如何接入比特币网络以及原理分析
以下内容为系统启动过程中,每一步骤的详细分析。
第4步,检查相关的加密函数(src/bitcoind.cpp
)
AppInitSanityChecks
函数初始相关的加密曲线与函数,并且确保只有 Bitcoind 在运行。
-
调用
SHA256AutoDetect()
方法,探测使用的 SHA256 算法。 -
调用
RandomInit
方法,初始化随机数。 -
调用
ECC_Start
方法,初始化椭圆曲线。 -
调用
globalVerifyHandle.reset(new ECCVerifyHandle())
方法,重置验证处理器。 -
调用
InitSanityCheck
方法,进行完整性检查。主要是进行各种底层检查。 -
调用
LockDataDirectory
方法,锁定数据目录,确保只有一个 bitcoind 进程在使用数据目录。
第4a 步,应用程序初始化(src/init.cpp::AppInitMain()
)
AppInitMain
函数是应用初始化的主体,包括本步骤在内的以下步骤的主体都是在这个函数内部执行。
-
调用
Params
函数,获取chainparams
。方法定义在
src/chainparams.cpp
文件中。这个变量主要是包含一些共识的参数,自身是根据选择不同的网络main
、testnet
或者regtest
来生成不同的参数。 -
如果是非 Windows 系统,则调用
CreatePidFile
函数,创建进程的PID文件。pid 文件简介如下:
-
pid文件的内容
pid文件为文本文件,内容只有一行, 记录了该进程的ID。 用cat命令可以看到。
-
pid文件的作用
防止进程启动多个副本。只有获得pid文件(固定路径固定文件名)写入权限(F_WRLCK)的进程才能正常启动并把自身的PID写入该文件中。其它同一个程序的多余进程则自动退出。
-
-
如果命令行指定了
shrinkdebugfile
参数或默认的调试文件,则调用日志对象的ShrinkDebugFile
方法,处理debug.log
文件。如果日志长度小于11MB,那么就不做处理;否则读取文件的最后
RECENT_DEBUG_HISTORY_SIZE
10M 内容,重新保存到debug.log文件中。 -
调用日志对象的
OpenDebugLog
方法,打开日志文件。如果不能打开则抛出异常。3,4 两步代码如下:
if (g_logger->m_print_to_file) { if (gArgs.GetBoolArg("-shrinkdebugfile", g_logger->DefaultShrinkDebugFile())) { // Do this first since it both loads a bunch of debug.log into memory, // and because this needs to happen before any other debug.log printing g_logger->ShrinkDebugFile(); } if (!g_logger->OpenDebugLog()) { return InitError(strprintf("Could not open debug log file %s", g_logger->m_file_path.string())); } }
-
调用
InitSignatureCache
函数,设置签名缓冲区大小。方法内部会根据
-maxsigcachesize
参数和默认签名缓冲区的大小来设置最终签名缓冲区大小。 -
调用
InitScriptExecutionCache
函数,设置脚本执行缓存区大小。方法内部会根据
-maxsigcachesize
参数和默认签名缓冲区的大小来设置最终脚本执行缓冲区大小。 -
创建指定数量的签名验证线程,并放入线程组。
具体创建多少个线程,即
nScriptCheckThreads
变量在前面根据命令行参数par
进行设置。创建线程代码如下:if (nScriptCheckThreads) { for (int i=0; i<nScriptCheckThreads-1; i++) threadGroup.create_thread(&ThreadScriptCheck); }
线程内部调用
ThreadScriptCheck
函数进行执行。ThreadScriptCheck
函数过程如下:-
首先调用
RenameThread
函数(内部调用pthread_setname_np
函数)将当前线程重命名为bitcoin-scriptch
。 -
然后调用
CCheckQueue
队列对象的Thread
方法,开启内部循环。Thread
方法又调用内部私有方法Loop
方法,生成一个脚本验证工作者,然后进行无限循环,在循环内部调用工作者的wait(lock)
方法,从而线程进入阻塞,直到有新的任务被加到队列中中时,才会被唤醒执行任务。
-
-
创建一个轻量级的任务定时线程。
具体代码如下:
