研究与开发
泛在网络环境中，组合服务选择不仅需要考虑服务上下文还需要考虑用户上下文
，而描述上下文属性的数据类型可能有实数、区间数、三角模糊数和直觉模糊集。为解决这种基于复杂上下文的组合服务选择难题，本文提出一个复杂上下文感知的组合服务选择框架，能够感知服务上下文和用户上下文。该框架基于智能主体设计，其中用户端框架完成用户上下文管理，服务端框架完成服务上下文管理和组合服务选择。通过相关工作的比较，验证了该框架的优越性和有效性。
关键词
上下文感知；Web 服务；组合服务
复杂上下文感知的组合服务选择框架*
张同光1，石庆民1，张龙昌2，苏红亮
3
（1.新乡学院计算机与信息工程学院新乡453003；
2.北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室北京125105；
3.辽宁工程技术大学软件学院葫芦岛125105）
摘要
*国家“973”计划基金资助项目（No.2009CB320406，No.2009CB320504），国家“863”计划基金资助项目（No.2008AA01A317），国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目（No.60821001）1引言
在分布式环境中，Web 服务成为商业应用的一个重要
组成部分。单个服务功能单一，需要整合成增值的组合服务，从而满足用户需求[1]。在组合服务选择中考虑用户、服务上下文能够有效提高所提供的组合服务选择的质量，同时必须给出有效的上下文感知的组合服务选择框架，在组合服务选择框架中应当考虑下述问题。
·由于互联网环境的开放性和动态性以及Web 服务的随机性，导致组件服务的QoS 具有很强的不确定性[1]；另外服务QoS 可能出现剧烈波动，甚至服务本身可能暂时或者永久地关闭[2]。因此，参考文献[1，3，4]给出了用实数、区间数和三角模糊数的混合数据类型描述服务，参考文献[5]用直觉模糊
数描述服务。
·目前的Web 服务模型仅仅考虑服务的QoS 和用户对QoS 的权重情况，而泛在网络环境下仅仅考虑服务的非功能属性是不够的。泛在网络的计算环境和交互信息动态变化，为了提供适时适地的服务，组合服务选择除了满足用户的需求之外，还要适应环境的变化[6]。描述用户的环境主要指用户所拥有的设备资源、用户当前所处的网络环境信息，也包括自然环境和社会环境。上述分别描述服务的上下文和用户的上下文，用户上下文也可能用实数、区间数、三角模糊数和直觉模糊集表示，在此本文给出复杂上下文的概念。复杂上下文指的是可以使用实数、区间数、三角模糊数和直觉模糊集描述某实体周围状况和历史状况的空间信息和时间信息。泛在、融合的网络中，根据用户上下文和服务上下文进行服务选择、组合不仅能够有效降低组合服务失败率还能有效提高用户满意度。目前还没有组合服务选择框架能
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够支持面向复杂上下文的服务选择、组合，因此，需要设计一种能够指导系统开发的组合服务选择框架。为解决上述问题，本文提出了复杂上下文的组合服务选择框架。
2相关工作
参考文献[7]提出了一个考虑用户上下文和核查机制的Web服务组合框架（context-aware Web Service composition，CASC），如图1所示。该框架使用OWL-S作为Web服务描述语言，智能主体能够自动服务匹配和决策。该框架能够根据用户上下文实现基于目标驱动的能力匹配和筛选掉不适合用户上下文的服务组合，框架通过用户主体、中介主体、服务执行主体实现面向上下文的服务组合。在框架中首先提出一个基于键值对的服务上下文描述方法；用户主体负责接收用户的服务请求和以正确的方式将结果返回给用户；中介主体接收用户主体的请求和提取用户上下文信息；服务执行主体主要完成校验中介主体生成的组合服务执行序列是否能够正确执行和组合服务执行。CASC 是针对服务发现阶段的上下文匹配，而本文的组合服务选择框架研究是一种能够根据用户和服务具有的复杂上下文信息获得最优组合服务的交互机制。虽然与本文的研究目标并不相同，但是其对本文也有一定的启发意义。
