DE10045463A1 - Selbstsynchronisierende Stromchiffre zur Streckenverschlüsselung über einen fehlerbehafteten Übertragungskanal - Google Patents
Selbstsynchronisierende Stromchiffre zur Streckenverschlüsselung über einen fehlerbehafteten ÜbertragungskanalInfo
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Abstract
Bei einer digitalen Übertragungsstreckenverschlüsselung muss meist der Verlust oder das Einfügen eines Datenpaketes (Schlupf) berücksichtigt werden. Heutige Stromchiffrestandards tolerieren Schlupf nur mittels Redundanzen oder erhöhten Rechenaufwands. Einige Patente bieten eine Verschlüsselung mit automatischer Resynchronisierung nach einem Schlupf trotz niedriger Rechenleistung an, ihre Sicherheit lässt sich meist nicht beweisen. Diese Erfindung soll trotz geringstem Rechenaufwand automatisch resynchronisieren und beweisbar sicher sein. DOLLAR A Zur Selbstsynchronisation und gleichzeitigen Rechenleistungseinsparung besitzen Sender (V) und Empfänger (E) einen Zähler (V6/E6), der bei einem im vorhergehenden Schlüsseltext (4, 13) gesuchten Bitmuster (6, 7; 15, 16) zurückgesetzt wird. Dieser bestimmt (9, 18), wann der gesendete/empfangene Schlüsseltext verschlüsselt (V3/E3) und mit dem Klartext/Schlüsseltext zur Ver-/Entschlüsselung vermischt (V1/E1) wird. Durch die direkte Kopplung der Verschlüsselungsfunktion (V3/E3) an den Schlüsseltext (3, 10) lediglich über Zwischenspeicher (V2, V4; E2, E4) wird diese Stromchiffre kryptographisch analysierbar. DOLLAR A Diese Stromchiffre kann durch gezielte Anpassung des Bitmusters auf bessere Schlupftoleranz oder geringere Rechenleistung eingestellt werden und insbesondere in Abstimmung mit Kommunikationspartnern unterschiedlicher verfügbarer Rechenleistung eingesetzt werden.
Description
Zur effizienten Verschlüsselung von Nachrichten (Klartext) fester Länge werden meist sogenannte
Blockchiffren eingesetzt. Hierbei wird ein Block fester Länge aus Nachrichtenbits mit einem gehei
men Schlüssel in einen Schlüsseltextblock derselben Länge (Blockchiffrelänge) verschlüsselt. Unter
Kenntnis des geheimen Schlüssels kann der Empfänger aus dem Schlüsseltextblock den Klartext
block zurückberechnen. Der Schlüssel soll nur Sender und Empfänger bekannt sein. Zu den be
kannten und häufig eingesetzten Blockchiffren gehören z. B. der US-amerikanische Standard DES
[Federal Information Processing Standards Publication 46] und das IDEA-Verfahren von J. L. Mas
sey und X. Lai (EU-Patent 482154).
In vielen Kommunikationsnetzen beruht die Datenübertragung nicht auf der Übermittlung einzelner
Nachrichtenblöcke, sondern auf der Übertragung eines Nachrichtenstroms variabler Länge. Um ei
nen Datenstrom zu verschlüsseln werden die sogenannten Betriebsarten der Blockchiffren einge
setzt. Sie übersetzen auf unterschiedliche Art und Weise den Datenstrom in eine Aneinanderket
tung von Paketen, auf die dann z. B. eine Blockchiffre angewandt werden kann. Häufig eingesetzte
Vertreter dieser Betriebsarten sind: Output Feedback (OFB), Cipher Block Chaining (CBC) und
Cipher Feedback (CFB) ["MeOV": Menezes, Oorschot and Vanstone: Handbook of Applied Cryp
tography, 1996, 228-233].
