馬小峰，杜明曉，余文兵，王意

1. 同濟大學(xué)控制科學(xué)與工程系，上海 201804；2. 上海歐冶金融信息服務(wù)股份有限公司，上海 201804

1 引言

2008年，中本聰首次提出區(qū)塊鏈的概念①http://www.bitcoin.org/bitcoin. pdf，他將區(qū)塊鏈技術(shù)作為構(gòu)建比特幣基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及將數(shù)據(jù)加密并且安全傳輸?shù)幕A(chǔ)技術(shù)，實現(xiàn)了記錄比特幣交易的去中心化數(shù)據(jù)庫。區(qū)塊鏈具有去中心化、集體維護、高度透明、去信任、匿名等特征，在比特幣體系中得到了創(chuàng)新性應(yīng)用，也受到了世界各國政府和企業(yè)的廣泛關(guān)注，全球很多國家已將區(qū)塊鏈技術(shù)提到戰(zhàn)略高度。我國也在“十三五”國家信息化規(guī)劃中多次提及區(qū)塊鏈技術(shù)，凸顯了國家對戰(zhàn)略性前沿技術(shù)的關(guān)注和重視程度。桑坦德銀行認為，到2020年如果全世界的銀行都使用區(qū)塊鏈技術(shù)，每年約省下200億美元的成本。世界經(jīng)濟論壇（World Economic Forum）預(yù)測，到2027年世界GDP的10%將被存儲在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上。

比特幣也是區(qū)塊鏈在金融領(lǐng)域的首個應(yīng)用，區(qū)塊鏈作為比特幣等數(shù)字貨幣的底層技術(shù)，具有去中心化、穩(wěn)定安全、不可篡改等特點，其在構(gòu)筑可信任系統(tǒng)方面具有良好的應(yīng)用前景。目前，區(qū)塊鏈的應(yīng)用已延伸到金融業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、數(shù)字資產(chǎn)交易、產(chǎn)權(quán)保護等多個領(lǐng)域。

在供應(yīng)鏈金融領(lǐng)域，中國作為世界最主要的大宗商品生產(chǎn)國和消費國，在全球大宗商品領(lǐng)域具有舉足輕重的地位。然而隨著全球經(jīng)濟進入下調(diào)周期，違約、騙貸事件頻出，大宗商品的信用危機也逐漸顯現(xiàn)。因質(zhì)押物信息不對稱導(dǎo)致的重復(fù)質(zhì)押、空單質(zhì)押等風(fēng)險事件的發(fā)生，嚴重挫傷了融資各方的相互信任，誠信經(jīng)營難保障，倉儲監(jiān)管成難點；金融秩序被擾亂，銀行貸款壞賬數(shù)量上升，金融機構(gòu)趨向于減少貸款、加速收貸；同時，大宗貨物流通困難，貿(mào)易商資金鏈條緊張、貸款更難，經(jīng)營發(fā)展陷入困境。

區(qū)塊鏈技術(shù)能有效地解決貨物在倉儲、物流、監(jiān)管環(huán)節(jié)的信息不對稱問題?；趨^(qū)塊鏈數(shù)字資產(chǎn)進行融資，既為企業(yè)提供了便捷有效的融資途徑，也為倉儲企業(yè)拓展了業(yè)務(wù)范圍。區(qū)塊鏈供應(yīng)鏈數(shù)字資產(chǎn)體系的構(gòu)建能進一步促進大宗商品交易及融資信用體系的重塑，促進行業(yè)的規(guī)范性發(fā)展。

本文使用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建了一個供應(yīng)鏈金融服務(wù)平臺，方便供應(yīng)鏈中的核心企業(yè)和金融機構(gòu)共同管理上下游企業(yè)的信息流和資金流，提高供應(yīng)鏈金融的透明度、可追溯性和安全性，解決傳統(tǒng)供應(yīng)鏈金融中的信息不對稱問題，降低金融風(fēng)險等級，提升供應(yīng)鏈金融的總體效率，降低供應(yīng)鏈總體成本，為供應(yīng)鏈相關(guān)各方提供更好的金融服務(wù)。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)