参考文献[8]提出了一个上下文感知的语义Web服务发现（context-aware semantic Web Service discovery，CASSD）框架，如图2所示，框架集成了语义服务、服务发现、上下文提供等特性。服务发现包括服务请求处理、服务匹配、发现结果处理3个部件。上下文提供者包括了上下文请求结果处理、上下文管理、注册服务器（注册服务请求者、发布者上下文）。同样CASSD是针对服务发现阶段的上下文匹配，而本文的组合服务选择框架研究是一种能够根据用户和服务具有的复杂上下文信息获得最优组合服务的交互机制。但是CASSD对本文面向复杂上下文组合服务选择框架也有一定的借鉴意义。
3复杂上下文感知的组合服务选择框架本文提出的复杂上下文感知的组合服务选择架构由4部分组成：服务提供者(service provider,SP)、服务请求者(service requester,SR)、用户上下文处理器(user-context handler,UH)、服务中介(service broker,SB)。服务提供者是提供完成某项功能的服务，泛在网络环境中要求服务提供者明确其能够正确运行所需要的用户上下文需求；服务请求者使用服务提供者提供的服务，泛在网络环境中要求用户提供其所处的环境和对服务QoS的偏好信息；由于用户的终端能力有限，因此提出处理用户复杂上下文信息的用户上下文处理器；服务中介提供基于复杂上下文的组合服务选择环境和执行环境，连接服务请求者和服务提供者。图3说明了复杂上下文感知的组合服务选择架构，模块间的通信可以使用各种有线/无线网络。SR与UH和SR与SB间可以使用泛在环境下的移动通信网络，如2G、3G
图1CASC 框架体系结构
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(cdma2000、WCDMA、TD-SCDMA)、4G、WLAN(Wi-Fi)、WMAN (WiMAX)、MANET、WPAN(Bluetooth、UWB、ZigBee)等无线网络。SB与UH以及SB与SP间通信尽量使用带宽较大的有线和无线网络。
复杂上下文感知的组合服务选择架构中，SR是UH 的数据采集的一部分，为UH提供元上下文的收集，因此§3.1中主要介绍UH系统架构，同时涉及到部分SR终端的上下文采集功能；SP提供具体服务和为SB提供静态上下文需求信息，而服务的QoS由SB进行收集和管理，因此§3.2主要介绍SB的系统架构。UH为SB提供组合服务选择所必须的用户上下文本体；SB根据用户上下文本体和服务上下文本体生成组合服务提交给SR；SR绑定相关服务和执行组合服务，然后向SB反馈对服务QoS的评价。
由于智能主体具有自治性、交互性、协作性、主动性
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时间连贯性等简单的对象不具备的智能特性，因此，已成为在动态、开放、不确定性的网络计算环境下，构建健壮的、可扩展的软件系统的一种很有效的技术[9]。多智能主体系统(multi-agent system)技术近年引起了学术界和工业界的广泛关注，它是传统软件结构的自然延伸，在创建运行在动态、开放的互联网环境中的软件系统上具有很大优势[10]。
因为复杂上下文感知的组合服务选择是假设在一个开放、动态的泛在网络环境中，所以采用较适合这种环境特点的多智能主体技术设计UH+SR系统架构和SB系统架构。
3.1基于智能主体的UH+SR框架
参考文献[11]提出了基于智能主体技术的一个根据上下文历史和上下文感知环境提供个性化服务的系统框架，受到其思想启发，笔者在本节中提出基于智能主体的UH+SR系统框架。
基于智能主体的UH+SR框架如图4所示，通过该框架能够获得用户上下文信息(用户所处环境、拥有网络资源以及用户的QoS偏好等)，从而为获得具有个性化QoS 的Web服务提供基础信息。该框架由数据收集层、用户上下文管理层和用户偏好管理层组成。数据收集层收集用户终端物理传感器能够感知到的原始数据(如用户所处的网络状态等)和虚拟传感器获得的原始数据(这里主要指通过调用提供环境信息收集的Web服务实现)，以及通过用户智能主体提供用户的接口获得用户的基本资料和群组信息、用户能够明确指定的QoS偏好和用户已经选择的服务信息(通过用户已经选择的服务QoS可以获得用户近似QoS偏好)。用户上下文管理层聚合低层上下文，并提供低层上下文到高层上下文的推理机制，且存储上下文数据，提供用户上下文本体生成和存储，保存用户已选服务QoS 信息用于获得用户的近似QoS偏好。用户偏好管理层存储服务上下文，筛选分类的服务上下文并且挖掘用户的QoS 偏好。
