剖析新版Metis：Gas最低Layer2的去中心化進行時 |CatcherVC Research_ENC

文/SA，CatcherVC

本文重點：·Optimism和Arbitrum等OPRollup的根本問題在于Sequencer節點的中心化，這需要可靠的解決方案。

·Metis嘗試率先實現Sequencer的去中心化，項目方開放了對等節點網絡，將運行Sequencer節點的權力讓渡給社區成員或其他機構。

·Metis變更了存儲層結構，改變了在以太坊上發布數據的形態。通過集成Memolabs，可大幅壓縮存儲費用，成為主流Layer2中Gas費最低的一個。

·通過引入新機制，Metis集成Memolabs后的新版本仍具備可靠的安全性與數據可用性。團隊判斷了潛在情況，并制定了有效措施。

·Metis支持節點運行者以DAC的形式注冊，以獲得持續性的代幣收益；同時，提供簡易的一站式DAO搭載服務，降低DAO運營難度，并開放社區生態系統治理(CEG)，將維護Layer2網絡的權限進一步讓渡給社區成員。

傳統OPRollup的問題

隨著近一年來Web3、元宇宙、NFT等概念走進大眾視野，Crypto行業正式進入了高速增長期。在各路資本和海量用戶的追捧下，以太坊憑借先發優勢成為了整個Web3敘事的核心，其系統架構在經歷漫長演化后，已充分實現去中心化和安全性，成為名副其實的“恒星公鏈”。與此同時，效率的低下嚴重限制了這條公鏈的發展。相比于每秒處理幾千筆交易的VISA，TPS不到20的以太坊宛若舊時代的古董，與Vitalik口中“世界級去中心化應用平臺”的宏大愿景相去甚遠。

為了滿足Web3市場的龐大需求，側鏈、新公鏈、Rollup等不同方案先后走上歷史舞臺，BSC、Polygon、Solana、Arbitrum、Optimism等明星項目在瓜分流量的同時，其固存的缺陷卻愈發明晰。由于TPS受到出塊速度的約束，各大Layer2或新公鏈幾乎都壓縮了節點數量，或將“共識”與出塊過程解綁，這直接降低了出塊時間，卻嚴重削弱了去中心化和系統安全性。

以Optimism為例，它采用一個稱作Sequencer的單一礦工節點在Layer2秒級出塊，新區塊不需要立刻交給其他節點做驗證，可立即在本地敲定，節省了大量時間；同時，由于只有一個出塊節點，“記賬權”的分配是確定的，可直接取締POW過程。

通過縮減出塊流程，Layer2本地區塊從產生到敲定可降至1秒甚至更低，用戶發起交易請求后，最快只要兩三秒就可收到結果，與微信支付旗鼓相當。

但此時，Layer2的新區塊沒有被驗證節點審計，存在不合規的可能性。對此，Sequencer要定期在Layer1發布本地的區塊副本，包括交易數據和狀態根。Layer2的Verifier驗證節點會自動讀取Sequencer發布的內容，并進行審計，判斷Sequencer是否有造假嫌疑。

從本質來看，Optimism將以太坊作為一個披露數據、處理糾紛的“法院”，而關鍵點在于，Sequencer要多久在Layer1上發布一次數據。如果Sequencer很久才提交一次本地數據，無疑會拖延Verifier的審計進度，節點間達成共識就要過很久，這會嚴重削弱Layer2的可靠性。

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根據Optimism官方瀏覽器，Sequencer在以太坊上發布狀態信息的時間頻率，可以慢到30多分鐘一次，這意味著Sequencer出塊后，Verifier要等半小時才能做審計。相比之下，以太坊的新區塊只需13秒便可被全網節點審計完。顯然，Optimism的Sequencer和Verifier節點間信息不對稱很嚴重，共識機制的可靠性遠低于以太坊。

對此，同處OPRollup派系的Arbitrum將提交狀態信息的間隔縮短為2~5分鐘一次，這使得Verifier節點可以盡快進行狀態審計，大幅降低了信息差。

但Arbitrum有和Optimism相同的缺陷：負責出塊的Sequencer節點由官方運行，沒有將“記賬權”讓渡給外界，其理由在于，Sequencer的實權太大，關系到所有用戶的資產安全，在機制設計尚未健全的情況下，無法保障“程序正義”。為保險起見，Arbitrum和Optimism的出塊節點均由官方作信用背書，以彌補目前系統機制的不完善。

