ARTICULO SOBRE TELEFONIA VOIP

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1 REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DR. RAFAEL BELLOSO CHACÍN MAESTRIA EN TELEMATICA REDES LOCALES Y METROPOLITANAS ARTICULO SOBRE TELEFONIA VOIP AUTORES: ING. DARIO SOTO ING. JOSE MORENO ING. MIGUEL DIAZ MARACAIBO, 20 DE ABRIL DE 2009

2 Introducción La VoIP, o Voz por el Protocolo de Internet (Voice over Internet Protocol), es un método para tomar señales de audio análogas, como las que se escuchan en una llamada telefónica, convertidas en data digital para que pueda ser transmitida por la Internet. Esto significa que VoIP puede cambiar una conexión de internet de manera que esta pueda hacer llamadas telefónicas gratis. El resultado practico de esto es que al usar los programas de VoIP para hacer llamadas por internet, se elimina a la compañía telefónica (y sus cuotas) completamente. La VoIP es una tecnología revolucionaria que tiene el potencial para modificar completamente el sistema telefónico mundial. Varios proveedores de este servicio existen desde hace varios años y crecen de manera estable. Grandes compañías ya están usando planes de llamadas VoIP en varios mercados mientras las entidades Gubernamentales observan las ramificaciones potenciales que este servicio pudiera tener. Sobre todo, VoIP es básicamente una ingeniosa re-invención de la rueda. En este articulo se exploraran los principios detrás del VoIP, sus aplicaciones y el potencial de esta tecnología emergente, la cual probablemente pueda un día reemplazar a gran escala a los sistemas de telefonía tradicionales.

3 Telefonía Actual, Circuito de conmutación Los sistemas telefónicos actuales son impulsados por un método de conectar llamadas muy fiable, pero algo ineficaz, conocido como circuito de conmutación, este es un concepto básico que ha sido utilizado por las redes telefónicas de hace más de 100 años. Al realizarse una llamada, la conexión se mantiene a lo largo de la misma. Porque se están conectando dos puntos en ambas direcciones, es llamado un circuito. Este es el fundamento de la Red Telefónica Conmutada (RTC). Este es el funcionamiento de una llamada telefónica: 1. El emisor toma el auricular y escucha un tono de marcación. 2. Marcar el número al que desea llamar. 3. La llamada se direcciona a través del conmutador al nodo local a la parte que se está llamando. 4. Se establece una conexión entre el teléfono y la línea del receptor de la llamada usando varios conmutadores interconectados en el camino. 5. El teléfono en el otro extremo repica, y alguien responde la llamada. 6. La conexión abre el circuito. 7. Se habla de un período de tiempo y, luego se cuelgan los auriculares. 8. Al colgar, se cierra el circuito, liberando la línea y todas las líneas en el medio. Digamos que la conversación duró 10 minutos. Durante este tiempo, el circuito permaneció abierto entre los dos teléfonos. En los primeros sistemas telefónicos, hasta 1960 más o menos, cada llamada debía tener un cable dedicado que va desde un extremo de la llamada al otro por la duración de esta. Las conversaciones hechas sobre la red de telefonía tradicional son algo más eficientes y cuestan mucho menos. Su voz es digitalizada, y junto con las de miles de otros se pueden combinar en un solo cable de fibra óptica por gran parte del recorrido. Estas llamadas se transmiten a una tasa fija de 64 kilobits por segundo (Kbps) en cada dirección, para un total de tasa de transmisión de 128

