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基于IMS架構的IPTV系統實(shí)現分析

楊維 屠嘉順 高毅 2007/08/01

  文章提供一種在IP多媒體子系統(IMS)網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現交互式網(wǎng)絡(luò )電視(IPTV)業(yè)務(wù)的方案。方案采用超文本傳輸呼叫會(huì )話(huà)控制功能設備(H-CSCF)提供Mw接口,接入IMS核心網(wǎng),實(shí)現IPTV和IMS業(yè)務(wù)的融合組網(wǎng)。使得運營(yíng)商無(wú)需對現有大量的IPTV終端進(jìn)行升級和改造,就能在基于IMS的電信融合網(wǎng)絡(luò )中提供IPTV業(yè)務(wù);同時(shí)提供統一的用戶(hù)管理、服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證、并支持與下一代網(wǎng)絡(luò )其他業(yè)務(wù)的融合。對于已經(jīng)布置了基于IMS通信網(wǎng)絡(luò )的運營(yíng)商,采用該方案可以簡(jiǎn)單地提供IPTV業(yè)務(wù),也可以支持IPTV與其他通信業(yè)務(wù)的融合;同樣對于已經(jīng)布置了IPTV系統的運營(yíng)商,采用該方案可以通過(guò)對核心設備的簡(jiǎn)單升級和改造,實(shí)現和IMS核心網(wǎng)的融合,降低運營(yíng)成本。

  IP多媒體子系統(IMS)作為下一代網(wǎng)絡(luò )(NGN)標準架構下的多媒體子系統,為固定軟交換網(wǎng)與移動(dòng)軟交換網(wǎng)提供了融合的體系架構;通過(guò)設置獨立的歸屬用戶(hù)服務(wù)器(HSS)數據庫促進(jìn)了控制層面與數據層面的分離,實(shí)現了運營(yíng)商對用戶(hù)數據和業(yè)務(wù)數據的統一管理等;更重要的是IMS系統架構實(shí)現了業(yè)務(wù)和控制層面的分離,運營(yíng)商可以在這一架構下培育更多新業(yè)務(wù)。近期的標準研究表明,IMS的架構應用于交互式網(wǎng)絡(luò )電視(IPTV)等流媒體業(yè)務(wù)正成為一個(gè)新的發(fā)展趨勢。可以充分利用IMS的架構優(yōu)勢,如呼叫會(huì )話(huà)控制功能(CSCF)應用到IPTV的用戶(hù)認證、業(yè)務(wù)觸發(fā)等方面,而HSS則可以更好地管理IPTV的用戶(hù)數據。隨著(zhù)IMS Based PES標準技術(shù)的日益成熟,已經(jīng)形成了一種基于IMS核心網(wǎng)架構來(lái)解決公共交換電話(huà)網(wǎng)/綜合業(yè)務(wù)數字網(wǎng)(PSTN/ISDN)業(yè)務(wù)提供的新型模式。同樣,對應到IPTV系統,也可以采用類(lèi)似基于IMS核心網(wǎng)的架構來(lái)解決IPTV業(yè)務(wù)提供的模式問(wèn)題[1-4]。

1.IPTV架構介紹

  圖1所示為IPTV系統架構。IPTV通用系統的邏輯結構由內容運營(yíng)平臺、業(yè)務(wù)運營(yíng)平臺、內容傳送(CDN)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò )、承載網(wǎng)絡(luò )、家庭網(wǎng)絡(luò )5部分所構成。


  1.1 內容運營(yíng)平臺

  內容運營(yíng)平臺主要包括內容運營(yíng)商平臺以及第三方業(yè)務(wù)提供商提供的應用服務(wù)。內容運營(yíng)商平臺主要負責相關(guān)視音頻節目播放系統和監管系統的建設與管理。其功能包含業(yè)務(wù)邏輯處理、業(yè)務(wù)數據處理,視音頻節目?jì)热莸慕M織、制作、審核、存儲、轉播、內容安全等。第三方業(yè)務(wù)提供商主要提供在線(xiàn)游戲、信息服務(wù)、電子商務(wù)、互動(dòng)節目等應用服務(wù),通過(guò)內容運營(yíng)商平臺發(fā)布,供用戶(hù)訂購后使用。

