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민군 협력 측면에서 본 국방 소프트웨어의 현재와 미래:
임베디드 SW, 국방 SW를 만나다


임채덕, 김태호, 김원태, 박사천 / 한국전자통신연구원 임베디드SW연구부



국방 SW에서의 임베디드 SW의 중요성 

국방 체계에 있어서 SW의 역할은 매우 확대되어 가고 있다. 국방 SW는 그림 1과 같이 무기체계 SW와 비무기체계 SW로 구분되는데, 그 중에서 임베디드 SW와 관련이 있는 분야는 무기체계 SW이며 이러한 무기체계 SW는 무기체계 임베디드 SW와 전장관리 정보체계 SW로 나눠진다.

특히, 무기체계 SW에서 우리가 흔히 무기로 언급하는 부분에 사용되는 SW가 '무기체계 임베디드 SW'이며, 방위사업청 '무기체계 내장형SW 개발관리 실무편람'에 의하면 각종 무기 체계에 내장되어 해당 장비의 임무에 전용으로 제공되는 소프트웨어로 정의하고 있다.



그림 1. 국방 SW의 분류


국방분야에서는 '무기체계 내장형 SW'라는 용어를 '무기체계 임베디드 SW'라는 용어보다 많이 사용하고 있으나, 본 기고에서는 일관성을 위하여 임베디드 SW라는 용어로 통일하였다.

무기체계에서 SW의 사용은 급격하게 확대되고 있다. 특히, 무기체계 중 전장관리 정보체계에 해당되지 않는 일반적인 무기체계는 실시간성과 고신뢰성을 요구하고, 융통성, 재사용성, 확장가능성, 비용적인 측면 등 다양한 장점이 있기 때문에 임베디드 SW 기술이 적용이 더욱 확대되고 있다. 최근에는 임베디드 SW의 사용에 힘입어 무기체계의 지능화 및 복합화가 진행 중이다.

표 1은 미국 전투기에 내장된 소프트웨어의 크기(Lines Of Code; LOC)의 증가 추세를 보여준다.



표 1. 미국 전투기에 내장된 소프트웨어의 크기 변화


이 표에 의하면 F-4에서 2,000 LOC에 불과하던 SW는 F-35에서는 15,000,000LOC로 SW의 크기가 7,000배 성장한 것을 알 수 있으며, 이러한 추세는 다른 무기체계에서도 유사하게 나타나고 있다.

무기체계 임베디드 SW는 무기체계에 내장돼 기능과 성능을 제공하는 SW로, 높은 신뢰성, 가용성·운용성 요구, 실시간성, 무인 운용, 서비스 거부에 대한 복구, 데이터 무결성, 고장 복구, SW 무결성, 대규모성의 특징을 가지고 있다[1].

이러한 특징에서 기인하는 개발의 어려움으로 인하여 많은 무기체계 임베디드 SW의 개발이 지연되고, 비용이 추가 소요된다. 미국 감사원 보고서에 의하면 F-35가 지난 2001년 프로젝트 시작 시에는 2012년 생산, 개발비 $2,330억을 예상하였으나, 2012년에는 2019년 생산, 개발비 $3,957억으로 초기 예산 및 계획이 2배 정도 초과될 것으로 예상되고 있다[2].

이와 같이 무기체계 임베디드 SW 개발은 매우 어렵기 때문에 품질을 높이고, 개발 비용을 절감하는 방안에 대하여 많은 연구가 진행되었다.

품질을 높이는 방법으로는 소프트웨어 공학 기법의 적용을 통한 소프트웨어 프로세스 도입, 소프트웨어 시험 및 검증 기법 등이 적용되었다. 이러한 기법은 국방 SW 개발 업체의 역량을 평가하는 데에 사용되었으며 현재에는 민간의 SW 개발 업체의 역량을 평가하는 데에도 사용되고 있다.

과거에는 무기체계 임베디드 SW가 국방부문에 한정되어 사용되고 민간분야와의 상호 교류가 매우 제한적으로 이뤄져 국방 체계의 벽이 높다고 느껴져 왔으나, 최근에는 임베디드 SW의 기반 기술 성격(과학기술의 80% 이상이 국방과 민간 공통 활용이 가능한 기술)에 대한 인식과 90년대 이후 민간부문의 연구개발 투자비용이 국방부문을 앞지르게 됨에 따라 국방분야와 민간분야의 교류가 활발하게 이뤄지고 있다.

