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Vitalik:从技术性视角揭密“分片”的优点_钱包

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时间:2021/5/19 21:07:17

Vitalik:从技术性视角揭密“分片”的优点

这里非常感谢 Dankrad Feist 和 Aditya Asgaonkar 的校对工作。

分片是以太币扩展性的将来,是让以太币生态体系完成每秒钟千余笔买卖的重要,那样绝大多数优秀人才能以承受的了应用成本费,变成该以太币的客户。殊不知,在以太币生态体系中,分片是非常容易遭受误会的定义之一,在更普遍的区块链生态体系中也是这般。它指的是一组十分特殊的定义,这种定义都有着自身的特性,但大家常常将前面一种与一些技术性混为一谈,后面一种的安全性特点最弱,且与前面一种不一样。这篇文章内容的目地是详细介绍分片的特殊特性,并与别的非分片技术性多方面区别,且为了更好地完成这种特性,分片系统软件必须作出什么放弃。

图注:以太币分片系统软件,原照来源于Hsiao-wei Wang,由Quantstamp设计方案

扩展性不可能三角

要详细介绍分片,最好方法是以叙述一个难题逐渐,即扩展性不可能三角,这个问题促使了该解决方法的问世。

依据扩展性不可能三角,一个区块链要想完成三个特点,若应用简易方式方法,只有完成三个特点中的2个。这三个特点以下:

扩展性:该区块链能够解决和验证的买卖比单独一般节点大量,比如一台消費级笔记本。

区块链技术:该区块链的运作能够不依赖于由大中型去中心化参加者构成的小人群。这一般了解为即便是大部分节点全是诚信的,都不应当信赖不能用消費级笔记本连接的节点群。

安全系数:

该区块链能够抵挡很多尝试进攻的节点,理想化状况下,要抵挡50%的节点,一般状况下,要抵挡超出25%的节点,但只是抵挡5%的节点不能够确保安全系数。

下列是三种不一样种类的“简易解决方法”,可是这种解决方法只有完成三个特点中的2个。

传统式区块链包含BTC、完成PoS/分片以前的以太币、以太币以及他相近区块链。这种区块链取决于每一个参加者运作全节点来验证每单买卖,因而确保了区块链技术和安全系数,但沒有完成扩展性。

高TPS区块链包括DPoS链,但也包含很多别的区块链。这类区块链取决于小量节点保持的共识,总数一般接近10-一百个,客户务必信赖大部分节点。依据前文的界定,该解决方法完成了扩展性和安全系数,但沒有完成区块链技术。

多链生态体系一般指让区块链“向外拓展”,即让各种各样应用软件在不一样的链上布署,并应用跨链通讯协议开展通讯。这完成了区块链技术和扩展性,但并不安全,由于网络攻击只必须操纵在其中一个链的大部分的共识节点 (一般总数低于全部生态体系1%的节点数) 就可以导致毁坏,还很有可能造成链式反应,对在别的链中的应用软件导致极大危害。

分片技术性可以另外完成上文谈及的三个特点。一个分片型区块链有着下列特点:

可扩展性:其解决的成交量远超单一节点。

区块链技术:可以彻底根据消費级笔记本运作,不用依靠非常节点等。

安全系数:网络攻击没法根据极少数資源系统对启动部分进攻,只有试着操纵全部系统软件,以开展进攻。

文中下面的一部分将探讨分片型区块链怎样完成这种优点。

简单随机抽样分片

最非常容易了解的分片版本号是根据简单随机抽样开展分片。与以太币生态体系中搭建的分片方式对比,简单随机抽样分片的信赖特性最弱,但以太币分片运用的技术性更简易。

下面论述了分片的核心内容。假定有一个PoS区块链,其验证者总数十分多,比如10000位验证者,而且必须验证区块的总数十分巨大,例如一百个区块。在下一组区块造成以前,沒有一台电子计算机可以验证这一百个区块。

为了更好地处理这个问题,大家必须以任意的方法,分派验证工作中。大家对验证者名册开展任意混洗,随后选择名册中前一百个验证者来验证第一个区块,第二组100位验证者来验证第二个区块,依此类推。简单随机抽样分片根据这类方法来验证区块或实行别的每日任务,这种任意挑选出的验证者称之为联合会 (committee)。

