Capa de Red. Enrutamiento y Direccionamiento. Facilitador: Ing. Jorge B. Rubio P.

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1 Capa de Red Enrutamiento y Direccionamiento Facilitador: Ing. Jorge B. Rubio P.

2 Importancia de la Capa de Red Identificación Segmentación Comunicación entre redes Determinación de Ruta Direccionamiento

3 Identificación Comunicación Segmentación entre redes

4 Capa de Red Determinar la ruta

5 Determinación de Ruta La determinación de ruta se hace en la Capa de red, el router evalúa las rutas disponibles hacia un destino y decide cuál es la mejor para administrar un paquete. Los servicios de enrutamiento utilizan la información de topología de red al evaluar las rutas de red. La determinación de ruta es el proceso que utiliza el router para elegir el siguiente salto. Este proceso también se denomina enrutar el paquete. Los routers también toman decisiones basados en la densidad del tráfico y la velocidad del enlace (ancho de banda). Analogía del conductor.

6 Train Station Airport Factory Stadium FD Gas Station Fire Department Sidewalk City Street Interstate School Hospital

7 Train Station Airport Factory Stadium FD Gas Station Fire Department Sidewalk City Street Interstate School Bomberos a la Escuela Hospital

8 Train Station Airport Factory Stadium FD Gas Station Fire Department Sidewalk City Street Interstate School Aereopuerto al Estadio Hospital

9 A D B Internet C E 56 T1 1.5Mbps T3 45Mbps G F

10 A A D D B B Internet C C E E 56 T1 1.5Mbps T3 45Mbps G G Red C a Red G F F

11 A A D D B B Internet C C E E 56 T1 1.5Mbps T3 45Mbps G G Red D a Internet F F

12 Direccionamiento (Capa de Red) El router utiliza la dirección de red para identificar la red destino de un paquete dentro de la internetwork. En ocasiones el administrador de la red asigna direcciones de red de acuerdo con un plan de direccionamiento, en otros casos se asignan direcciones de forma parcial o totalmente dinámica. Sin el direccionamiento de la capa de red, no se puede producir el enrutamiento. Los routers requieren direcciones de red para garantizar el envío correcto de los paquetes.

13 Direccionamiento Plano y Jerárquico direccionamiento plano Asigna a un dispositivo la siguiente dirección disponible. No se tiene en cuenta la estructura del esquema de direccionamiento. Las direcciones MAC funcionan así. El fabricante recibe un bloque de direcciones; 6 dígitos OUI, el resto de la dirección MAC se asigna de forma secuencial. direccionamiento jerárquico Por ejemplo, el que se utiliza en los códigos postales, la dirección de un edificio. El esquema de direccionamiento que usaremos a lo largo de este curso es el del Protocolo Internet (IP). Las direcciones IP tienen una estructura específica y no se asignan al azar.

14 Capa de Red Direcciones IP dentro del Encabezado IP

15 Datagramas de Capa de Red El Protocolo Internet (IP) es la implementación más popular de direccionamiento de red jerárquico. IP es el protocolo de red que usa Internet. En la capa de red, los datos se encapsulan en paquetes (también llamados datagramas). IP determina la forma del encabezado del paquete IP direccionamiento información de control Pero no se ocupa de los datos en sí mismos, sólo los acepta.

16 Campos de la Cabecera IP

17 Campos de la Cabecera IP El paquete/datagrama de Capa 3 se transforma en los datos de la Capa 2, que se encapsulan en tramas. El paquete IP está formado por los datos de capas superiores más el encabezado IP, formado por: Versión: de IP que se usa en el momento (4 bits) Longitud del encabezado IP (HLEN): longitud del encabezado del datagrama en palabras de 32 bits (4 bits) Tipo de servicio: Especifica el nivel de importancia que le ha sido asignado por un protocolo de capa superior en particular (8 bits)

18 Campos de la Cabecera IP Longitud total: Especifica la longitud de todo el paquete IP, incluyendo datos y encabezado, en bytes (16 bits) Identificación: Contiene un número entero que identifica el datagrama actual (16 bits) Señaladores: Campo en el que los dos bits inferiores controlan la fragmentación; un bit que especifica si el paquete puede fragmentarse y el otro si el paquete es el último fragmento (3 bits)

