【作者】刘东，目前在东软集团股份有限公司担任首席技术顾问，主要负责数据中心IT系统架构设计，云计算中心IAAS层架构设计，容灾解决方案体系建设；具有10年以上技术支持和系统集成工作经验，对金融、医疗、能源和政府等行业的解决方案有独特的见解。
前言
很多医院已经在开启云端探索，利用虚拟化、云计算技术来解决传统IT架构方案带来的系统资源利用不均、数据中心管理维护复杂等诸多问题。HIS、LIS、PACS等是医院的核心信息系统，需要在保障稳定运行的同时、构建一个动态的基础架构提高资源利用率和灵活性，建设稳健的核心业务云。
本文通过分析医院数字化信息系统的发展和核心信息系统IT基础架构的痛点，讨论了X86和Power两种不同的架构对医院IT信息化建设的影响，从性能、可扩展性、RAS特性和成本等方面对两种架构进行了详细的比较，发现不同的架构在不同的应用方面有着不同的适用场景。Power架构更适合于大型三甲医院的数据库系统，结合虚拟化技术同样也适合部署基础应用环境，而X86架构更适合中小型数据库和基础应用环境的部署。对于目前许多医院客户关心的Power平台是否要向x86平台迁移和X86平台的使用成本是否更低等争论性问题也做了一定的说明和讨论，并建议客户要根据自身业务的实际需求去选择合适的架构方案。
1、医疗行业信息化发展概述
1.1医院信息系统数字化
数字化医院在物理层面上通过无纸化、无胶片化和医院空间的智能化、自动化，提供无处不在的数字化医疗服务平台。在信息层面上应通过以患者为中心的、全医疗过程的信息采集、保存、传输和处理，并通过临床数据仓库对医院所有数据进行一元化管理和应用，以利于数据挖掘和决策支持。也就是说，数字化医院不单纯是医院的信息化，它是将患者的各种信息以及诊疗过程的各种数据进行一元化管理，使医院运营的各种指标数值化，并且为达成各种既定目标而做出最佳选择提供支持。无线化、网络化是无处不在的医疗服务平台的基础，但还不能真正提供无处不在的医疗服务。真正无处不在的医疗服务还需要医疗设备数字化、医院空间智能化、信息管理一元化等多种技术的综合支持。
实现无处不在的数字化医疗服务平台，对患者来说，可以享受到更加便捷、安全、高效的医疗服务；对医护人员来说，为他们创建无纸化、无胶片化、无线化的工作环境，减轻繁重的工作负担，提高他们的工作效率，减少人为失误。
1.2数字化医院信息系统概述
数字化医院信息系统建设作为医疗行业信息化发展的核心内容，经过多年的发展，主要包括以下几大系统：
PACS系统是近年来随着数字成像技术、计算机技术和网络技术的进步而迅速发展起来的、旨在全面解决医学图像的获取、显示、存贮、传送和管理的综合系统。
EMR电子病历是指将传统的纸病历完全电子化，并提供电子贮存、查询、统计、数据交换等管理模式，它是信息技术和网络技术在医疗领域应用的必然产物，是医院计算机网络化管理的必然趋势，它详细记录了患者的治疗方案和治疗过程，既为医院积累了宝贵的治疗经验，又为处理医患纠纷提供了不可或缺的证明文件
1.3数字化医院信息系统发展
目前数字化医院信息系统发展主要包括以下几个方面
1.无纸化、无胶片化业务模式将趋于成熟
无纸化、无胶片化工作流程是数字化医院的最基本特征，随着医院数字化建设的推进，其业务模式也将不断发展。无纸化、无胶片化不仅能够节省大量医疗耗材成本，更主要的是提供一种全新的医疗信息载体，通过计算机化、网络化大大提高医护工作效率，促进医疗信息共享，方便数据再利用。通过对技术上、流程上、安全性、法律等多方面问题的不断解决，无纸化、无胶片化业务模式将趋于成熟。
2.信息化与智能化提供无处不在的医疗服务
以患者为中心的医院服务模式，不仅仅是工作流程的改变，更是服务理念的进化。无处不在的医疗服务正是以患者为中心这一理念最好的实现平台。通过各种先进的信息化、智能化设施，以无处不在这一设计理念为导向，为医生、护士、药剂师等等各类用户提供更高效、智能的工作环境，也给患者带来更灵活、舒适、便捷的就诊体验。
3.电子化临床路径将得到更广泛的应用
