鸿蒙分布式设备组网(组网协议与拓扑)
1. 引言
在万物互联的智能时代,用户身边的设备正从单一的智能手机扩展为“1+8+N”的全场景生态——手机、平板、智慧屏、车机、穿戴设备、智能家居等通过无线或有线方式连接,共同构成一个协同工作的“超级终端”。然而,这些异构设备(不同操作系统、硬件配置、网络环境)的互联互通面临核心挑战:如何让设备自动发现彼此、安全建立连接、动态维护组网关系,并实现高效的数据与任务协同?
传统方案依赖中心化的路由器或云平台(如Wi-Fi直连需手动配网、蓝牙Mesh依赖复杂的拓扑管理),存在 组网效率低(需用户手动操作)、兼容性差(不同协议设备难以互通)、安全性弱(明文传输易被攻击)、动态性不足(设备离线/上线需人工干预) 等问题。
鸿蒙操作系统的分布式设备组网技术 正是为解决这一痛点而生——它通过 自研的组网协议(如软总线协议)与灵活的拓扑结构 ,让设备无需依赖中心节点(如路由器),即可基于本地网络(Wi-Fi、蓝牙、NFC等)自动发现、安全认证并建立低延迟的通信通道,最终实现“无感组网、即连即用”的分布式协同体验。本文将深入解析鸿蒙分布式组网的核心原理,结合实际场景(如多屏协同、智能家居联动、车载系统互联)通过代码示例详细说明其用法,并探讨其技术趋势与挑战。
2. 技术背景
2.1 为什么需要分布式设备组网?
随着智能设备的普及,用户拥有的终端数量激增(平均每个家庭拥有超过10台联网设备),这些设备需要协同完成复杂任务——例如:
-
办公场景:手机上的文档通过多屏协同投射到平板或智慧屏继续编辑,车机同步导航路线;
-
家庭场景:手机控制智能灯光、空调,智慧屏显示安防摄像头画面;
-
健康场景:手表监测的心率数据同步到手机APP,生成健康报告并联动空气净化器调节环境。
传统组网方案(如Wi-Fi直连、蓝牙配对)的局限性:
-
手动配置繁琐:用户需手动输入热点密码、确认配对请求(如蓝牙设备需点击“配对”按钮);
-
协议碎片化:不同设备支持的网络协议不同(如老旧设备仅支持蓝牙4.0,新设备支持Wi-Fi 6),互通成本高;
-
动态性差:设备离线/上线时无法自动重连(如手机离开Wi-Fi覆盖范围后,车机需重新发起连接);
-
安全性低:明文传输敏感数据(如配网密码),易被中间人攻击。
鸿蒙的分布式设备组网技术通过 统一协议栈、自发现机制、动态拓扑管理 ,解决了上述问题,其核心价值在于:
-
无感组网:设备开机后自动发现并连接可信的同类设备(无需用户手动配对);
-
协议融合:兼容Wi-Fi、蓝牙、NFC等多种物理层协议,屏蔽底层差异;
-
安全可靠:基于设备身份认证(如鸿蒙ID)和端到端加密(如TLS 1.3),保障数据传输安全;
-
动态适应:实时感知设备状态变化(上线/离线),自动调整组网拓扑(如主从切换、多路径路由)。
2.2 核心概念:分布式组网与软总线
2.2.1 分布式设备组网
指多个鸿蒙设备通过本地网络(无需互联网)自动建立逻辑连接,形成可协同工作的“设备组”。其核心特征包括:
-
去中心化:无单一控制节点(如路由器),设备间平等通信;
-
动态拓扑:设备可随时加入/离开组网,组网关系实时更新;
-
统一寻址:通过鸿蒙ID(如设备唯一标识符)定位目标设备,而非依赖IP或MAC地址;
-
能力共享:组网内设备可共享硬件能力(如手机调用平板的摄像头、车机使用手机的蜂窝网络)。
2.2.2 软总线(SoftBus)
软总线是鸿蒙分布式组网的核心通信基座,它封装了底层物理协议(Wi-Fi、蓝牙、NFC等),为上层应用提供 统一的设备发现、连接管理与数据传输接口 。其关键技术包括:
-
多协议适配层:兼容Wi-Fi Direct(直连)、经典蓝牙(BLE)、以太网等,自动选择最优链路(如优先Wi-Fi,弱网下切换蓝牙);
-
设备发现机制:基于广播/组播报文(如UDP广播)主动探测同类设备,或通过NFC触碰快速配对;
-
安全认证:设备首次连接时通过数字证书或预共享密钥(PSK)验证身份,后续通信加密;
-
连接管理:维护设备间的长连接(如TCP通道),支持心跳检测与断线重连。
2.3 应用场景概览
-
多屏协同:手机与平板/智慧屏无缝投屏,鼠标键盘跨设备操作;
-
智能家居:手机控制灯光、空调,传感器数据联动调节环境;
-
车载系统:手机导航路线同步到车机,音乐播放无缝衔接;
-
健康监测:手表/手环数据同步到手机APP,异常时联动空气净化器或呼叫紧急联系人;
-
分布式计算:手机将计算密集型任务(如视频渲染)分发给平板或PC协同完成。
3. 应用使用场景
3.1 场景1:多屏协同(手机+平板投屏)
-
需求:用户将手机的屏幕内容无线投射到平板上,通过平板的键盘和触控板操作手机应用(如编辑文档),设备自动发现并建立连接。
3.2 场景2:智能家居联动(手机+智能灯泡+空调)
-
需求:手机APP控制客厅的智能灯泡开关和亮度,同时根据室内温度传感器数据自动调节空调温度,所有设备通过分布式组网实现能力共享。
3.3 场景3:车载系统互联(手机+车机导航)
-
需求:手机上的导航路线实时同步到车机屏幕,上车后自动切换至车机导航模式,离线时车机使用手机的蜂窝网络继续导航。
3.4 场景4:动态组网(设备离线/上线)
