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5G-AKA主认证与密钥推演全流程拆解

1 引言：为什么5G需要重新设计认证机制

4G EPS-AKA存在三个根本性安全缺陷：IMSI以明文在空口传输（可被伪基站捕获）、CK/IK暴露给服务网络（MME可直接获取）、服务网络绑定弱（缺乏对SN的身份验证）。3GPP TS 33.501从架构层面重新设计了5G Primary Authentication，引入SUCI/SUPI隐私保护、SEAF/AUSF/ARPF分层密钥锚定、SNN（Serving Network Name）绑定的密钥推演机制。

本文聚焦 TS 33.501 V18.x Section 6.1.3 定义的5G-AKA完整认证流程，逐步拆解每个信令消息中的关键IE（Information Element），绘制完整的密钥推演层级，并分析与4G EPS-AKA的核心差异。

2 涉及的安全功能实体

5G-AKA认证涉及五个核心安全功能实体，每个实体承担明确的密码学职责：

功能实体	位置	核心职责	对标4G网元
UE/USIM	终端侧	存储长期密钥K，执行f1-f5算法，计算RES*和KAUSF	USIM
SEAF（Security Anchor Function）	共址于AMF	安全锚点，接收KSEAF，推演KAMF	MME（部分）
AUSF（Authentication Server Function）	核心网新实体	验证RES=XRES，推演KSEAF，持有KAUSF	MME（部分）
UDM/ARPF	核心网	生成5G AV，存储长期密钥K	HSS/AuC
SIDF（Subscription Identifier De-concealing Function）	共址于UDM	将SUCI解密还原为SUPI	无（4G无此功能）

设计意图：4G中MME同时承担认证验证和密钥锚定的双重角色，存在权限过度集中的风险。5G将认证验证（AUSF）、密钥锚定（SEAF）、认证向量生成（ARPF）三者解耦，实现职责分离（Separation of Duties）。

3 SUCI隐私保护：认证前的身份隐藏

在进入5G-AKA主流程之前，UE必须先完成身份保护。5G引入SUCI（Subscription Concealed Identifier）替代4G中的明文IMSI传输。

3.1 SUCI结构

SUCI = <SUPI Type> | <MCC/MNC> | <Routing Indicator> | <Protection Scheme ID> | <HN Public Key ID> | <Ephemeral Public Key> | <Ciphertext> | <MAC Tag>

字段	长度	说明
SUPI Type	4 bits	0=IMSI, 1=NAI等
MCC/MNC	可变	归属网络标识，明文传输用于路由
Routing Indicator	1-4 digits	用于路由到正确的UDM/ARPF
Protection Scheme ID	4 bits	0=Null, 1=Profile A, 2=Profile B
HN Public Key ID	可变	标识使用哪把HN公钥
Ephemeral Public Key	可变	UE临时公钥（32字节，Curve25519）
Ciphertext	可变	加密后的MSIN
MAC Tag	可变	完整性保护标签

3.2 ECIES加密方案

TS 33.501 Section 6.2定义了两种ECIES Profile：

flowchart TD
    subgraph UE侧["UE/USIM"]
        A["长期公钥 HN_PK<br/>（USIM预置）"] --> B["生成临时密钥对<br/>eph_SK / eph_PK"]
        B --> C["ECDH共享密钥<br/>SharedSecret = eph_SK × HN_PK"]
        C --> D["KDF推演<br/>Enc_Key + MAC_Key"]
        D --> E["加密MSIN → Ciphertext"]
        D --> F["计算MAC Tag"]
    end

    subgraph HN侧["SIDF/UDM"]
        G["长期私钥 HN_SK"] --> H["ECDH共享密钥<br/>SharedSecret = HN_SK × eph_PK"]
        H --> I["KDF推演<br/>Enc_Key + MAC_Key"]
        I --> J["验证MAC Tag"]
        J --> K["解密Ciphertext → MSIN"]
    end

    E -. "SUCI空口传输" .-> J
    F -. "SUCI空口传输" .-> J

参数	Profile A	Profile B
椭圆曲线	secp256r1 (P-256)	Curve25519
密钥交换	ECDH标准	X25519
加密算法	AES-128-CTR	AES-128-CTR
MAC算法	HMAC-SHA-256（截断128bit）	HMAC-SHA-256（截断128bit）
KDF	SHA-256	SHA-256
临时公钥长度	64字节（未压缩）	32字节