1.2 業(yè)務(wù)運營(yíng)平臺

  業(yè)務(wù)運營(yíng)平臺是運營(yíng)商有效管理IPTV用戶(hù)、內容提供商、業(yè)務(wù)提供商等的多功能平臺。包括業(yè)務(wù)管理、服務(wù)提供商/內容提供商(SP/CP)管理、用戶(hù)管理、內容管理和內容計費等功能,并實(shí)現與外部的運營(yíng)支持系統/商業(yè)支持系統(OSS/BSS)互連。業(yè)務(wù)運營(yíng)平臺主要由業(yè)務(wù)處理系統、內容管理系統、運營(yíng)支撐系統、內容分發(fā)系統、電子節目指南(EPG)系統、機頂盒版本管理系統、話(huà)單服務(wù)系統、接口系統以及各種業(yè)務(wù)功能模塊等組成。

1.3 CDN業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò )

  業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò )的基本原理是把業(yè)務(wù)內容(視音頻節目?jì)热?推送到網(wǎng)絡(luò )邊緣,為用戶(hù)就近提供服務(wù),從而有效提高服務(wù)質(zhì)量,降低骨干網(wǎng)絡(luò )的傳輸壓力。同時(shí),通過(guò)靈活配置邊緣視頻服務(wù)器的部署方式,有效解決視頻網(wǎng)絡(luò )的伸縮性問(wèn)題。

  業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò )的核心技術(shù)是內容服務(wù)分發(fā)機制。內容傳送業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò )性能特點(diǎn)如下:

  (1)完備的內容分發(fā)功能。主要的分發(fā)技術(shù)主要包括:推(PUSH)分發(fā)、拉(PULL)分發(fā)、鏡像分發(fā)。無(wú)論何種分發(fā)技術(shù)都能夠支持多種媒體文件的分發(fā)播放。

  (2)支持兩級調度機制:面向運營(yíng)商的節目?jì)热菡{度機制、CDN網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間雙向對等調度機制。

  (3)獨特的直播中繼與轉發(fā)功能。對直播業(yè)務(wù),如果城域網(wǎng)組播能力比較弱,在暫時(shí)無(wú)法通過(guò)全網(wǎng)組播方式開(kāi)展直播業(yè)務(wù)的情況下,可借助CDN分發(fā)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現直播業(yè)務(wù)的中繼和轉發(fā)。

  (4)高性能計算,CDN中的服務(wù)器是一個(gè)典型的多線(xiàn)程體系結構的軟件服務(wù)器,無(wú)論從內存預測調度,節目分盤(pán)存儲,還是多并發(fā)視頻流穩定輸出,都采用了多線(xiàn)程技術(shù)。

  (5)采用統一的視頻泵支持多種流媒體格式。可解決支持多種流媒體文件格式并發(fā)困難以及實(shí)現全面負載均衡等問(wèn)題。

  (6)為了支持大規模并發(fā)和各種復雜的傳輸網(wǎng)絡(luò ),CDN業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò )采用流結構實(shí)現視頻信息傳輸。

  (7)CDN系統分盤(pán)存儲技術(shù)全面利用了硬盤(pán)資源和系統輸入輸出(IO)性能,不但能夠提高系統的并發(fā)能力,而且平衡了硬盤(pán)的負載,能夠有效延長(cháng)硬盤(pán)的平均使用壽命。

  (8)直播中繼。在不支持全網(wǎng)組播的情況下,將直播節目通過(guò)CDN網(wǎng)絡(luò ),經(jīng)由一級節點(diǎn)、二級節點(diǎn)層層中繼到邊緣節點(diǎn),邊緣節點(diǎn)再結合網(wǎng)絡(luò )具體情況以單播或組播的方式為最終用戶(hù)提供直播服務(wù)。

  (9)內存預讀緩沖技術(shù)(Caching & Pre Dissu Tech)和服務(wù)質(zhì)量(QoS)控制。

  (10)CDN系統采用開(kāi)放式結構,可支持直接附加存儲(DAS)、網(wǎng)絡(luò )附加存儲(NAS)、存儲區域網(wǎng)(SAN)等多種共享存儲設備。