19 Campos de la Cabecera IP Compensación de fragmentos: Reune los fragmentos de datagramas (13 bits) Tiempo de existencia: Mantiene un contador cuyo valor decrece, por incrementos, hasta cero. Si llega a cero se descarta el datagrama, impidiéndose que los paquetes entren en un loop interminable (8 bits) Protocolo: Indica que protocolo de capa superior recibe los paquetes entrantes después de completarse el procesamiento IP (8 bits) Suma de comprobación del encabezado: Ayuda a garantizar la integridad del encabezado IP (16 bits)

20 Campos de la Cabecera IP Dirección origen: Indica el nodo emisor (32 bits) Dirección destino: Indica el nodo receptor (32 bits) Opciones: Permite que IP soporte varias opciones, como la seguridad (longitud variable) Datos: Contiene información de capa superior (longitud variable, máximo 64 kb) Relleno: se agregan ceros adicionales a este campo para garantizar que el encabezado IP siempre sea un múltiplo de 32 bits

21 Direcciones IP: 32 Bits Dirección IP: 32 bits, en 4 octetos. El valor decimal de cada bit se duplica al avanzar una posición hacia la izquierda del número binario. Las direcciones IP se expresan como números de notación decimal: (32 bits divididos en 4 octetos). El valor decimal máximo de cada octeto es 255 (binario: ,cuyos valores decimales son 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 y 128, lo que suma 255).

22 Direcciones IP: Campos Se introducen 2 conceptos importantes: Notación decimal punteada Partes de la dirección: números "de red, identifica la red a la que estamos conectados y números de "host que identifica el dispositivo específico. Como las direcciones IP están formadas por 4 octetos separados por puntos, se pueden utilizar 1, 2 o 3 de estos octetos para identificar el número de red. De modo similar, se pueden utilizar hasta 3 de estos octetos para identificar la parte del host de una dirección IP.

23 Capa de Red Clases de Direcciones IP

24 Direcciones IP: Clases Hay 3 clases de direcciones IP que una organización puede recibir de parte del Registro Estadounidense de Números de Internet (ARIN) : Clase A, B y C. En la actualidad, ARIN reserva las direcciones de Clase A para los gobiernos de todo el mundo (aunque en el pasado se le hayan otorgado a empresas de gran envergadura como, por ejemplo, Hewlett Packard) Clase B para las medianas empresas. Clase C para todos los demás solicitantes. Los números de red son asignados por una agencia externa, y los números de host se asignan localmente

25 Direcciones IP: Como # decimales Las direcciones IP identifican un dispositivo en una red, y la red a la cual se encuentra conectado. Para facilidad las direcciones IP se escriben en notación decimal punteada, 4 # decimales separados por puntos, p. e.,

26 Hosts por Clase de Red Cada clase de red tiene una cantidad fija de hosts. Clase A, 1er. Octeto: preasignado, 3 últimos octetos (24 bits) para los hosts, cantidad máxima de hosts es 2 24, o hosts. Clase B, 2 primeros octetos: preasignados, 2 octetos finales (16 bits) para los hosts, cantidad máxima de hosts es 2 16 (menos 2), o hosts. Clase C, 3 primeros octetos: preasignados, el octeto final (8 bits) para los hosts, cantidad máxima de hosts es 2 8 (menos 2), o 254 hosts. La primera dirección en una red está reservada para la dirección de red y la última para los broadcasts.

27 Conversiones Es importante recordar y ejecutar las conversiones de binario a decimal y de decimal a binario. Esto cobrará incluso mayor importancia al momento de trabajar en los conceptos de subredes.

28 Capa de Red Espacio de Dirección Reservado

29 Identificadores de Red Una dirección IP que termina en 0 binarios en todos los bits de host se reserva para la dirección de red (dirección de cable). En una red de Clase A, p.e., es la dirección IP de la red del host Un router usa la dirección IP de una red al enviar datos en Internet. En una red de Clase B, la dirección IP es una dirección de red. La dirección de red. Nunca se usará como dirección para un dispositivo conectado a ella.