实战要点：Profile B（Curve25519）因临时公钥更短（32 vs 64字节）、运算更快，在实际部署中更受青睐。抓包时可在SUCI的Protection Scheme ID字段识别使用的Profile——值为0x01为Profile A，0x02为Profile B。

4 5G-AKA完整信令流程

以下为TS 33.501 Section 6.1.3.2定义的5G-AKA完整信令时序图：

sequenceDiagram
    participant UE as UE/USIM
    participant SEAF as SEAF(AMF)
    participant AUSF as AUSF
    participant UDM as UDM/ARPF

    Note over UE,SEAF: Step 1: Registration Request
    UE->>SEAF: Registration Request<br/>(SUCI or 5G-GUTI, SNN)

    Note over SEAF,UDM: Step 2-3: 认证向量请求
    SEAF->>AUSF: Nausf_UEAuthentication<br/>Authenticate Request<br/>(SUCI/SUPI, SNN)
    AUSF->>UDM: Nudm_UEAuthentication<br/>Get Request<br/>(SUPI, SNN)

    Note over UDM: Step 4: ARPF生成5G AV
    Note over UDM: RAND ← 随机数<br/>SQN ← 序列号递增<br/>MAC = f1(K, RAND, SQN, AMF)<br/>XRES = f2(K, RAND)<br/>CK = f3(K, RAND)<br/>IK = f4(K, RAND)<br/>AK = f5(K, RAND)<br/>AUTN = SQN⊕AK ‖ AMF ‖ MAC<br/>XRES* = KDF(CK‖IK, "5G-AKA", RAND, XRES)<br/>KAUSF = KDF(CK‖IK, SQN⊕AK, SNN)

    UDM-->>AUSF: Nudm_UEAuthentication<br/>Get Response<br/>(RAND, AUTN, XRES*, KAUSF)
    Note over AUSF: 保存KAUSF和XRES*

    AUSF-->>SEAF: Nausf_UEAuthentication<br/>Authenticate Response<br/>(RAND, AUTN, HXRES*)

    Note over SEAF,UE: Step 7: 网络挑战UE
    SEAF->>UE: NAS Authentication Request<br/>(RAND, AUTN, ngKSI)

    Note over UE: Step 7a: UE验证网络
    Note over UE: AK = f5(K, RAND)<br/>恢复SQN = AUTN中SQN⊕AK ⊕ AK<br/>XMAC = f1(K, RAND, SQN, AMF)<br/>验证: XMAC == AUTN中的MAC<br/>验证: SQN在有效范围

    Note over UE,SEAF: Step 8: UE应答
    UE->>SEAF: NAS Authentication Response<br/>(RES*)

    Note over UE: RES = f2(K, RAND)<br/>CK' = f3(K, RAND), IK' = f4(K, RAND)<br/>RES* = KDF(CK'‖IK', "5G-AKA", RAND, RES)<br/>KAUSF = KDF(CK'‖IK', SQN⊕AK, SNN)

    Note over SEAF: Step 9: SEAF初步验证
    Note over SEAF: HRES* = KDF(RES*)<br/>比较: HRES* == HXRES*?

    SEAF->>AUSF: Nausf_UEAuthentication<br/>Authenticate Confirm<br/>(RES*)

    Note over AUSF: Step 10: AUSF最终验证
    Note over AUSF: 比较: RES* == XRES*?<br/>KSEAF = KDF(KAUSF, SNN)

    AUSF-->>SEAF: Nausf_UEAuthentication<br/>Authenticate Confirm Response<br/>(KSEAF, AuthResult=SUCCESS)

    Note over SEAF: Step 11: 推演KAMF
    Note over SEAF: KAMF = KDF(KSEAF, SUPI, accessType)

5 关键信令消息IE详解

5.1 NAS Authentication Request（SEAF → UE）

IE名称	长度	说明	来源
RAND	16字节	网络生成的随机挑战值	ARPF
AUTN	16字节	认证令牌 = SQN⊕AK(6B) + AMF(2B) + MAC(8B)	ARPF
ngKSI	3 bits	密钥集标识符，标识本次安全上下文	SEAF分配
ABBA	可变	防止BSS攻击的参数（TS 33.501 6.1.3.3）	SEAF