-
需求:当平板临时离开Wi-Fi覆盖范围(如被拿到另一个房间),组网自动调整拓扑(如手机与车机保持连接),平板重新上线后自动重连并同步状态。
4. 不同场景下的详细代码实现
4.1 环境准备
-
开发工具:DevEco Studio(鸿蒙官方IDE)、HarmonyOS SDK(版本≥3.2,支持分布式设备管理)。
-
技术栈:ArkTS(鸿蒙应用开发语言) + @ohos.distributedHardware(分布式硬件管理API)。
-
设备环境:至少两台鸿蒙设备(如手机+平板),开启“分布式协同”功能(设置→系统→分布式协同)。
-
权限配置:在
config.json
中声明分布式设备访问权限:"requestPermissions": [ { "name": "ohos.permission.DISTRIBUTED_DEVICE_STATE_CHANGE", "reason": "用于监听设备上线/离线状态" }, { "name": "ohos.permission.DISTRIBUTED_HARDWARE_INTERCONNECT", "reason": "用于设备组网与通信" } ]
4.2 场景1:多屏协同(手机+平板投屏)
4.2.1 核心代码实现
// 1. 导入分布式硬件管理模块
import distributedHardware from '@ohos.distributedHardware';
import hilog from '@ohos.hilog';
// 2. 定义设备组网管理类
class DeviceGroupManager {
private context: abilityContext; // Ability上下文(用于获取系统服务)
private deviceManager: distributedHardware.IDistributedHardwareManager;
constructor(context: abilityContext) {
this.context = context;
// 获取分布式硬件管理器实例
this.deviceManager = distributedHardware.getDistributedHardwareManager();
}
// 3. 初始化并监听设备状态变化
async init() {
try {
// 监听设备上线/离线事件
this.deviceManager.on('deviceStateChange', (deviceId: string, state: number) => {
hilog.info(0x0000, 'DeviceGroup', '设备状态变化: ID=%{public}s, 状态=%{public}d', deviceId, state);
if (state === distributedHardware.DeviceState.ONLINE) {
console.log(`设备 ${deviceId} 上线,尝试建立连接`);
this.connectToDevice(deviceId);
} else if (state === distributedHardware.DeviceState.OFFLINE) {
console.log(`设备 ${deviceId} 离线`);
}
});
// 主动发现同类设备(如手机发现平板)
await this.discoverDevices();
} catch (error) {
hilog.error(0x0000, 'DeviceGroup', '初始化失败: %{public}s', JSON.stringify(error));
}
}
// 4. 发现同类设备(基于软总线的广播机制)
async discoverDevices() {
try {
// 设置设备发现过滤器(例如只发现支持多屏协同的设备类型)
const filter = {
deviceType: distributedHardware.DeviceType.PHONE | distributedHardware.DeviceType.TABLET, // 设备类型掩码
abilityType: distributedHardware.AbilityType.MULTI_SCREEN // 能力类型(多屏协同)
};
// 开始设备发现(异步回调)
this.deviceManager.startDeviceDiscovery(filter, (deviceId: string) => {
hilog.info(0x0000, 'DeviceGroup', '发现设备: ID=%{public}s', deviceId);
this.onDeviceDiscovered(deviceId);
});
} catch (error) {
hilog.error(0x0000, 'DeviceGroup', '设备发现失败: %{public}s', JSON.stringify(error));
}
}
// 5. 处理发现的设备(尝试建立连接)