2.1 區(qū)塊鏈與比特幣

中本聰發(fā)表的論文闡述了他對電子貨幣的新構(gòu)想，設(shè)計出基于區(qū)塊鏈底層的比特幣，解決了長期以來困擾電子貨幣發(fā)展的三大難點：重復(fù)支付、依賴第三方中心、發(fā)行量控制。比特幣核心技術(shù)主要有以下幾點：

● 采用對等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行交易；

● 交易無需金融機構(gòu)參與；

● 采用非對稱加密、可復(fù)用的工作證明（proof of work，POW）取代中心信任；

● 系統(tǒng)中大多數(shù)節(jié)點是忠實的，共同維護最長鏈；

● 節(jié)點可以離開或重新加入網(wǎng)絡(luò)，接收最長鏈的變化并更新賬本。

上述技術(shù)中，對等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、非對稱加密技術(shù)解決了分布式交易賬本的建立問題；可復(fù)用的POW解決了“雙重支付”的問題，杜絕了那些不懷好意的人通過攻擊中央服務(wù)器進行比特幣無限重復(fù)消費的現(xiàn)象。此外，比特幣的數(shù)量被限定為2 100萬個，保證了比特幣的稀缺性。

比特幣在交易時的表現(xiàn)形式是一串字符，這串字符包含了上一次交易的信息和下一個所有者的公開密鑰（以下簡稱公鑰）信息，并將其發(fā)送給收款方（下一個所有者）。收款方會對這串字符進行驗證，并向全網(wǎng)絡(luò)廣播。被認可的交易信息將被確認形成區(qū)塊，收款方可通過自己的私有密鑰（以下簡稱私鑰）接收比特幣匯款，圖1為比特幣交易示意。

圖1 比特幣交易示意

2.2 區(qū)塊鏈技術(shù)

傳統(tǒng)的交易需要一個中心化的信任機構(gòu)，交易的確認、記錄完全依靠該信任機構(gòu)，在交易成本、效率以及安全性上面臨許多問題。區(qū)塊鏈技術(shù)改變了這一現(xiàn)狀，區(qū)塊鏈具有去中心化的特點，參與區(qū)塊鏈的節(jié)點擁有平等的地位，節(jié)點間無需相互信任，通過事先約定的規(guī)則，按照多數(shù)占優(yōu)的原則達成共識，共同完成數(shù)據(jù)的分布式存儲、交易信息的確認等功能，高效、低成本地解決節(jié)點間的交易問題。區(qū)塊鏈包含對等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、非對稱加密、共識機制、分布式賬本等各類計算機技術(shù)，是一個全面的計算機技術(shù)的綜合體系。

對等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)又稱對等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)或點對點技術(shù)，是區(qū)塊鏈系統(tǒng)連接各對等節(jié)點的組網(wǎng)技術(shù)，是與中心化連接網(wǎng)絡(luò)相對應(yīng)的一種構(gòu)建在互聯(lián)網(wǎng)上的連接網(wǎng)絡(luò)。在對等網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點的計算機地位相等，節(jié)點間通過特定協(xié)議進行信息或資源的交互，與中心化網(wǎng)絡(luò)中心服務(wù)器服務(wù)全網(wǎng)的模式形成鮮明的對比。在比特幣出現(xiàn)之前，對等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要用于文件共享和下載、網(wǎng)絡(luò)視頻播放等。對等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是構(gòu)成區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)的核心技術(shù)之一。

非對稱加密算法是一種基于密鑰的信息加解密方法，需要兩個密鑰：公開密鑰和私有密鑰。公鑰和私鑰是一對。如果使用公鑰對數(shù)據(jù)進行加密，則只有用對應(yīng)的私鑰才能解密。由于加密和解密使用的是不同的密鑰，所以這種加密算法被稱為非對稱加密算法。公鑰可公開發(fā)布，用于發(fā)送方加密要發(fā)送的信息，私鑰用于接收方解密接收到的加密內(nèi)容。常用的非對稱加密算法有RSA、ECC等。區(qū)塊鏈?zhǔn)褂梅菍ΨQ加密的公私鑰對來構(gòu)建節(jié)點間的保密通信，保證節(jié)點的可信及可驗證性。隨著對交易隱私的保護需求增加以及量子計算的發(fā)展，基于零知識證明[1,2]、同態(tài)加密[3]、環(huán)簽名的隱私保護機制和基于格理論[4]等的各種抗量子攻擊的加密方法也正在不斷被融入?yún)^(qū)塊鏈之中。