AUTN内部结构：

AUTN (16 bytes):
┌────────────────┬──────────────┬────────────────┐
│  SQN ⊕ AK      │     AMF      │      MAC       │
│   (48 bits)     │  (16 bits)   │   (64 bits)    │
│  匿名化序列号   │  认证管理字段 │  消息认证码     │
└────────────────┴──────────────┴────────────────┘

SQN ⊕ AK：序列号与匿名密钥异或，防止攻击者追踪SQN变化
AMF：认证管理字段，bit 0=0表示后续可建立安全上下文
MAC：f1(K, RAND, SQN, AMF)计算，UE通过验证MAC实现对网络的认证

5.2 NAS Authentication Response（UE → SEAF）

IE名称	长度	说明
RES*	可变（≥16字节）	UE计算的认证应答，扩展后的RES

RES*的推演公式（TS 33.501 Annex A.5）：

RES* = KDF(CK || IK, P0 = "5G-AKA", L0 = 7,
           P1 = RAND, L1 = 16,
           P2 = RES, L2 = len(RES))

设计意图：4G中直接传输RES（通常8字节），长度固定。5G将RES扩展为RES（通过KDF包裹），增加了密钥材料长度，有效抵抗虚假基站攻击*——攻击者无法从短RES推演出完整的密钥层级。

5.3 HXRES* — SEAF的本地预验证

AUSF在返回认证响应时不仅发送RAND和AUTN，还发送HXRES*：

HXRES* = SHA-256(RAND || XRES*)

SEAF收到UE的RES*后，先本地计算：

HRES* = SHA-256(RAND || RES*)

比较HRES与HXRES，若匹配则初步验证通过，再转发RES*给AUSF做最终验证。

设计意图：SEAF预验证机制使得AMF可以在不依赖AUSF的情况下快速过滤明显的认证失败，减少不必要的网络信令开销。

6 密钥推演层级详解

TS 33.501 Section 6.2定义了5G完整的密钥推演层级。所有KDF均基于HMAC-SHA-256（TS 33.501 Annex A.2）：

KDF(Key, S) = HMAC-SHA-256(Key, S)
其中 S = FC || P0 || L0 || P1 || L1 || ...
FC = 功能码（1字节），Pn = 参数n，Ln = 参数n长度（2字节大端序）

6.1 密钥推演层级图

flowchart TD
    K["长期密钥 K<br/>（USIM + ARPF各持有一份）"]

    K -->|"f2(K, RAND)"| RES["RES / XRES"]
    K -->|"f3(K, RAND)"| CK["CK"]
    K -->|"f4(K, RAND)"| IK["IK"]
    K -->|"f5(K, RAND)"| AK["AK（匿名密钥）"]
    K -->|"f1(K, RAND, SQN, AMF)"| MAC["MAC"]

    CK --> CKIK["CK ‖ IK"]
    IK --> CKIK

    CKIK -->|"FC=0x6A<br/>P0=5G-AKA<br/>P1=RAND<br/>P2=XRES"| XRESstar["XRES* / RES*<br/>（扩展认证应答）"]

    CKIK -->|"FC=0x6A<br/>P0=SQN⊕AK<br/>P1=SNN"| KAUSF["KAUSF<br/>（AUSF密钥）"]

    KAUSF -->|"FC=0x6C<br/>P0=SNN"| KSEAF["KSEAF<br/>（SEAF锚点密钥）"]

    KSEAF -->|"FC=0x6D<br/>P0=SUPI<br/>P1=AccessType"| KAMF["KAMF<br/>（AMF根密钥）"]

    KAMF -->|"FC=0x69<br/>P0=算法类型标识"| KNASint["KNASint<br/>NAS完整性密钥"]
    KAMF -->|"FC=0x69<br/>P0=算法类型标识"| KNASenc["KNASenc<br/>NAS加密密钥"]

    KAMF -->|"FC=0x6F<br/>P0=access type"| KgNB["KgNB<br/>gNB根密钥"]