우리나라에서도 이러한 추세에 맞추어 민군 기술협력 프로그램으로 국방특화연구, 민군겸용 기술개발, 국방 기술이전, 민군규격통일화, ACTD(Advanced Concept Technology Demonstration) 제도 등이 운영되어 과거보다 한층 낮아지고 있다.

본 기고에서는 무기 체계와 임베디드 SW의 관계를 국방 분야와 민간 분야로 대응하여 살펴보고자 한다. 국방 SW의 현재를 민군 협력의 측면에서 해외와 국내의 사례를 살펴보고자 한다. 그리고 국방 SW가 앞으로 어떤 방식으로 발전하게 될 것인지를 살펴보고, 마지막으로 결론을 맺고자 한다.

국방 SW의 현재 

1. 해외 국방 SW와 민간 임베디드 SW 협력 현황
해외 국방 관련 연구기관에서는 오래 전부터 민간과 국방의 벽을 허물고 상호간의 신속한 기술이전이 가능하여 민·군이 상생하는 연구개발 환경을 만들어 왔다. 이번 절에서는 미국의 국방고등연구계획국인 DARPA(Defense Advanced Research Project Agency)와 미 해군연구소의 사례를 조명해 본다. 

특정 분야의 전문화된 기술에서 융복합 기술의 시대로 전환되면서 임베디드 SW의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 특히 국방에서 사용되는 임베디드 SW는 고신뢰성이 요구된다. 최고 수준의 기술을 무기체계 등 국방 시스템에 신속하게 적용하기 위해서 미국의 DARPA(Defense Advanced Research Project Agency)는 민군 협력의 끊임없는 혁신을 수행해 왔으며 융복합 연구의 구심점에 서 있다.

1950~60년대에 DARPA에서 개발된 F1 엔진, ARPAnet, 2A 교통위성 등의 기술은 각각 달 탐사 우주선, 인터넷, GPS 등 민간으로 확장 적용되었고, 80년대에는 전체 프로그램 중 민간 분야의 연구가 약 40%, 90년대에는 50%로 늘어났다. 최근에도 DARPA의 프로젝트들이 구글맵, 구글의 자율주행자동차, 아이폰의 시리 등의 민간 기업의 선진 기술로 이어지는 사례가 계속되고 있다[3].

DARPA는 6개의 부문으로 나뉘어 운영되며, 국방 능력 증강과 관련된 연구를 수행하는 AEO(Adaptive Execution Office), 기초연구와 제품 출시의 가교역할을 수행하는 DSO(Defense Science Office), 국가기반을 안전하게 하며 사이버 공격으로부터 보호하기 위한 혁신적인 기술을 관장하는 I2O(Information Innovation Office), 마이크로 전자기계 시스템 및 바이오 기술을 관장하는 MTO(Microsystem Technology Office), 전투 관리, 지휘 통제, 통신 네트워크 등의 분야를 관장하는 STO(Strategic Technology Office), 그리고 새로운 플랫폼, 무기 등 고비용 고위험의 혁신적인 기술을 관장하는 TTO(Tactical Technology Office)가 있다[4].



그림 2. I2O과제 공모


각 부문들은 민간 협력 프로그램들을 운영하는데, 그림 2와 같이 최근 I2O에서 공모하는 과제 중에 임베디드 시스템의 안전과 보안성에 관련된 고신뢰 가상 군용 시스템(HACMS: High-Assurance Cyber Military Systems)이 있다.

임베디드 시스템은 과거에 단일 제품으로 사용되던 것에서 네트워크로 연결되고 지휘 통제 하에서 유기적으로 협업하도록 하는 CPS(Cyber-physical system)로 변화하는 추세이다. 민간에서는 의료, 교통 분야에서 CPS가 활발하게 연구되고 있으며, DARPA는 고신뢰의 CPS를 구축하는 HACMS 과제를 민군 겸용으로 추진하려고 한다. 이 과제의 핵심 기술에는 정리 증명기와 모델 체커 같은 검증 도구 및 상호작용하는 소프트웨어 합성 시스템 등이 포함된다.