共識機制是區(qū)塊鏈中多節(jié)點達成一致性的算法，區(qū)塊鏈通過共識機制共同驗證交易來解決雙重花費問題。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，多個節(jié)點能夠點對點地通信，但有的節(jié)點會受到惡意攻擊，通信內(nèi)容被篡改。正常節(jié)點需要分辨這些被篡改的信息，并與其他正常節(jié)點取得一致結(jié)果，根據(jù)節(jié)點所處的環(huán)境不同，需要設(shè)計相應(yīng)的共識算法。當(dāng)前，在公有鏈中常用的共識算法有POW和股權(quán)證明（proof of stake，POS），在聯(lián)盟鏈中，則主要選用實用拜占庭容錯（practical Byzantine fault tolerance，PBFT）算法或者類Paxos算法（如Raft算法）。

POW算法是節(jié)點間通過算力的競爭來分配記賬權(quán)和獎勵。不同節(jié)點根據(jù)前一個區(qū)塊信息競爭計算一個數(shù)學(xué)問題的特定解，這個數(shù)學(xué)問題難于求解但易于計算，最先解決這個數(shù)學(xué)問題的節(jié)點可以創(chuàng)建下一個區(qū)塊，并獲得一定數(shù)量的比特幣獎勵。POS算法②https://www.peercoin.net/assets/paper/peercoin-paper.pdf則在POW的基礎(chǔ)上增加了幣齡的概念，通過將持幣數(shù)量、持幣時間與計算難度結(jié)合，一定程度上解決了POW的資源浪費問題。

在分布式系統(tǒng)中，拜占庭容錯技術(shù)能夠很好地解決節(jié)點和傳輸錯誤的問題，但早期拜占庭系統(tǒng)需要指數(shù)級的算法復(fù)雜度，直到1999年提出了PBFT系統(tǒng)[5]，將算法復(fù)雜度降為多項式級別，極大提高了效率。在拜占庭將軍問題[6]提出后，Lamport在1990年提出了Paxos算法，用于解決特定前提下的一致性問題，但由于其論文內(nèi)容難以被理解而未被接收。1998年Lamport重新發(fā)表論文，并于2001年對Paxos進行了簡述[7,8]，隨后Paxos在一致性算法領(lǐng)域占據(jù)統(tǒng)治地位，并在其基礎(chǔ)上衍生出許多其他算法。但Paxos算法過于理論化，在理解和工程實現(xiàn)上都有著很大的難度。2013年，美國斯坦福大學(xué)的Ongaro D等人[9]發(fā)表論文提出Raft算法，實現(xiàn)了與Paxos同樣的效果，并且更便于工程實現(xiàn)和理解。Raft算法無法解決拜占庭容錯問題，但在只存在宕機錯誤、不存在惡意節(jié)點的情況下，能夠更快地完成節(jié)點間同步，吞吐量也顯著優(yōu)于PBFT算法。

3 供應(yīng)鏈金融領(lǐng)域區(qū)塊鏈的應(yīng)用

近年來，供應(yīng)鏈大宗商品的融資市場水深火熱。以鋼鐵大宗商品為例，鋼鐵市場需求疲軟，鋼材價格持續(xù)走低，鋼鐵貿(mào)易價格倒掛，在鋼鐵行業(yè)面臨發(fā)展困境的大背景下，鋼鐵貿(mào)易企業(yè)嚴峻的資金壓力越來越多地轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實的誠信危機。2012年，國內(nèi)鋼材倉儲領(lǐng)域曾爆發(fā)上百起重復(fù)質(zhì)押、空單質(zhì)押等信貸案件，涉案金額超過千億元。這也導(dǎo)致倉儲物流業(yè)的信用環(huán)境遭到破壞，優(yōu)質(zhì)的倉庫得不到認可，倉儲管理走向惡化。困境之下急需行之有效的解決方案化解危機。