    KgNB -->|"FC=0x69"| KRRCint["KRRCint<br/>RRC完整性密钥"]
    KgNB -->|"FC=0x69"| KRRCenc["KRRCenc<br/>RRC加密密钥"]
    KgNB -->|"FC=0x69"| KUPint["KUPint<br/>UP完整性密钥"]
    KgNB -->|"FC=0x69"| KUPenc["KUPenc<br/>UP加密密钥"]

    style K fill:#e74c3c,color:#fff
    style KAUSF fill:#e67e22,color:#fff
    style KSEAF fill:#f39c12,color:#fff
    style KAMF fill:#27ae60,color:#fff
    style KgNB fill:#3498db,color:#fff

6.2 各层级KDF参数详解

密钥	KDF输入	FC	P0	P1	持有者
KAUSF	CK‖IK	0x6A	SQN⊕AK	SNN	AUSF
KSEAF	KAUSF	0x6C	SNN	—	SEAF
KAMF	KSEAF	0x6D	SUPI	Access Type	AMF
KNASint	KAMF	0x69	算法类型ID	—	UE+AMF
KNASenc	KAMF	0x69	算法类型ID	—	UE+AMF
KgNB	KAMF	0x6F	Access Type	—	gNB
KRRCint	KgNB	0x69	算法类型ID	—	UE+gNB
KRRCenc	KgNB	0x69	算法类型ID	—	UE+gNB

6.3 与4G EPS-AKA密钥层级对比

对比维度	4G EPS-AKA	5G-AKA
根密钥	K → CK/IK → KASME	K → CK/IK → KAUSF → KSEAF → KAMF
中间密钥传输	CK/IK发送给MME	CK/IK永不离开ARPF/USIM
SN绑定	通过OPc隐式绑定	通过SNN显式绑定（KDF参数）
密钥层级深度	3层（K→KASME→KeNB）	4层（K→KAUSF→KSEAF→KAMF→KgNB）
加密算法协商	NAS SMC中	NAS SMC中（增加UP完整性）
认证应答	RES（短，固定长度）	RES*（KDF扩展，变长，抗虚假基站）

7 5G-AKA vs EAP-AKA'对比

TS 33.501 Section 6.1定义了两种主认证方法。下表从多个维度进行对比：

对比维度	5G-AKA（Section 6.1.3）	EAP-AKA'（Section 6.1.2）
适用接入	3GPP接入（NR/LTE）	Non-3GPP接入（Wi-Fi via N3IWF/TNGF）
协议框架	NAS原生协议	EAP框架（RFC 9048）
安全锚点	SEAF（共址AMF）	N3IWF/TNGF
密钥层级	KAUSF → KSEAF → KAMF	CK'\|\|IK' → MK → MSK/EMSK
SN绑定参数	SNN（Serving Network Name）	Access Network Identity
XRES长度	XRES*（扩展）	标准XRES
身份隐私	SUCI（ECIES加密）	可选（非强制）
重认证	使用5G-GUTI和KAMF派生	EAP快速重认证
SQN同步失败	NAS Authentication Failure（#3GPP同步失败）	EAP-Response/AKA'-Synchronization-Failure
消息数	4条NAS消息	多轮EAP交换（≥4条）

设计意图：5G-AKA针对3GPP接入做了专门优化，信令效率更高（4条NAS消息完成），密钥绑定更强（SNN）。EAP-AKA'则利用成熟的EAP框架适配Non-3GPP接入，保证了跨接入类型的统一认证架构。

8 异常处理：SQN同步失败

当UE检测到SQN不在有效范围时（通常是因为USIM长期未使用或测试环境中USIM反复初始化），触发重同步流程：

sequenceDiagram
    participant UE as UE/USIM
    participant SEAF as SEAF(AMF)
    participant AUSF as AUSF
    participant UDM as UDM/ARPF

    Note over UE: 验证AUTN时发现<br/>SQN不在有效范围
    UE->>SEAF: NAS Authentication Failure<br/>(Cause: Synch failure, AUTS)
    Note over UE: AUTS = SQN_MS ⊕ AK ‖ MAC_S<br/>MAC_S = f1*(K, RAND, SQN_MS)

    SEAF->>AUSF: Nausf_UEAuthentication<br/>Authenticate Request<br/>(AUTS, RAND)
    AUSF->>UDM: Nudm_UEAuthentication<br/>Get Request<br/>(AUTS, RAND)

