乙太網路供電

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一個由PoE分線器供電的無線網絡基地台

乙太網路供電（Power over Ethernet，簡稱PoE）也稱PoE供電，是一種可以在乙太網路中透過雙絞線來傳輸電力與資料到裝置上的多種標準化技術或自有標準技術。它允許只通過一根乙太網路雙絞線就能為無線存取點（WAP）、網絡網絡攝影機、VoIP電話同時提供電力供應和數據傳輸。

現時有多套技術標準用於實現在雙絞線上同時傳輸電力和數據，其中有三種於2003年已經被電氣電子工程師學會（IEEE）標準化入IEEE 802.3中，分別稱為模式A、模式B、4PPoE。對於10BASE-T和100BASE-TX，這些技術只使用到CAT5類雙絞線4對線中的兩對。

模式B方案，是將電力傳輸和數據傳輸的線路分開，使其容易排查故障，並且充分利用四對雙絞線線路，將正電壓載入在引腳4、5上，負電壓載入在引腳7、8上。

模式A方案，在雙絞線乙太網路（10Mbps）和快速乙太網路（100Mbps）中，是將傳輸的電力同時負載在數據傳輸的線對中，類似於通常用於為電容式麥克風供電的幻象電源技術。通過向每對線施加共模電壓，在數據導體上同時傳輸電力，由於雙絞線乙太網路是通過差分訊號傳輸的，所以不會干擾到數據的傳輸。使用標準乙太網路脈衝變壓器的中心抽頭就可以輕鬆提取共模電壓。對于吉位元乙太網路（1Gbps）和10十億位元乙太網路（10Gbps），由於四對線路都需要用於傳輸數據，模式A和模式B都需要將傳輸的電力同時載入在傳輸數據的線路上。

4PPoE方案會使用四對雙絞線全部線路來傳輸電力，能為平移-傾斜-變焦相機（英語：Pan–tilt–zoom camera）、高效能的無線存取點、乃至手提電腦電池提供更強勁的供電。

除了上述三種方案外，IEEE還提供一套信令標準用於辨識電源裝置（PSE）和受電裝置（PD），這些信令能夠允許電源裝置檢測到符合的受電裝置的存在，並允許受電裝置和電源裝置協商所需或可用的電量。

標準制定[編輯]

四對、兩對雙絞線乙太網路[編輯]

最初的PoE標準IEEE 802.3af-2003[1]能提供每個介面最高15.4W的直流電功率（最小提供44V、350mA的直流電源）[2][3][4]。由於電纜有傳輸損耗，受電裝置最多能獲得12.95W的功率。[5]升級的IEEE 802.3at-2009[6]（也被稱為PoE+ 或 PoE plus）能為類型2的裝置最高提供25.5W的功率。[7]2009年還禁止裝置使用四對線路來獲得電力。[8]這些標準也被整合到IEEE 802.3-2012版的標準發行物中。[9]

IEEE 802.3bt-2018（也被稱為PoE++或4PPoE）擴充了IEEE 802.3at的能力。這個標準提供了兩種不同的供電類型：對於類型3裝置提供最高51W的功率，和對於類型4裝置提供最高71.3W的功率。每對雙絞線最高能提供600mA（類型3）或960mA（類型4）的電流。[10]另外，該標準也包含對 2.5GBASE-T、5GBASE-T 、10GBASE-T的供電支援。[11] 這個新特性為新應用領域打開了大門，擴大了高效能無線存取點和監視網絡攝影機等應用的使用範圍。

單對雙絞線乙太網路[編輯]

IEEE 802.3bu-2016[12]，也被稱為單對線Power over Data Lines（PoDL），主要在100BASE-T1和1000BASE-T1標準，也就是一對雙絞線的乙太網路版本提供數據傳輸和電力供應的版本修改。[13]四對、兩對雙絞線的版本中，負責提供電力的線路負載上相同的電壓，沒有用於傳輸數據的差分電壓差。而在單對雙絞線版本中，供應電力的電壓同時負載在傳輸數據的線路上，能提供10級供電類型，能對受電裝置提供從0.5到10W的電力功率。