In realen Nachrichtenkanälen treten bei der Übertragung eines Nachrichtenstroms verschiedenarti
ge Fehler auf, wovon hier nur zwei genannt werden sollen: Ändert sich während der Übertragung
der Wert eines Bits, so liegt ein Bitfehler vor. Gehen während der Übertragung Nachrichtenblöcke
aus dem Datenstrom verloren oder werden Nachrichtenblöcke in ihn eingefügt, so liegt ein Schlupf
vor. In beiden Fällen kann die Synchronisation zwischen Sender und Empfänger und folglich die
Entschlüsselung gestört werden.
Die Möglichkeit, durch Redundanz eine Fehlererkennung, -korrektur oder eine Synchronisationser
kennung zu realisieren, muss oft ausgeschlossen werden. Insbesondere zur Effizienz- und Band
breitenerhaltung des Übertragungsmediums muss auf das Einfügen zusätzlicher Daten verzichtet
werden. Beispielsweise soll im ISDN-Netz ein Datenstrom mit einer Bandbreite von 64 kBit/s ver
schlüsselt werden, zur Übertragung des Schlüsseltextes stehen aber ebenfalls nur 64 kBit/s zu Ver
fügung. Aus diesem Grund muss bei der Auswahl des Betriebsmodus darauf geachtet werden, dass
die Synchronisation auch ohne Redundanz erhalten bleibt.
Die in [MeOV, 232f.] beschriebene OFB-Betriebsart toleriert keinen Schlupf; dieser führt immer zum
Abreißen der Synchronisation zwischen Ver- und Entschlüsselung. Das Verfahren CBC ist immerhin
in der Lage zu resynchronisieren, wenn die Länge der verlorenen (eingefügten) Nachrichtenblöcke
ein Vielfaches der Blockchiffrelänge darstellt. Insbesondere wegen der zunehmenden Blocklängen
der gängigen Blockchiffren (DES: 64 Bits, AES: 128 Bits) kann davon ausgegangen werden, dass die
übertragenen Nachrichtenblöcke meist kleiner als die Länge der eingesetzten Blockchiffre sind, so
dass diese Anforderung für die Synchronisation oft nicht zu erfüllen ist. Beispielsweise werden Da
ten im ISDN-Netz in Einheiten zu je einem Byte übertragen.
Die CFB-Verschlüsselung (MeOV; 231, 229 Abb 7.1) - in Abb. 1 vereinfacht dargestellt - kann hin
gegen an die Nachrichtenblocklänge angepasst werden. Die Größe des eingesetzten Mischers (z. B.
XOR, bitweise Addition modulo 2) und des gesamten CFB-Apparates wird so dimensioniert, dass
immer genau ein Nachrichtenblock verarbeitet wird. Hierdurch entsteht jedoch eine Effizienzmin
derung. Für jeden übertragenen Nachrichtenblock muss, unabhängig von der tatsächlichen Länge,
eine Verschlüsselung mit der vollen Blocklänge der Blockchiffre durchgeführt werden. Im schlech
testen Fall entspricht die Nachrichtenblocklänge einem einzelnen Bit, so dass für jedes Bit eine
zeitaufwendige Verschlüsselung durchgeführt werden muss. Bei einer 128-Bit Blockchiffre bei
spielsweise erhält man dadurch den 128-fachen Rechenaufwand. Die übrigen Ausgabebits der Ver
schlüsselungsfunktion werden jedes Mal verworfen.
Vor allem ausgehend vom OFB-Modus werden in einigen Patenten effizientere und schlupftolerante
Verfahren beschrieben. In der Auslegeschrift DE 10 76 733 und im Patent DE 18 03 062 werden Ver
fahren beschrieben, die auf Pseudozufallszahlengeneratoren beruhen, deren Pseudozufallsdaten
mit dem Klartext vermischt werden. Das erstgenannte System leitet bei Eintreten des gesuchten
Bitmusters ein Zurücksetzen des Pseudozufallszahlengenerators ein. Dies widerspricht jedoch
durch das so eintretende Wiederholen bereits benutzter "Zufallszahlen" den Anforderungen an eine
sichere Verschlüsselung. Im Patent DE 18 03 062 wird der Einsatz mehrerer verknüpfter Zähler be
schrieben, die unabhängig voneinander - basierend auf der Zufälligkeit des Schlüsseltextes - auf
ihre Anfangszustände gesetzt werden, so dass nur mit geringer Wahrscheinlichkeit alle Zähler zu
einem Zeitpunkt gleichzeitig wieder ihre Grundstellung besitzen. Die Wiederholung eines vorherge
henden Zufallszahlenverlaufs wird damit eher vermieden.
