的信息流。為了加強(qiáng)信息安全和流量管理,ISA-99把多個(gè)“級(jí)”形成某個(gè)“區(qū)”。區(qū)中建立多個(gè)信任域,便于安全訪問(wèn);裁剪成多個(gè)小局域網(wǎng),便于流量管理。
制造企業(yè)架構(gòu)對(duì)級(jí)進(jìn)行分組,形成下列的區(qū),實(shí)現(xiàn)特定的功能:
企業(yè)區(qū):第4和5級(jí)處理IT網(wǎng)絡(luò)、商業(yè)應(yīng)用和服務(wù)(比如:電子郵件,企業(yè)資源計(jì)劃一ERP)以及內(nèi)部網(wǎng)(intranet)。
隔離區(qū)(DMZ):這個(gè)緩沖區(qū)在制造區(qū)和企業(yè)區(qū)之間建立了一個(gè)屏障,但允許用戶安全地共享數(shù)據(jù)和服務(wù)。所有來(lái)自隔離區(qū)兩端的網(wǎng)絡(luò)信息流只能終止于隔離區(qū)。不會(huì)穿過(guò)隔離區(qū)。也就是說(shuō),在企業(yè)區(qū)和制造區(qū)之間沒(méi)有直接的信息流穿過(guò)。
制造區(qū):第3級(jí)定位于工廠級(jí)的應(yīng)用(比如:歷史數(shù)據(jù),資產(chǎn)管理,制造執(zhí)行系統(tǒng)一MES等),由多個(gè)工作位和工作區(qū)組成。工位/工區(qū):第0、1和2級(jí),管理工業(yè)控制設(shè)備(比如:控制器、驅(qū)動(dòng)器、輸入/輸出設(shè)備I/O和人機(jī)界面HMI)和多種控制應(yīng)用(比如:驅(qū)動(dòng)、批處理、連續(xù)過(guò)程和離散控制)。
3、裁剪和管理網(wǎng)絡(luò)流量
建立一個(gè)堅(jiān)固和安全的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要保護(hù)控制和信息數(shù)據(jù)的完整性、可用性和保密性。在建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí),用戶應(yīng)該致力于解決下面的問(wèn)題:
- 這個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是否具有足夠的彈性確保數(shù)據(jù)的可靠性?
- 數(shù)據(jù)怎樣保持一致?數(shù)據(jù)是可靠的嗎?
- 怎樣使用數(shù)據(jù)?數(shù)據(jù)的操作是安全的嗎?
制造企業(yè)的參考架構(gòu)提供了推薦方案、設(shè)計(jì)指南、最佳實(shí)踐、方法論(圖3)和配置文檔。這樣可以幫助用戶為控制和信息數(shù)據(jù)的可用性、完整性和保密性建立一個(gè)堅(jiān)同和安全的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。建立于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)備于未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ),參考架構(gòu)面向制造,針對(duì)今天的應(yīng)用,像通過(guò)CIP SafetyTM保證網(wǎng)絡(luò)安全;針對(duì)明天的應(yīng)用,像通過(guò)CIP MotionTM實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制,通過(guò)IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議(PTP)和CIPSyncTM實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步,并且結(jié)合了基于IP的聲音(VolP)技術(shù)和按需的影視(VOD)技術(shù)。
IT人員經(jīng)常把參考架構(gòu)做為企業(yè)內(nèi)的一個(gè)公共概念。從零售公司到數(shù)據(jù)中心,思科公司為不同的工業(yè)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)了參考架構(gòu)。為制造業(yè)開(kāi)發(fā)的參考架構(gòu)見(jiàn)圖3,結(jié)合了羅克韋爾自動(dòng)化公司的集成架構(gòu)(Integrated ArchitectureTM)和思科公司的以太網(wǎng)到工廠的一個(gè)實(shí)際驗(yàn)證案例。
為了遵從圖2中的制造企業(yè)框架,制造企業(yè)參考架構(gòu)利用了校園網(wǎng)絡(luò)參考模型。與企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)相同,這種多級(jí)模型自然地把負(fù)載分配到了三個(gè)級(jí)上,即:核心級(jí)、分布級(jí)和外圍級(jí)。第2級(jí)的交換機(jī)聚集了在工位/工區(qū)里的控制設(shè)備。另外,第2級(jí)提供了諸如交換、通過(guò)生成樹(shù)協(xié)議(STP)的彈性、服務(wù)質(zhì)量(QoS)、虛擬局域網(wǎng)(VLAN)和安全等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。多級(jí)(第2和第3級(jí))分布式交換機(jī)放置在制造區(qū)域(第3級(jí)),這種交換機(jī)為工位/工區(qū)和企業(yè)計(jì)算機(jī)提供了數(shù)據(jù)訪問(wèn)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。服務(wù)包括第2和第3級(jí)的交換、路由、網(wǎng)絡(luò)平衡、基于熱備路由協(xié)議(HSRP)的彈性、服務(wù)質(zhì)量(QoS)和安全。最終,核心交換機(jī)聚集了分布交換機(jī),提供了高速交換。像用于制造企業(yè)參考架構(gòu),IT人員常常使用核心/分布/外圍做為一個(gè)企業(yè)里面的公共理念。