4 Kbps. Dado que hay 8 kilobits (Kb) en un kilobyte (KB), esto se traduce en una transmisión de 16 KB por cada segundo que el circuito este abierto, y 960 KB cada minuto. En una conversación de 10 minutos, el total de la transmisión es 9600 KB, que es aproximadamente igual a 10 megabytes. Si nos fijamos en una típica conversación telefónica, la mayor parte de esta transmisión de datos se desperdiciada. Telefonía de VoIP, Conmutación de Paquetes Por el contrario una Red Telefónica de Conmutación de Paquetes es la alternativa a los circuitos conmutados. Trabajan de la siguiente manera, mientras un lado esta hablando, el otro escucha, lo que significa que sólo la mitad de la conexión está en uso en cualquier momento dado. Basado en esto, se podría dividir el archivo a la mitad (aproximadamente 4,7 MB), para mejorar la eficiencia. Además, a lo largo de una conversación hay momentos en que donde ninguno de los lados habla, por segundos a la vez. Al eliminar esos intervalos de silencio, el archivo sería aún menor. Entonces, en lugar de enviar un flujo continuo de bytes, sólo enviamos los paquetes de octetos ruidosos. En las Redes de Datos no se utilizan los circuitos conmutados. La conexión a Internet sería mucho más lenta si se mantiene una conexión constante con la página Web que está viendo en un momento dado. En cambio, las redes de datos sólo envían y recuperan datos como son necesarios. Y, en lugar de dirigir los datos a lo largo de una línea específica, el flujo de paquetes de datos viaja a través de una caótica red a lo largo de miles de posibles caminos. Esto se denomina Conmutación de Paquetes. Mientras que los Circuitos Conmutados, mantienen la conexión abierta y constante, la Conmutación de Paquetes abre una conexión breve sólo el tiempo suficiente para enviar un pequeño fragmento de datos, llamado paquete, de un sistema a otro. Funciona de esta manera:

5 1. El computador emisor divide los datos en pequeños paquetes, con una dirección en cada uno de ellos, lo cual le indica a los dispositivos de red hacia donde enviarlos. 2. Dentro de cada paquete hay una carga útil. Esto puede ser un pedazo del correo electrónico, un archivo de música o cualquier tipo de archivo que es transmitido dentro del paquete. 3. El computador emisor envía el paquete a un router cercano y se olvida de el. El router enviar el paquete a otro router que está más cerca del equipo receptor, y así continua la cadena. 4. Cuando el equipo receptor obtiene finalmente los paquetes (que pudieron haber tomado caminos completamente diferentes para llegar), utiliza instrucciones contenidas en los paquetes para restaurarlos a su estado original. La Conmutación de Paquetes es muy eficiente. Permite que la red direccione la ruta de los paquetes a lo largo de las líneas menos congestionadas. También libera a los dos equipos que se están comunicando a fin de que estos puedan aceptar la información de otros equipos. Existen tres maneras diferentes de colocar llamadas utilizando VoIP que se usan hoy en día: ATA: es la manera mas simple y común donde se utiliza un dispositivo llamado ATA (adaptador telefónico analógico). Este permite conectar un teléfono normal a su computador o directamente a su conexión de internet para usar VoIP. El ATA es un convertidor analógico-digital que toma la señal análoga de su teléfono y la convierte en digital para transmitirla por internet. Teléfonos IP: estos teléfonos especiales se ven como teléfonos normales, pero en lugar que usar conectores RJ-11 utilizan los RJ-45 para conectarse directamente en el Router, ya que tienen todo el hardware y software necesario para manejar llamadas VoIP directamente en su tarjeta. También existen Teléfonos Wi-Fi, los cuales se conectan y realizan llamadas VoIP a través de un punto inalámbrico.

6 Computador-a-computador: se realizan llamadas usando un programa llamado Softphone instalado en el computador, el cual debe tener una tarjeta de sonido, cornetas, micrófono y conexión a internet ya sea por cable o un módem DSL; y a excepción de la cuota pagada al ISP, las llamadas de computador-a-computador son gratis sin importar la distancia. Actualmente la muchos ya han usado VoIP al realizar llamadas de larga distancia, ya que las compañías telefónicas usan VoIP para coordinar sus redes. Al dirigir miles de llamadas telefónicas por un circuito conmutado y luego a una puerta de enlace IP, reducen seriamente el ancho de banda usado para el largo viaje. Una vez que la llamada es recibida por una puerta de enlace del otro lado de la llamada, se descomprime, combina y dirige al circuito conmutador local. La telefonía IP tiene altas ventajas en términos económicos y en requerimientos de infraestructura. Muchas compañías están instalando sistemas de VoIP y la tecnología sigue creciendo en popularidad mientras se acerca a los hogares. Con VoIP uno puede realizar llamadas telefónicas desde cualquier lugar que tenga una conexión de banda ancha, ya que los teléfonos IP o los ATA transmiten su información por internet, se les puede administrar por cualquier proveedor donde exista una conexión, lo cual permite a los usuarios viajar con sus dispositivos VoIP y siempre tener acceso a su teléfono personal. Muchas de las compañías de VoIP ofrecen tarifas por minuto y planes estructurados como los de los celulares. A demás de esto también proveen características que se encuentran normalmente en planes del servicio telefónico regular, entre estas están: identificador de llamada llamada en espera transferencia de llamada