這樣做的后果很明顯：Arbitrum和Optimism實質成為了中心化運營商。雖然雙方都允許用戶自由運行Verifier驗證節點，并可對Sequencer提出質疑，但官方仍對Sequencer的任免有絕對話語權。這樣一來，即便Verifier指出當前的Sequencer有作惡行為，迫使其下臺，新的Sequencer卻仍將由官方指定。

本質來看，Layer2的出塊權力集中在Arbitrum和Optimism官方手上，其立足根基在于“信用”而非“程序正義”。同時，由官方來運行Sequencer節點會帶來另一個大問題：出塊節點數量少且物理位置集中，容易遭遇DDOS攻擊，或產生其他類型的單點故障。

以Arbitrum為例，其Sequencer節點曾兩次宕機，引起了廣泛關注。2021年9月14日，Arbitrum和Solana均因遭遇DDOS攻擊而宕機，出塊節點在極短時間內收到的交易請求過多，最終導致崩潰；2022年1月10日，Arbitrum的Sequencer節點再次宕機，官方稱該節點出現硬件故障，而備用的節點設備沒有及時完成交接，最終“單點故障”引發了整個Arbitrum網絡的停擺。

可以想見，Arbitrum和Optimism這類中心化系統的缺陷就在于資源過度集中，僅由少量或單個節點負責出塊，會使其承擔較大的訪問流量，易誘發單點故障；同時，官方壟斷出塊權力也使得“欺詐證明”和“挑戰機制”形同雞肋，無法從根源上遏制節點作惡問題。

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對于自身固存的缺陷，Arbitrum和Optimism官方曾表示將逐步改善，并在未來推行去中心化。但目前，兩者并未給出可靠的解決方案，距離去中心化的具體實現尚且遙遠。

出于對去中心化原教旨的遵從，同為OPRollup方案的Metis近期正式開始對系統架構進行改革，嘗試率先實現Layer2在架構和經濟上的去中心化。

·通過開放對等節點網絡，Metis將運行Sequencer出塊節點的權力讓渡給社區成員或其他機構，并促進Sequencer和其他對等節點快速同步信息，防止其作惡；

·Metis支持節點運行者以DAC的形式注冊，以獲得持續性的代幣收益。

·Metis正式開放了社區生態系統治理(CEG)，將維護Layer2網絡生態的權限進一步讓渡給社區成員。

通過以上方式，Metis計劃率先實現Layer2的去中心化。

除此此外，Metis變更了在以太坊上備份數據的形式。在對等節點網絡可以立即驗證Sequencer本地區塊，在Layer2網絡內防止其作惡的前提下，Metis將交易指令備份至鏈下去中心化平臺Memolabs，改為在Layer1上提供交易數據在Memolabs的存儲位置，同時，每筆交易對應的狀態根StateRoot仍發布在Layer1。

針對可能出現的“挑戰”和“欺詐證明”場景，Metis添加了其他功能，使得以上場景發生時，挑戰者可以在Layer1上還原每筆交易指令的原始數據，無阻礙的完成“欺詐證明”，使現有版本和舊版本的機制等效。

通過引入對等節點、集成Memolabs存儲層，Metis將原本由以太坊負責的存儲任務，轉變為由對等節點、以太坊、Memolabs三方同時負責，并引入新的機制確保可靠性。由于有另外兩者分擔存儲任務，Metis可酌情減少發布在以太坊的數據容量，進而降低Gas消耗，大幅降低Layer2手續費。

在下文中，作者將對Metis落實對等節點網絡、集成Memolabs存儲等重要舉措作出解讀。

對等節點：實現出塊者——Sequencer的輪換

在傳統的OPRollup方案，如Optimism和Arbitrum中，出塊節點是唯一確定的：只有一個Sequencer在執行交易和打包區塊。這樣做直接消除了出塊節點的隨機性，每輪出塊周期開始時，系統再也不用浪費時間去選拔出塊者——相比之下，以太坊每個新區塊產生前，都要通過POW或POS過程隨機選擇出塊節點，嚴重拖延了時間。