需要設(shè)計(jì)一種用于控制和信息數(shù)據(jù)傳送的低延時(shí)、小抖動(dòng)、高可用、大集成的彈性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。延時(shí),或者時(shí)滯,代表了一個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到另一個(gè)設(shè)備接收這個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)間流逝。抖動(dòng)代表了延時(shí)的變化。融合多種控制和信息流到一個(gè)公共的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)要求減少延時(shí)和抖動(dòng)。
為了減少網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和抖動(dòng),制造企業(yè)參考架構(gòu)推薦使用網(wǎng)絡(luò)分段結(jié)構(gòu)和優(yōu)先處理機(jī)制。分段減少了廣播和多播負(fù)載的影響。在工位/工區(qū)的開(kāi)始階段就減少網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和抖動(dòng)。
當(dāng)設(shè)計(jì)工位/工區(qū)時(shí),用戶應(yīng)該創(chuàng)建較小的第2層網(wǎng)絡(luò),工位/工區(qū)網(wǎng)絡(luò)分段,按功能和地理進(jìn)行組織。限制跑出工位/工區(qū)的數(shù)據(jù)流,除了廠級(jí)操作明確需要某些數(shù)據(jù)。每個(gè)工位/工區(qū)應(yīng)該劃分到指定的VLAN和IP子網(wǎng)。VLAN分流了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,限制了廣播和多播流量,并且簡(jiǎn)化了安全策略管理。做為一種最佳實(shí)踐,使用第3級(jí)分布交換機(jī),對(duì)工位/工區(qū)的VLAN和制造區(qū)的廠級(jí)操作之間路由信息。避免增大第2級(jí)網(wǎng)絡(luò),簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理。
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪x擇會(huì)影響控制和信息數(shù)據(jù)的可用性和集成性。在圖3中,制造企業(yè)參考架構(gòu)描述了總線型、星型、環(huán)型和冗余星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因?yàn)槭菍?shí)際應(yīng)用決定了拓?fù)涞倪x擇,所以用戶需要對(duì)這個(gè)問(wèn)題仔細(xì)分析。這其中包括應(yīng)用的性能指標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和抖動(dòng)偏差、宕機(jī)時(shí)間和平均修復(fù)時(shí)間(MTTR),以及今后升級(jí)和擴(kuò)展的要求。從右至左,圖3描述了增加網(wǎng)絡(luò)彈性、模塊性、靈活性和執(zhí)行的完整性。做為一種最佳實(shí)踐,可以實(shí)施彈性拓?fù),諸如推薦的冗余星型拓?fù)洹H哂嘈切屯負(fù)涮峁┝俗匀坏姆侄、裁剪流量、減少延時(shí)和抖動(dòng)、提高了數(shù)據(jù)完整性、提供了傳送大量數(shù)據(jù)所需的彈性、減少宕機(jī)時(shí)間。冗余星型的模塊性為網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和升級(jí)也增加了伸縮性和靈活性。
不是所有網(wǎng)絡(luò)都生成相等量的負(fù)載,用戶對(duì)待它們的方法也相同。為了最小化數(shù)據(jù)流的延時(shí)和抖動(dòng),控制數(shù)據(jù)在工位/工區(qū)內(nèi)應(yīng)該具有較高的優(yōu)先級(jí)。服務(wù)質(zhì)量(QoS)給出了對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載采用優(yōu)先待遇的策略?刂茢(shù)據(jù)比信息數(shù)據(jù),對(duì)延時(shí)和抖動(dòng)的要求更嚴(yán)格。為了最小化延時(shí)和抖動(dòng),用戶應(yīng)該在工位/工區(qū)內(nèi)部對(duì)控制數(shù)據(jù)實(shí)施服務(wù)質(zhì)量功能。在制造區(qū)執(zhí)行服務(wù)質(zhì)量之前,應(yīng)該成立一支由操作員、工程師、IT人員和安全專家組成的團(tuán)隊(duì),制定在制造區(qū)內(nèi)的服務(wù)質(zhì)量策略。這個(gè)策略應(yīng)該滿足系統(tǒng)運(yùn)行的需要,包括什么時(shí)間執(zhí)行什么樣的服務(wù)質(zhì)量策略。另外,策略團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該理解這個(gè)策略與企業(yè)的服務(wù)質(zhì)量策略是不同的。制造區(qū)的服務(wù)質(zhì)量通常要優(yōu)先于企業(yè)區(qū)的質(zhì)量。