在供應(yīng)鏈中，競爭力較強、規(guī)模較大的核心企業(yè)在協(xié)調(diào)供應(yīng)鏈信息流、物流和資金流方面具有不可替代的作用，正是這一情況造成了供應(yīng)鏈成員事實上的不平等以及信息的不對稱。

基于以上背景，在傳統(tǒng)供應(yīng)鏈管理、融資平臺的基礎(chǔ)上，搭建了區(qū)塊鏈和大數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的供應(yīng)鏈金融服務(wù)平臺，平臺圍繞核心企業(yè)，由金融機構(gòu)與核心企業(yè)共同搭建，能提供線下資產(chǎn)轉(zhuǎn)換為電子資產(chǎn)、資產(chǎn)融資、資產(chǎn)交易、資產(chǎn)競價的功能，對用戶的行為進行記錄，并進行大數(shù)據(jù)分析，給出合理的用戶信用評級建議，督促相關(guān)參與方增強誠信意識。借助區(qū)塊鏈技術(shù)建立點對點的信任機制，打造動態(tài)增信資產(chǎn)的綜合融資模式。

該平臺把區(qū)塊鏈分布式賬本與傳統(tǒng)的中心化平臺融合，形成有限分布式混合架構(gòu)，既能兼顧中心化平臺的內(nèi)控要求，滿足現(xiàn)行監(jiān)管要求，又可以充分發(fā)揮區(qū)塊鏈分布式賬本的典型特征，優(yōu)勢互補。采用自主設(shè)計的區(qū)塊鏈——梧桐鏈作為底層區(qū)塊鏈平臺，并采用跨鏈技術(shù)，使業(yè)務(wù)記賬與賬戶體系運行在不同的鏈上，共同完成業(yè)務(wù)流程，但業(yè)務(wù)記賬鏈和數(shù)字資產(chǎn)流通鏈相互隔離。

3.1 公有鏈與聯(lián)盟鏈

區(qū)塊鏈根據(jù)開放程度可分為公有鏈和聯(lián)盟鏈。公有鏈?zhǔn)侵改骋还_區(qū)域的所有人都可訪問的區(qū)塊鏈。每個人都可以成為其中的節(jié)點，并按照相應(yīng)規(guī)則做出貢獻、取得獎勵，節(jié)點間不具有信任關(guān)系。公有鏈?zhǔn)峭耆_放和去中心化的，適用于完全開放的場景，目前也已經(jīng)有了比較成熟的應(yīng)用。POW和POS是公有鏈中最常使用的共識算法。

聯(lián)盟鏈則是指多方參與且共識節(jié)點為參與方預(yù)先指定的節(jié)點的區(qū)塊鏈。聯(lián)盟鏈的參與方之間不完全信任，每方按照聯(lián)盟規(guī)則選定己方的共識節(jié)點，交易需要大多數(shù)共識節(jié)點確認。聯(lián)盟鏈的節(jié)點加入需要符合聯(lián)盟鏈預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，且只有參與方的節(jié)點擁有讀取權(quán)限，對外界開放部分權(quán)限。聯(lián)盟鏈的開放程度和去中心化程度弱于公有鏈，但交易處理的速度和等待時間都優(yōu)于公有鏈。聯(lián)盟鏈應(yīng)用于半封閉的網(wǎng)絡(luò)，如由不同企業(yè)共同搭建的網(wǎng)絡(luò)。在這種網(wǎng)絡(luò)里，同企業(yè)間可能存在利益沖突，可能存在惡意篡改數(shù)據(jù)的節(jié)點。