30 Identificadores de Red Los hosts de una red sólo se pueden comunicar directamente con los dispositivos que tienen el mismo identificador de red. Los hosts pueden compartir el mismo segmento físico, pero si tienen distinta dirección de red, no pueden comunicarse, a no ser que otro dispositivo (capa 3) realice una conexión entre las redes. Un ID de red habilita al router a colocar un paquete en el segmento de red apropiado, mientras que el ID de host ayuda al router a direccionar la trama (encapsulando el paquete) hacia el host específico en la red.

31 Direcciones de Broadcast Para comunicarse con todos los hosts de una red, es casi imposible escribir la dirección IP para cada uno. Un broadcast se produce cuando un origen envía datos a todos los dispositivos de una red, para ello necesita una dirección de broadcast (dirección IP destino que todos reconocen y captan). Las direcciones IP de broadcast tiene unos binarios en toda la parte del host (el campo de host). Para la red del ejemplo ( ), los últimos 16 bits forman el campo de host, el broadcast que se envia a todos los dispositivos de la red incluye una dirección destino (255 = ).

32 Direcciones Privadas Ciertas direcciones en cada clase de IP no están asignadas. Estas se denominan direcciones privadas. Utilizadas por los hosts que usan traducción de dirección de red (NAT), o un servidor proxy, para conectarse a una red pública, en redes con aplicaciones que requieren conectividad dentro de una sola red. También se pueden utilizar en una red en la que no hay suficientes direcciones públicas disponibles. Según lo acordado, cualquier tráfico que posea una dirección destino dentro de uno de los intervalos de direcciones privadas NO se enrutará a través de Internet.

33 Capa de Red Subredes: Conceptos Básicos

34 Direccionamiento IP Clásico Existen: 127 Clase A con más de 16 millones de hosts por red. (desperdiciandose muchas direcciones IP) Clase B con hosts por red. Sigue siendo una cantidad grande de hosts por red. Más de 16 millones de Clase C, con sólo 256 hosts por red, que a menudo son muy POCOS hosts por red. Ninguna tiene el tamaño óptimo para la administración de la red, puede causar un gran desperdicio al asignar direcciones IP jerárquicas.

35 Direccionamiento IP Clásico Estos tamaños son consecuencia de una etapa anterior de la historia de internet, cuando nadie podía imaginar que cualquiera de las clases de direcciones podría alguna vez estar asignada casi en su totalidad. Existen diversas formas de manejar el consumo de direcciones por ejemplo, VLSM (máscara de subred de longitud variable), redes privadas, traducción de dirección de redes y la versión 6 de IP. Los administradores de redes a veces necesitan dividir las redes, especialmente las de gran tamaño, en redes más pequeñas denominadas subredes, para brindar mayor flexibilidad.

36 Subredes Las direcciones de subred incluyen la porción de red de Clase A, Clase B o Clase C además de un campo de subred y un campo de host. El campo de subred y el campo de host se crean a partir de la porción de host original. El decidir cómo dividir la porción de host original en los nuevos campos de subred y de host da flexibilidad para el direccionamiento al administrador de red. Para crear una dirección de subred, un administrador de red pide prestados bits de la parte original de host y los designa como campo de subred.

37 Subredes La cantidad mínima de bits que se puede pedir prestada es 2. La cantidad máxima de bits, debe dejar al menos 2 bits para el host.

38 Subredes: Propósito? Gasto inútil del direccionamiento IP clásico Mayor eficiencia implícita de la división de redes en subredes. Las redes de menor tamaño permiten la existencia de dominios de broadcast de menor tamaño, aspecto importante para el diseño de red. Una razón es el consumo una porción demasiado grande del ancho de banda por los mensajes de broadcast.

39 Subredes: La Máscara La máscara de subred (prefijo de red extendida), indica que parte de una dirección que corresponde al campo de red y que parte al campo de host. Longitud de 32 bits (4 octetos), como una dirección IP Determinación de la máscara de subred: Exprese la dirección IP de subred en forma binaria. Cambie la porción de red y subred por todos unos. Cambie la porción del host por todos ceros. Convierta la expresión en números binarios nuevamente a la notación decimal punteada.

40 Operaciones Booleanas Las operaciones con números decimales incluyen la adición, sustracción, multiplicación y división Existen 3 operaciones fundamentales en el álgebra Booleana que son cruciales para el diseño circuitos digitales y son importantes para la programación: AND es como la multiplicación OR es como la adición NOT transforma el 1 en 0, o el 0 en 1 Para enrutar un paquete, el router determina la dirección de subred/red destino, ejecuta una operación AND lógica entre la dirección IP y la máscara de subred del host destino. Resultado: dirección de red/subred.