    Note over UDM: ARPF使用AUTS和旧RAND<br/>恢复UE端的SQN_MS<br/>验证MAC_S<br/>以UE的SQN_MS为基准重新生成AV

    UDM-->>AUSF: 新的5G AV<br/>(RAND_new, AUTN_new, XRES*_new, KAUSF_new)
    AUSF-->>SEAF: 新的认证向量
    SEAF->>UE: NAS Authentication Request<br/>(RAND_new, AUTN_new)

AUTS结构（12字节）：

AUTS (12 bytes):
┌─────────────────────┬──────────────────────┐
│   SQN_MS ⊕ AK       │       MAC_S          │
│    (48 bits)         │     (64 bits)        │
│  UE端当前SQN        │  f1*(K, RAND, SQN_MS) │
└─────────────────────┴──────────────────────┘

排错要点： - 在测试环境（free5GC/Open5GS + UERANSIM）中，SQN同步失败是最常见的认证问题 - 根因通常是USIM中SQN值与UDM/ARPF中的SQN不一致 - 解决方案：重置USIM的SQN（通过pySIM等工具），或在UDM中调整SQN初始值

9 NAS安全模式命令（Security Mode Command）

认证成功后，AMF/SEAF发起NAS Security Mode Command（SMC）建立NAS安全上下文：

9.1 NAS SMC流程

sequenceDiagram
    participant UE as UE
    participant AMF as AMF/SEAF

    Note over AMF: 从KAMF推演:<br/>KNASenc = KDF(KAMF, alg-id-NEA)<br/>KNASint = KDF(KAMF, alg-id-NIA)

    AMF->>UE: NAS Security Mode Command<br/>(Selected Security Algorithms,<br/>ngKSI, ReplayComplete)
    Note over AMF: 该消息使用KNASint做完整性保护<br/>但不加密（安全上下文尚未在UE侧建立）

    Note over UE: UE验证完整性<br/>推演KNASenc, KNASint<br/>启用NAS安全和加密

    UE->>AMF: NAS Security Mode Complete<br/>(加密 + 完整性保护)
    Note over UE: IMEI/SUCI等敏感信息<br/>在加密后的此消息中传输

9.2 Security Mode Command中的关键IE

IE	说明
Selected NAS Security Algorithms	包含加密算法（NEA0/NEA1/NEA2/NEA3）和完整性算法（NIA0/NIA1/NIA2/NIA3）
ngKSI	密钥集标识，用于标识当前安全上下文
ReplayComplete	指示UE重放之前未受保护的NAS消息
Additional_5G_Security_Parameters	包含ABBA参数，防止BSS攻击

算法映射：

算法ID	加密算法	说明
0	NEA0	空加密（仅用于紧急呼叫）
1	128-NEA1	SNOW 3G
2	128-NEA2	AES-CTR
3	128-NEA3	ZUC

算法ID	完整性算法	说明
0	NIA0	空完整性（TS 33.501限制使用）
1	128-NIA1	SNOW 3G
2	128-NIA2	AES-CMAC
3	128-NIA3	ZUC

10 抓包识别与排错实战

10.1 Wireshark抓包识别

5G-AKA认证信令在NAS协议层，Wireshark过滤器：

# 过滤NAS Authentication Request/Response
nas-5gs.message_type == 0x56 || nas-5gs.message_type == 0x57

# 过滤NAS Authentication Failure
nas-5gs.message_type == 0x5c

# 过滤NAS Security Mode Command/Complete
nas-5gs.message_type == 0x5d || nas-5gs.message_type == 0x5e

10.2 关键字段解码

在Wireshark中展开NAS Authentication Request消息： - Extended protocol discriminator = 0x7E（5GS Mobility Management） - Security header type = 0x00（Plain NAS，因为安全上下文尚未建立） - Message type = 0x56（Authentication Request） - ngKSI = 密钥集标识（通常为0-6，7表示无密钥可用） - RAND = 16字节随机数（可追踪到ARPF生成的认证向量） - AUTN = 16字节认证令牌（包含SQN⊕AK、AMF、MAC）