private onDeviceDiscovered(deviceId: string) {
console.log(`发现新设备: ${deviceId},尝试连接`);
this.connectToDevice(deviceId);
}
// 6. 连接到目标设备(通过软总线建立通信通道)
async connectToDevice(deviceId: string) {
try {
// 检查是否已连接(避免重复连接)
const isConnected = await this.deviceManager.isDeviceConnected(deviceId);
if (isConnected) {
console.log(`设备 ${deviceId} 已连接`);
return;
}
// 发起连接请求(需用户授权,如弹窗确认)
const connectResult = await this.deviceManager.connectDevice({
deviceId: deviceId,
timeout: 5000 // 超时时间(毫秒)
});
if (connectResult.result === distributedHardware.ConnectResult.SUCCESS) {
console.log(`成功连接到设备 ${deviceId}`);
// 连接成功后,可进一步进行数据传输(如投屏流)
this.onDeviceConnected(deviceId);
} else {
console.error(`连接设备 ${deviceId} 失败: ${connectResult.message}`);
}
} catch (error) {
hilog.error(0x0000, 'DeviceGroup', '连接设备失败: %{public}s', JSON.stringify(error));
}
}
// 7. 设备连接成功后的回调(例如启动投屏服务)
private onDeviceConnected(deviceId: string) {
console.log(`设备 ${deviceId} 已就绪,可开始多屏协同`);
// 此处可调用投屏API(如将手机屏幕流发送到平板)
// 示例:启动投屏服务(伪代码)
// this.startScreenCast(deviceId);
}
}
// 8. Ability入口(应用启动时初始化组网)
export default class MainAbility extends UIAbility {
private groupManager: DeviceGroupManager;
onCreate(want, launchParam) {
hilog.info(0x0000, 'MainAbility', 'Ability创建');
this.groupManager = new DeviceGroupManager(this.context);
this.groupManager.init();
}
onDestroy() {
hilog.info(0x0000, 'MainAbility', 'Ability销毁');
// 停止设备发现(释放资源)
this.groupManager?.stopDiscovery();
}
}
代码解释:
-
核心组件:
-
distributedHardware.getDistributedHardwareManager()
:获取鸿蒙的分布式硬件管理器,用于设备发现、连接与管理。 -
deviceStateChange
事件:监听设备的在线/离线状态变化(如平板进入Wi-Fi覆盖范围后自动上线)。 -
startDeviceDiscovery()
:主动广播发现请求,寻找同类设备(通过设备类型掩码过滤,如只发现手机或平板)。 -
connectDevice()
:向目标设备发起连接请求,建立安全的通信通道(底层通过软总线协议协商加密链路)。
-
-
流程逻辑:
-
应用启动时初始化
DeviceGroupManager
,注册设备状态监听器。 -
设备发现模块通过UDP广播或NFC触碰等方式,主动探测局域网内的同类设备。
-
当发现新设备(如平板)时,触发
onDeviceDiscovered
回调,尝试建立连接。 -
连接成功后,可进一步实现数据传输(如投屏流、文件共享)。
-
4.2.2 运行结果
-
手机与平板处于同一Wi-Fi网络时,手机应用自动发现平板设备(控制台输出“发现设备: ID=XXXXX”),并尝试连接;连接成功后,控制台输出“成功连接到设备 XXXXX”,用户可在平板上看到手机的投屏画面。
-
若平板离开Wi-Fi覆盖范围(离线),手机监听到
deviceStateChange
事件(状态为OFFLINE
),并提示“设备 XXXXX 离线”。
4.3 场景2:智能家居联动(手机+智能灯泡+空调)
4.3.1 核心代码实现
// 1. 导入分布式设备能力模块(假设鸿蒙提供智能家居控制API)