In Patent EP 0 549 047 A1 wird vorgeschlagen, den dem Bitmuster folgenden Datenblock zur Initia
lisierung des Registers/Zählers zu benutzen, arbeitet bis auf das Zurücksetzen aber wie die zuvor
angeführten Verfahren unabhängig vom Schlüsseltext. Der Schlüsseltext wird also in Patent EP 0 549 047 A1
nur zur Bitmustersuche benutzt und in keiner Weise rückgekoppelt.
In Patent CH 658 759 A5 wird vorgeschlagen, statt des Initialisierungswerts den Schlüssel in Ab
hängigkeit von diesem Datenblock zu verändern, um Zufallszahlenwiederholungen zu umgehen.
In früheren Patenten kann insbesondere die Sicherheit bemängelt werden. In einigen Patenten wird
durch das Zurücksetzen eines Pseudozufallszahlengenerators ein Sicherheitsproblem geschaffen.
Andere versuchen durch aufwendige Zählerkonstruktionen und Schlüsselwechsel die Sicherheit zu
bewahren. Das Ziel dieser Erfindung ist es, eine selbstsynchronisierende Stromchiffre mit zu bishe
rigen Patenten vergleichbarer Effizienz zu erzeugen, im Gegensatz zu bisherigen Patenten durch einen
kompakten Aufbau eine kryptographische Analyse zu erleichtern und eine höhere Sicherheit
zu gewähren.
Dies wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst.
Ausgehend vom CFB-Standard wird eine Effizienzsteigerung erzielt, indem man das Auswahlregister
am Ausgang der Verschlüsselungsfunktion durch eine Ausgabeeinheit (z. B. Schieberegister) ersetzt
und die vormals verworfenen Daten nach und nach benutzt. Die aufwendige Verschlüsselung er
folgt in festen Abständen nach jeweils Nachrichtenblocklänge/Blockchiffrelänge Schritten, wobei
x die größte Zahl kleiner oder gleich x ist. Hierdurch verliert das CFB-Verfahren allerdings seine
Schlupftoleranz.
Der Mischer wird weiterhin entsprechend der Nachrichtenblocklänge dimensioniert. Neu ist, dass
nicht in jedem Takt sondern in variablen Abständen eine Verschlüsselung erfolgt. Die vormals ver
worfenen Ergebnisbits der Verschlüsselung lassen sich deshalb weiterverwenden; so kann man
nach einer Verschlüsselung einige folgende Verschlüsselungen einsparen.
Verschlüsselt man beispielsweise 8-Bit-Blöcke mittels DES, so können nach einer durchgeführten
DES-Verschlüsselung 7 folgende Verschlüsselungen eingespart werden, da aus dem ersten DES-
Ergebnis 56 Bits noch nicht benutzt wurden und auf die folgenden sieben 8-Bit-Blöcke angewandt
werden können.
Zur Erhaltung der Schlupftoleranz muss jedoch zusätzlich eine Vergleichseinheit eingesetzt werden,
die auf dem Nachrichtenkanal nach einem zuvor festgelegten Bitmuster sucht. Wird dieses gefun
den, synchronisieren Sender und Empfänger ihre Verschlüsselungseinheiten und sind nach einem
Schlupf und dem ersten folgenden Auftreten des Synchronisationsbitmusters wieder in einem syn
chronen Zustand.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Erfindung ist in Patentanspruch 2 angegeben. Sie ermöglicht
es, die Effizienz der Verschlüsselung an die zugrundeliegende Hardware anzupassen, indem das
Bitmuster in seiner Gestalt frei definiert werden kann.