验证者验证一个区块后,会根据公布一个签字来证实。别的全部节点都只必须验证10000个签字,而不是验证一百个详细区块,那样会降低许多 劳动量,尤其是运用了BLS签字汇聚技术性以后。每一个区块的广播节目不用根据同一个P2P网络,只是根据不一样子网掩码,节点只需添加自身承担或别的要想验证的区块相对性应的子网掩码。

想像一下,假如每一个节点的算率提升2倍,会造成哪些实际效果。针对每一个节点,如今可以安全性验证签字的总数提升了2倍,那麼能够降低最少质押贷款总数,让验证者的总数提升2倍,那样就可以造成200个联合会,而不是一百个。因此,每一个时隙的区块验证总数可以做到200个,而不是一百个。除此之外,每一个区块容积能够扩张2倍。因而,整体区块链容积会提升4倍。

我们可以根据数学术语来表述其身后的基本原理。依据大O标记 (Big O notation),大家用 “O(C)” 表明单独节点的算率。O(C) 意味着传统式区块链可以解决的区块尺寸。如上所述,分片链能够并行计算尺寸为 O(C) 的区块 (请记牢,每一个节点来验证每一个区块的直接成本为O(1),由于每一个节点只必须验证固定不动总数的签字)。因而,每一个区块容积为 O(C),分片链总容积是 O(C^2)。这就是为何这类种类的分片称之为二次方分片 (quadratic sharding),根据二次方分片的主导作用,大家觉得从长久看来,分片是拓展区块链的最好方法。

大家常常会问那样一个难题:“任意构成一百个联合会与瓦解为100条单独区块链有哪些不一样?”

其不同点关键取决于下列2个层面:

1. 简单随机抽样能避免网络攻击将算率集中化于某一分片中。在一个100条区块链构成的多链生态体系中,网络攻击只需有着总质押贷款量的0.5%就可以导致毁坏,代表着能够对于在其中一个区块链进行51%进攻。在一个分片链中,网络攻击务必有着总质押贷款量的30-40%,才可以做到同样总体目标,换句话说,该链的安全系数共享资源给分片。自然,网络攻击能够直到好运气的情况下,不经意在单独分片中得到51%的算率,虽然有着的质押贷款量不上50%,但针对质押贷款量远远地小于51%的网络攻击而言,进行进攻的难度系数呈指数型升高。假如质押贷款量低于30%,基本上不太可能进行进攻。

2. 若有一个分片发生了坏块,全部链会资产重组,以防止接纳该区块,这称之为密切耦合度。依据社会契约,即便单独分片中发生了一个坏块,也不可以被主连接受,一旦发觉坏块,分片会被拒绝,文中后边章节目录将详细介绍一些在技术上申请强制执行社会契约的方式 。拥有这一体制,从应用软件的视角看来,分片链具有极致安全系数,合同A可以信赖合同B,即便因为区块链遭受进攻,合同B发生常见故障,而且回退了全部历史时间,在其中也包括合同A中因为合同B发生难题而遭受危害的买卖。

这二种差别保证分片为运用建立了一个自然环境,该自然环境保存了多肽链标准下的重要安全性特性,而多链生态体系则没法完成这一点。

根据更强的安全性实体模型改进分片

我表示同意BTC小区中的一种广泛观点,那便是像BTC(或以太币)等区块链并不彻底依靠“诚信的大部分”假定。假如对这种区块链进行51%进攻,则网络攻击能够做一些具备杀伤力的错事,比如回退或核查买卖,但不可以插进失效的买卖。并且即便他那么干了,运作基本节点的客户还可以轻轻松松检验到这类个人行为,因而,小区若期待根据分岔来夺走网络攻击的能量,以融洽的方法抵挡进攻,能够快速付诸行动。

针对更加去中心化的高TPS链,他们的关键缺点是欠缺这类附加安全系数。这类区块链沒有,也不太可能具备让单用户运作节点的文化艺术,因而关键节点和生态体系参加者能够更轻轻松松地聚在一起,强制性推行一项协议书变更,即便小区十分讨厌这一修改。更槽糕的是,在默认设置状况下,客户的节点会接纳此项修改。一段时间后,客户会发觉,但直到那时候,这一变更早已变成既成事实,代表着在其中关键的融洽压力,即回绝变更,将由客户担负,而且迫不得已作出痛楚的决策,回退一天或大量的交易明细,而普通用户都认为这种纪录早已获得了最后确定。