临床路径作为一种新的质量效益型医疗管理模式，具有降低平均住院日、控制医疗费用、规范诊疗行为、提高医疗服务质量等作用。随着数字化医院建设的推进，纸质媒介的临床路径必然不能满足医疗信息化的要求，电子化临床路径的应用势在必行。电子化临床路径打破了纸质临床路径教科书式的工作指导流程，完全嵌入到计算机化医嘱录入系统（医嘱系统）中，以更加规范的计算机控制方式，进一步减少人为因素造成的不确定性，以电子化方式更加高效规范地完成一整套临床医疗服务。
4.电子病历将得到极大发展和应用
作为数字化医院的核心应用，电子病历的发展阶段最大程度上代表了医院数字化建设的水平。电子病历将成为全数字化医院中以患者为中心的全医疗过程的数据记录，并提供用户对这些数据进行嵌入式实时挖掘和决策支持，以及可长久保存、并基于某种标准化格式的数据交换和异构系统间互操作的能力。
5.数据挖掘与再利用将成为医院日常工作
数据挖掘或称知识发现是从大量的数据中筛选出隐含的、可信的、新颖的、有效的信息的处理过程。在医院日常工作中，主要用于临床医学研究和经营管理分析这2个方面。对大量数据进行建模、预测、联机分析等处理，从中开发、利用或发现某些新信息、新知识，为医院领导、临床医生及医院药学工作提供有用的信息及决策依据。
2、医疗行业信息化发展痛点分析
2.1核心系统痛点分析
医院信息化系统随着数字化医院的发展，在各项医疗以及管理业务中得到了广泛的应用实施。电子病历、电子报告、电子医学影像、电子付款代替了传统的诊疗及支付方式，医疗服务效率和质量不断提升，医疗服务成本不断降低，逐步向无纸化、数字化诊疗系统迈进。
在医院众多的信息化系统中，HIS作为最重要的核心信息系统，经过多年的发展，已经被赋予了更多的功能。随着医院内部业务流程的不断梳理和整合，HIS与LIS、PACS和EMR等外围系统不断融合，之间的关联关系越来越紧密。随着卫生信息化的内涵与外延不断扩展，HIS与社保、医保和银行系统的业务及数据交互越来越频繁。HIS系统已贯穿业务流程的各个环节，起着核心支撑作用，是医疗服务和医院管理的核心系统。
由于HIS系统是一个庞大而复杂的现代化信息管理系统，包含财务、人事、住院、门诊、挂号、医技、收费、分诊、药品管理等多个子系统。经过多年的发展，HIS系统所承受的数据处理压力也越来越高。主要痛点包括：
医疗行业信息系统中最重要的是数据。除了HIS系统，医院其他核心系统还包括PACS、EMR、LIS和CIS等应用系统。包含了大量的医疗影像信息、病人电子病历信息、临床信息和检验信息等。信息量的不断增加给医院核心系统的数据库带来了巨大的压力。主要痛点包括：
2.2基础架构痛点分析
通常医院信息化系统建设比基础架构建设速度快，经常会出现基础架构跟不上信息化系统建设的问题。目前大部分医院都已经建成了以HIS、LIS、PACS等多个应用系统组成的数据中心，但是在数据中心的基础架构上，还存在一些问题。
一、由于医院业务系统比较多，而且缺乏一定的规划，存在多种不同的基础设施系统，容易形成业务孤岛，造成管理上的困难。
二、在服务器等基础设施的部署上，主要存在以下两种情况：
1、核心系统数据库服务器灵活性不足，扩展能力受限
为了保证HIS等核心系统数据库性能，采用X86物理机部署。每个业务都部署一套物理主机（2台冗余部署），但是平时服务器资源使用率不到30%，造成各个服务器资源浪费，而且稳定性和可靠性相对不高，经常出现系统宕机的情况，影响医院业务正常运行。在医院业务早高峰期，核心系统服务器往往又会出现性能资源不足的情况，但是受限由于X86服务器的扩展能力，无法进行纵向扩展，只能进行更换。但是更换核心服务器不但招投标的采购周期比较长，而且更新核心数据库服务器涉及数据迁移和停机等问题，风险比较高。
2、核心系统基础设施性能管理和资源管理存在问题
2.3痛点问题需求总结
3、推荐解决方案设计
3.1设计思路
在本次推荐方案的设计过程中，根据对医院信息化发展的痛点问题分析,在核心系统数据库服务器和基础设施的设计思路如下：