  (11)可擴展技術(shù)將網(wǎng)絡(luò )平滑擴展成分級分布式流媒體服務(wù)網(wǎng)絡(luò ),使從百級到上萬(wàn)級的流服務(wù)都有可靠的服務(wù)質(zhì)量保證。

1.4 承載網(wǎng)絡(luò )

  承載網(wǎng)絡(luò )主要由接入路由器、寬帶接入遠程服務(wù)器(BRAS)、ADSL接入復用器(DSLAM)和調制解調器(MODEM)等設備組成,所有這些設備共同負責將IPTV業(yè)務(wù)流從視頻服務(wù)網(wǎng)絡(luò )傳送到用戶(hù)終端。對點(diǎn)播類(lèi)業(yè)務(wù),寬帶接入網(wǎng)絡(luò )只提供用戶(hù)接入控制和數據傳送通道,同時(shí)保證IPTV點(diǎn)播業(yè)務(wù)的QoS,業(yè)務(wù)的控制則是由業(yè)務(wù)管理和終端實(shí)現。對直播類(lèi)業(yè)務(wù),寬帶接入網(wǎng)絡(luò )在實(shí)現傳送功能同時(shí),還可以進(jìn)行直播業(yè)務(wù)權限控制、直播業(yè)務(wù)統計等功能,同時(shí)保證IPTV直播業(yè)務(wù)的QoS。

1.5 家庭網(wǎng)絡(luò )

  針對家庭信息業(yè)務(wù)日趨豐富的趨勢,IPTV系統在家庭業(yè)務(wù)以及統一接入等方面為用戶(hù)構建了功能強大的網(wǎng)絡(luò )解決方案。機頂盒作為家庭網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)重要組成部分,已經(jīng)形成了系列化;針對不同的IPTV用戶(hù)需求可提供從低端到高端多種系列的機頂盒設備。

2 IMS系統架構介紹

2.1 NGN IMS網(wǎng)絡(luò )架構


   圖2所示為NGN IMS的網(wǎng)絡(luò )架構(會(huì )話(huà)控制、承載),下面介紹一下該網(wǎng)絡(luò )架構中主要邏輯實(shí)體。

(1)P-CSCF

  代理-呼叫會(huì )話(huà)控制功能(P-CSCF)主要完成用戶(hù)IMS業(yè)務(wù)的代理功能、信令的安全性功能、承載的授權功能、計費策略下載功能等;在用戶(hù)設備(UE)獲得IMS服務(wù)時(shí),P-CSCF是第一個(gè)聯(lián)系節點(diǎn)。用戶(hù)設備通過(guò)一個(gè)“本地CSCF發(fā)現”流程來(lái)得到P-CSCF的地址。P-CSCF的作用就像一個(gè)代理服務(wù)器,它把收到的請求和服務(wù)進(jìn)行處理或轉發(fā)。主要完成和用戶(hù)接入的相關(guān)功能,如信令壓縮、安全性等。

  P-CSCF的引入使得業(yè)務(wù)的接入和控制得到了分離,使得歸屬業(yè)務(wù)控制成為可能。

(2)I-CSCF

  查詢(xún)-呼叫會(huì )話(huà)控制功能(I-CSCF)主要完成歸屬網(wǎng)絡(luò )S-CSCF的分配功能(用戶(hù)注冊時(shí))、IMS呼入的路由功能。

  在有些情況下,不同的網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商之間可能需要隱藏內部的邏輯,此時(shí)需要隱藏網(wǎng)絡(luò )拓撲的網(wǎng)絡(luò )會(huì )在網(wǎng)絡(luò )接口處插入一個(gè)設備,稱(chēng)為I-CSCF,該設備對進(jìn)出本網(wǎng)絡(luò )的會(huì )話(huà)初始協(xié)議(SIP)信令進(jìn)行轉接,隱藏SIP信令中的內部路由信息。