理想化状况下,大家期待选用一种分片方式,其验证方法能防止上文提及的51%信赖假定,并保存传统式区块链的高安全系数,这类安全系数仅有在历经彻底验证的状况下才可以完成。而这恰好是大家以往两年的绝大多数科研成果。

可拓展测算验证

我们可以将可以抵挡51%进攻的可拓展验证难题分成二种状况:

验证测算:查验一些测算是不是恰当进行,并假定你有着进行该测算的全部键入数据

验证数据的易用性:查验测算自身键入的数据是不是以某类方式储存,在必需状况下为供免费下载;实行此查验时,不用具体免费下载全部键入数据,由于数据很有可能很大,没法每一个区块都开展免费下载。

区块链中的区块验证另外涉及到测算和数据易用性查验,即你需要相信区块中的买卖合理,而且区块中的新情况根hach是实行这种买卖的恰当实行結果,可是你要必须相信该区块中有充足多的数据具体获得公布,那样免费下载数据的客户能够测算情况,再次解决区块。第二点关联到一个十分细微但关键的定义,即数据易用性难题 (data availability problem)。下面会对这个问题开展讨论。

可拓展测算验证相对性非常容易完成,在其中会应用两大类技术性:证实及ZK-SNARKs

证实可以验证测算的另外,确保扩展性

下列是对两大类技术性的简易详细介绍:

证实 (fraud proof) 是一个接纳数值的系统软件,你能规定有质押贷款储蓄的人签定下列方式的信息:“我证实,假如应用键入X开展测算C,则会获得輸出Y”。你能默认设置信赖该信息,但别的有质押贷款储蓄的人会出现挑戰数值的机遇,她们能够签字一条信息,称“我反对,輸出結果应当为Z,而不是Y。”仅进行挑戰后,全部节点才会开展计算。这双方中任何一方打错都是会丧失担保金,而且全部根据错误计算的计算都是会再次开展。

ZK-SNARKs 是一种密码算法证实方式,能够立即验证“键入X后,实行测算C,会輸出Y”。在密码算法方面,该验证体制是“靠谱”的,由于假如键入X后,开展测算C,結果并不等于Y,则没法根据测算转化成实效性证实。即便运作测算C自身耗费很多時间,该证实还可以迅速获得验证。相关ZK-SNARK的大量五格数理表述,客户程序此文章内容。

根据证实的测算往往具备扩展性,是由于在“一般状况下”,你无需运作繁杂测算,只需验证单独签字。在特殊情况下,挑戰发生后,你务必在链上验证测算,可是特殊情况非常少产生,由于开启这类状况的成本费十分价格昂贵,由于最开始的声明者或挑战者之一会丧失很多担保金。ZK-SNARKs定义更简易,他们仅仅根据成本费更低的证实开展验证,进而替代测算,但其身后的数学原理却要繁杂得多。

有一种半可拓展系统软件,它能以可拓展的方式验证测算,但必须每一个节点验证全部数据。该系统软件若能根据一系列缩小技术性,根据计算更换绝大多数数据,高效率便可进一步提高。这就是Rollup所做的事。

对数据易用性开展扩展性验证难度系数高些

证实不可以用以验证数据易用性。计算的证实根据那样一种标准,即初始申明一旦递交,计算的键入数据要在链上公布,因而,假如有些人进行挑戰,该挑戰的实行与初始实行的“自然环境”完全一致。针对数据易用性查验,以上实际操作没法完成,由于假如要在链上公布,必须查验的数据量过多。因而,对于数据易用性,怎样转化成证实计划方案变成了一个至关重要的问题,有些人能够宣称“数据X可以用”,但没有链上公布,等候挑战者发生,进行挑戰后,再向全部互联网公布该数据,促使互联网中的别的参加者觉得挑战者是有误的

下面的图的“渔民窘境”可以非常好诠释在其中大道理:

“渔民窘境”的核心价值牵涉到二种状况,一种状况是V1是故意上传者,但V2是一个诚信挑战者,而另一种状况是V1是诚信上传者,而V2是故意挑战者。二种状况针对那时候未试着免费下载该特殊数据的所有人而言也没有差别。自然,在可拓展的区块链技术区块链中,每一个本人节点只期待免费下载一小部分数据,因而仅有一小部分节点可以掌握矛盾以外的全部情况。

因为不太可能识别出哪一方是恰当的,因此也没法为数据易用性转化成合理的证实解决方法。

大家常常询问道:“假如一些数据不能用该怎么办?ZK-SNARK能够保证一切数据的实效性,但这还不够吗?”