만일 이 과제가 성공하면 공개 가능한 도구들이 통합되어 고신뢰 소프트웨어 워크밴치를 제공할 것이다. 이러한 워크벤치에서는 운영체제 및 제어 시스템 컴포넌트와 고신뢰 공개 소프트웨어를 생성하고, 이렇게 생성된 컴포넌트들로부터 고신뢰 군용 차량을 구축할 계획을 가지고 있다. 개발된 기술은 민간과 국방에 동시에 기술이전되며, 국방의 경우 무인 장비로부터 무기 시스템 및 인공위성 그리고 지휘 통제 장비 개발에 사용될 것이다[5, 6].

미 해군연구소(Naval Research Laboratory)는 주로 군사용으로 필요한 과학기술 연구를 국가의 통제 하에 수행하기 위해 1920년 초에 설립된 국방부 산하 국립 연구소이다. 미 해군 소속으로서 주로 해군 연구청(Office of Naval Research), 해군 연구소 기초연구 자금 그리고 여러 국방기관으로부터 지원 받고 있으나 NASA, SNWSC(Space and Naval Warfare System Command), DoE(Department of Energy) 등 정부기관 또는 일부 각종 산업체와도 긴밀한 관계를 유지하면서 협력하고 있다.

1986년에 제정된 연방 기술이전 법은 정부기관에 의해서 개발된 기술이 산업계로 이전되도록 요구하고 있는데, 해군연구소에서는 TTO(Technology Transfer Office)를 두고 해군연구소의 혁신적인 기술 결과물이 산업으로 이전되어 제품화되고 서비스화 되도록 하고 있다[7].

해군연구소의 TTO는 NRL에서 상업화 가능한 기술들을 10개의 분과(인공지능, 생명공학, 통신, 전자, 에너지, 정보기술, 소재, 해양학, 광학, 센서)로 분류해서 소개하고 있다. 정보 기술 분과에서 소개하고 있는 소프트웨어 개발 툴셋은 원자력, 자동차, 의료 장비, 항공기, 공정 제어 등의 임베디드 SW 분야에서 사용될 수 있는 개발 툴셋이다.

툴셋은 확장 가능한 표 형태로 표현된 요구사항을 기반으로 명세 작성 및 일치성 검사, 타당성 검사, 안전성과 보안성 검사를 도와준다.

또한 그림 3과 같이 실제 시스템 사용자(파일럿, 시스템 운용자 등)에 의한 평가가 가능하도록 응용을 시뮬레이션하는 그래픽 인터페이스도 제공한다[8].


그림 3. 항공기 동작 시뮬레이션과 안전 오류 검출을 위한 그래픽 인터페이스
 

2. 국내 국방 SW 현황
(1) 국내 국방 SW의 임베디드 SW 활용 현황
국내에서도 국방 체계와 무기체계에 임베디드 SW의 중요성이 더욱 인식되고 있다.
그러나 국내 SW의 경우, 임베디드 SW 국산화율이 2008년 기준 휴대폰(15%), 자동차(5%), 조선(4%), 국방(1%) 등대부분 저조하다는 지식경제부의 발표가 있다.

기반 SW 중 운영체제 기술은 시스템의 안정성과 신뢰성을 결정짓는 핵심 기반 SW로서 앞서 언급한 바와 같이 기술의 발전에 따라 그 요구가 급격히 성장하고 있음에도 현재까지는 주로 외산 운영체제에 의존하고 있다.

또한, 네트워크 중심전으로 전쟁의 패러다임이 전환되고 있는 현 상황에서 감시정찰체계, 지휘통제체계 및 정미타격체계간의 정밀한 상호연동 SW는 무기체계에 없어서는 안될 요소이며, 현재 전 세계적으로 OMG DDS(Object Management Group Data Distribution Services)가 연동 미들웨어 표준으로 활용되고 있다.

그러나 운영체제와 마찬가지로 DDS 역시 외산 COTS에 전량 의존하고 있는 현실이다.
이에 임베디드 SW의 국산화를 통해 무기체계의 명품화와 해외 수출 전략에 어려움을 갖게 하는 국방산업의 현실적 문제로 이를 극복하고자 정부에서는 지난 2010년부터 WBS(World Best Software) 프로젝트를 지원하였으며, 그 성과로 기반 SW 중 무인기용 RTOS(Qplus-AIR)와 기동무기체계용 RTOS의 개발이 한국전자통신연구원에 의해 성공하였다.