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但是，出塊節點的隨機性可大幅降低單點作惡的概率。由于記賬節點會頻繁的輪換，惡意節點掌控合法賬本的可能性被降到極低。即使惡意節點獲得了某個新區塊的記賬權，若其發布的區塊不合規，依然會被其他誠實節點否決。最后，誠實節點間會再度選舉新的出塊者，重新發布一個合規的區塊，把惡意節點直接架空。

在這種情況下，理論上只要網絡內2/3的節點為誠實者，便可有效約束惡意節點，這就是著名的PBFT機制；目前，比特幣和以太坊的節點容錯率甚至可達到1/2。但是，這類容錯算法的有效性建立在節點足夠多的基礎上。節點數量龐大，作惡節點難以拉攏到大量節點、不易形成串謀時，PBFT才會生效。在參與出塊的節點數量較少時，PBFT將不再適用，此時單點作惡的可能性極高。

現有的OPRollup，包括Optimism和Arbitrum，幾乎都默認出塊節點Sequencer不會作惡。若Sequencer出現作惡行為，則允許Verifie節點對其進行“彈劾”，這一過程被稱作“挑戰”。但問題在于，Verifier節點與Sequencer之間并不是立刻進行數據同步的，這中間會有一段延時。

本文之前曾提到，Optimism節點的數據同步延時可以超過30分鐘，Sequencer產生新區塊后過半小時才輪到驗證節點審計，這會產生潛在的安全隱患。而Arbitrum雖然將延時降至幾分鐘，但其未向官方以外的機構開放運行Sequencer的權限，這不利于經濟上的去中心化，且立足點在于項目方的“信用”，嚴重違背區塊鏈的“程序正義”原則。

此外，由于Optimism和Arbitrum均未發行代幣，無法高強度的激勵驗證節點運行者，這不利于節點數量的擴充，使得Layer2更像聯盟鏈而非公鏈。

為了避免上述問題，Metis在Optimism的原有架構上進行了大量改進，其中最重要的舉措便是開放對等節點。

·傳統公鏈如比特幣和以太坊等，都是由對等節點組成的P2P網絡，這些節點間會頻繁同步信息，確保狀態一致；同時，每個對等節點可自愿成為礦工，參與出塊。新區塊產生后，會被傳播給其他對等節點做審計。

·Metis構建了名為SequencerPool的對等節點網絡，允許社區成員運行對等節點，這些節點通過輪換的方式充當Sequencer，實現“風水輪流轉”，解決OPRollup中Sequencer節點的中心化問題；

·當前的Sequencer出塊后，會將新區塊同步給其他對等節點做審計，以防止單點作惡。每過一段時間，Sequencer就會變更一次，這樣便可實現記賬權的分散化。

·普通公鏈的每個出塊周期都有隨機選擇出塊者的過程，會浪費較多時間。目前SequencerPool內對等節點沒有大型公鏈那么多，出塊者的輪換周期也相對較長。在每個周期內，Sequencer仍是單一的。未來Metis將逐步縮短輪換周期，并引入新的時間戳生成機制。

網傳騰訊幻核停止更新但未裁員，部分數字藏品滯銷已鎖倉處理:8月8日消息，從接近騰訊的人了解到，目前騰訊旗下數字藏品平臺“幻核”業務已經停止更新，但未裁員。目前，平臺上的所有藏品狀態都處于已結束、已售完或已領完狀態。在今年6月，幻核的一些數字藏品出現了滯銷現象，幻核對其進行了鎖倉處理并關閉了交易。

此前消息，7月20日，騰訊內部人士透露，騰訊計劃關停數字藏品業務“幻核”，對此，幻核回應裁撤傳言稱，目前運營照舊，正籌備App全新版本。（《中國企業家》）[2022/8/8 12:09:16]

·Metis支持社區成員運行對等節點，并且對其提供代幣激勵。對等節點運行者往往以DAC的名義進行注冊，硬件設備最低配備8核CPU、32GB內存，且需要質押一定量的Metis代幣。

從本質來看，原本為Metis網絡內下轄子網的SequencerPool成為了一個“委員會”，這個委員會由對等節點組成，職能是充當或監督Sequencer，并且在形式上可以看到POS公鏈的影子。