1、高性能：核心系统数据库服务器需要采用高性能设备，保证HIS等核心系统数据库高效访问数据和处理业务，消除因设备性能问题带来的瓶颈。
3、高扩展性：核心系统数据库服务器和基础设施应具备高可扩展性，可以根据医院业务的发展按需进行扩展，没有扩展瓶颈。
4、高灵活性：满足医院业务高峰期的动态负载需要，基础架构在业务部署上可以更加灵活，资源可以按需提供服务。
5、易管理性：具备统一资源管理的能力，通过统一的管理平台，可以实现对基础设施资源的管理、控制和访问。
3.2方案概述
根据对医疗行业信息系统的发展痛点分析，可以总结医院核心系统数据库服务器和基础架构的特点如下：
根据核心系统和基础架构需求的特点，推荐解决方案如下：
3.3基于Power产品的架构设计
3.3.1拓扑架构图
3.3.2架构设计概述
1、HIS服务器是医院最重要的核心系统，为了保证单台数据库服务器的性能和纵向可扩展能力，不采用分区技术进行部署。采用PowerE950服务器进行双机冗余部署。由于数据库服务器要求纵向扩展性能，PowerE950服务器单台服务器可以支持最大48个CPU核心，相对于X86服务只能纵向扩展到4-8个CPU核心，医院HIS数据库服务器的性能和扩展性都得到了有效的保证。由于Power服务器自身就具备高可靠性，同时又进行双机部署，医院核心系统HIS数据库在性能和安全可靠性方面得到了双重保障。
2、医院其他核心系统数据库服务器（PACS/EMR/LIS系统），采用PowerE950服务器进行双机冗余部署，同时采用DLPAR技术实现多个数据库系统的动态分区负载。由于PACS/EMR/LIS系统对数据库性能要求没有HIS系统负载高，可以同时部署在一台服务器上，提升服务器利用率。但是在业务高峰期，这几个系统会表现出不同的动态负载要求。为了保证PACS/EMR/LIS系统数据库在高峰期的性能同时又兼具灵活性，采用了DLPAR技术进行部署，可以随时按需调整不同的LPAR分区性能。多个数据库系统共同使用一台服务器进行部署，同样要求纵向扩展性能。PowerE950服务器单台服务器可以支持最大48个CPU核心，可以满足在不同业务负载情况下，同时满足PACS/EMR/LIS核心系统数据的性能。由于Power服务器自身就具备高可靠性，同时又进行双机部署，医院核心系统PACS/EMR/LIS数据库在性能和安全可靠性方面得到了双重保障。
3、数据库服务器双机系统全部采用PowerHA技术实现。保证业务的连续性，即使一台服务器停止工作，也不会影响核心数据库系统的正常运行。
4、应用服务器需要横向扩能力，并且为了保证医院多种不同应用部署灵活性，需要使用虚拟化技术。对于AIX应用，为了保证系统运行的可靠性和稳定性，可以采用S924服务器+PowerVM虚拟化技术进行部署，组建计算资源池，实现AIX应用的灵活部署。对于Linux应用，为了保证系统运行的可靠性和稳定性且兼顾性价比，可以采用FP5802G2服务器进行部署，同样采用性能强劲的Power9处理器，功能上和价格上又比X86有优势，，实现Linux应用的高效部署。对于windows应用，可以使用X86服务器组建的计算资源池进行部署，然后使用基于OpenStack技术PowerVC云管理平台，对所有资源进行统一管理。
5、存储系统建议采用SAN冗余架构进行部署，然后建设存储资源池，加入到PowerVC进行统一管理。
架构设计小结：
医院不同的业务有着不同的能力需求。数据库服务器通常要求纵向扩展能力，需要保障性能、安全和可靠性的要求。应用服务器通常要求横向扩展能力，对灵活性和可扩展性要求更多一些。对于医院整个数据中心的来说，除了以上要求，还需要具备一定的可管理性，方便对基础设施资源进行管理。
3.3.3Power服务器介绍
3.3.3.1数据库服务器