考虑到用户终端存储能力和计算能力有限，因此该框架设计成由服务端和智能终端两部分组成。服务端管理从终端采集的资源上下文、用户基本信息、群组信息和用户已选服务，根据基础上下文信息生成用户上下文本体并且根据用户已选服务QoS信息挖掘用户QoS偏好。智能终端主要提供基础数据的采集功能，包括物理传感器相关设备
图4基于智能主体的UH+SR 框架
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获得的用户环境信息和拥有的资源信息，也可以通过提供上下文捕获功能的Web服务获取信息，有些信息也可以通过用户接口直接获取(如用户基本信息、群组、QoS偏好等)。
基于智能主体的UH+SR系统架构由7个智能主体构成，分别是内部上下文感知主体、外部上下文感知主体、用户主体、上下文聚合主体、上下文推理主体、用户上下文本体生成主体、偏好挖掘主体。参考文献[11]介绍了多种智能主体平台用于管理、运行智能主体，如AgentTCL、Tracy、JADE等。
3.1.1数据收集层
数据收集层收集和处理用户提供相关信息，如用户基本信息、群组信息、用户的QoS偏好(用户可能明确提供也可能不能明确提供，如本文用户上下文本体中提到的表达方式可能是实数、区间数、模糊数)、已选择的服务和其他相关信息(如用户对服务QoS某些属性的反馈)等；收集和处理终端传感器获得的用户环境和资源等元上下文数据，如CPU、内存、可用带宽、无线网络信号强度、负载、温度、湿度等。
内部上下文感知主体收集和处理终端物理传感器获得的元上下文数据，如网络感知器获得的网络状态信息、温度感知器获得的环境温度等。外部上下文感知主体收集和处理一些领域服务提供商提供的领域信息，如天气预报服务提供的天气信息等。用户主体提供与用户交互的接口，如收集和处理用户基本信息、群组信息、用户QoS偏好和评价反馈信息等。另外，内部上下文感知主体、外部上下文感知主体和用户主体要负责传感和捕捉上下文信息及其变化，提供对上下文信息的访问，并将上下文信息的变化通知用户上下文管理层，且提供灵活的机制，将监测、转换、收集的上下文信息转换为具有明确语义和指向性，便于用户上下文管理层处理的OWL格式。
3.1.2用户上下文管理层
用户上下文管理层处理加工原始采集的上下文数据，基于原始上下文推理高层上下文，生成用户上下文本体以及分类筛选用户已选服务上下文。上下文聚合主体规范初始用户当前资源上下文信息，摒弃无关信息，聚合出较复杂的上下文。元上下文存储器用于存储规范的用户资源上下文信息；高层上下文存储器用于存储推理出的高层上下文。上下文推理主体根据元上下文信息或高层上下文信息推理出高层上下文，必须处理不一致和冲突的上下文。参考文献[11]列出了基于语义Web技术的学习算法，如贝叶斯网络、神经网络，基于范例推理和决策树的方法可以应用于高层上下文的推理。上下文推理是解决不确定性问题、不一致性问题以及挖掘隐含关系的关键。用户上下文本体生成主体根据采集到的环境上下文、资源上下文和输入的用户上下文生成用户上下文本体实例。上下文筛选主体为用户偏好管理层提供已分类和规范化的用户已选服务的上下文信息。
3.1.3用户偏好管理层
用户偏好管理层不仅临时存储用户已选服务上下文归类信息，也需要挖掘用户的QoS偏好。偏好挖掘主体根据用户已选服务上下文信息(主要指服务QoS)挖掘用户的QoS偏好，可以使用贝叶斯网络、决策树、神经网络、SVM 等学习方法或统计的方法得到与用户真实QoS偏好接近的值。对于用户QoS偏好，用户可能指定也可能不指定，在用户不指定时需要根据用户使用的服务上下文信息获得与用户QoS近似值后，用户上下文本体生成主体根据近似用户QoS偏好生成用户上下文本体。对于指定的QoS偏好也存在进行微调的情况，也需要调用偏好挖掘主体得到近似QoS偏好，从而调整已有用户指定的QoS偏好。
3.2基于智能主体的SB框架
参考文献[12]提出了一个可扩展的Web Service QoS信息管理框架，能够相对灵活地支持具有领域特性的QoS模型定义、QoS度量方法、QoS信息采集等；受到其思想以及智能主体的优势的启发，笔者在本节中提出基于智能主体的SB系统框架。