Eine mögliche Ausführung der Erfindung ist in Abb. 2 gegeben und im folgenden näher beschrie
ben: Sie beschränkt sich auf eine unidirektionale Übertragung; bei bidirektionaler Übertragung wird
die Rückrichtung durch Verdoppelung der Systeme und Vertauschen der Sender- und Empfänger
rolle auf dem Rückweg aufgebaut. Hierzu kann wieder der gleiche Schlüssel k oder ein zweiter ver
einbarter Schlüssel benutzt werden.
Die verschlüsselte Datenübermittlung erfolgt in drei Einrichtungen, die selbst wiederum aus einzel
nen Einheiten zusammengesetzt sind. Die Verschlüsselungseinrichtung V übersetzt den Klartext
strom m (1) in einen Schlüsseltextstrom c (3), der über die Übertragungseinrichtung Ü an die Ent
schlüsselungseinrichtung E übermittelt wird. Diese berechnet aus dem Schlüsseltextstrom c (10)
wieder den Klartextstrom m (12). Klar- und Schlüsseltextstrom m bzw. c werden mit einem gemein
samen Übertragungstakt übertragen.
Im Folgenden beschreibt l1 die Länge der übertragenen Nachrichtenblöcke, l2 die Eingabelänge und
l3 die Ausgabelänge der Verschlüsselungseinrichtung; l1 darf hierbei weder l2 noch l3 überschreiten.
Meistens werden Blockchiffren als Verschlüsselungseinrichtung eingesetzt, wobei dann l2 identisch
zu l3 ist. Bei anderen Verschlüsselungsverfahren sind l2 und l3 unter Umständen unterschiedlich
groß.
Die Verschlüsselung basiert auf einem l1-Bit Mischer V1, der ein l1-Bit langes Klartextstrompaket (1)
mit einem vorausberechneten l1-Bit langen Schlüsselstrompaket (2) zum Beispiel mit Hilfe einer
bitweisen modulo-2-Addition verknüpft. Der Schlüsselstrom (2) wird aus dem l3-Bit breiten Aus
gangsschieberegister V4 gebildet, das im Übertragungstakt um l1 Bits verschoben wird. Der Schlüs
seltextstrom c (3) wird ebenfalls mit dem Übertragungstakt durch die Übernahmeeinheit V2 in die
Verschlüsselungseinrichtung V3 zurückgeführt. Übernahmeeinheit V2 - üblicherweise als Schiebe
register realisiert - dient dazu, l2 Bits des zuvor übertragenen Schlüsseltextes zwischenzuspeichern.
Die in V2 enthaltenen l2-Bit langen Daten liegen an der Verschlüsselungseinheit V3 - bestehend aus
einer Verschlüsselungsfunktion und eventuell einer Bitauswahl zur Ergebnisverkürzung - an und
werden bei Aktivierung von Signal (9) durch V3 mit dem Schlüssel k verschlüsselt und in das Schie
beregister V4 übernommen.
Das Signal (9) wird durch den Zähler V6 erzeugt, der in regelmäßigen Abständen eine Verschlüsse
lung und ein Auffüllen der Ausgabeeinheit V4 mit neuen l3-Bit langen Daten anfordert. Der Zähler
V6 wird im Übertragungstakt von 0 bis l3/l1 - 1 inkrementiert und dann auf 0 zurückgesetzt. Er
löst nach dem Zurücksetzen das Signal (9) aus.
Zusätzlich führt ein Synchronisationsbitmuster zu einer Nullstellung (Synchronisation) des Zählers
V6. Der Mustervergleicher V5 erzeugt ein Rückstellsignal (8), falls er das Synchronisationsbitmuster
in c entdeckt. Mustervergleicher V5 arbeitet auf dem Inhalt der Übernahmeeinheit V2, der unter
Anwendung der festgelegten Bitmaske (7) mit dem gesuchten Bitmuster (6) verglichen wird.
Zur Entschlüsselung schiebt der Empfänger den Schlüsseltextstrom c in die Übernahmeeinheit E2.