按照Metis正在實施的方案，SequencerPool已從十幾個對等節點的規模開始投入運行，在這樣的網絡規模下，對等節點間通訊的時間復雜度很小，可以立即對新區塊達成共識。同時，不同的對等節點均可充當網絡負載，滿足外界的訪問請求，用戶無需單方面接受單個節點提供的數據。

現在的Metis實際上獲得了來自對等節點網絡和Verifier節點的兩層安全保障。其中，對等節點可以實時驗證Sequencer在Layer2本地的數據，而Verifier主要負責驗證Sequencer提交到Layer1上的數據。

在未來，Metis計劃將SequencerPool內的對等節點數量大規模擴充，使其具備更高的安全性，并將Verifier驗證者節點納入SequencerPool名單內，使所有的對等節點既可擔任Sequencer，又可擔任Verifier。同時，Metis計劃引入新的算法及時間戳生成機制，在仍保有高效率的同時，實現“每隔幾個區塊就換一次Sequencer”，以確保去中心化。

新的存儲結構——“若無必要，勿增實體”

在大多數公鏈或Layer2中，記錄用戶信息的數據庫都采用了樹狀的結構，稱為狀態樹，樹根的哈希值被稱作狀態根StateRoot。一筆交易指令被執行后，某些賬戶的狀態必然產生變化，此時狀態樹根的哈希值也會隨之改變。可以說，每筆交易的執行都會產生一個新的狀態根StateRoot，從時間角度看，兩者是一一對應的關系。

若是按照時間順序，將每筆及對應的一一羅列出來，就可以得到一個精確的賬本。在Optimism等傳統OPRollup方案里，Sequencer在以太坊上存儲的就是這些內容。

Verifier驗證者會讀取這些內容，檢查其準確性。一般而言，Verifier節點會按照時間順序，把交易指令依次執行一遍，通過自己的計算得到一批狀態根StateRoot，之后Verifier只需要將自己算出的Stateroot和Sequencer提交的StateRoot做對比即可，這就好比老師在事先不知道標準答案的情況下，臨時靠心算來批改學生的數學作業。

廣州市金管局局長：充分利用區塊鏈技術在促進金融數據共享等方面發揮重要作用:6月27日消息，6月24日國家區塊鏈創新應用試點項目發布會暨金融科技沙龍活動在第11屆中國（廣州）國際金融交易博覽會上成功舉辦。廣州市地方金融監督管理局邱億通局長指出，近年來廣州市積極推動金融科技和數字金融創新發展，將緊抓本次國家區塊鏈創新應用試點契機，加快推動金融科技和數字金融創新發展，充分利用區塊鏈技術在促進金融數據共享、優化金融業務流程、降低金融運營成本、提升金融協同效率等方面發揮重要作用，聚焦提高金融服務效率和融資便利性，探索在貿易金融和區域性股權市場等領域的區塊鏈應用，以技術創新激發金融新發展動能，努力打造金融科技骨干企業和數字金融聚集區，探索建設粵港澳大灣區金融科技聯合實驗中心、加強金融科技和數字金融風險防范與監管，為實現廣州金融業高質量發展提供技術支撐。[2022/6/27 1:32:49]

若Verifier發現Sequencer提交的某筆交易指令或對應的狀態根有問題，便會發起“挑戰”，提供“欺詐證明”。

在Optimism及舊版本的Metis中，Sequencer會把交易指令及對應的狀態根都發布到以太坊上，實質將以太坊作為一個存儲層，同時也借助以太坊網絡來處理“挑戰”過程。這樣做雖然可以保證數據可用性，但消耗的Gas非常高。

以上圖Optimism在以太坊發布的一批交易為例，該批次共包含204筆交易指令，消耗的Gas費超過211美元，相當于單筆交易指令的存儲費超過1美元；再考慮到存儲這批交易對應狀態根所需的Gas，Optimism上單筆交易的存儲費用可以達到1.5美元，對于大多數用戶而言，這種量級的費用還是太高。

針對這個問題，Metis在近期做出了重要調整。Metis取締了在以太坊上直接存儲交易指令的步驟，將交易批次轉存至Memolabs，該平臺類似于Filecoin，但存儲成本更低，數據檢索速度更快。通過集成Memolabs存儲層，Sequencer先將一大批交易指令存儲在Memolabs，然后在以太坊上發布這個交易批次對應的存儲索引，Verifier節點可通過該索引值從Memolabs讀取原始的交易數據。