基于智能主体的SB系统框架如图5所示，通过该框架能够获得Web服务上下文信息(Web Service运行所需的资源上下文信息以及QoS信息等)，从而为基于上下文信息的Web服务应用提供基础信息。该框架由3层组成：数据收集层、上下文管理层和应用层。数据收集层收集服务提供者(SP)、服务发布者(S Pub)以及服务请求者服务上下文信息(如服务发布者提供服务运行的资源上下文信息，通过监控服务提供者的服务运行情况获得部分动态QoS属性信息以及通过服务请求者的反馈获得部分QoS 属性的评价信息)。上下文管理层提供对模糊信息的解释功能；提供来源于SP、SR和S Pub的原始上下文聚合和存储；提供对服务元上下文的推理和预测，从而获得较抽象的服务上下文；提供上下文本体生成、存储和发布功能。应用层基于服务上下文信息进行服务选择、发现、协商等。
基于智能主体的SB系统架构由14个智能主体构成，
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分别是数据收集层的服务提供者服务上下文收集主体、服务请求者服务上下文收集主体和服务发布者服务上下文收集主体，上下文管理层的模糊解释主体、多源上下文聚合和存储主体、上下文推理主体、上下文预测主体、服务上下文本体生成主体和服务上下文本体发布主体，应用层的基于上下文的服务发现主体、基于上下文的服务选择主体、基于上下文的服务组合主体、基于上下文的服务协商主体以及其他基于上下文的应用(本文后续工作主要考虑基于上下文的服务选择主体)。智能主体平台同样可选参考文献[11]介绍的AgentTCL、Tracy、JADE中的任一种。3.2.1数据收集层
数据收集层收集和处理服务提供者、服务请求者、服务发布者提供的相关的服务上下文信息，如服务运行所需的资源上下文、服务QoS信息。对于一些用户反馈和用户提供的相关信息的服务上下文属性需要使用不确定的描述方法给出，如本文服务资源上下文中的信号强度需要用户给出，用三角模糊数描述比较恰当；再如服务QoS中的可靠性、信誉需要用户反馈，分别使用不确定性描述方法——
—三角模糊数和直觉模糊数描述较恰当。因此，数据收集层必需能够收集和处理这种不确定的数据类型的服务上下文信息(包括实数、区间数、三角模糊数和直觉模糊数)。
数据收集层包含3个智能主体：服务提供者上下文收集主体、服务请求者上下文收集主体和服务发布者上下文收集主体。服务提供者上下文收集主体负责在运行Web Service的应用服务器平台上进行服务上下文信息采集，通常这类上下文信息为动态上下文(即随着时间的变化上下文数据发生变化，如服务的QoS属性)。参考文献[12]介绍了服务运行端的QoS采集，本文使用这种方法对服务提供者的服务上下文信息进行采集。服务请求者上下文收集主体负责使用Web Service的用户端进行服务上下文采集，通常为动态上下文(如服务QoS属性等)；参考文献[12]介绍了服务请求端QoS采集方法，同样本文采用这种方法对服务请求者的服务上下文进行采集。服务发布者上下文收集主体负责收集服务发布者发布的Web Service上下文信息，通常为静态上下文(通常发布后基本不需要改动，
如保55
障服务运行所需的终端资源上下文信息)。服务发布者的上下文采集需要定义统一的数据交互协议，采用OWL-S 定义的服务上下文本体。另外，服务提供者上下文收集主体、服务请求者上下文收集主体和服务发布者上下文收集主体要负责传感和捕捉上下文信息及其变化，提供对上下文信息的访问，并将上下文信息的变化通知用户上下文管理层，且提供灵活的机制，将监测、转换、收集的上下文信息转换为具有明确语义和指向性，便于用户上下文管理层处理的OWL格式。
3.2.2服务上下文管理层
服务上下文管理层处理加工数据收集层采集的原始服务上下文数据、基于原始上下文推理和预测高层上下文、生成服务上下文本体、以及发布服务上下文本体。服务上下文管理层由6个智能主体共同完成服务上下文的管理，包括模糊解释主体、多源上下文聚合与存储主体、上下文推理主体、上下文预测主体、服务上下文本体生成主体和服务上下文本体发布主体。模糊解释主体用于解释数据收集层收集到的模糊表达的数据（如用户用语言短语描述服务信誉，需要将语言短语转换成数学描述，具体方法见三角模糊数、直觉模糊数定义）。多源上下文聚合与存储主体规范元始采集服务上下文信息，摒弃无关信息，能够将来自多个数据源的上下文聚合为较复杂的上下文，能够存储处理后的上下文到元上下文存储器。元上下文存储器用于存储规范的用户资源上下文信息；高层上下文存储器用于存储推理出的高层上下文。上下文推理主体根据元上下文信息或高层上下文信息中推理出高层上下文，也必须处理不一致和冲突的上下文。上下文预测主体根据历史元上下文和历史高层上下文信息预测未来服务上下文走向，主要针对动态上下文属性，同样可以使用贝叶斯网络、决策树、神经网络、SVM等学习方法进行动态上下文属性的预测。服务上下文本体生成主体根据高层上下文生成本文定义的服务上下文本体实例。服务上下文本体发布主体提供访问服务上下文本体的基本方法。