該平臺將供應(yīng)鏈中的核心企業(yè)作為相對可信任的機構(gòu)，核心節(jié)點的數(shù)據(jù)交互共識在可信度較高的幾個驗證企業(yè)之間進行，因此平臺采用聯(lián)盟鏈作為區(qū)塊鏈的底層組網(wǎng)形式。平臺共識節(jié)點的初始加入由核心企業(yè)篩選，后續(xù)共識節(jié)點的加入需要由現(xiàn)有共識節(jié)點共同投票決定。

3.2 平臺架構(gòu)設(shè)計

平臺初始參與區(qū)塊鏈驗證的節(jié)點設(shè)定為核心企業(yè)、物流企業(yè)、倉庫和銀行，這些企業(yè)是供應(yīng)鏈中的核心，且維護系統(tǒng)的穩(wěn)定更符合參與節(jié)點的利益，在不發(fā)生外部攻擊的情況下，單節(jié)點對數(shù)據(jù)的篡改不影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。其他的個體或參與企業(yè)則作為系統(tǒng)的用戶，只參與區(qū)塊鏈上的業(yè)務(wù)，不參與共識。

考慮到目前區(qū)塊鏈系統(tǒng)并不適合用來存儲較大的文件，對平臺區(qū)塊鏈部分的數(shù)據(jù)進行了設(shè)計，不同的業(yè)務(wù)封裝為功能模塊，各模塊通過接口進行交互，并與外部通信，各交易模塊按照業(yè)務(wù)和隱私保護的需求，選擇必需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，采用不同的加密方式對數(shù)據(jù)加密后，記錄在區(qū)塊鏈上。如圖2所示，基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈金融服務(wù)平臺由區(qū)塊鏈底層平臺和對外服務(wù)應(yīng)用層組成，應(yīng)用模塊包括權(quán)限管理模塊、數(shù)字資產(chǎn)管理模塊、數(shù)字資產(chǎn)交易模塊和信用管理模塊。

權(quán)限管理模塊負責(zé)平臺用戶權(quán)限的管理，用戶在平臺注冊時，權(quán)限管理對用戶的信息進行后臺審核，然后給予系統(tǒng)不同的權(quán)限，例如管理員用戶可完成數(shù)字資產(chǎn)申請的審核。同時，權(quán)限管理模塊會與信用評分模塊相結(jié)合，降低高風(fēng)險、低評分的用戶的操作權(quán)限（如不能申請數(shù)字資產(chǎn)、不能交易數(shù)字資產(chǎn)等），并在平臺上進行警示。

數(shù)字資產(chǎn)管理模塊負責(zé)用戶申請線下資產(chǎn)登記為線上資產(chǎn)的審核與審核通過后的線上數(shù)字資產(chǎn)的管理。圖3為典型的數(shù)字資產(chǎn)發(fā)行流程，用戶將線下的實物資產(chǎn)申請確認為線上資產(chǎn)，數(shù)字資產(chǎn)管理模塊通過對實物資產(chǎn)進行審核，例如大宗物品倉單的審核需要對接倉庫系統(tǒng)，由倉庫系統(tǒng)對倉單物品的數(shù)量、質(zhì)量等信息進行審核。審核通過的線下資產(chǎn)被凍結(jié)，并由具有資質(zhì)的第三方機構(gòu)對物品進行估值，生成帶有線下資產(chǎn)詳情和估值的數(shù)字資產(chǎn)。被凍結(jié)的物流信息會由倉庫負責(zé)監(jiān)控，對物流的變動和交接在系統(tǒng)內(nèi)實時記錄在區(qū)塊鏈上，如果物品脫離監(jiān)管，系統(tǒng)會凍結(jié)數(shù)字資產(chǎn)。數(shù)字資產(chǎn)申請的流程及生成的數(shù)字資產(chǎn)記錄到區(qū)塊鏈上。數(shù)字資產(chǎn)的退出與申請的流程相似，在數(shù)字資產(chǎn)管理模塊審核通過后，通過智能合約自動完成管理費用的支付，解凍線下資產(chǎn)。

圖2 基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈金融服務(wù)平臺架構(gòu)