41 Capa de Red Creación de Subredes

42 Bits Necesarios para crear Subredes Para crear subredes, debe ampliar la porción de enrutamiento de la dirección. Internet conoce toda la red, identifica direcciones de Clase A, B o C; 8, 16 ó 24 bits de enrutamiento. La mascara de subred es la herramienta que utiliza el router para determinar que bits que corresponden al enrutamiento y que bits que corresponden al host. El campo de subred siempre se ubica inmediatamente a continuación del número de red, es decir, los bits que se pidieron prestados deben ser los primeros n bits del campo de host por defecto.

43 Tamaño de la Máscara Formato de dirección IP. 32 bits, 4octetos, escritos en formato decimal separado por puntos. Tienen todos unos en la porción de red (clase de dirección), también la porción de subred deseada, y todos ceros en la porción de host de una dirección. Clase B: máscara = , (primeros 16 bits=1). Se piden prestados 8 bits para la subred, la máscara de subred incluye 8 bits 1 adicionales y se transforma en

44 Cálculo de Máscara y Dirección IP El número de bits prestados para la creación de subredes determina la cantidad de subredes Sabemos que no se puede pedir prestado solamente 1 bit, y dejar mínimo 2 bits. Tenga en cuenta: hay dos subredes no utilizables o reservadas. 1ra. Por la dirección de red última Por la dirección de broadcast En cada red tenemos 2 m -2 hosts, donde m es el # de bits totales del host menos los prestados a la subred. Dirección de Red Dirección de Broadcast

45 Redes y Hosts utilizables # bits # redes # redes # hosts Mascara utilizables = = = = = = = = = = = = = = = =

46 Operaciones Booleanas La dirección de red tiene 0 en todo el campo de host, es la dirección más baja. Esto también se aplica en el caso de una subred. Para enrutar un paquete, el router determina la dirección de subred/red destino ejecutando un AND lógico entre la IP de destino y la subnet mask de esa red. Ej. IP , subnetmask El router realiza la operación AND con esta dirección y la máscara de subred = ( ) Ej. IP , subnetmask bits en el campo de subred, 126 subredes de 510 hosts en cada una.( ).

47 Routers: Redes Independientes Al configurar los routers, cada interfaz debe conectarse a un segmento de red diferente. Cada uno de estos segmentos se transformará en una subred individual.

48 Hosts y Subredes Un efecto colateral desafortunado de la creación de subredes es que existen números de broadcast y números de red reservados para cada subred creada. Se desperdician bloques enteros de direcciones IP El administrador de red debe encontrar un equilibrio entre: cantidad de subredes necesarias, hosts por subred aceptables y desperdicio de direcciones. No se pueden usar la primera y la última subred. Además no se puede usar la primera y la última dirección dentro de cada subred: dirección de red y dirección de broadcast.

49 Ejemplo Nuestra organización tiene una licencia de Clase C. Dirección de red (Net Id) = La máscara de subred (subnet mask) es Pedimos prestados los 3 bits más significantes del campo de host. Subnet Id Net Id Host Id 24 bits 3 bits 5 bits

50 Ejemplo Net Id Host Id Subnet 1 (no usable) Subnet Subnet 3 Con 3 bits prestados podemos crear 8 subredes Subnet Subnet Subnet Subnet Subnet 8 (no usable)

51 Ejemplo Host Id Net Id Subnet Con los 5 bits restantes, tenemos 32 direcciones de host en cada subred. La primera es la dirección de cada red/subred La última es la dirección de broadcast de cada red/subred Host 1 NU Host Host Host Host 32 NU

52 Ejemplo Net Id Subnet Subnet 1 (no usable) Subnet Subnet Subnet Subnet Subnet Subnet Subnet 8 (no usable) Host Host Host Host Host Host Host Host Host Host Host 32

53 Ejemplo Los rangos de direcciones manejados por cada subred. Subnet Rango de Host

54 Porqué necesitamos dividir la red en subredes (subnetting)?

55 Ejemplo La empresa tiene 3 clases C: 1ra. Class C = da. Class C = ra. Class C = Internet Default subnet mask Net Id Next Router IP Direct Routing (e0) Direct Routing (e1) Direct Routing (e2) R o u t i n g T a b l e & Datagrama Entrante e0 s0 e1 e2 1ra. clase C da. clase C ra. clase C