同時，由于狀態根StateRoot比交易數據更重要，它們仍被存儲至以太坊。

一言以貫之，這符合奧卡姆剃刀原理：“若無必要，勿增實體”。Metis的哲學就是：沒有必要存入以太坊的內容，可通過其他方式進行等價代換。這樣可以節約存儲成本，減小用戶承擔的成本壓力。

通過這種存儲結構，Metis可大幅壓縮存儲費用，將Layer2單筆交易的手續費降低至幾美分。目前，Metis已經成為主流Layer2中Gas費最低的一個。

但是，Metis的以上做法衍生出了其他問題：變更存儲結構是否會改變安全性，或改變數據可用性？對此，我們將對多種可能出現的結果進行解析。

Metis及OProllup的安全性及數據可用性問題有兩方面，第一個是：

·Sequencer在Layer2執行交易時，會立即將其在本地敲定，暫時具備“最終性”。具體場景為：用戶在Metis網絡發起交易請求后，幾秒鐘就會收到結果。這里的問題在于，由Sequencer單方面給予的暫時“最終性”是否可靠？

由于Metis的Sequencer出塊后，會立刻將信息同步給SequencerPool的對等節點，節點們可立即對區塊內容進行審計，若發現Sequencer提交了違規區塊，便可將其移出SequencerPool。所以，此處的安全性與普通公鏈相當。同時，外界可在多個對等節點間選擇信息源，無需單方面信任某個節點，數據可用性也不存在問題。

第二個問題是：·Metis將交易數據轉存至Memolabs后，驗證過程和挑戰機制是否會受到影響？新加入Metis網絡的節點在同步歷史數據時，又會否遇到不便？

這里涉及到多種可能情況，可以分類討論。由于Metis仍將狀態根發布至以太坊，所以StateRoot的可用性不會受到影響。而交易數據的可用性針對Verifier節點或新加入Metis網絡的節點兩類群體。

對于后者，新節點只需要通過其他Verifier或對等節點同步歷史數據即可，也可讀取Memolabs上的交易數據及以太坊上的狀態根記錄。目前Metis共有80多個私人運行的Verifier節點，已經具備較強的數據可用性。考慮到Verifier的數量仍在擴充之中，對于新節點而言，同步歷史數據時不會面臨多大問題。

而對于已有的Verifier節點，面臨的問題在于：能否順利獲取交易數據，并檢查對應的狀態根。若發現Sequencer提交的內容有誤，又可否在以太坊上順利進行“挑戰”。

對于這個問題，可以對下列場景分別進行分析：

1.若Sequencer在以太坊上提供了Memolabs索引，使Verifier順利讀取到交易數據，經過檢查，這些交易指令無誤，則剩下的檢查點在于Layer1上存儲的狀態根。·若經審計，每筆交易都可以和對應的狀態根匹配，則此時Verifier順利完成數據同步，也無需發起“挑戰”。此時不存在問題。

·若Verifier發現，某筆交易指令和狀態根不能匹配，此時狀態根必然錯誤。Verifier可要求Sequencer將錯誤狀態根對應的交易數據披露到Layer1上。如果Sequencer同意，則“挑戰”過程順利進行，Sequencer會受到懲罰；如果Sequencer不同意，Verifier可把自己在Memolabs讀到的交易數據寫入以太坊，完成“挑戰”，Sequencer同樣受到懲罰；

顯然，在以上場景中，數據可用性和“挑戰”機制不受影響，

2.若Sequencer在Memolabs存儲了偽造的交易指令，Verifier要發起“挑戰”；此外，Verifier必須要獲取正確的Layer2原生交易指令，才能檢驗狀態根的正確性。

·此時，Verifier可要求Sequencer在以太坊上發布相關的交易批次，這會讓Sequencer花費大量的Gas費，相當于變相懲罰；·若Sequencer拒絕，則Verifier可以把自己從Memolabs讀到的錯誤數據披露到Layer1，展開“挑戰”，Sequencer會受到更嚴厲的懲罰。