悲剧的是,只是确保数据实效性还不能保持区块链一切正常运作。缘故是假如区块链能历经验证,但全部数据均不能用,则客户将没法升级数据,转化成证实验证将来的区块。网络攻击假如能转化成一个区块,该区块尽管可以历经验证,但数据不能用,能够合理阻拦区块链运作。有的网络攻击还能够不提交特殊客户的账号数据,直至该客户付款保释金截止,因而这不仅是一个特异性难题。

有一些强大的信息论基础见解觉得这个问题是全局性难题,沒有优质解决方法 (比如密码算法累加器的运用)。相关详细资料,请参照文中。

那麼,怎样在不下载的状况下,查验1 MB数据是不是可以用?这听起来没法完成!

重要的解决方法是一种称之为数据可用性取样 (data availability sampling) 的技术性。该技术性的工作方式以下:

1. 根据纠删码专用工具,将具备N段的数据分变成2N段的数据,因而只需随意N个数据段都能够修复全部数据。

2.客户假如要查验可用性,无需下载所有数据,只是任意挑选区块中的部位 (参量,比如30),而且仅当在区块中寻找全部选中部位的数据时,才接纳这一区块。

根据纠删码,大家可以将难题从“查验100%数据可用性” (即确保每条数据均可以用) 变化为“查验50%数据可用性” (即最少一半数据可以用)。简单随机抽样则解决了50%可用性难题。假如可以用数据量低于50%,那麼这二种查验方式中最少一个不行得通,而且假如最少50%的数据可以用,那麼,虽然一些节点很有可能没法获知一个区块的可用性,但只必须一个诚信节点运作纠删码重新构建程序流程,就能修复剩下50%的区块数据。因而,为了更好地查验1 MB区块的可用性,你无需下载1 MB数据,只需免费下载几KB。那样每一个区块都能接纳数据可用性查验。相关怎么使用P2P子网掩码合理开展数据查验,请参照本文

根据ZK-SNARK证实,数据纠删码的准确性也可以获得验证,随后运用默克尔树的支系来验证每个数据块。另一种验证方法是应用代数式服务承诺 (polynomial commitment),比如 Kate commitments (KZG服务承诺),实质上,该服务承诺根据一个简易部件开展纠删编号,证实每一个因素和准确性验证,这就是以太币分片所应用的技术性。

汇总:怎样确保全部数据的准确性?

假定有一百个区块,而且你不想依靠联合会合理地验证全部区块的准确性。为了更好地完成这一总体目标,大家必须开展下列对策:

每一个手机客户端在每一个区块上开展数据可用性取样,以验证每一个区块中的数据是不是可以用,另外必须免费下载每一个区块几KB的数据,即便区块的总体尺寸为MB或更高。仅在全部数据可用性挑戰获得恰当回复后,顾客点才会接纳区块。

数据可用性获得验证后,那麼验证其准确性将越来越更为非常容易。验证准确性要根据下列二种技术性:

我们可以应用证实,一些质押贷款了担保金的参加者能够给予签字,证实每一个区块的准确性。别的挑战者或是是渔民节点会开展任意查验,并试着详细解决全部区块。由于数据可用性早已历经查验,因此别的节点自始至终可以下载数据,并对一切特殊区块进彻底解决。假如发觉失效区块,节点会公布一个任何人都能够验证的挑戰。假如该区块被证实是坏块,则根据这一区块的全部区块都必须再次历经计算。

我们可以应用 ZK-SNARK 技术性。那样每一个区块的准确性都能获得这类技术性的验证。

在之上二种状况中,不管区块有多大,每一个手机客户端仅必须对区块开展小量验证工作中。针对证实,区块有时候必须在链上获得充足验证,但这类状况非常少产生,由于即使进行一个挑戰,成本费也十分昂贵。

之上便是全篇的汇总!就以太币分片来讲,短期计划是让分片中的区块只包括数据。换句话说,这种分片的功效单纯是“数据可用性模块”,Layer2 rollup 的工作中则是应用安全性的数据室内空间,此外还会继续运用证实或 ZK-SNARK 技术性,完成高买卖货运量,另外保持安全系数。可是,大家还能够建立一个內部系统软件,“原地不动”完成高吞吐实行,它是彻底有可能完成的。

分片系统软件的重要特点是啥?有什么衡量?