CScheduler::Function serviceLoop = boost::bind(&CScheduler::serviceQueue, &scheduler); threadGroup.create_thread(boost::bind(&TraceThread<CScheduler::Function>, "scheduler", serviceLoop));
代码首先调用
boost::bind
方法,生成CScheduler
对象serviceQueue
方法的替代方法。然后调用threadGroup.create_thread
方法,创建一个线程。线程执行的方法是
boost::bind
返回的替代方法,bind
方法的第一个参数为TraceThread
函数,第二个参数为线程的名字,第三个参数为serviceQueue
方法的替代方法。TraceThread
函数内部调用RenameThread
方法修改线程名字,此处线程名字修改为bitcoin-scheduler
;然后执行传入的可调用对象,此处为前面的替代方法,即CScheduler
对象serviceQueue
方法。serviceQueue
方法主体是一个无限循环方法,如果队列为空,则进程进入阻塞,直到队列有任务,则醒来执行任务,并把任务从队列中移除。bind
方法简介:bind并不是一个单独的类或函数,而是非常庞大的家族,依据绑定的参数的个数和要绑定的调用对象的类型,总共有数十种不同的形式,编译器会根据具体的绑定代码制动确定要使用的正确的形式。
bind接收的第一个参数必须是一个可调用的对象f,包括函数、函数指针、函数对象、和成员函数指针,之后bind最多接受9个参数,参数数量必须与f的参数数量相等,这些参数被传递给f作为入参。 绑定完成后,bind会返回一个函数对象,它内部保存了f的拷贝,具有operator(),返回值类型被自动推导为f的返回类型。在发生调用时这个函数对象将把之前存储的参数转发给f完成调用。
bind的真正威力在于它的占位符,它们分别定义为
_1
,_2
,_3
一直到_9
,位于一个匿名的名字空间。占位符可以取代 bind 参数的位置,在发生调用时才接受真正的参数。占位符的名字表示它在调用式中的顺序,而在绑定的表达式中没有没有顺序的要求,_1
不一定必须第一个出现,也不一定只出现一次。 -
注册后台信号调度器。
代码如下:
GetMainSignals().RegisterBackgroundSignalScheduler(scheduler);
GetMainSignals
方法返回类型为CMainSignals
的静态全局变量(系统启动时预先进行初始化) g_signals。CMainSignals
拥有一个类型为MainSignalsInstance
的智能指针 m_internals。MainSignalsInstance
是一个结构体,包含了系统的主要信号和一个调度器,包括:-
UpdatedBlockTip
-
TransactionAddedToMempool
-
BlockConnected
-
BlockDisconnected
-
TransactionRemovedFromMempool
-
ChainStateFlushed
-
Broadcast
-
BlockChecked
-
NewPoWValidBlock
RegisterBackgroundSignalScheduler
方法生成智能指针 m_internals 对象。在第6步,网络初始化时会指定各种处理器。m_internals.reset(new MainSignalsInstance(&scheduler));
简单介绍下信号槽。什么是信号槽?
-
简单来说,信号槽是观察者模式的一种实现,或者说是一种升华。
-
一个信号就是一个能够被观察的事件,或者至少是事件已经发生的一种通知;一个槽就是一个观察者,通常就是在被观察的对象发生改变的时候——也可以说是信号发出的时候——被调用的函数;你可以将信号和槽连接起来,形成一种观察者-被观察者的关系;当事件或者状态发生改变的时候,信号就会被发出;同时,信号发出者有义务调用所有注册的对这个事件(信号)感兴趣的函数(槽)。
-
信号和槽是多对多的关系。一个信号可以连接多个槽,而一个槽也可以监听多个信号。
-
另外信号可以有附加信息。
比特币中使用的是signals2 信号槽。signals2基于Boost的另一个库signals,实现了线程安全的观察者模式。在signals2库中,观察者模式被称为信号/插槽(signals and slots),他是一种函数回调机制,一个信号关联了多个插槽,当信号发出时,所有关联它的插槽都会被调用。
-
-
调用
GetMainSignals().RegisterWithMempoolSignals
方法,注册内存池信号处理器。
方法实现如下:
void CMainSignals::RegisterWithMempoolSignals(CTxMemPool& pool) {
pool.NotifyEntryRemoved.connect(boost::bind(&CMainSignals::MempoolEntryRemoved, this, _1, _2));
}
`pool.NotifyEntryRemoved` 变量定义如下:
boost::signals2::signal<void (CTransactionRef, MemPoolRemovalReason)> NotifyEntryRemoved;
上面 `connect` 方法,把插槽连接到信号上,相当于为信号(事件)增加了一个处理器,本例中处理器为 `CMainSignals::MempoolEntryRemoved` 返回的 bind 方法。每当有信号产生时,就会调用这个方法。
-
调用内联函数
RegisterAllCoreRPCCommands
,注册所有核心的 RPC 命令。这里及下面的钱包注册 RPC 命令 只讲下每个 RPC 的作用,具体代码与使用后面会进行细讲。如果想要查看系统提供的 RCP 命令/接口,在命令行下输入
./src/bitcoin-cli -regtest help
就会显示所有非隐藏的 RPC 命令。如果想要显示某个具体的 RPC 接口,比如getblockchaininfo
,执行如下命令./src/bitcoin-cli -regtest help getblockchaininfo
,即可显示指定 RPC 的相关信息。-
首先,调用
RegisterBlockchainRPCCommands
方法,注册所有关于区块链的 RPC 命令。方法内部会遍历
commands
数组,把每一个命令保存到CRPCTable
对象的mapCommands
集合中。区块链相关的 RPC 命令有如下一些:
-
getblockchaininfo
返回一个包含区块链各种状态信息的对象。
-
getchaintxstats
计算有关链中交易总数和费率的统计数据。
-
getbestblockhash
返回最长区块链的最佳高度区块的哈希。
-
getblockstats
计算给定窗口的区块统计信息。
-
getblockcount
返回最长区块链的区块数量。
-
getblock
返回指定区块的数据。
-
getblockhash
返回区块哈希值。
-
getblockheader
返回指定区块的头部。
-
getchaintips
返回所有区块树的顶端区块信息,包括最佳区块链,孤儿区块链等。
-
getdifficulty
返回POW难度值。
-
getmempoolancestors
-
getmempooldescendants
-
getmempoolentry
返回给定交易的交易池数据。
-
getmempoolinfo
返回交易池活跃状态的详细信息。
-
getrawmempool
返回交易池中的所有交易ID。
-
gettxout
返回未花费交易输出的详细信息。
-
gettxoutsetinfo
返回未花费交易输出的统计信息。
-
pruneblockchain
修剪区块链。
-
savemempool
将内存池转储到磁盘。
-
verifychain
验证区块链数据库。
-
preciousblock
-
scantxoutset
扫描符合某些特定描述的未花费的交易输出集。
-
invalidateblock
永久性地将块标记为无效,就好像它违反了共识规则一样。
-
reconsiderblock
删除块及其后代的无效状态,重新考虑它们以便进行激活。这可用于撤消
invalidateblock
的效果。 -
waitfornewblock
等待特定的新区块并返回有关它的有用信息。
-
waitforblock
等待特定的新区块并返回有关它的有用信息。如果超时或区块不存在,则返回指定的区块。
-
waitforblockheight
等待(最少多少)区块高度并返回区块链顶端的高度和哈希值。如果超时或区块不存在,则返回指定的区块高度和哈希值。
-
syncwithvalidationinterfacequeue
-
-
其次,调用
RegisterNetRPCCommands
方法,注册所有关于网络相关的 RPC 命令。方法内部会遍历
commands
数组,把每一个命令保存到CRPCTable
对象的mapCommands
集合中。网络相关的 RPC 命令有如下一些:
-
getconnectioncount
返回连接到其他节点的数量。
-
ping
将 ping 请求发送到其他节点,以测量 ping 的时间。
-
getpeerinfo
返回每一个连接节点的信息。
-
addnode
添加、或移除、或连接到一个节点一次(目的为了获取其他节点)。
-
disconnectnode
立即从某个节点断开。
-
getaddednodeinfo
返回给定节点,或所有节点的信息。
-
getnettotals
返回网络传输的一些信息。
-
getnetworkinfo
返回P2P网络的各种状态信息。
-
setban
向禁止列表中添加或移除IP地址/子网。
-
listbanned
显示禁止列表的内容
-
clearbanned
清空禁止列表。
-
setnetworkactive
禁止或打开所有 P2P 网络活动。
-
-
再次,调用
RegisterMiscRPCCommands
方法,注册所有的杂项 RPC 命令。方法内部会遍历
commands
数组,把每一个命令保存到CRPCTable
对象的mapCommands
集合中。杂项相关的 RPC 命令有如下一些:
-
getmemoryinfo