7 remarcado regreso de llamada llamadas en tres vías Otros servicios avanzados usan el identificador de llamadas para permitirle al cliente escoger como un número particular sera tratado: pasar la llamada a un número especifico enviar la llamada al correo de voz enviar una señal de ocupado enviar un mensaje de fuera de servicio Funcionamiento de la Telefonia VoIP, Codecs Un codec (codificador-decodificador), convierte una señal de audio comprimido en formato digital para la transmisión y luego la reconvierte de vuelta en una señal de audio sin comprimir para la reproducción. Es la esencia de la VoIP. Los Codecs logran la conversión al dividir la señal de audio varias miles de veces por segundo. Por ejemplo, el codec G.711 divide el audio veces por segundo. Convierte cada pequeña muestra en datos digitalizados y los comprime para su transmisión. Cuando las muestras son reensambladas, las piezas de audio que falten entre cada una de las muestras son tan pequeñas que para el oído humano suena como un segundo continuo de audio. Existen diferentes tipos de niveles de muestreo en VoIP dependiendo del codec que se utilice: veces por segundo veces por segundo veces por segundo Un codec G.729A tiene una tasa de muestreo de veces por segundo y es el codec usado más comúnmente en VoIP. Los Codecs utilizan algoritmos avanzados para ayudar a la muestrear, clasificar, comprimir y empacar datos de audio. El algoritmo CS-ACELP (conjugate-structure algebraic-code-excited linear prediction) es uno de los

8 algoritmos más destacados de VoIP. CS-ACELP organiza y optimiza el ancho de banda disponible. Annex B es un aspecto del CS-ACELP que crea la regla de transmisión, básicamente establece que "si nadie está hablando, no envíe ningún dato." La eficiencia creada por esta regla es una de las mejores formas en que la conmutación de paquetes es superior a los circuitos conmutados. Es el Annex B del algoritmo CS-ACELP es el responsable de ese aspecto de la llamada de VoIP. Funcionamiento de la Telefonia VoIP, Softswitches El codec trabaja con el algoritmo para convertir y ordenar todo, pero no sirve de nada si no sabe a dónde enviar los datos. En VoIP, esa tarea es manejada por los Softswitches. Las redes basadas en IP no leen los números de teléfono, estos buscan direcciones IP, estas corresponden a un dispositivo en la red como un ordenador, un router, un conmutador, un gateway o un teléfono. Sin embargo, las direcciones IP no siempre son estáticas. Son asignadas por un servidor DHCP en la red y cambian con cada nueva conexión. Es por eso que en VoIP se debe traducir los números de teléfono a direcciones IP y, para luego, encontrar la dirección IP actual del número solicitado. Este proceso de asignación es manejado por una central de procesamiento de llamadas que ejecuta un Softswitch. La central de procesamiento de llamadas es un hardware que ejecuta un programa especializado de base de datos/mapeo llamado Softswitch. Se trata al usuario, el teléfono o computador como un mismo ente llamado Punto Final, el softswitch conecta Puntos Finales. Los Softswitch saben: Donde esta un Punto Final El número de teléfono asociado a ese Punto Final La dirección IP actual del Punto Final El Softswitch contiene una base de datos de los usuarios y números de teléfono. Si no tiene la información que necesita, entrega la petición a otro Softswitch hasta