3.2.3Web服务应用层
Web服务应用层使用服务上下文管理层提供的服务上下文本体完成各种应用，如基于上下文的服务发现、基于上下文的服务选择、基于上下文的服务组合、基于上下文的服务协商以及其他基于上下文的服务应用。这些基于上下文的应用通过服务上下文本体发布主体获得服务的上下文信息。4结束语
泛在网络环境中的组合服务选择考虑服务上下文同时，必须考虑用户上下文，才既能选择出能够满足用户的环境条件又能选择出用户满意度最高的服务。而描述上下文的类型可能是实数、区间数、三角模糊数或直觉模糊集，这样就形成了相对复杂的上下文信息。
然而，目前还没有组合服务选择框架能够支持面向复杂上下文的服务选择和组合。因此，本文提出一种能够指导系统开发的、解决基于复杂上下文的组合服务选择框架。该选择框架基于智能主体技术，由4部分构成：服务提供者、服务请求者、用户上下文处理器、服务中介，能够很好完成基于复杂上下文的组合服务选择。
本文仅仅提出了基于复杂上下文的组合服务选择框架，未来将提出一个基于复杂上下文的本体模型用以描述用户上下文和服务上下文；基于复杂上下文的本体模型提出一个复杂上下文的组合服务选择算法是另外一项重要工作。
参考文献
1Yang F C，Su S，Li Z.Hybrid QoS-aware semantic Web Service composition strategies.Science in China Series F-Information Sciences，2008，51(11)
2Su S，Li F，Yang F C.Iterative selection algorithm for service composition in distributed environments.Science in China Series F-Information Sciences，2008，51(11)
3Zou Hua，Zhang Longchang，Yang Fangchun，et al.A Web Service composition algorithmic method based on TOPSIS supporting multiple decision-makers.In:20106th World Congress on Services(SERVICES-1)，Miami,Florida,USA,2010 4Zhang Longchang，Zou Hua，Yang Fangchun.Multi-attribute group decision making-based decentralized Web Service selection.In:2010International Conference on Service Sciences，Hangzhou,China,2010
5Ping Wang.QoS-aware Web Services selection with intuitionistic fuzzy set under consumer’s vague perception.Expert Systems with Applications，2009，36(3)
6Tang Lei，Huai Xiaoyong，Li Mingshu.An approach to dynamic service composition based on context negotiation.Journal of Computer Research and Development，2008，45(11)
7Luo Nan,Yan Junwei,Liu Min.Towards context-aware composition of Web Services.In:Fifth International Conference on Grid and Cooperative，Changsha,Hunan,China,2006
8Patel P，Chaudhary S.Context aware semantic service discovery.