Bei Eintreffen des Signals (18) von Zähler E6 verschlüsselt die Verschlüsselungseinheit E3 die Da
ten (13) aus E2 und legt das Ergebnis (14) in der Ausgabeeinheit E4 ab. Hierbei arbeiten E3 und V3
mit dem gleichen Schlüssel k. Aus E4 wird im Übertragungstakt der Schlüsselstrom (11) entnom
men, mit dem Mischer E1 aus c den Klartext m wiederherstellt.
Das Signal (18) wird durch den Zähler E6 ausgelöst, der in seiner Arbeitsweise V6 entspricht. Der
Empfänger besitzt ebenfalls einen Bitmustererkenner E5, der den Zähler E6 zurücksetzt, wenn Ü
bernahmeeinheit E2 unter der Bitmaske (16) das gesuchte Bitmuster (15) ergibt.
Zur korrekten Entschlüsselung müssen Schlüssel k in Ver- und Entschlüsselung V und E überein
stimmen. Damit Sender und Empfänger ihre Synchronisation korrekt einstellen können, müssen je
das gesuchte Bitmuster (6, 15) und die eingestellten Bitmasken (7, 16) übereinstimmen.
Ver- und Entschlüsselung arbeiten auf dem gleichen Schlüsseltextstrom c. Hieraus resultiert im feh
lerfreien Fall der stets gleiche Inhalt der Übernahmeeinheiten V2 und E2. Wird nun auf beiden Sei
ten immer synchron die Verschlüsselung aktiviert, so ist auch der Inhalt von V4 und E4 identisch.
Die Einheiten V4 und E4 geben mit dem gleichen Übertragungstakt auf gleichen Eingaben die glei
chen l1-Bit Pakete (2) und (11) aus. Durch die modulo2-Addition der Mischer wird auf diese Weise
aus c in der Entschlüsselungseinrichtung E wieder m berechnet.
Nach einem Schlupf in der Übertragung des Schlüsseltextstroms führen V und E zu unterschiedli
chen Zeitpunkten eine V3/E3-Verschlüsselung durch. Ihr Synchronlauf wird durch ein auf den
Schlupf folgendes Auftreten des Bitmusters im Schlüsseltextstrom wiederhergestellt, da V und E
bei Erkennung des Musters in V2/E2 ihre Zähler auf 0 synchronisieren.
Es ist nicht erforderlich, dass Bitmuster (6, 15) und Maske (7, 16) geheim gehalten werden. Es kann
gezeigt werden, dass der Angreifer keine nützlichen Informationen aus der Kenntnis des Bitmusters
gewinnen kann. Die sichere Geheimhaltung des Klartextes beruht alleine auf der zugrundeliegen
den Verschlüsselungseinheit V3 und E3 und dem geheimen Schlüssel.
Im Gegensatz zu den zuvor genannten Patenten basiert diese Erfindung ausschließlich auf einer
vollständigen Rückkopplung des Schlüsseltextstroms, der durch die jeweils vorangehende Ver
schlüsselung als pseudozufällig angenommen werden kann. Durch die Ableitung des Verfahrens
vom CFB-Modus kann - je nach zu Verfügung stehender Rechenleistung des eingesetzten Ver- und
Entschlüsselers - zwischen der niedrigen Fehlerempfindlichkeit des Standard-CFB und hoher Effi
zienz des optimierten Verfahrens skaliert werden. Hierzu muss lediglich das gesuchte Bitmuster (6,
15) und die entsprechende Bitmaske (7, 16) zwischen den Kommunikationspartnern an die zu Ver
fügung stehende Rechenleistung angepasst werden.
Je häufiger das Synchronisationsbitmuster auftritt, desto fehlertoleranter und stabiler ist die ver
schlüsselte Verbindung. Gleichzeitig wird aber auch der Rechenaufwand erhöht. Nimmt man statt
dessen ein längeres und damit seltener auftretendes Synchronisationsbitmuster, spart man Re
chenaufwand auf Kosten einer störungsanfälligeren Verbindung.
Der kryptographische Vorteil dieser Erfindung besteht zusätzlich darin, dass unter der Annahme ei
ner sicheren Verschlüsselungsfunktion die Geheimhaltung der verschlüsselten Daten formal unter
sucht und bewiesen werden kann.