9 que encuentra uno que puede responder la petición. Una vez que encuentre al usuario, localiza la dirección IP actual del dispositivo asociado a ese usuario en una serie de peticiones similares. Envía toda la información relevante al Softphone o teléfono IP, permitiendo el intercambio de datos entre los dos Puntos Finales. Los Softswitches trabajan conjuntamente con dispositivos de red para hacer posible la VoIP. Para que todos estos dispositivos trabajen juntos, deben comunicarse de la misma manera. Esta comunicación es uno de los aspectos más importantes que tendrá que ser refinado para lograr el despegue la VoIP. Funcionamiento de la Telefonia VoIP, Protocolos En cada extremo de una llamada de VoIP se puede tener cualquier combinación de teléfono ya sea analógico, software o un teléfono IP que actúa como una interfaz de usuario, los ATAs o software clientes que trabajan con un codec para manejar la conversión de señal digital-a-analógica, y los Softswitches mapeando las llamadas. Todos estas piezas diferentes de hardware y software necesitaran de protocolos para comunicarse de manera eficiente. Hay varios protocolos utilizados actualmente para la VoIP. Estos protocolos definen las maneras en que los dispositivos como los codecs deben conectarse entre sí y con la red usando VoIP. También se incluyen las especificaciones para codecs de audio. El protocolo más utilizado es el H.323, un estándar creado por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT). H.323 es un protocolo muy complejo y que originalmente fue diseñada para la realización de videoconferencias. Proporciona las especificaciones de tiempo real, para videoconferencia interactiva, para compartición de datos y aplicaciones de audio, tales como VoIP. En realidad un conjunto de protocolos, H.323 incorpora numerosos protocolos individuales que se han desarrollado para aplicaciones específicas.

10 Conjunto de Protocolos H.323 Video Audio Datos Transporte H.261 G.711 T.122 H.225 H.263 G.722 T.124 H.235 G T.125 H.245 G.728 T.126 H G.729 T.127 H H RTP X Como se puede apreciar, el H.323 es una gran colección de protocolos y especificaciones. Eso es lo que le permite ser utilizado para muchas aplicaciones. El problema con H.323 es que no esta específicamente adaptados para la VoIP. Una alternativa a H.323 surgido con el desarrollo de Session Initiation Protocol (SIP). SIP es un protocolo más racional, desarrollado específicamente para aplicaciones de VoIP. Más pequeños y más eficientes que H.323, SIP, se aprovecha de los protocolos existentes para manejar ciertas partes del proceso. Media Gateway Control Protocol (MGCP) es el tercer protocolo mas usado en VoIP que focaliza en el control de los Puntos Finales. El MGCP esta orientado hacia características como la llamada en espera. Supervisión de llamadas VoIP VoIP tiene sus ventajas y desventajas. La mayor ventaja de la VoIP es el precio y la mayor desventaja es la calidad de la llamada. Para las empresas que utilizan las redes de telefonía VoIP, los problemas con la calidad de la llamada son tanto inevitables como inaceptables. Para analizar la calidad de la llamada y la solución de problemas, la mayoría de estas empresas utilizan la técnica de supervisión de llamadas VoIP. La supervisión de llamadas VoIP, también conocido como Supervisión de

11 Calidad (QM quality monitoring), utiliza soluciones de hardware y software para probar, analizar y calificar la calidad general de las llamadas realizadas a través de una red de telefonía VoIP. La supervisión de llamadas es un componente esencial para el plan de Calidad de Servicio (QoS) de los negocios de telecomunicaciones. Hardware y software para supervisar llamadas utilizan diversos algoritmos matemáticos para medir la calidad de una llamada VoIP y generar una calificación. La puntuación más común se llama la puntuación media de opinión (MOS mean opinion score). El MOS se mide en una escala de uno a cinco, aunque es técnicamente 4,4 les a puntuación más alta posible en una red de VoIP. Un MOS de 3,5 o superior es considerada una "buena llamada". Para obtener los MOS, el hardware y software para la supervisión de llamadas analiza diversos parámetros de calidad de la llamada, los más comunes son: Latencia - Este es el tiempo de retardo entre dos extremos de una conversación telefónica de VoIP. Puede medirse, ya sea de una manera o de ida y vuelta. La latencia de ida y vuelta contribuye al "efecto de sobre conversación" experimentado durante malas llamadas VoIP, donde la gente acaba hablando por encima de la otra persona por que piensan que esta ha dejado de hablar. Una latencia de ida y vuelta con más de 300 milisegundos, se considera pobre. Inquietud - Es la latencia provocada por los paquetes que llegan tarde o en el orden equivocado. La mayoría de las redes de VoIP intentan deshacerse de esta fluctuación, con algo llamado un jitter buffer que recoge los paquetes en pequeños grupos, los coloca en el orden correcto y los entrega al usuario final todos a la vez. En las llamadas VoIP se nota una fluctuación de 50 ms o mayor. Pérdida de paquetes - Parte del problema con el jitter buffer es que a veces se sobrecarga y los paquetes que llegan tarde se "caen" o se pierden. A veces los paquetes se pierden esporádicamente a lo largo de una conversación (pérdida al azar) y a veces frases completas se dejan caer (pérdida en ráfagas). La pérdida de paquetes se mide como un porcentaje de pérdida de paquetes a los paquetes recibidos.