10.3 常见故障排查

故障现象	可能原因	排查方法
Authentication Failure (MAC failure, #20)	USIM与UDM中密钥K不一致	检查USIM Ki/OPc配置是否与UDM匹配
Authentication Failure (Synch failure, #21)	SQN不同步	使用pySIM重置USIM的SQN
Security Mode Reject	算法协商失败	检查UE和AMF支持的算法列表是否有交集
Registration Reject (#3, Illegal UE)	认证验证失败	检查AUSF日志中RES==XRES比较结果
Registration Reject (#22, Congestion)	AMF过载	检查AMF负载和过载控制策略
## 11 5G-AKA安全增强总结

flowchart LR
    subgraph 安全增强["5G-AKA vs 4G EPS-AKA 安全增强"]
        A["SUPI隐私保护<br/>SUCI加密传输"]
        B["密钥不外传<br/>CK/IK永不离ARPF"]
        C["SN绑定增强<br/>SNN参与KDF"]
        D["锚点分离<br/>SEAF+AUSF双锚"]
        E["抗虚假基站<br/>XRES*扩展长度"]
        F["UP完整性<br/>新增用户面完整性保护"]
    end

    A --> G["消除IMSI catcher攻击"]
    B --> H["减少密钥暴露面"]
    C --> I["防止跨SN密钥复用"]
    D --> J["职责分离防权限集中"]
    E --> K["抵抗虚假基站重放"]
    F --> L["端到端数据完整性"]

12 常见问题

Q1: 5G-AKA中CK/IK为什么不能离开ARPF？
A: 4G EPS-AKA中CK/IK从HSS发送给MME，服务网络可直接获取中间密钥。如果MME被攻破，攻击者可推演出整个密钥层级。5G规定CK/IK仅在ARPF和USIM内部使用，网络侧只能获得通过KDF推演的KAUSF/KSEAF，从根本上缩小了密钥暴露面。

Q2: XRES*与4G的XRES有什么本质区别？
A: 4G的XRES由f2(K,RAND)直接生成，长度固定（通常4-8字节）。5G的XRES通过KDF(CK||IK, "5G-AKA", RAND, XRES)生成，长度可变且显著更长。这一设计使得攻击者即使能截获RES，也无法通过暴力搜索匹配原始的短XRES，有效抵抗虚假基站攻击（False Base Station Attack）。

Q3: 为什么需要SEAF和AUSF两个锚点？
A: 职责分离原则。AUSF负责认证验证（比较RES=XRES）并持有KAUSF，SEAF负责密钥锚定（持有KSEAF并推演KAMF）。这样即使AMF/SEAF被攻破，攻击者也无法伪造认证结果（需要AUSF的KAUSF）；反之亦然。4G中MME同时承担这两个角色，存在单点风险。

Q4: Null-Scheme（Protection Scheme ID=0）什么场景使用？
A: Null-Scheme不提供隐私保护（SUPI明文传输），仅在以下场景使用：(1) 紧急呼叫（UE无USIM或未配置HN公钥时）；(2) 测试环境调试。3GPP强烈建议商用网络禁止使用Null-Scheme。

Q5: 5G-AKA与EAP-AKA'能否在同一个UE上同时使用？
A: 可以。一个UE可以同时在3GPP接入上使用5G-AKA、在Non-3GPP接入（如Wi-Fi）上使用EAP-AKA'。两种认证方法共享同一个UDM/ARPF（共享长期密钥K），但生成独立的密钥层级。TS 33.501 Section 6.1.2/6.1.3分别定义了两种方法，互不干扰。

参考来源

3GPP TS 33.501 V18.x — Security architecture and procedures for 5G system — Section 6.1.3 (5G-AKA), Section 6.2 (Key hierarchy), Annex A (KDF)
Introduction to 5G AKA - free5GC — 5G-AKA完整流程图解与开源实现分析
5G Authentication and Key Management - Devopedia — 5G认证机制概述与4G对比
A Formal Analysis of 5G Authentication - ETH Zurich — 对5G-AKA协议的形式化安全分析，揭示潜在协议层攻击
TS 33.501 Section 6.1 — iTecSpec — Primary authentication章节结构化解析

本文由「51学通信」技术团队出品。51学通信由通信行业18年老兵爱卫生（微信ID: gprshome201101）维护，聚焦5G/6G核心网、3GPP标准解读、通信前沿技术深度分析。出版作品有《5G核心网原理与实践》《IMS原理与实践》等4本通信专业书籍。知识星球「51学通信」提供深度技术答疑和行业洞察。

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