In:2009World Conference on Services-II，Bangalore,India,2009
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Complex Context -Aware Composition Service Selection Framework
Zhang Tongguang 1,Shi Qingmin 1,Zhang Longchang 2,Su Hongliang 3
(1.College of Computer and Information Engineering ，Xinxiang University ，Xinxiang 453003，China ；
2.State Key Laboratory of Networking and Switching Technology ，Beijing University of Posts and Telecommunications ，
Beijing 100876，China;3.School of Software,Liaoning Technical University,Huludao 125105,China)
Abstract
In ubiquitous network environment ，not only the Web Service context but also user ’s context is taken into account in
composition selection.And the data type describing context attribute may be real number ，interval number ，triangular fuzzy number and intuitionistic fuzzy number.To address the difficulty of based on complex context composition service selection this paper presents a complex context -aware composition service selection framework.It can aware service context and user context.The framework is based on the design of intelligent agents ，in which the client frameworks complete the user ’s context management ，server frameworks complete service context management and composition service selection.By comparing with the related works ，the advantages and effectiveness of our approach is demonstrated.Key words
context -aware ，Web Service ，composition service
（收稿日期：2011-05-10）
9
Wei -Po Lee.Deploying personalized mobile services in an agent -based environment.Expert Systems with Applications ，2007，32(4)
10Vengattaraman T ，Abiramy S ，Dhavachelvan P ，et al .An
application perspective evaluation of multi -agent system in versatile environments.Expert Systems with Applications ，2011，38(3)
11Jongyi Hong ，Eui -Ho Suh ，Junyoung Kim ，et al .Context -aware
system for proactive personalized service based on context history.Expert Systems with Applications ，2009,36(4)
12Shao Lingshuang ，Li Tian ，Zhao Junfeng ，et al .An extensible
management framework for Web Service QoS.Chinese Journal of Computers ，2008，31(8)
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·简讯·
烽火通信冲击全球光棒第一产业阵营
近日，位于东湖高新区凤凰山产业园的藤仓烽火光电材料科技有限公司厂区内机器齐鸣，这个国内设计规划最大的光棒产业基地，在经过近两年的建设后正式投产。
2011年底，该公司计划将产能继续扩充，达产后，国内生
产的1/3单模光纤预制棒将从此地产出。
藤仓烽火公司由烽火通信与全球光纤预制棒龙头厂商日本株式会社藤仓合资，2009年9月在武汉奠基开工。谈及这次“牵手”，烽火通信副总裁熊向峰概括为“非常不容易”和“意义重大”。
光纤预制棒制造是整个光纤光缆产业链中最核心、最关键的环节，约占行业整体利润的70%。但因技术壁垒和资金壁垒，目前主要被美国、日本、欧洲等国外少数厂商所垄断。
统计机构数据显示，目前，我国光纤光缆行业所需的光棒，70％左右从海外进口，其中5成以上的进口来自日
本。2011年3月份日本大地震，给中国光纤光缆厂家带来大面积供应紧缺、生产受限，“震痛”至今未散。
熊向峰表示，为摆脱受制于国外企业的局面，真正走向世界，烽火通信等国内光纤光缆厂商意识到要坚持“两条腿走路”，即坚持自主创新和技术引进相结合。一方面，要依靠自身力量进行自主创新，针对特殊领域需求开展应用基础研究、关键技术和共性技术研究，以提高自主创新能力；另一方面，还要跨越国界、积极整合全球资源，为我所用。要用全球视野来寻求国际合作，引进世界先进的生产工艺和技术，进而推出原创技术，形成独具特色的核心竞争力。
熊向峰介绍，藤仓烽火光棒基地已经试生产出了国内行业领先水平的光棒。从2011年8月开始进入年产500万芯千米的达产生产阶段；2011年年底将启动进一步扩产。今后该基地还将不断扩大产能，在满足国内需求的情况下，具有向全球市场供应的能力，将实现从“进口至自给自足再到参与国际竞争”的三级跳，冲击全球光棒产业第一集团。
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