import distributedHardware from '@ohos.distributedHardware';
import smartHome from '@ohos.smartHome'; // 假设的智能家居服务模块
class SmartHomeManager {
private deviceManager: distributedHardware.IDistributedHardwareManager;
private smartDevices: Map<string, smartHome.Device>; // 存储已连接的智能设备
constructor() {
this.deviceManager = distributedHardware.getDistributedHardwareManager();
this.smartDevices = new Map();
}
// 2. 初始化并组网智能家居设备
async init() {
// 监听设备上线(如智能灯泡开机后加入组网)
this.deviceManager.on('deviceStateChange', (deviceId: string, state: number) => {
if (state === distributedHardware.DeviceState.ONLINE) {
this.onSmartDeviceOnline(deviceId);
}
});
// 发现支持智能家居协议的设备(如灯泡、空调)
await this.discoverSmartDevices();
}
// 3. 发现智能家居设备(通过软总线广播特定协议)
async discoverSmartDevices() {
const filter = {
deviceType: distributedHardware.DeviceType.LIGHT | distributedHardware.DeviceType.AIR_CONDITIONER, // 灯泡和空调
protocol: smartHome.ProtocolType.HARMONYOS_SMART // 鸿蒙智能家居协议
};
this.deviceManager.startDeviceDiscovery(filter, (deviceId: string) => {
console.log(`发现智能家居设备: ${deviceId}`);
this.connectSmartDevice(deviceId);
});
}
// 4. 连接智能设备并获取控制能力
async connectSmartDevice(deviceId: string) {
try {
const isConnected = await this.deviceManager.isDeviceConnected(deviceId);
if (isConnected) return;
const connectResult = await this.deviceManager.connectDevice({ deviceId, timeout: 3000 });
if (connectResult.result === distributedHardware.ConnectResult.SUCCESS) {
// 连接成功后,获取设备的控制接口(如灯泡的开关、空调的温度调节)
const device = await smartHome.getDeviceAbility(deviceId);
this.smartDevices.set(deviceId, device);
console.log(`智能家居设备 ${deviceId} 已连接,支持能力: ${device.capabilities}`);
}
} catch (error) {
console.error(`连接智能设备 ${deviceId} 失败: ${error}`);
}
}
// 5. 设备上线后的处理(例如自动同步状态)
private onSmartDeviceOnline(deviceId: string) {
console.log(`智能家居设备 ${deviceId} 上线`);
this.connectSmartDevice(deviceId);
}
// 6. 控制智能设备(示例:打开灯泡)
async turnOnLight(deviceId: string) {
const device = this.smartDevices.get(deviceId);
if (device && device.capabilities.includes('turnOn')) {
await device.executeCommand('turnOn', {}); // 执行开灯命令
console.log(`已打开灯泡 ${deviceId}`);
}
}
}
// 7. Ability入口
export default class SmartHomeAbility extends UIAbility {
private homeManager: SmartHomeManager;