雖然在制造企業(yè)參考架構(gòu)中沒(méi)有指定物理層,但為了建立堅(jiān)固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),需要對(duì)物理層進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和布線。網(wǎng)絡(luò)介質(zhì),第1層,在工位/工區(qū)內(nèi)會(huì)遇到在企業(yè)區(qū)域中沒(méi)有的環(huán)境條件和噪聲污染。這些條件會(huì)影響數(shù)據(jù)的可用性和可靠性,產(chǎn)生延時(shí)和抖動(dòng)。
對(duì)于工位/工區(qū)的推薦和最佳實(shí)踐包括:
- 劃分VLAN、實(shí)施小工位/工區(qū)和對(duì)每個(gè)工位廠工區(qū)分配IP子網(wǎng)來(lái)調(diào)整和管理負(fù)載。
- 采用工業(yè)管理型交換機(jī),使用VLAN分開(kāi)流量、使用QoS優(yōu)化流量、使用端口安全和訪問(wèn)控制列表(ACL)安全策略、并且使用其提供的診斷功能對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)視。
- 利用冗余星型拓?fù)涮岣呔W(wǎng)絡(luò)的彈性和模塊性,使用快速生成樹(shù)協(xié)議(RSTP)管理環(huán)路。實(shí)施RSTP(802.1w)的新版本:多重生成樹(shù)(MST 802.1s)支持多重VLAN。
- 把千兆以太網(wǎng)端口用于主干網(wǎng)和上行鏈路,降低網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和抖動(dòng);用VLAN減少?gòu)V播流量;用因特網(wǎng)組管理協(xié)議(IGMP)減少多播流量;用QoS優(yōu)化流量;用冗余星型拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)自然分段。
制造區(qū)包含所有系統(tǒng)、設(shè)備和控制器,是廠級(jí)中控制和監(jiān)視的關(guān)鍵部分。這個(gè)區(qū)包括了現(xiàn)場(chǎng)制造的運(yùn)行和控制(第3級(jí)),以及多個(gè)工位/工區(qū)。為了保持工廠的平滑運(yùn)行和系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的健康,這個(gè)區(qū)需要與企業(yè)區(qū)通過(guò)隔離區(qū)(DMZ)進(jìn)行隔離和保護(hù)。所有用于制造區(qū)的制造資產(chǎn)都要很好地保護(hù)。包括羅克韋爾自動(dòng)化的FactoryTalk⑩集成與生產(chǎn)套裝軟件、以及應(yīng)用和服務(wù),諸如:活動(dòng)目錄(Active Directory),域名服務(wù)器(DNS)和動(dòng)態(tài)主機(jī)配置服務(wù)(DHCP)等。
第3級(jí),現(xiàn)場(chǎng)制造運(yùn)行和控制,在制造區(qū)內(nèi),要使用專用的網(wǎng)段,并且包含F(xiàn)acto巧Talk服務(wù)器。在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分段時(shí)。需要指定每個(gè)網(wǎng)段的IP子網(wǎng)地址和VLAN。FactoryTaIk服務(wù)器應(yīng)連接到一個(gè)專用的多層交換機(jī),它匯集在3級(jí)分布交換機(jī)之中。分布交換機(jī)可用做網(wǎng)絡(luò)分段的缺省型網(wǎng)關(guān)。為了對(duì)丁位/工區(qū)提供冗余缺省網(wǎng)關(guān),分布交換機(jī)應(yīng)該支持熱備路由協(xié)議(HSRP)或者網(wǎng)關(guān)負(fù)載平衡協(xié)議(GLBP)。分布交換機(jī)可以把所有流量路由到第3級(jí)網(wǎng)絡(luò)。
對(duì)于制造區(qū)域的推薦方案和最佳實(shí)踐有:
- 保證FactoryTalk在制造區(qū)內(nèi)。
- 保持復(fù)制服務(wù),比如在制造區(qū)里的DNS,活動(dòng)目錄和DHCP。
- 實(shí)施第3級(jí)(現(xiàn)場(chǎng)制造運(yùn)行和控制)網(wǎng)絡(luò)分段,有自己的IP子網(wǎng)和VLAN。
- 使用第3級(jí)分布交換機(jī)對(duì)工位/工區(qū)VLAN和第3層網(wǎng)絡(luò)分段VLAN之間提供路由。
- 在分布交換機(jī)卜使用HSRP或者GLBP,成為到工位/工區(qū)的冗余缺省網(wǎng)關(guān)。
4、總結(jié)
制造網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的融合增強(qiáng)了企業(yè)對(duì)制造的數(shù)據(jù)訪問(wèn),這可以幫助制造企業(yè)做出更好的商業(yè)決定。這種商業(yè)的敏捷性,為融合制造商比沒(méi)有融合的制造商提供了更有利的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。在制造企業(yè)參考架構(gòu)中,描述的從工程到IT的推薦方案和最佳實(shí)踐,將幫助用戶建立安全和堅(jiān)固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),滿足用戶對(duì)制造網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)融合的實(shí)際需求。
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本文標(biāo)題:制造企業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)參考
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