PowerE950以经济实惠的价格提供一系列独特的企业级功能，采用可靠而紧凑的4路4U规格实现卓越的性能。得益于2到4个8、10、11或12核的Power9处理器，高达16TB的DDR4内存，内置PowerVM虚拟化和容量随需应变(CoD)功能，提供业界任何其他4路系统都无法比拟的每内核性能、效率和业务敏捷性组合。PowerE950是成长型中型企业的理想平台，也适合用作大型企业的部门服务器或数据中心组成部分。PowerSystems的开放、以数据为中心的设计将计算能力、内存带宽和众多数据路径融为一体，通过易于使用和管理的方式处理数据及在应用间移动数据。K1PowerE950服务器使用全新的Power9处理器优化了吞吐量，支持高达每内核8线程(SMT8)的同步多线程功能。每个单芯片模块拥有片上内存控制器，可利用高达128MB片外eDRAML4缓存来提供每路230GB/秒的内存带宽。通过将新的PCIe第4代I/O控制器直接集成到处理器中来进一步减少延迟，I/O带宽也得到显著增加。
主要特点包括：
3.3.3.2应用服务器
PowerS924采用了全新Power9处理器，其内核微架构经重新设计，凭借对称数据处理引擎、更高效的指令流水线、更高的单线程性能，为全线新品服务器提供更高效快捷的负载处理能力，每核性能较Power8可提升40%，单核线程数提升4倍，L3高速缓存提升3.3倍，处理器互联带宽提升7倍，单处理器内存容量提升2.7倍，内存带宽提升2倍，IO总带宽提升2倍。
PowerS924是一款双路服务器，可提供多达24个激活内核和灵活的I/O配置来满足当今的发展和未来的处理需求。
FP5280G2是浪潮商用机器基于数据中心及应用优化，搭载OpenPOWER9处理器设计的一款高端双路机架式服务器，该产品将极致的设计理念运用在性能、存储、扩展方面，面向新一代云计算、大数据、深度学习等IT应用时，具有突出表现。
FP5280G2是一款双路服务器，可提供多达44个内核、16个DDR4-2666内存、4个GPU卡、24个热插拔NVMeSSD全闪配置，单机IOPS可达1500万+。
3.3.4DLPAR解决方案
在医院其他核心系统数据库服务器（PACS/EMR/LIS系统）的部署方案中，我们采用了DLPAR技术进行部署，在保证数据库系统性能的同时节约了服务器设备资源，提高了系统资源的利用率和灵活性。
在介绍DLPAR之前，先说一下LPAR（逻辑分区）。逻辑分区就是将单台服务器划分成多个逻辑服务器，彼此运行独立的应用程序。逻辑分区不同于物理分区，物理分区是将物理的将资源组合形成分区，而逻辑分区则不需要考虑物理资源的界限。相对而言，逻辑分区具有更多的灵活性，可以在物理资源中自由的选择部件，最大化的使用系统资源，但又最小化不必要的资源再分配。在逻辑分区的环境下，如CPU、内存和I/O都可以独立的分配给每个分区。逻辑分区的配置和管理是通过硬件管理控制台HMC实现的。
由于数据库服务器E950具有许可硬件资源，可以配置最大48核心的CPU资源，可以配置最大16TB内存，如果只部署一套数据库系统，比较浪费资源。
使用逻辑分区（LPAR）技术可以实现：
1、在一台服务器上同时部署多个数据库系统
2、隔离多个不同系统的应用，互相不影响
3、灵活的资源配置
在一台服务器上同时部署多个数据库系统，可以减少硬件采购成本，提升服务器资源利用率。可以将多个数据库运行于单台E950服务器的不同LPAR分区上。因为逻辑分区是完全彼此独立的，所以运行于不同分区的数据库和工作负载不会彼此互相干扰。每一个分区的资源仅仅归属于LPAR分区自身，不会影响其他LPAR分区的应用。
之前需求提到在医院早高峰期间，对于不同的数据库服务器（PACS/EMR/LIS系统）工作负载或者应用可能会改变对资源的要求。对于LPAR逻辑分区，为了应对这种变化，需要重新申请硬件资源改变分区资源。资源分配需要手动进行调整，必须要停止逻辑分区的运行，然后重新引导分区，响应非常不及时。为了避免出现这种情况，需要动态逻辑分区（DLPAR）技术进行实现。
动态逻辑分区（DLPAR）具有动态增加、删除资源的能力，可以动态的增加、删除CPU、内存和适配卡，而不用重新启动机器。动态逻辑分区，具有逻辑分区的所有优点，又增加了动态改变系统资源使用的能力，提供了更大的灵活性。