(3)S-CSCF

  服務(wù)-呼叫會(huì )話(huà)控制功能(S-CSCF)主要完成用戶(hù)的認證、注冊、業(yè)務(wù)授權、業(yè)務(wù)觸發(fā)、業(yè)務(wù)路由、計費等功能。S-CSCF執行會(huì )話(huà)控制功能,它可以根據網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商的需要,維持會(huì )話(huà)狀態(tài)信息。在同一個(gè)運營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò )中,不同的S-CSCF可以有不同的功能。S-CSCF是為用戶(hù)服務(wù)的主要服務(wù)節點(diǎn),在用戶(hù)注冊期間進(jìn)行分配。P-CSCF和S-CSCF兩者配合完成IMS的業(yè)務(wù)歸屬控制特性。

(4)BGCF

  出口網(wǎng)關(guān)控制功能(BGCF)用來(lái)選擇與PSTN(或電路域)接口點(diǎn)相連的網(wǎng)絡(luò )。如果BGCF發(fā)現自己所在的網(wǎng)絡(luò )與接口點(diǎn)相連,那么BGCF就選擇一個(gè)媒體網(wǎng)關(guān)控制功能(MGCF),該MGCF負責與PSTN(或電路域)的交互。如果接口點(diǎn)在另一個(gè)網(wǎng)絡(luò ),那么BGCF就把會(huì )話(huà)信令轉發(fā)給另一個(gè)網(wǎng)絡(luò )的BGCF。

  BGCF在選擇與PSTN相連的網(wǎng)絡(luò )的時(shí)候,可以使用本地路由配置,也可能會(huì )利用收到的其他協(xié)議交換得到的信息。

(5)MGCF

  MGCF是IMS控制面與傳統PSTN/CS網(wǎng)絡(luò )的互通點(diǎn);控制IMS-MGW(或T-MGF)以完成媒體面的互通(通過(guò)H.248);在IMS側與I/S-CSCF互通,在PSTN/CS側完成SIP到BICC/ISUP協(xié)議轉換。

(6)HSS

  HSS存儲IMS用戶(hù)的簽約數據、業(yè)務(wù)屬性數據、位置信息、鑒權信息等;也可提供傳統的歸屬位置寄存器(HLR)功能(如電路域(CS)簽約數據、分組域(PS)簽約數據)和各種接口(如Diameter、MAP)。

(7)SLF

  簽約定位功能(SLF)根據SIP統一資源標識符(URI)定位HSS,需要訪(fǎng)問(wèn)HSS的實(shí)體均需調用(單一HSS環(huán)境下不需要調用)。

(8)AS

  業(yè)務(wù)服務(wù)器(AS)主要完成業(yè)務(wù)邏輯的控制和執行。

(9)MRFC

  媒體資源控制功能(MRFC)是IMS域內部的媒體控制資源功能。MRFC維護、控制MRFP中的媒體資源(通過(guò)H.248);與S-CSCF互通,間接接受AS的控制;在IMS建設初期可以考慮內置在A(yíng)S中。

(10)MRFP

  媒體資源功能(MRFP)是IMS域內部的媒體資源功能,接受MRFC控制(通過(guò)H.248),提供聲碼器資源、通知音資源、會(huì )議橋資源等。

(11)RACS

  資源控制子系統(RACS)主要完成管理控制、資源預留、策略控制、網(wǎng)絡(luò )地址轉換(NAT)穿越和控制等功能。Gq’屬于Diameter接口,完成與核心網(wǎng)的交互,與NASS共同完成QoS和策略控制等功能。

(12)NASS

  網(wǎng)絡(luò )附屬子系統(NASS)主要完成UE終端IP地址的分配、接入網(wǎng)絡(luò )的配置、接入網(wǎng)絡(luò )的鑒權和認證等功能。

2.2 IMS Based PES網(wǎng)絡(luò )架構

  IMS Based PES網(wǎng)絡(luò )架構如圖3所示。IMS Based PES系統在IMS架構的基礎上新增接入網(wǎng)關(guān)控制功能(AGCF)實(shí)體,其他實(shí)體均與IMS原有實(shí)體對應,但在功能上有差異和擴展。傳統的終端和/或訪(fǎng)問(wèn)節點(diǎn)通過(guò)媒體網(wǎng)關(guān)(MG)和網(wǎng)關(guān)(GW)接入公共交換電話(huà)網(wǎng)/綜合業(yè)務(wù)數字網(wǎng)仿真子系統(PES)。