返回一个包含内存使用信息的对象。
-
logging
获取或设置日志配置。
-
validateaddress
验证一个比特币地址是否有效。
-
createmultisig
创建一个多重签名。
-
verifymessage
验证一个签名过的消息。
-
signmessagewithprivkey
用私钥签名一个消息。
-
setmocktime
设置本地时间,只在回归测试下使用。
-
echo
简单回显输入参数。此命令用于测试。
-
echojson
简单回显输入参数。此命令用于测试。
-
-
再次,调用
RegisterMiningRPCCommands
方法,注册所有关于挖矿相关的 RPC 命令。方法内部会遍历
commands
数组,把每一个命令保存到CRPCTable
对象的mapCommands
集合中。挖矿相关的 RPC 命令有如下一些:
-
getnetworkhashps
根据最后的 n 个区块数据,估算网络每秒哈希速率。
-
getmininginfo
返回与挖矿相关的信息。
-
prioritisetransaction
以更高(或更低)的优先级接受已挖掘的块中的事务。
-
getblocktemplate
获取区块链模板,聚合挖矿会用到这个方法,详见 BIPs 22, 23, 9 和 145。
-
submitblock
提交一个新区块到网络上。
-
submitheader
将给定的十六进制数字解码为区标头部,并将其作为候选区块链顶端区块头部提交(如果有效)。
-
generatetoaddress
立即挖掘指定数量的区块,在回归测试中可以快速生成区块。要生成至少 101 个区块,因为在100个区块以后,区块链已经足够稳定,这时Coinbase交易(包含新挖出的比特币的交易)可以被支付。
-
estimatefee
0.17 版本中被移除。
-
estimatesmartfee
估计交易所需的费用。
-
estimaterawfee
估计交易所需的费用。
-
-
最后,调用
RegisterRawTransactionRPCCommands
方法,注册所有关于原始交易的 RPC 命令。方法内部会遍历
commands
数组,把每一个命令保存到CRPCTable
对象的mapCommands
集合中。原始交易相关的 RPC 命令有如下一些:
-
getrawtransaction
返回原始交易。
-
createrawtransaction
基于输入创建交易,返回交易的16进制。
-
decoderawtransaction
解码原始交易,返回表示原始交易的JSON对象。
-
decodescript
解码16进制编码过的脚本。
-
sendrawtransaction
提交一个原始交易到本地接点和网络。
-
combinerawtransaction
将多个部分签名的交易合并到一个交易中。合并的交易可以是另一个部分签名的交易或完整签署交易。
-
signrawtransaction
签名一个原始交易。不建议使用。
-
signrawtransactionwithkey
用私钥签名一个原始交易。
-
testmempoolaccept
测试一个原始交易是否能被交易池接受。
-
decodepsbt
返回一个表示序列化的、base64 编码过的部分签名交易对象。
-
combinepsbt
合并多个部分签名的交易到一个交易中。
-
finalizepsbt
-
createpsbt
创建一个部分签名交易格式的交易。
-
converttopsbt
转化一个网络序列化的交易到 PSBT。
-
gettxoutproof
区块链方面的。返回包含在区块中的交易的十六进制编码的证明。
-
verifytxoutproof
区块链方面的。验证区块中交易的证明。
-
-
-
调用钱包接口的
RegisterRPC
方法,注册钱包接口的 RPC 命令。实现类为
wallet/init.cpp
文件中的WalletInit
,方法内部调用RegisterWalletRPCCommands
进行注册,后者又调用wallet/rpcwallet.cpp
文件中的RegisterWalletRPCCommands
方法,完成注册钱包的 RPC 命令。钱包相关的 RPC 命令有如下一些:
-
fundrawtransaction
添加一个输入到交易中,直到交易可以满足输出。
-
walletprocesspsbt
用钱包里面的输入来更新交易,然后签名输入。
-
walletcreatefundedpsbt
以部分签名格式(PSBT)创建和funds交易。
-
resendwallettransactions
立即广播未确认的交易到所有节点。
-
abandontransaction
将钱包内的交易标记为已放弃。
-
abortrescan
停止当前钱包扫描。
-
addmultisigaddress
添加一个 nrequired-to-sign 多重签名地址到钱包。
-
addwitnessaddress
不建议使用。
-
backupwallet
备份钱包。
-
bumpfee
-
createwallet
创建并加载一个新钱包。 系统会自动创建一个默认的钱包,名字为空。