使用动态逻辑分区（DLPAR）技术可以实现：
1、灵活性得到提高，除了资源可以动态调整，有故障资源可以动态删除，系统可靠性和稳定性显著提高
2、在医院系统运行的高峰时刻，可以在不同的数据库服务器分区之间移动CPU和内存等资源，高峰过后则可将这些资源重新转移回去。
3、可以使用CUoD功能可动态的激活并使用资源。可以提前采购后备资源，然后在高峰期或者需要更多的处理能力时激活使用，而这些后备资源可以在确定需要激活时才付费。
3.3.5PowerHA解决方案
PowerHA是用于Power系列服务器上的高可靠集群软件，通过冗余配置，消除单点故障，保证整个系统连续可用性和安全可靠性。PowerHA是利用网络来侦测主机及网卡的状况，搭配AIX所提供的硬盘镜像等功能，在主机、网卡、硬盘控制卡、硬盘或网络发生故障时，自动切换到另一套备用元件上重新工作。若是主机故障则切换至备份机上继续应用系统的运行。PowerHA解决方案始终提供可靠的监控、故障检测和业务应用环境向备份资源的自动恢复，为核心数据业务弹性奠定基础。
具体方案的实现：
1、在医院两台E950数据库服务器上同时安装并运行PowerHA软件；
两台服务器的双机运行模式主要有三种：
2、两台主机系统在整个运行过程中，通过“心跳线”相互监测对方的运行情况(包括系统的软硬件运行、网络通讯和应用运行情况等)；
3、一旦发现对方主机的运行不正常(出故障)时，故障机上的应用就会立即停止运行，本机(故障机的备份机)就会立即在自己的机器上启动故障机上的应用，把故障机的应用及其资源(包括用到的IP地址和磁盘空间等)接管过来，使故障机上的应用在本机继续运行；
4、应用和资源的接管过程由PowerHA软件自动完成，无需人工干预；
5、当两台主机正常工作时，也可以根据需要将其中一台机上的应用人为切换到另一台机(备份机)上运行。
3.3.6PowerVM+VC解决方案
为了满足医院应用服务器的部署需要，需要横向的扩展架构和虚拟化系统作为支撑。PowerS924作为横向扩展架构服务器可以帮助医疗行业用户提高整体性能、可用性。同时借助Power服务器的PowerVM虚拟化解决方案，可以整合大量的应用程序和服务器，将其系统资源完全虚拟化，从而提供一个更具灵活性更节省成本的动态IT基础架构。
在绝大多数医院基础设施中，比较典型的情况是，核心系统数据库用的是小型机服务器，但是非关键业务系统应用服务器可能同时采用的是PowerVM虚拟化和基于x86服务器的虚拟化系统。
为了统一管理这些虚拟化资源，可以采用基于OpenStack架构、面向云计算而设计的管理平台PowerVC来实现统一管理。
3.3.6.1PowerVM介绍
Power服务器虚拟化方案基于稳定高效的Power基础硬件平台，配合居于40多年领导地位的虚拟化技术，以及最新的基于AIX核心技术的纯软虚拟化，提供自下而上一整套完善、稳定、灵活的服务器合并和虚拟化方案。通过PowerVM虚拟化技术、功能和产品，可以合并应用、服务器和虚拟化系统资源，使基础设施更加灵活。
PowerVM主要特点包括：
PowerVM主要功能介绍：
1、微分区（Micro-partition）：芯片级虚拟化技术，PowerVM企业版可以实现单核20个微分区，以1/20为单位划分CPU资源，E950最大支持1000个微分区。
2、虚拟I/O服务（VirtualI/OServer）：VIOS实现以太网、SCSI和光纤通道磁盘的共享。
3、集成虚拟化管理器（IVM）：IVM的管理功能是HMC功能的一个子集。如果服务器的物理资源有限，又没有HMC，但用户仍然希望将服务器划分成多个分区、安装不同操作系统以供多个应用使用时，就可以采用IVM。
4、动态分区迁移（LPM）：LPM实现把一个正在运行的逻辑分区实时迁移到另一台物理服务器上。允许将正在运行的AIX和Linux分区以及它们所承载的应用程序从一台物理服务器迁移到另一台物理服务器，而不会对基础服务产生任何影响。