  接口協(xié)議可以是H.248(P1參考點(diǎn))或SIP(Gm參考點(diǎn)),如果網(wǎng)關(guān)類(lèi)型是MG,協(xié)議采用H.248;如果網(wǎng)關(guān)類(lèi)型是GW,協(xié)議采用SIP;獨立的PSTN/ISDN子網(wǎng)也可以通過(guò)中繼媒體網(wǎng)關(guān)連接(Mn參考點(diǎn))。

  AGCF功能實(shí)體是為PES特殊定義的,是從MG和GW訪(fǎng)問(wèn)PES的第一個(gè)接觸點(diǎn),功能如下:

  對于媒體網(wǎng)關(guān)后面的傳統接入終端執行P-CSCF的功能(例如管理SIP注冊過(guò)程、產(chǎn)生用戶(hù)身份關(guān)聯(lián)標識,以及生成計費標識)

  AGCF對于其他CSCF來(lái)說(shuō)實(shí)際上是一個(gè)P-CSCF。SIP信令遵循Mw參考點(diǎn)定義。

3.IMS Based IPTV系統研究

3.1 IMS Based IPTV網(wǎng)絡(luò )架構

  IMS Based IPTV網(wǎng)絡(luò )架構如圖4所示。借鑒IMS Based PES系統的思路和想法,IPTV系統也可以使用IMS核心網(wǎng)元來(lái)完成用戶(hù)的鑒權認證及相關(guān)業(yè)務(wù)服務(wù)器的地址獲取工作,同時(shí)利用IMS核心網(wǎng)元完成終端和IPTV AS之間的消息轉發(fā)傳遞工作,也可以采用IMS系統中的SIP呼叫方式完成IPTV媒體地址的協(xié)商和傳送。增加H-CSCF邏輯功能實(shí)體的目的和作用主要有兩點(diǎn):一方面是通過(guò)H-CSCF完成超文本傳輸協(xié)議(HTTP)到SIP的轉換,所有基于Web的終端都可以享受到IMS核心網(wǎng)絡(luò )的服務(wù),而不僅僅局限于IPTV的機頂盒(STB)客戶(hù)端;另一方面,后續很多基于Web的終端(包括STB)所希望享受的服務(wù)不僅僅是IMS網(wǎng)絡(luò )提供的,還有很多是基于互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù),如網(wǎng)絡(luò )游戲、資訊瀏覽等不適宜IMS核心網(wǎng)提供的服務(wù),這些服務(wù)可以通過(guò)H-CSCF進(jìn)行旁路。


   H-CSCF和I/S-CSCF之間的接口Mw采用SIP,STB和H-CSCF之間的H1接口采用HTTP,H2接口為H-CSCF和管理系統/外部數據庫等之間的接口。H-CSCF基本上就是由IPTV的EPG系統改進(jìn)升級而來(lái),同時(shí)具有P-CSCF的功能。

  IPTV系統中的CDN網(wǎng)絡(luò )可以對應到IMS系統中的媒體資源功能(MRF)網(wǎng)元;STB采用目前的終端,主要支持超文本傳輸協(xié)議/實(shí)時(shí)流式媒體協(xié)議(HTTP/RTSP)等。IPTV需要進(jìn)入IMS核心網(wǎng)的原則定義涉及鑒權認證、計費、QoS,以及需要和IMS業(yè)務(wù)的交互等,這樣就可以直接使用IMS系統架構下的QoS、計費等解決方案來(lái)解決IPTV的QoS和計費等需求。

3.2 IMS Based IPTV用戶(hù)認證流程

  機頂盒要設置H-CSCF的地址和版本服務(wù)器的IP地址才能接入IPTV業(yè)務(wù)。用戶(hù)認證流程如下:

  (1)機頂盒開(kāi)機自檢。

  (2)向寬帶接入請求網(wǎng)絡(luò )接入。

  (3)網(wǎng)絡(luò )接入成功,取得IP地址和建立網(wǎng)絡(luò )連接。

  (4)向機頂盒版本服務(wù)器請求版本更新。

  (5)機頂盒版本服務(wù)器檢查版本是否需要更新,若需要更新,返回最新版本,否則告知機頂盒不需要版本更新。

  (6)機頂盒更新版本。

  (7)向H-CSCF發(fā)登陸請求。

  (8)H-CSCF返回登陸頁(yè)面。

  (9)用戶(hù)輸入帳號和口令,向H-CSCF提交業(yè)務(wù)認證請求;請求經(jīng)H-CSCF到達IMS核心網(wǎng)。

  (10)IMS核心網(wǎng)和相關(guān)功能實(shí)體交互,認證通過(guò)后形成臨時(shí)身份證和授權信息,并通知IPTV AS用戶(hù)鑒權認證通過(guò)。

  (11)IMS核心網(wǎng)把認證結果+臨時(shí)身份證+授權信息返回給H-CSCF,H-CSCF按照這些信息生成新的頁(yè)面,并連同前述信息一起返回給機頂盒。

  (12)機頂盒更新EPG并記下授權信息和身份證書(shū)。

3.3 IMS Based IPTV點(diǎn)播業(yè)務(wù)流程

  點(diǎn)播流程(即VOD)是指用戶(hù)播放已訂購節目的流程。用戶(hù)通過(guò)H-CSCF選擇已訂購的點(diǎn)播節目,向系統發(fā)出點(diǎn)播請求,并最終得到視頻流。具體流程如下:

  (1)用戶(hù)根據EPG選擇已訂節目,通過(guò)H-CSCF向IMS核心網(wǎng)發(fā)出呼叫請求。

  (2)IMS核心網(wǎng)檢查用戶(hù)信息,初始過(guò)濾標準(iFC)觸發(fā)到IPTV AS進(jìn)行處理。

  (3)IPTV AS通過(guò)和CDN網(wǎng)絡(luò )交互,確定最終服務(wù)的視頻服務(wù)器和視頻流信息,并通過(guò)核心網(wǎng)返回給H-CSCF。

  (4)IPTV AS向運營(yíng)支持管理系統發(fā)送計費信息。

  (5)H-CSCF將服務(wù)的視頻服務(wù)器和視頻流信息及相關(guān)授權信息返回給機頂盒。

  (6)機頂盒攜身份證書(shū)和授權證書(shū)向選定的視頻服務(wù)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送視頻連接請求。

  (7)視頻服務(wù)網(wǎng)絡(luò )通過(guò)OSS業(yè)務(wù)控制系統進(jìn)行身份證書(shū)和授權證書(shū)的校驗,同時(shí)在OSS管理系統內生成業(yè)務(wù)統計信息。

  (8)校驗通過(guò)后,視頻服務(wù)網(wǎng)絡(luò )允許建立視頻連接并給機頂盒應答。

  (9)視頻連接建立成功后,機頂盒與視頻服務(wù)網(wǎng)絡(luò )中的流媒體服務(wù)器進(jìn)行視頻流傳輸。如果視頻內容受數字版權保護,則機頂盒解碼視頻之前還需要進(jìn)行數字版權驗證的使用流程。在視頻流傳輸中,用戶(hù)可以發(fā)起快進(jìn)、快退、暫停等視頻錄放(VCR)操作,這些操作流程在機頂盒和流媒體服務(wù)器之間完成。

4.結束語(yǔ)

  IMS系統架構已經(jīng)成為目前公認的下一代融合的網(wǎng)絡(luò )架構,其業(yè)務(wù)提供模式和QoS解決方案都有專(zhuān)門(mén)的標準組織進(jìn)行分析和技術(shù)支持。后續IMS Based IPTV系統可以考慮和現有的IMS業(yè)務(wù)進(jìn)行結合,如在線(xiàn)業(yè)務(wù)、視頻會(huì )議業(yè)務(wù)等。還可以考慮和移動(dòng)的流媒體業(yè)務(wù)結合,同時(shí)為移動(dòng)終端提供IPTV服務(wù)[5-6]。

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通信世界網(wǎng)(www.cww.net.cn)



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