특히, Qplus-AIR로 명명된 무인기 OS는 항공기분야 신뢰성 인증 기준인 DO-178B Level A를 획득하여 그 품질과 기능의 우수성을 세계적으로 입증하였다.

또한, DDS 기술도 한국전자통신연구원이 국책사업을 통해 개발 완료하여 지난 2012년 3월에 OMG에서 주관하는 DDS 제품들간의 상호연동성 검증 테스트를 통과함으로써 국제적인 신뢰를 획득하였다.

더불어, 로봇용 임베디드 SW 플랫폼 기술로서 로봇 제어에 필요한 SW 컴포넌트를 수용하고, 주어진 작업을 수행할 수 있도록 설계된 OPRoS(Open Platform for Robotic Services) 기술을 개발하여 사용 중이다.

(2) 민간개발 국방용 SW 소개
가. 무인항공기용 운영체제
최근 개발되는 항공용 운영체제는 응용에 대해서 강력한 시·공간적 파티셔닝을 제공하는 통합된 모듈형 구조를 지원한다.
한국전자통신연구원 임베디드SW연구부에서는 이러한 개념으로 항공용 운영체제 Qplus-AIR를 개발했다.
Qplus-AIR는 커널 코어에 해당하는 Qplus-653과 그 외의 BSP, 디바이스 드라이버, 라이브러리, 네트워크 스택, 디버그 서버 등으로 구성되는 Qplus-EXT로 이루어진다. 그림 4는 Qplus-AIR의 아키텍처를 보여준다.


그림 4. Qplus-AIR 아키텍처


그림 4에서와 같이 Qplus-AIR는 통합 모듈형 운영체제의 표준인 ARINC-653[9] 규격을 준수하며 APEX(Application/Executive) 인터페이스 및 POSIX 인터페이스를 제공한다. 또한 파티션을 생성하고 관리하는 파티션 관리, 파티션간의 통신, 파티션 내의 프로세스들의 스케줄링, 프로세스 간 통신 및 응용 및 시스템의 에러를 처리하기 위한 모니터링(health monitoring) 등의 ARINC-653 기본 기능을 제공한다.

이외에도 응용 간의 원활한 통신을 위한 공유 메모리(Shared IO Region: SIOR), 다 채널 간 시간 동기화를 위한 채널 동기화 기능을 지원한다. 무엇보다도 시스템 모니터링 기능을 지원함으로써 통합 테스팅 장비와 연동하여 지상에서 실시간 모니터링을 가능하게 했다. Qplus-653은 항공용 SW 안전 인증 규격인 DO-178B[10]의 최고 등급인 레벨 A 인증을 완료한 상태이다.

나. 국방 표준 통신 미들웨어
실시간 시스템을 위한 데이터 중심 배포 미들웨어 기술(Data Distribution Service, DDS)은 분산 환경을 위한 출판(Publish)/구독(Subscribe)의 명세를 갖는 미들웨어로, 분산 환경을 위한 데이터 중심의 출판-구독 프로그래밍 모델에 대한 표준화의 필요성에 의해 OMG에 의해 만들어 졌고 주로 미국의 RTI사와 Prismtech사에 의해서 표준화가 주도되었다. 

DDS 출판-구독 모델은 분산 애플리케이션에서의 복잡한 네트워크 프로그래밍을 가상적으로 제거하며, 기본적인 출판-구독 모델 이상의 메커니즘을 지원한다. 통신으로 DDS를 이용하는 애플리케이션이 갖는 주요한 이득은 상호간의 응답을 다루기 위해서 짧은 설계 시간이 소요되며, 특히, 애플리케이션들은 위치나 존재를 포함한 참가하는 다른 애플리케이션들에 대한 정보를 필요로 하지 않는다.

DDS는 사용자 애플리케이션들로부터의 어떤 간섭 요구 없이 다음 내용을 포함한 모든 메시지 전송에 대한 것을 자동적으로 다룬다. 더불어, DDS는 사용자가 22종의 다양한 QoS(Quality of Service) 파라미터를 설정하는 것을 허용하고 자동-발견 메커니즘을 포함한 메시지를 보내거나 받을 때 사용되는 방법들을 제공한다.