5、工作负载分区（WPAR）技术是一种全新的软件虚拟技术，用于隔离用户和应用程序。WPAR是由软件创建的、AIX映像中的虚拟化的操作系统环境。对于所承载的应用程序来说，每个工作负载分区都是一个安全的、隔离的环境。WPAR中的应用程序认为，它正执行于自己的、专门的AIX实例中。对于大多数应用程序来说，WPAR就好像是一个AIX的启动实例。通常，在WPAR中，应用程序无需修改就可以运行。
6、动态应用程序迁移（LAM）：它允许移动工作负载，而不是整个分区。实际的目标WPAR可以是不同的服务器，但并不一定必须是不同的服务器。它比较灵活，因为您可以在一些具备混合物理体系结构（Power8和Power9）的环境中使用它。它可以将应用程序从需要计划停机以便进行维护的系统中移动到别处。通过将工作负载从不堪重负的服务器移动到负载较轻的服务器，它还可以用于提高性能。而且，通过采用这种方式移动工作负载以允许物理服务器在非高峰期间进入睡眠状态，它还可以帮助节约电能。
3.3.6.2PowerVC介绍
PowerVC是基于开源OpenStack而推出的云管平台。其架构是基于OpenStack的实现方式，包括nova、cinder和neutron等组件。所有组件的服务进程都运行在PowerVC节点。以nova为例，所有nova进程都运行在PowerVC节点，后端驱动为HMC，通过HMC来实现VM分区的创建和管理。
一直以来Power主机都是由IVM（IntegratedVirtualizationManager）和HMC（HardwareManagementConsole）管理平台来管理。IVM只能管理自己所在的Power主机，而HMC虽然可以管理多台Power主机，但由于其可扩展性局限和操作相对繁琐以及需要管理员具备Power上的相当多的领域知识，从成本、操纵性、可拓展性等都渐渐跟不上时代发展。迫切地需要一款满足开放标准，操作简单的一体化的Power平台管理软件。
PowerVC就是为满足此需求而生的产品。它基于OpenStack，操作简便并满足并提供了OpenStack上标准接口，可谓是应时事的产品。
PowerVC主要特性包括：
PowerVC是在PowerVM有关虚拟化技术的基础之上，为Power系统用户提供了一个理想的虚拟化和自动化管理平台。PowerVC支持动态分区迁移，抓取镜像和部署虚拟机，支持自动化部署策略。
PowerVC拥有简化易操作的用户体验，与PowerVM虚拟化技术深度集成，简化了对Power有关计算资源的管理，对云计算平台所需要的资源进行了抽象，帮助客户轻松搭建私有云平台。
此外，通过PowerVC，医院可以把Power以兼容开放标准OpenSatck的方式集成到医院的云计算平台中，这样医院完全可以构建适合自身的混合云架构。
4、方案优势总结
针对医院核心业务系统数据库和基础架构部署的需求，我们推荐了基于Power服务器的方案，具体优势如下：
3、核心系统服务器全部采用HA双机架构部署，满足核心业务高可用性要求，有效的保证了核心系统业务的连续性，任何一台服务器故障不会造成业务系统中断；
4、应用服务器使用具备横向扩展能力和虚拟化能力的Power924/FP5280G2（或914/922），服务器+PowerVM技术进行部署。为应用程序提供敏捷、低成本和高效率的计算资源服务。和单纯采用X86服务器虚拟化技术相比较，Linux应用系统可靠性提高到了99.999%并且没有安全漏洞，采用Power单核虚拟机系统的性能比X86提高了18%，虚拟化系统支持的动态负载能力由X86最大的8核心提高到了24核心（提升了3倍）。
6、通过PowerVM和PowerVC的应用，实现了资源混合部署。为医院用户提供了实现了云平台所需资源池化的统一解决方案，帮助医院用户实现Power资源的高效利用，实现本地与云端资源的统一管理和部署，并降低运维和管理成本。
END
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