./src/bitcoin-cli -regtest createwallet test
可以用
listwallets
显示所有加载的钱包,可以用importprivkey
命令添加一个私钥到钱包。当有多个钱包时,为了操作某个特定钱包,需要使用
-rpcwallet=钱包名字
,比如:./src/bitcoin-cli -regtest -rpcwallet= getwalletinfo ./src/bitcoin-cli -regtest -rpcwallet=test getwalletinfo
-
dumpprivkey
显示与地址相关联的私钥,
importprivkey
可以使用这个输出。 -
dumpwallet
将所有钱包密钥以人类可读的格式转储到服务器端文件。
-
encryptwallet
用密码加密钱包。
-
getaddressinfo
显示比特币地址信息。
-
getbalance
返回总的可用余额。
-
getnewaddress
返回一个新的比特币地址。
./src/bitcoin-cli -regtest -rpcwallet=test getnewaddress
-rpcwallet
参数一定要放在 RPC 命令之前。生成地址的过程会先生成私钥,可以通过
dumpprivkey
命令来显示与之相关的私钥,可以通过setlabel
命令设置与给定地址相关的标签。 -
getrawchangeaddress
返回一个新的比特币地址用于找零。这个用于原始交易,不是常规使用。
-
getreceivedbyaddress
返回至少具有指定确认的交易中给定地址收到的总金额。
-
gettransaction
返回钱包中指定交易的详细信息。
-
getunconfirmedbalance
返回未确认的余额总数。
-
getwalletinfo
返回钱包的信息。
-
importmulti
导入地址或脚本,以 one-shot-only 方式重新扫描所有地址。
-
importprivkey
添加一个私钥到钱包。
对多个钱包来说要在命令行需要使用
-rpcwallet=钱包名字
来指定使馆名字。比如:./src/bitcoin-cli -regtest -rpcwallet= importprivkey "cQM91nga98fMG2xGQHe6LYVH46Yo8tQbHBNQqwMNnrFZPcUs3MMf"
,在执行这个命令时记得要换成你的私钥。 -
importwallet
从转储文件中导入钱包。
-
importaddress
添加一个可以查看的地址或脚本(十六进制),就好像它在钱包里但不能用来支付。
-
importprunedfunds
-
importpubkey
添加一个可以查看的公钥,就好像它在钱包里但不能用来支付。
-
keypoolrefill
-
listaddressgroupings
-
listlockunspent
返回未花费输出的列表。
-
listreceivedbyaddress
列出接收地址的余额。
-
listsinceblock
获取指定区块以来的所有交易,如果省略区块,则获取所有交易。
-
listtransactions
返回指定数量的最近交易,跳过指定账户的第一个开始的交易。
-
listunspent
返回未花费交易输出。
-
listwallets
返回当前已经的钱包列表。
-
loadwallet
从钱包文件或目录中加载钱包。
-
lockunspent
更新暂时不能花费的输出列表。临时解锁或锁定特定的交易输出。
-
sendmany
-
sendtoaddress
发送一定的币到指定的地址,即开始进行交易及探矿等。
-
settxfee
设置每 kb 交易费用。
-
signmessage
用某个地址的私钥签名消息。
-
signrawtransactionwithwallet
签名原始交易的输入。
-
unloadwallet
卸载请求端点引用的钱包,否则卸载参数中指定的钱包。
-
walletlock
从内存中移除钱包的加密,锁定钱包。
-
walletpassphrasechange
更新钱包的密码。
-
walletpassphrase
在内存中存储钱包的解密密钥。
-
removeprunedfunds
从钱包中删除指定的交易。
-
rescanblockchain
重新扫描本地区块链进行钱包相关交易。
-
sethdseed
设置或生成确定性分层性钱包的种子。
-
getaccountaddress
不建议使用,即将移除。
-
getaccount
不建议使用,即将移除。
-
getaddressesbyaccount
不建议使用,即将移除。
-
getreceivedbyaccount
不建议使用,即将移除。
-
listaccounts
不建议使用,即将移除。
-
listreceivedbyaccount
不建议使用,即将移除。
-
setaccount
不建议使用,即将移除。
-
sendfrom
不建议使用,即将移除。
-
move
不建议使用,即将移除。
-
getaddressesbylabel
返回与标签相关的所有地址列表。
-
getreceivedbylabel
返回与标签相关的、并且至少指定确认的所有交易的比特币数量。