分片的关键总体目标是尽量地承继传统式非分片区块链最重要的安全性特性,另外不用每一个节点验证每单买卖。

分片基本上能够达到这种规定。下列是传统式区块链的特点:

失效区块没法加上到区块链中,由于验证节点会检验到该区块是失效的,并忽视该区块。

数据不能用的区块没法加上到区块链中,由于验证节点无法打开数据,并挑选忽视。

下列是强安全系数的分片区块链特点:

失效区块没法加上到区块链中,缘故以下:

证实会快速检验到该区块,并告之全部互联网其为有误区块,并处罚创始人。

或是根据ZK-SNARK验证其准确性,由于没法为失效区块转化成合理ZK-SNARK证实。

数据不能用的区块没法加上到区块链中,缘故以下:

假如区块可以用数据量仅有不上50%,基本上能够毫无疑问的是,每一个手机客户端最少有一次数据可用性抽样检验会不成功,造成手机客户端回绝该区块,

假如最少有50%的区块数据可以用,那麼事实上全部区块数据全是可以用的,由于仅需一个诚信节点就可以修复其他数据。

传统式高TPS链由于沒有分片,没法完成以上特点。而多链系统软件遭遇的难题取决于,网络攻击假如挑选一条链开展进攻,就可以随便获得操纵,系统软件中的链还可以共享资源安全系数,可是假如安全系数低,那将与传统式高TPS链沒有差别,还会继续承继传统式区块链的全部缺陷,若安全系数较高,共享资源安全系数仅仅以上分片技术性的一种更繁杂的完成。

主链 (sidechain) 高宽比取决于完成方法,假如他们共享资源挖矿或验证者,一般他们非常容易遭遇传统式高TPS链的缺点;假如他们不共享资源挖矿或验证者,也会应对多链生态体系的缺点。分片链防止了这种难题。

可是,分片系统软件也是有一些安全隐患。尤其是在下列好多个层面:

若遭受适应能力对手进攻,仅取决于联合会的分片链无法应付,而且较难追究责任。换句话说,假如网络攻击可以即时侵入或挑选关掉一切节点结合,那麼只必须进攻小量节点就可以毁坏一个联合会。除此之外,网络攻击不论是沟通能力强,或是有着质押贷款数量的50%,假如毁坏了一个联合会,全部互联网只有确定极少数参加进攻的节点,即该联合会中的节点,結果惩罚额度只占小量质押贷款。这也是另一个重要缘故,表述为何数据可用性取样要与证实或ZK-SNARK融合,变成任意取样技术性的关键填补。

仅线上手机客户端总数充足多,能转化成充足多数据可用性取样要求时,这种反复回应一直组成最少50%的区块数据。结合实际,这代表着务必有几十个手机客户端线上,而且此总数越大,系统软件容积与单独节点容积的比例就越高。这是一个few-of-N信赖实体模型——一般十分可信赖,自然,它比不上非分片链节点在数据可用性层面的0-of-N信赖方式那麼稳进。

假如分片链取决于证实,那麼它要根据时钟频率假定,即假如网络太慢,则在证实表明数据不正确以前,节点很有可能早已谈妥了某一个区块。幸运的是,假如你严苛遵照标准,一旦发觉了失效区块,便会回退全部失效区块,该时间段主要参数由客户设定,每一个客户都能设定确定区块前的等待的时间,假如她们不愿等候很久很有可能会遭到损害,但更慎重的客户也更为安全性。即便如此,这一体制会消弱客户体验。应用ZK-SNARK验证实效性能够处理此难题。