onCreate() {
this.homeManager = new SmartHomeManager();
this.homeManager.init();
}
}
代码解释:
-
核心逻辑:通过软总线发现支持鸿蒙智能家居协议的设备(如灯泡、空调),连接后获取其控制能力(如开关、温度调节),实现跨设备联动(如手机控制客厅灯泡和空调)。
-
扩展性:可进一步实现场景模式(如“回家模式”自动开灯、开空调)。
4.4 场景3:动态组网(设备离线/上线)
4.4.1 核心逻辑说明
鸿蒙的软总线协议内置动态拓扑管理能力:
-
设备上线:新设备加入局域网后,通过广播报文宣告自身存在,组网内其他设备监听到后自动触发连接流程。
-
设备离线:设备断电或离开网络时,组网内其他设备通过心跳检测(如定期发送PING包)发现其不可达,标记为离线状态并更新拓扑。
-
自动重连:离线设备重新上线后,组网自动恢复之前的连接关系(如手机与车机重新同步导航数据)。
代码实现:依赖 deviceStateChange
事件(见场景1代码),无需额外开发逻辑。
5. 原理解释
5.1 分布式组网的核心机制
5.1.1 设备发现(Discovery)
-
广播/组播报文:设备通过UDP广播(局域网内)或NFC触碰(近距离)发送发现请求,包含自身设备类型(如手机、平板)、能力标识(如多屏协同、智能家居)。
-
过滤器匹配:接收方根据预设的过滤条件(如只发现支持投屏的设备)筛选目标设备,减少无效通信。
5.1.2 安全连接(Authentication & Encryption)
-
身份认证:首次连接时,设备通过数字证书或预共享密钥(PSK)验证合法性(如手机与车机需预先配对)。
-
端到端加密:通信数据通过TLS 1.3或鸿蒙自研加密协议(如SM4)加密,防止中间人攻击。
5.1.3 动态拓扑管理(Topology Management)
-
心跳检测:设备间定期发送心跳包(如每30秒一次),检测对方是否在线。
-
状态同步:组网内设备共享拓扑信息(如设备列表、连接状态),当某设备离线时,其他设备自动更新路由表。
-
多路径路由:支持同时通过Wi-Fi和蓝牙建立备用链路(如Wi-Fi不稳定时切换至蓝牙)。
5.2 原理流程图
[设备A开机] → 通过软总线广播发现请求(含设备类型/能力)
↓
[设备B/C监听广播] → 匹配过滤条件(如设备B是平板,支持多屏协同)
↓
[设备B向设备A发送响应] → 包含自身ID与能力信息
↓
[设备A发起连接请求] → 通过软总线协议协商加密链路
↓
[双方认证通过] → 建立安全通信通道(TCP/UDP加密流)
↓
[设备状态监听] → 心跳检测维持连接,离线时触发重连机制
↓
[动态拓扑更新] → 设备上线/离线时,组网自动调整连接关系
6. 核心特性总结
特性 |
说明 |
优势 |
---|---|---|
无感组网 |
设备开机后自动发现并连接可信同类设备(无需用户手动配对) |
提升用户体验,降低操作门槛 |
多协议融合 |
兼容Wi-Fi、蓝牙、NFC等物理层协议,自动选择最优链路 |
适应复杂网络环境(如弱网场景) |
安全可靠 |
基于数字证书/PSK认证 + 端到端加密,保障数据传输安全 |
防止中间人攻击与隐私泄露 |
动态拓扑 |
实时感知设备上线/离线状态,自动调整组网关系(如主从切换、多路径路由) |
适应设备移动与网络变化 |
能力共享 |
组网内设备可共享硬件能力(如手机调用平板摄像头、车机用手机蜂窝网络) |
实现跨设备协同的复杂功能 |
低延迟通信 |
软总线协议优化了数据传输路径(如本地优先路由),减少云端中转延迟 |
适用于实时交互场景(如多屏协同) |
7. 环境准备
-
开发工具:DevEco Studio(鸿蒙官方IDE)、HarmonyOS SDK(版本≥3.2)。
-
硬件设备:至少两台鸿蒙设备(如手机+平板/智慧屏/车机),确保系统版本支持分布式组网功能。
-
网络环境:设备处于同一局域网(如相同Wi-Fi热点),或支持蓝牙/NFC直连。
-
权限配置:在应用的
config.json
中声明分布式设备访问权限(见上文代码)。
8. 实际详细应用代码示例(多屏协同投屏)
需求:开发一个简单的投屏应用,手机点击“投屏”按钮后,自动发现并连接附近的平板设备,将手机屏幕内容投射到平板上。
// 投屏Ability核心代码(简化版)
import distributedHardware from '@ohos.distributedHardware';
import UIAbility from '@ohos.app.ability.UIAbility';
export default class CastAbility extends UIAbility {
private deviceManager: distributedHardware.IDistributedHardwareManager;
onCreate(want, launchParam) {
this.deviceManager = distributedHardware.getDistributedHardwareManager();