-
listlabels
返回所有的标签,或与特定用途关联地址相关的标签列表。
-
listreceivedbylabel
返回与标签对应的接收的交易。
-
setlabel
设置与给定地址相关的标签。
-
generate
立即挖出指定的区块(在RPC返回之前)到钱包中指定的地址。
-
-
如果命令参数
-server
为真,则调用AppInitServers
方法,启动服务器。命令参数
-server
默认情况下被设置为真。具体代码如下:
if (gArgs.GetBoolArg("-server", false)) { uiInterface.InitMessage_connect(SetRPCWarmupStatus); if (!AppInitServers()) return InitError(_("Unable to start HTTP server. See debug log for details.")); }
AppInitServers
方法内处理流程如下:-
调用
RPCServer::OnStarted
方法,设置 RPC 服务器启动时的处理方法。具体处理方法如下,以后再讲这个方法:
static void OnRPCStarted() { uiInterface.NotifyBlockTip_connect(&RPCNotifyBlockChange); }
-
调用
RPCServer::OnStopped
方法,设置 RPC 服务器关闭时的处理方法。具体处理方法如下,以后再讲这个方法:
static void OnRPCStopped() { uiInterface.NotifyBlockTip_disconnect(&RPCNotifyBlockChange); RPCNotifyBlockChange(false, nullptr); g_best_block_cv.notify_all(); LogPrint(BCLog::RPC, "RPC stopped.\n"); }
-
调用
InitHTTPServer
方法,初始化 HTTP 服务器。if (!InitHTTPServer()) return false;
InitHTTPServer
方法首先会调用InitHTTPAllowList
方法初始化允许 JSON-RPC 调用的地址列表。然后生成一个 HTTP 服务器,并设置服务器的超时时间、最大头部大小、最大消息体大小、绑定到指定的地址上(以便允许这些地址发起请求)。最后,生成 HTTP 工作者队列。 -
调用
StartRPC
方法,启动 RPC 信号监听。 -
调用
StartHTTPRPC
方法,启动 HTTP RPC 服务器。具体代码如下:
if (!StartHTTPRPC()) return false;
StartHTTPRPC
方法处理如下:-
首先,调用
InitRPCAuthentication
方法,设置 JSON-RPC 调用的鉴权方法。 -
然后,
RegisterHTTPHandler
方法,注册/
请求处理方法为HTTPReq_JSONRPC
方法。 -
再然后,调用
RegisterHTTPHandler
方法,注册/wallet/
请求处理方法为HTTPReq_JSONRPC
方法。
-
-
如果命令参数指定
rest
,调用StartREST
方法,设置/rest/xxx
一系列 HTTP 请求的处理器。 -
调用
StartHTTPServer
方法,启动 HTTP 服务器。StartHTTPServer
方法代码如下:void StartHTTPServer() { LogPrint(BCLog::HTTP, "Starting HTTP server\n"); int rpcThreads = std::max((long)gArgs.GetArg("-rpcthreads", DEFAULT_HTTP_THREADS), 1L); LogPrintf("HTTP: starting %d worker threads\n", rpcThreads); std::packaged_task<bool(event_base*)> task(ThreadHTTP); threadResult = task.get_future(); threadHTTP = std::thread(std::move(task), eventBase); for (int i = 0; i < rpcThreads; i++) { g_thread_http_workers.emplace_back(HTTPWorkQueueRun, workQueue); } }
下面简单讲述下方法内部的处理:
-
首先,根据命令参数获取处理 RPC 命令的线程数量。
-
然后,生成一个任务对象 task,从而得到一个事件分发线程。
-
最好,生成指定数量的处理 RPC 命令的线程。
-
-
后记
由于本人水平所限,文中错误在所难免,欢迎您踊跃指出错误,在下感激不尽。我的微信联系方式:joepeak。
原创不易,尤其寒冬,欢迎赞助我一杯咖啡。
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