正常情況下，Sequencer被Verifier挑戰成功后，其遭受的損失會遠高于在Layer1上發布交易批次時消耗的Gas費。所以，若Verifier要求Sequencer在Layer1發布交易數據時，其必定會把正確的交易數據披露出去。

此時，Sequencer必須發布Verifier需要的單個交易批次，包含成百上千筆交易數據，在Layer1發布時消耗的Gas會非常高，甚至可達到幾千美元，相當于變相懲罰。

由以上討論可以得知，數據可用性和“挑戰”過程不受影響。

3.若Sequencer在Layer1發布了虛假的Memolabs存儲索引，Verifier無法順利讀取到交易批次包含的數據，這時它可以向前文所描述的那樣，要求Sequencer在Layer1披露交易批次。若其拒絕，則Verifier可以從對等節點處獲取相應數據，繼續后續的檢驗工作，或發起挑戰。

對于屢次發布偽造交易數據、發布錯誤的Memolabs存儲索引，或拒絕配合Verifier要求的Sequencer，Metis的社區成員可通過DAO治理投票的形式，將作惡的Sequencer運行者標記出來，罷免它的權限，這類似于上的“彈劾”。

通過以上精心設計的機制，Metis可以保障Verifier節點的權益。但為了防止Verifier濫用權力，惡意要求Sequencer在Layer1寫入交易數據，通過Gas消耗來攻擊誠實的Sequencer運行者，Metis作出以下要求：·Verifier若要求Sequencer在Layer1寫入交易數據，需提前質押一定量的資金獲得白名單資格，并且每次向Sequencer發起類似的命令，都要消耗一筆手續費；這筆手續費的數值經過仔細衡量，可以防止Verifier頻繁向Sequencer發起無理要求。·任何節點都可以發起“挑戰”和“欺詐證明”，理論上這些節點間可以互相配合，使數據可用性與安全性得到保障。

歸納總結依照前文提出的核心論點，結合近期Metis官方動態，在此歸納得出：

·Optimism和Arbitrum等OPRollup的根本問題在于Sequencer節點中心化，這需要可靠的解決方案；Metis嘗試率先實現Sequencer的去中心化。

·Metis開放了對等節點網絡，將運行Sequencer出塊節點的權力讓渡給社區成員或其他機構，實現輪換制，并促進Sequencer和其他對等節點快速同步信息，防止其作惡；

·Metis變更了存儲層結構，改變了在以太坊上備份數據的形式。通過集成Memolabs，Metis大幅壓縮存儲費用，已經成為主流Layer2中Gas費最低的一個。

·通過縝密的機制設計，Metis集成Memolabs后的新版本仍具備較強的安全性與數據可用性。Metis團隊已經對可能出現的情況進行了判斷，并制定了相應措施；

?為了將Sequencer的權力進一步削減，Metis計劃在未來添加提議者Proposers的角色，在Sequencer發布交易數據后，Proposers負責向以太坊提交每筆交易對應的狀態根，這樣可形成更強的分權制衡。

·Metis支持節點運行者以DAC的形式注冊，并對其提供持續性的代幣收益。在這方面，已發幣Metis比未發幣的Optimism及Arbitrum更具優勢；

·Metis提供簡易的一站式DAO搭載服務，降低DAO及DAC組織的運營難度，并開放社區生態系統治理(CEG)，將維護Layer2網絡生態的權限進一步讓渡給社區成員。目前，Metis生態已有500個DAC組織，成員近5000個。

·Metis集成Memolabs去中心化存儲層后，生態內DAO組織可以將不必公開的數據轉存至Memolabs，而對應的存儲索引只可被白名單用戶獲得，這樣可確保DAO維護自身隱私。

·Metis未來將支持多個子網的分片式結構，允許不同的DAO組織運行狀態彼此獨立的MVM虛擬機，以實現類似ETH2.0的多鏈分片機制。

·近期，Metis開啟了NFT跨鏈橋功能，結合超低的Gas費，Metis致力于建設NFT用戶的最佳平臺；

·未來，在系統容錯性足夠強大的條件下，Metis將酌情縮短挑戰期，成為跨鏈最方便的Layer2。

參考文獻TheTechJourney:LowerGasCosts&StorageLayeronMetis深度解讀Optimism：基本架構、Gas機制與挑戰

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