12 Hay dos tipos de supervisión de llamadas: activo y pasivo. El activo (o subjetivo) la supervisión de llamadas ocurre antes de que la empresa despliega su red de VoIP. La supervisión activa es a menudo realizada por los fabricantes de equipos y por especialistas en redes que utilizan la red de VoIP de la empresa exclusivamente para pruebas. Las pruebas activas no pueden producirse una vez a la red VoIP ha sido desplegada y que los empleados ya están utilizando el sistema. La supervisión pasiva analiza las llamadas VoIP en tiempo real mientras están siendo realizadas por los usuarios. La supervisión pasiva de llamadas puede detectar problemas en el trafico de la red, sobrecargas del buffer y otros problemas que los administradores de red pueden arreglar cuando la red esta inactiva. Otro método para supervisar llamadas es la grabación de llamadas para su posterior análisis. Este tipo de análisis es limitado, sin embargo, a lo que se puede escuchar durante la llamada, no lo que sucede en la red. Este tipo de seguimiento se realiza habitualmente por los seres humanos, no computadoras, y se llama la garantía de calidad. Telefonos y Celulares VoIP. Los teléfonos celulares habilitados para VoIP a penas van entrando en el mercado. Estos permite a los clientes de servicio celular realizar llamadas telefónicas a través de una red de VoIP. Los primeros se basaron en un dispositivo llamado celular en modo dual. Los celulares en modo dual contienen tanto una radio celular regular como una radio Wi-Fi ( b/g). La radio Wi-Fi permite que el teléfono móvil pueda conectarse a una red inalámbrica de Internet a través de un router inalámbrico. Así

13 es como funciona: 1. Cuando el teléfono celular se encuentra al alcance de una red inalámbrica de Internet, el teléfono automáticamente reconoce y se conecta a la red. 2. Cualquier llamada que realice en la red inalámbrica se distribuyan a través de Internet como las llamadas VoIP. las llamadas VoIP son gratuitas. 3. Si el teléfono está fuera del alcance de una señal inalámbrica de Internet, cambiara automáticamente a la red celular y las llamadas regular se cobran de forma normal. 4. Los teléfonos de modo dual puede pasar sin problemas de Wi-Fi a celular (y viceversa) en medio de una llamada al entrar y salir de las redes Wi-Fi. De forma similar a los celulares duales son teléfonos Wi-Fi. Estos teléfonos solo poseen una radio Wi-Fi. Estos se ven como teléfonos celulares (pequeños y ligeros), pero sólo puede hacer llamadas cuando está conectados a una red inalámbrica de Internet. Esto significa que todos los teléfonos Wi-Fi hacen llamadas VoIP. Ventajas de la utilización de la VoIP La VoIP es una gran mejora con respecto al sistema telefónico actual en su eficiencia, el costo y la flexibilidad. Como cualquier tecnología emergente, la VoIP tiene algunos desafíos que superar, pero es claro que los desarrolladores mantener refinado esta tecnología hasta que ésta se sustituye el actual sistema telefónico. La tecnología VoIP usa las capacidades de la conmutación de paquetes en Internet para prestar servicio telefónico. VoIP tiene varias ventajas sobre los circuitos de conmutación. Por ejemplo, la Conmutación de Paquetes permite que varias llamadas telefónicas puedan ocupar la cantidad de espacio ocupado por una sola llamada en una Red de Circuitos Conmutados. Usando RTC, una llamada telefónica de 10 minutos consume de lleno tiempo de transmisión a un costo de 128 Kbps. Con VoIP, la misma llamada ocuparía sólo tres minutos y