56 Ejemplo La empresa tiene una sola clase C: Clase C = bits utilizados para crear subredes Subnet mask & Internet Net Id Next Router IP Direct Routing (e0) Direct Routing (e1) Direct Routing (e2) R o u t i n g T a b l e Datagrama Entrante 1ra. subred e0 s0 e1 e2 3ra. subred da. subred

57 Capa de Red Actividades

58 Ejercicio 1 Se tiene una clase B= Se requieren 520 hosts por subnet Cuántos bits se piden prestados? Cuál es la máscara de subred? Dar los rangos de direcciones IP para cada subred

59 Ejercicio 2 Se tiene una clase C= Se requieren 70 hosts por subnet Cuántos bits se piden prestados? Cuál es la máscara de subred? Dar los rangos de direcciones IP para cada subred

60 Ejercicio 3 Se tiene una clase C= Se requieren 5 subredes Cuántos bits se piden prestados? Cuál es la máscara de subred? Hasta cuántos hosts tendremos por cada subred?. Dar los rangos de direcciones IP para cada subred

61 Ejercicio 4 Se tiene la dirección: Se requieren de 12 subredes Cuántos bits se piden prestados? Cuál es la máscara de subred? Hasta cuántos hosts tendremos por cada subred?. Dar los rangos de direcciones IP para cada subred

62 Capa de Red Dispositivos de Capa 3

63 Routers Dispositivo que toma decisiones de enrutamiento de mejor ruta basado en el direccionamiento de la Capa 3. 3 El propósito de este capítulo es aclarar de qué forma se toman estas decisiones de mejor ruta. En networking, existen dos esquemas de direccionamiento Direccionamiento MAC, dirección Capa 2 Direccionamiento de Capa 3 (usualmente IP)

64 Direcciones de Capa 3 Puentes y Switches usan direcciones físicas (MAC) para tomar decisiones. Los routers usan direcciones de Capa 3 (lógicas) para tomar decisiones en lugar de direcciones MAC. Las direcciones IP se implementan en software (administrador), el fabricante de la NIC asigna las direcciones MAC, permanentes en la NIC. Los puentes y los switches se usan para conectar los segmentos de una red. Los routers se usan para conectar redes separadas, y para acceder a Internet. Esto se hace a través del enrutamiento de extremo a extremo.

65 Direcciones de Red Los routers enrutan los paquetes a la interfaz apropiada basados en la dirección IP de destino. Cada interfaz de un router debe tener una dirección IP. Además que cada red tiene su identificador exclusivo (dirección de red)

66 Router: Interfaces o Puertos los routers conectan redes separadas y cada interfaz o puerto debe tener su propia dirección IP individual y única. Así como los hosts necesitan las NIC para conectarse con la red, el router tiene módulos de tipo NIC denominados interfaces, para colocar señales en los medios.

67 Capa de Red Comunicaciones de Red a Red

68 Asignación de Dirección IP Existen dos métodos para asignar direcciones IP Direccionamiento estático. Direccionamiento dinámico. RARP BOOTP DHCP Recuerde que dos interfaces o NIC no pueden tener la misma dirección IP.

69 Direccionamiento Estático Se debe ir a cada dispositivo individual y configurar-lo con una dirección IP. Se deben guardar registros muy detallados, ya que pueden ocurrir problemas si se utilizan direcciones IP duplicadas, además no todos los SO identifican las direcciones IP duplicadas. Algunos SO como WinXP y 2K, envían una petición n ARP para verificar si existe una dirección IP duplicada al inicializar TCP/IP. Si descubren una dirección n duplicada, los SO no inicializan TCP/IP y generan un mensaje de error.

70 Direccionamiento Dinámico: DHCP El Protocolo de configuración dinámica del host (DHCP) permite que un host obtenga una dirección IP de forma rápida y dinámica. El servidor DHCP necesita una cantidad definida de direcciones IP. Los hosts entran en línea, se ponen en contacto con el servidor DHCP y solicitan una dirección. El servidor DHCP elige una dirección y se asigna a ese host. Con DHCP, se puede obtener la configuración completa del computador en un solo mensaje (dirección IP, máscara de subred).