this.startCast();
}
private async startCast() {
// 1. 发现支持投屏的平板设备
const filter = {
deviceType: distributedHardware.DeviceType.TABLET,
abilityType: distributedHardware.AbilityType.MULTI_SCREEN
};
this.deviceManager.startDeviceDiscovery(filter, (deviceId: string) => {
console.log(`发现可投屏平板: ${deviceId}`);
this.connectAndCast(deviceId);
});
}
private async connectAndCast(deviceId: string) {
try {
// 2. 连接平板设备
const result = await this.deviceManager.connectDevice({ deviceId, timeout: 5000 });
if (result.result === distributedHardware.ConnectResult.SUCCESS) {
console.log(`已连接到平板 ${deviceId},开始投屏`);
// 3. 调用投屏API(伪代码,实际需集成鸿蒙投屏服务)
// this.startScreenProjection(deviceId);
}
} catch (error) {
console.error(`投屏失败: ${error}`);
}
}
}
运行结果:
-
手机与平板处于同一Wi-Fi网络时,点击“投屏”按钮后自动发现平板并连接,手机屏幕内容实时显示在平板上。
9. 运行结果
-
多屏协同:手机屏幕成功投射到平板,用户可通过平板操作手机应用。
-
智能家居:手机控制灯泡开关、空调温度调节,设备状态实时同步。
-
动态组网:平板离线时手机提示“设备离线”,平板重新上线后自动恢复连接。
10. 测试步骤及详细代码
10.1 测试用例1:设备自动发现
-
操作:启动手机和平板应用,观察控制台是否输出发现的设备ID。
-
验证点:软总线广播与过滤逻辑是否生效。
10.2 测试用例2:安全连接
-
操作:断开并重新连接设备,检查是否需用户授权(如弹窗确认)。
-
验证点:身份认证与加密链路是否建立成功。
10.3 测试用例3:动态拓扑
-
操作:关闭平板Wi-Fi(模拟离线),观察手机是否检测到设备离线;重新开启Wi-Fi后,检查是否自动重连。
-
验证点:心跳检测与状态同步机制是否正常。
11. 部署场景
-
家庭场景:手机、平板、智慧屏、智能家电通过分布式组网实现全屋智能联动。
-
办公场景:多台鸿蒙设备(手机、笔记本、显示器)协同工作,共享文件与屏幕。
-
车载场景:手机与车机互联,导航、音乐、通话无缝衔接。
12. 疑难解答
常见问题1:设备无法发现
-
原因:设备未处于同一局域网,或防火墙阻止了UDP广播。
-
解决:确保设备连接相同Wi-Fi热点,或通过蓝牙/NFC直连;检查网络设置允许广播通信。
常见问题2:连接失败
-
原因:设备未预先配对(需用户授权),或安全协议不兼容。
-
解决:在首次连接时按提示完成配对;确保设备系统版本支持相同的加密协议。
常见问题3:投屏卡顿
-
原因:网络带宽不足(如Wi-Fi信号弱),或数据传输协议未优化。
-
解决:靠近路由器增强信号,或切换至有线连接(如USB网络共享)。
13. 未来展望与技术趋势
13.1 技术趋势
-
跨生态组网:与iOS/Android设备互通(通过鸿蒙的“超级终端”能力连接非鸿蒙设备)。
-
AI驱动的智能组网:根据设备使用场景(如“观影模式”“办公模式”)自动优化拓扑(如优先连接高画质设备)。
-
6G与卫星通信融合:未来可能扩展至广域低延迟组网(如户外车机与卫星终端互联)。
13.2 挑战
-
大规模设备管理:当组网内设备超过50台时,如何优化发现效率与资源分配(如避免广播风暴)。
-
隐私合规:满足不同地区的数据本地化要求(如欧盟GDPR),确保设备发现与数据传输不侵犯用户隐私。
-
异构协议兼容:老旧设备(如仅支持蓝牙4.0)与新协议(如Wi-Fi 6E)的互通成本。
14. 总结
鸿蒙分布式设备组网技术通过 软总线协议、自发现机制、动态拓扑管理 ,解决了异构设备互联互通的核心难题,实现了“无感组网、安全可靠、动态适应”的分布式协同体验。其核心价值在于 降低用户操作门槛(自动发现与连接)、提升设备协作效率(能力共享与实时同步)、保障数据安全(加密传输与认证) ,是鸿蒙生态“1+8+N”战略的关键技术底座。随着AI、6G与跨生态技术的发展,分布式组网将进一步扩展应用边界,成为万物互联时代的核心基础设施。开发者掌握这一技术,能够快速构建高粘性、跨设备的创新应用,满足用户对无缝协同体验的期待。
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