14 medio en tiempo de transmisión a un costo de 64 Kbps, dejando otros 64 Kbps libres para esos mismos tres minutos y medio, más un adicional de 128 Kbps para el resto de seis minutos y medio sobrantes. Bajo esta simple estimación, otras tres o cuatro llamadas podían encajar fácilmente en el espacio utilizado por una sola llamada en el marco del sistema convencional; sin incluir en el uso de compresión de datos, lo cual reduciría aún más el tamaño de cada llamada. Una de las ventajas principales de la Conmutación de Paquetes es que las redes de datos ya entienden la tecnología. Al migrar a esta tecnología, las redes telefónicas inmediatamente obtienen la capacidad de comunicarse en la forma en que lo hacen las computadoras. Pasara por lo menos una década antes de las empresas de comunicación pueden hacer el cambio a VoIP. Como ocurre con todas las tecnologías emergentes, hay ciertos obstáculos que deben superarse. Desventajas de la utilización de la VoIP La RTC actual es un sistema solido y a prueba de balas para la entrega de llamadas telefónicas. Los teléfonos siempre funcionan. Por el contrario, las computadoras, correo electrónico y otros dispositivos son todavía muy volátiles. En la actualidad muy pocas personas entran en pánico cuando su correo electrónico deja de funcionar por 30 minutos. Se espera de vez en cuando. Por otra parte, que no halla tono de llamada durante media hora puede causar fácilmente estado de pánico a la población. Entonces, lo qué la RTC carece en eficiencia lo sobre compensa en fiabilidad. Pero la red que conforma la Internet es mucho más compleja y, por tanto, funciona con un mayor margen de error. Lo que todo esto suma es uno de los principales problemas de VoIP: fiabilidad. En primer lugar, la VoIP depende de energía eléctrica. Los teléfonos actuales trabaja con alimentación fantasma proporcionada sobre la línea de la oficina central. Incluso si hay fallo con el servicio electrico, el teléfono aún

15 funciona. Con VoIP, sin electricidad no hay teléfono. Una fuente de energía estable, debe ser creada para la VoIP. Otra consideración es que existen muchos sistemas en los hogares que pueden ser integrados en la línea telefónica. Grabadoras de vídeo digital, la suscripción de servicios de televisión digital y todos los sistemas de seguridad para el hogar utilizan una línea telefónica estándar para funcionar. Actualmente no hay manera de integrar estos productos al VoIP. Las industrias relacionadas con la van a tener que reunirse para hacer este trabajo. Las llamadas de Emergencia también pueden convertirse en un desafío con VoIP. Como se dijo antes, VoIP utiliza la números telefónicos por dirección IP. No hay forma de asociar una zona geográfica con una dirección IP. Por lo tanto, si la persona que llama no le puede decir al operador del 911 donde se encuentra, entonces, no hay forma de saber a qué centro de atención telefónica se debe enviar la llamada de emergencia ni cual centro de ayuda media debe responder. Para solucionar este problema, la información geográfica podría integrarse a los paquetes. Como VoIP utiliza una conexión de Internet, es susceptible a la inestabilidad asociada normalmente con los servicios de banda ancha. Todos estos factores afectan la calidad de la llamada: Latencia Inquietud Pérdida de Paquetes Otro de los problemas es que muchos de sus protocolos no siempre son compatibles. Llamadas de VoIP entre varias redes que pueden toparse con un problema si se consigue con protocolos conflictivos. Dado que VoIP es una tecnología relativamente nueva, este problema de compatibilidad seguirá siendo un problema hasta que un ente que defina los entandares para el desarrollo de la VoIP. Las conversaciones telefónicas se pueden distorsionar, o perder a causa de errores en la transmisión. Es necesario garantizar algún tipo de estabilidad

16 en la transferencia de datos de Internet antes de que la VoIP pueda sustituir verdaderamente la telefonía tradicional. VoIP es vulnerable a los gusanos, los virus y la piratería, aunque esto es muy raro y los desarrolladores de VoIP están trabajando en el cifrado de datos para contrarrestarlo. Otro problema relacionado con VoIP, específicamente de los Softphones, es que estos dependen de computadores con especificaciones y capacidades variadas. Una llamada puede ser afectada por los altos requerimientos en el uso del procesador por otra aplicación. En el peor de los casos, el sistema podría colgarse en medio de una llamada importante. Bajo VoIP, todas las llamadas telefónicas están sujetas a las limitaciones del computador.

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