必须传送的初始数据量大很多,提升了极端化互联网标准下产生常见故障的风险性。与很多数据对比,小量数据更非常容易传送,假如强劲的政府部门尝试核查区块链,也更非常容易安全性掩藏。若区块链电脑浏览器要想保持全部链的信息内容,则必须储存大量数据。

分片链取决于分片式的P2P网络,而且每一个独立P2P“子网掩码”因为节点较少,更非常容易遭受进攻。由于子网掩码中间存有一些沉余,数据可用性取样的子网掩码实体模型能够减轻这类状况,但在其中依然存有风险性。

这种是数据验证必须关心的难题,虽然在大家来看,让大量应用软件在链上运作,而不是根据去中心化layer 2服务项目,降低客户层的去中心化,会比以上层面更特别注意。换句话说,事实上这种难题,尤其是最终2个难题,会对提升分片链货运量导致真真正正限定,使其没法超出特殊经营规模。二次方分片 (quadratic sharding) 只有完成比较有限二次方性。

顺带说一句,假如货运量过高,分片链的安全隐患将日益扩大,非常大水平上,这也是舍弃拓展至超二次分片的关键缘故。使二次方分片维持其比较有限二次方性好像是适合的正中间值。

区块生产制造去中心化,而验证分片化是不是行得通?

大家常常明确提出一种取代分片的方式 ,那便是应用类似去中心化高TPS链的构造,此外,运用数据可用性取样和分片以验证数据实效性和可用性。

这类计划方案可以改进不仅有的去中心化高tps区块链,但仍远沒有分片系统软件强劲。在其中一些缘故以下:

1. 在高TPS链中,更难检测到区块经营者的核查个人行为。

检测核查个人行为必须达到下列任一:(i) 可以见到每单买卖,而且验证沒有有效买卖无缘无故未进到,或是(ii)在区块经营者中应用1-of-N信赖实体模型,并验证沒有区块没法上链。在去中心化高TPS链中,第一点不太可能完成,而完成第二点更艰难,由于节点数小,乃至1-of-N信赖实体模型都更非常容易被毁坏,而且 假如该链的区块時间针对DAS (数据可用性取样) 而言太快 (如同大部分去中心化高TPS链那般),则难以证实节点的区块不容易只是由于他们的公布速率很慢而被拒绝。

2. 假如大部分区块经营者和生态体系组员尝试申请强制执行一项协议书变更,尽管此项变更不火爆,客户的手机客户端毫无疑问会检验到变更,可是针对小区,回绝变更、开展分岔的难度系数要大很多,由于必须运作成本费昂贵的新的高货运量节点,保持根据旧标准的区块链。

3. 在去中心化基础设施建设中,外界网络攻击更非常容易执行核查。区块生产制造节点买卖货运量高,十分易被检验到,停业整顿这种节点也非常容易。核查专用型的大数据处理理念和后勤管理上比在单独客户的笔记本上开展核查要非常容易得多。改:与跟踪普通用户的笔记本对比,对专用型的大数据处理开展核查在逻辑性和实践活动上都更为非常容易。

4. 大数据处理向去中心化云服务器迁移会应对更高工作压力,提升了风险性,由于全部链将在1-3家企业的云服务器中运作,假如很多区块经营者另外发生常见故障,会扩大区块链奔溃的风险性。验证节点都是在本人硬件配置上运作的分片链不容易那麼非常容易遭受这类进攻。

系统软件适度分片化时,能更为合适做为基本层。根据一个分片化的基本层,你自始至终可以根据搭建Rollup的方法建立一个去中心化的产品系统 (比如用以DeFi的具备同歩可组成性的高货运量行业)。可是,假如基本层取决于去中心化区块生产制造,则没法根据此搭建一个更为区块链技术的Layer2。

这里非常感谢 Dankrad Feist 和 Aditya Asgaonkar 的校对工作。

证实可以验证测算的另外,确保扩展性

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响声 | Kevin Davitt:比特币期货波动性创历史时间最低:据marketwatch信息,Cboe Global Markets股指期货研究室高級投资分析师Kevin Davitt表明,截止10月26日的一周是近一年前发布比特币期货至今起伏最少的一周,10月份XBT期货交易的均值每星期波动性约为6.6%,远小于自创立至今的平均15.65%。[2018/11/6]

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