71 DHCP: Secuencia de Inicialización Cliente DHCP inicia la sesión, estado de inicialización. Envía mensajes de broadcast DHCPDISCOVER, (paquetes UDP con el # de puerto establecido en el puerto BOOTP). Cliente pasa a estado de selección y recolecta respuestas DHCPOFFER del servidor DHCP.

72 DHCP: Secuencia de Inicialización Cliente selecciona la 1ra. respuesta que recibe y negocia el tiempo de alquiler con el servidor DHCP DHCPREQUEST. Servidor DHCP reconoce una petición del cliente con un paquete DHCPACK. El cliente ingresa en un estado de enlace y comienza a usar la dirección.

73 Componentes IP Para comunicarse, los dispositivos emisores necesitan direcciones IP y direcciones MAC del destino. Para comunicarse con dispositivos cuyas direcciones IP conocen, deben determinar las direcciones MAC. El protocolo ARP (Address Resolution Protocol), determina la dirección MAC asociada a una dirección IP. La unidad básica de transferencia de datos en IP es el paquete IP. no dependen del hardware. Otro componente importante es el Protocolo de mensajes de control en Internet ICMP, utilizado por un dispositivo para indicar que existe un error enviando un mensaje. Una característica principal es la petición de eco/respuesta de eco, componente que prueba si un paquete puede llegar a destino haciendo ping al destino.

74 ARP: Protocolo de Resolución de Direcciones Un paquete de datos debe contener dirección MAC de destino y dirección IP de destino. Si le falta una u otra dirección, los datos no se transportan desde la Capa 3 hacia las capas superiores. Las direcciones MAC y las direcciones IP cumplen una función de equilibrio mutuo

75 ARP: Protocolo de Resolución de Direcciones Para determinar la dirección MAC de destino se mantiene tablas que contienen las direcciones MAC e IP de los otros dispositivos conectados a la misma LAN Estas se denominan tablas de Protocolo de resolución de direcciones (ARP) Las tablas ARP son secciones de la memoria RAM, en las cuales la memoria caché se mantiene automáticamente en cada uno de los dispositivos Conocida la dirección IP de un destino, el origen consulta su tabla ARP para ubicar la MAC del destino. Si ubica la entrada en su tabla ARP, enlaza, la dirección IP con la MAC y la usa para encapsular los datos. El paquete de datos se envía a través de los medios de red al destino.

76 ARP: Operación con una Subred Un host para enviar datos a otro host, debe conocer la IP destino. Si no encuentra una MAC para el destino en su tabla ARP, inicia un proceso llamado petición ARP, que le permite descubrir la dirección MAC destino. Un host genera un paquete de petición ARP y lo envía a todos los dispositivos de la red, el origen usa una dirección de broadcast MAC. (FF-FF-FF-FF-FF-FF.) Todos los dispositivos de la red reciben los paquetes y los pasan a la capa de red. Si la dirección IP de un dispositivo concuerda con la dirección IP destino de la petición ARP, ese dispositivo responde enviando su dirección MAC al origen (respuesta ARP).

77 Default Gateway Para poder comunicarse con otro dispositivo, el host debe contar con un gateway por defecto. Es la dirección IP de la interfaz del router que se conecta al segmento de red del host origen. Si no se lo define, la comunicación sólo se puede rea-lizar en el propio segmento de red lógica del origen. El computador origen realiza una comparación entre la dirección IP destino y su propia tabla ARP. Si no encuentra coincidencias, debe tener una dirección IP por defecto que pueda utilizar. Si no la tiene, el computador origen no tiene ninguna dirección IP destino y el mensaje no se puede enviar.

78 Dispositivos de Capa 3 3 tareas fundamentales de los Routers: Conectan redes separadas, Toman decisiones de mejor ruta basándose en la información de la Capa 3 Realizan la conmutación de paquetes desde los puertos de entrada a los puertos de salida adecuados. Los routers conectan las redes individuales de forma eficiente enrutando paquetes a través de la mejor ruta y realizan la conmutación a esa mejor ruta. Switches capa 3.

79 Dispositivos de Capa 3

80 Capa de Red Actividades

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