특히, 연동해야 하는 개체를 찾는 방식이 완전 분산방식에 기반하고 있어서 무기체계와 같이 적의 공격에 따른 파괴가 예상되는 시스템에서 일부분이 손상되어도 안정적으로 동작하여 전체 시스템의 운용에 지장을 주는 않는 안정적 구조를 갖는 것이 큰 장점이라 할 수 있다. 결과적으로, DDS는 수많은 통신 엔터티들이 실시간으로 신뢰성기반 통신을 함에 있어서 기존의 어떠한 통신 미들웨어가 제공할 수 없었던 기능과 성능을 제시하고 있어 많은 무기체계들에 탑재되어 상호연동성을 제공한다. 

현재 DDS는 미국이 표준화와 기술개발을 주도하고 있으며, RTI(미), Prismtech(미), OCI(미), Twin Oaks(미), 한국전자통신연구원(한) 등이 주요 벤더로서 활동 중이다.

한국전자통신연구원은 EDDS(ETRI DDS)라 명명된 국산 DDS 기술을 OMG가 매년 개최하는 상호연동성 평가에 지난 2012.3(워싱턴DC/미국)과 2013.6(베를린/독일)에서 2차례에 걸쳐 참여하여 성공적인 평가를 받아, 한국 최초 상용화 DDS 기술 개발에 성공하였다. 특히, 지난 베를린 OMG 상호연동성 시험에서는 유럽의 NADS 등 2개 기관이 추가로 참여하여, OMG DDS 기술이 미국, 한국, 유럽의 3강 체제가 확립되었다.

그림 5는 한국전자통신연구원이 개발한 EDDS의 기본 구조로 네트워크 계층을 기반으로 통신 프로토콜(RTPS) 계층, 통신 제어 및 관리(DCPS) 계층 및 애플리케이션 계층으로 구성되며, 개발자 편이성을 제공하기 위한 통합개발환경과 운용자 편이성을 위한 모니터링 및 분석도구 그리고 네트워크 시뮬레이터와의 인터페이스를 제공한다.

국방 SW의 미래

앞서 살펴본 바와 같이 국방 SW는 고품질의 SW를 적은 비용으로 획득하기 위하여 민간 분야와의 활발한 기술 교류 추세가 예측되며, 또한 재사용성 및 유지보수성 증대를 위한 표준화가 예측된다.


그림 5. ETRI DDS 소프트웨어 구조





그림 6. 국방연구개발 수행체계 상 민군겸용 기술개발 사업의 대상 범위
 

1. 국방 분야와 민간 분야의 기술 겸용 추세 강화
국내에서는 국방 분야와 민간 분야 기술의 협력을 촉진하기 위하여 국방특화연구, 민군겸용기술개발, 국방 기술이전, 민군규격통일화, ACTD (Advanced Concept Technology Demonstration) 제도 등 여러 제도 및 과제가 운영되고 있다[11].

이중 대표적인 사업인 민군겸용기술개발 사업의 경우 국방과학연구원 민군겸용기술센터 주관으로 운영되고 있다. 이 사업의 국방연구개발수행체계상 대상 범위는 그림 6과 같고[12] 대표적인 사업 목록은 표 2와 같다.

이와 같이 개방적인 구조가 진행됨에 따라, 향후에는 기술개발 분야뿐만 아니라, 무기체계의 전 단계에 민군 협력이 활성화될 것으로 예상하고 있다[11]. 

2. 표준화를 통한 SW 재사용성 증대 및 개발/획득 비용 절감 
민간부문과 국방부문에서는 하나의 체계를 개발하기 위하여 표준화를 통하여 SW 재사용성을 증대시키고, 개발/획득 비용을 절감하는 것이 가능하다.

현재에는 국방부문 표준과 민간부문 표준이 독자적인 표준으로 발전하고 있지만 향후에는 상호 연계된 표준, 상호 호환되는 표준으로 발전할 것으로 예상된다.