圖3 數(shù)字資產(chǎn)發(fā)行流程

數(shù)字資產(chǎn)交易模塊提供用戶之間數(shù)字資產(chǎn)交易的功能。用戶可將已生成的數(shù)字資產(chǎn)在數(shù)字資產(chǎn)交易模塊進行掛牌交易，其他用戶如果符合賣方設(shè)置的限定條件（如信用等級、用戶類型等），即可在交易模塊中購買數(shù)字資產(chǎn)，數(shù)字資產(chǎn)的交易通過智能合約自動執(zhí)行，并將交易信息記錄在區(qū)塊鏈上。

部分企業(yè)可將產(chǎn)能轉(zhuǎn)換為數(shù)字資產(chǎn)，并在平臺上進行預(yù)售，產(chǎn)能的預(yù)售與交易所的形式類似，交易模塊可對交易的產(chǎn)品進行拆分，并自動匹配交易。企業(yè)也可將數(shù)字資產(chǎn)進行融資，通過平臺預(yù)先設(shè)置的智能合約模板，將數(shù)字資產(chǎn)發(fā)布融資，并按照約定的期限贖回資產(chǎn)。如果無法按時完成還款，智能合約完成資產(chǎn)所有者的變更。

信用管理模塊根據(jù)用戶在平臺上的行為以及用戶的社會信用，綜合產(chǎn)生用戶在平臺上的信用記錄。該記錄由分析模型自動生成，并記錄在區(qū)塊鏈上，交易時平臺向交易雙方展示信用情況，并根據(jù)用戶的信用情況提供不同的操作權(quán)限。

3.3 區(qū)塊鏈與大數(shù)據(jù)

從數(shù)據(jù)角度而言，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N不可篡改、全歷史的數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)，巨大的區(qū)塊數(shù)據(jù)集合包含著過往的每一筆交易。隨著區(qū)塊鏈的應(yīng)用迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)規(guī)模會越來越大，不同業(yè)務(wù)場景區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)融合也進一步擴大了數(shù)據(jù)規(guī)模，提高了數(shù)據(jù)的豐富性。大數(shù)據(jù)技術(shù)的日趨成熟也為供應(yīng)鏈的金融風(fēng)控提供了可能。平臺會將用戶的行為記錄在區(qū)塊鏈上，通過對這些數(shù)據(jù)進行建模分析，利用非金融領(lǐng)域的數(shù)據(jù)（交易、支付）為金融機構(gòu)提供企業(yè)征信評估的依據(jù)，給出合理的用戶信用評級建議，督促相關(guān)參與方增強誠信意識，構(gòu)建一個誠信的平臺。

圖4為平臺信用服務(wù)技術(shù)路線。該平臺的大數(shù)據(jù)信用分析模塊收集大量的企業(yè)業(yè)務(wù)信息，以此作為企業(yè)征信的核心數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并補充各類政府、工商、銀行、個人等公共信息，通過模型化處理，建立企業(yè)征信體系。隨著真實業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的積累和變化，平臺能做到對企業(yè)信用的動態(tài)化跟蹤，發(fā)布企業(yè)最新的信用情況，使供應(yīng)鏈金融服務(wù)中嵌入企業(yè)征信數(shù)據(jù)。

圖4 平臺信用服務(wù)技術(shù)路線

4 結(jié)束語

本文構(gòu)建的供應(yīng)鏈金融服務(wù)平臺是區(qū)塊鏈技術(shù)在大宗商品供應(yīng)鏈領(lǐng)域的一次嘗試，該平臺融合了區(qū)塊鏈技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析，使得原先單純基于擔(dān)保資產(chǎn)的融資模式轉(zhuǎn)化為綜合融資模式，建立點對點的信任機制，使得供應(yīng)鏈各企業(yè)能更為平等地參與其中。但是目前平臺仍然存在不足，如采用的共識方式的吞吐量有限、無法滿足高頻交易的需求、未充分考慮隱私保護的問題等。后續(xù)筆者將根據(jù)實際運行環(huán)境對共識算法進行改進，提高平臺交易的吞吐量和確認延遲；嘗試采用零知識證明和同態(tài)加密等方法，加強對參與用戶的隱私保護。

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