Claims (5)
1. Verfahren zur sicheren verschlüsselten Datenübertragung, bestehend aus Sende- und Emp
fangseinrichtung, jeweils über einen Mischer und eine Verschlüsselungseinrichtung verfügend,
das sendeseitig den Klartext im Mischer mit einem Schlüsselstrom zum Schlüsseltextstrom
vermischt, empfangsseitig den Schlüsseltext im Mischer mit einem Schlüsselstrom zum
Klartextstrom vermischt, dadurch gekennzeichnet, dass
sende- und empfangsseitig eine Übernahmeeinheit zuvor eingelesenen Schlüsseltext zwischen speichert und an die Chiffriereinrichtung übergibt,
sende- und empfangsseitig die Chiffriereinrichtung aus dem Schlüsseltextstrom der Übernah meeinheit und einem geheimen Schlüssel den Schlüsselstrom berechnet,
je eine Ausgabeeinheit an die Chiffriereinrichtung angeschlossen ist und an den jeweiligen Mi scher weitergibt und diese Ausgabeeinheit Daten von der zugehörigen Chiffriereinrichtung ge nau dann übernimmt, wenn ein Synchronisationssignal aktiv ist,
dieses Synchronisationssignal durch einen Zähler ausgelöst wird, der die durch den Mischer verarbeiteten Datenblöcke zählt und bei Erreichen eines feststehenden Wertes zurückgesetzt wird, oder durch eine Vergleichseinheit unter gleichzeitigem Zurücksetzen des Zählers ausge löst wird,
diese Vergleichseinheit den Schlüsseltext auf ein zuvor festgelegtes Bitmuster untersucht.
sende- und empfangsseitig eine Übernahmeeinheit zuvor eingelesenen Schlüsseltext zwischen speichert und an die Chiffriereinrichtung übergibt,
sende- und empfangsseitig die Chiffriereinrichtung aus dem Schlüsseltextstrom der Übernah meeinheit und einem geheimen Schlüssel den Schlüsselstrom berechnet,
je eine Ausgabeeinheit an die Chiffriereinrichtung angeschlossen ist und an den jeweiligen Mi scher weitergibt und diese Ausgabeeinheit Daten von der zugehörigen Chiffriereinrichtung ge nau dann übernimmt, wenn ein Synchronisationssignal aktiv ist,
dieses Synchronisationssignal durch einen Zähler ausgelöst wird, der die durch den Mischer verarbeiteten Datenblöcke zählt und bei Erreichen eines feststehenden Wertes zurückgesetzt wird, oder durch eine Vergleichseinheit unter gleichzeitigem Zurücksetzen des Zählers ausge löst wird,
diese Vergleichseinheit den Schlüsseltext auf ein zuvor festgelegtes Bitmuster untersucht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zu überwachende Bitmuster
in Form, Länge und Wert frei bestimmt und so an das Übertragungsprotokoll angepasst werden
kann.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Übernahmeeinheit mit Hilfe von Schieberegistern realisiert ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Mischer und Zähler synchron im Takt der Datenübertragung arbeiten.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Mischer als bitweise modulo-2-Addition (Exklusiv-Oder, XOR) realisiert sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000145463 DE10045463A1 (de) | 2000-09-11 | 2000-09-11 | Selbstsynchronisierende Stromchiffre zur Streckenverschlüsselung über einen fehlerbehafteten Übertragungskanal |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000145463 DE10045463A1 (de) | 2000-09-11 | 2000-09-11 | Selbstsynchronisierende Stromchiffre zur Streckenverschlüsselung über einen fehlerbehafteten Übertragungskanal |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10045463A1 true DE10045463A1 (de) | 2002-03-28 |
Family
ID=7656177
Family Applications (1)
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DE2000145463 Withdrawn DE10045463A1 (de) | 2000-09-11 | 2000-09-11 | Selbstsynchronisierende Stromchiffre zur Streckenverschlüsselung über einen fehlerbehafteten Übertragungskanal |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10045463A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2000-09-11 DE DE2000145463 patent/DE10045463A1/de not_active Withdrawn
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