이러한 국방 표준 중 현재 진행 중인 것으로 미군 항공 SW에서 공통으로 사용 가능한 표준 아키텍처로 정의한 FACE (Future Airbor ne Capability Environment)가 있다(그림 7). 이것은 미국 해군항공체계사령부(NAVAL Air Systems Command)를 주축으로 하여 미국 방산업계들로 구성된 컨소시엄에서 제정한 것으로, 항공 SW의 재활용성 및 상호 운영성을 향상시키고, 시스템 개발이나 업그레이드 시에 비용을 절감하기 위한 표준이다.


그림 7. FACE 아키텍처


 


실시간 3차원 가상물체 합성기술 개발 '05.11~'10.12
RTI (Run-Time Infrastructure) 개발 '06.9~'10.12
광역지형 3D 합성모델 개발 '09.6~'11.6
집단훈련을 위한 착용형 혼합현실 기술 개발 '09.6~'14.12
고신뢰성 내장형 S/W 오류 자동 검증 기술 '11.11~'15.11
복합무기체계 S/W 공통운용기술 '13.6~'16.6
한국형 체계공학 관리 시스템 '11.11~'15.11
DDS 기반의 통합 개발지원환경 '13.6~'16.6
고신뢰 RTOS 기술적용 및 시험평가 '13.6~'15.6
차세대 자동차용 이더넷백본 이중화 기술 '13.6~'15.6
실시간 L-V-C 연동을 위한 통신미듈웨어 프레임 워크 '13.7~'17.7
표 2. 민군겸용기술개발 사업 목록(과제명과 과제기간)


이 표준에서는 컴퓨터, 그래픽 디자인 설계 및 개발 환경, DDS(Data Distribution Service), 그래픽 디바이스 및 드라이버, 운영체제의 5계층으로 구성되어 있으며, 각 계층별로 참여한 업체들이 COTS 솔루션 참조 컴포넌트를 만들고, FACE 에어포스 TIM(Technical Interchange Meeting)에서 전시 및 시연을 통해 적용 가능성을 보여주고 있다. 

이와 같이 FACE는 국방 표준이지만, 실제 FACE의 아키텍처 상의 컴포넌트들은 국방 표준이 아니라, 민간 표준이 사용되고 있다. 국방분야와 민간분야의 표준이 상호 융합되면서 나름의 표준으로 발전하는 것이 향후 더욱 일반화 될 것으로 예상된다.

결론

지금까지 임베디드 SW가 국방 SW에 있어서 비중과 중요성이 더욱 커지는 현실을 살펴보았고, 민간분야의 임베디드 SW가 국방 SW에 적용되기 위한 민간과 국방분야의 협력 관계 및 몇 가지 사례를 기술하였다.

민간분야의 임베디드 SW와 국방 SW의 상호 협력은 향후에 더욱 확대될 것이 분명하기 때문에, 민간분야에서는 군수라는 새로운 기회와 국방분야의 안정적인 기술을 얻고, 국방분야에서는 저렴하게 기술을 획득하고 기술을 민수에 파급되는 효과가 발생할 것이다.

 

참고

[1] 김인철, 국방 및 민군겸용탑재형 SW 개발 발표자료, 2013
[2] GAO, JOINT STRIKE FIGHTER - DOD Actions Needed to Further Enhance Restructuring and Address Affordability Risks (GAO-12-437), 2012
[3] Richard Van Atta, DARPA: 50 Years of Bridging the Gap, pp. 20-29, Faircount LLC, 2008.
[4] DARPA, http://www.darpa.mil/our_work/
[5] DARPA, DARPA-BAA-13-32(Information Innovation Office Office-wide BAA), Jun 25, 2013.
[6] DARPA, DARPA-BAA-12-21(High-Assurance Cyber Military System), February 23, 2012.
[7] NRL, http://www.nrl.navy.mil/techtransfer/selected_tech.php
[8] "Applying Formal Methods to a Certifiably Secure Software Systems," IEEE Transactions on Software Engineering, (2008), p. 82-98.
[9] Airlines Electronic Engineering Committee, Avionics Application Software Standard Interface ? ARINC Specification 653 ? Part 1, Aeronautical Radio Inc., 2006.
[10] RTCA DO-178B Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification. 1st December 1992.
[11] 이춘주, 민군 기술협력 강화를 위한 정책방안 모색, 한국과학기술기획평가원, 2007
[12] 민군겸용기술센터, 민군겸용기술사업현황, 국방과학연구소, 2006


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