之後，PoDL還增加10BASE-T1[14]、2.5BASE-T1、5GBASE-T1、10GBASE-T1的支援[15]，到2021年，對於供電功率類型增加至15級。[14]

用途[編輯]

PoE的應用場景包括：[16]

  • VoIP電話
  • 網絡網絡攝影機（包括帶電動雲台）
  • 無線存取點
  • IPTV解碼器
  • 網絡路由器
  • 安裝在遠端房間的小型網絡交換機，用於一個上端鏈路向下提供一組乙太網路介面。這些交換機作為受電裝置可以從上端PoE鏈路獲得電力，或者作為中繼繼續為下端的乙太網路受電裝置提供電力。
  • 公共廣播系統的遠端對講機或廣播揚聲器
  • 通過NTP獲得授時的掛鐘
  • 無線ISP使用的帶有整合天線、4G/LTE、802.11 或 802.16 無線 CPE（客戶端裝置）的室外屋頂安裝無線電天線
  • 室外對等微波和毫米波無線電以及一些通常具有專用PoE的自由空間光學通訊（FSO）單元
  • 包括感測器、控制器、儀表等的工業控制系統組件
  • 包括求助點、對講機、門禁卡、無鑰匙進入裝置等的訪問控制裝置
  • 智能燈光控制系統和發光二極管照明燈具[17]
  • 舞台和劇院裝置，例如網絡音頻分線盒和路由盒
  • 遠端POS終端
  • 行內乙太網路擴充器[18]
  • 通過PoE分離器提供單獨的供電電源，可以用於單獨給一個遠端裝置供電或者給手機充電。
  • 一個使用PoE供電的網絡網絡攝影機
    一個使用PoE供電的網絡網絡攝影機
  • 安裝在阿聯酋的 CableFree FOR3 微波鏈路，通過PoE高效能供電的全戶外無線電天線。
    安裝在阿聯酋的 CableFree FOR3 微波鏈路，通過PoE高效能供電的全戶外無線電天線。
  • Cisco 7906 VoIP電話，支援PoE
    Cisco 7906 VoIP電話，支援PoE

術語[編輯]

供電裝置（Power sourcing equipment， PSE），就是負責在乙太網路線纜上提供電源的裝置。這個裝置可能是一台網絡交換機，通稱endspan（IEEE 802.3標準中稱其為endpoint），也可能是一個不支援PoE的網絡交換機到另一台PoE裝置之間的中間裝置，例如PoE注入器，通稱為midspan裝置。

受電裝置（Powered device，PD）指任何由PoE供電的裝置，這些受電裝置通常還附帶一個可選的外部電源供電介面，根據設計，裝置可以完全不用、部分、或者全部由這個供電介面獲得電力，[19][20]有時候也會作為一個裝置供電的後備，以防止PoE供電出現故障。

電源管理功能和整合[編輯]

PoE的倡導者希望PoE能夠成為全球長遠的直流電源布線標準，並取代大量難以集中管理的單獨交流配接器。[21]相應批評者認為，PoE的供電電壓太低，實際上比單純的直流電源配接器效率更差，尤其是乙太網路雙絞線的細長導體會導致這樣的損耗。乙太網路聯盟（英語：Ethernet Alliance）等PoE的倡導者指出，所參照的損耗是針對受電裝置的電纜質素、長度和功耗方面的最壞情況。[22]在任何情況下，如果中央PoE電源取代了專用的交流電路、變壓器和逆變器，這些布線中的功率損耗是合理的。

整合高效能乙太網路和PoE[編輯]

PoE和IEEE 802.3az高能效乙太網路（Energy-Efficient Ethernet，EEE）的整合可能會產生額外的節能效果，EEE 和 PoE的預標準整合（例如：Marvell在 2011 年 5月的白皮書中概述的EEPoE）聲稱每條鏈路可節省高達3W 的功率。 隨着更高功率的裝置上線，這種節省尤其重要。[23]

標準實現[編輯]

基於標準的乙太網路供電是按照 IEEE 802.3af-2003（後來作為第 33 條併入 IEEE 802.3-2005）或 2009 年更新的 IEEE 802.3at 中的規範實施的。 標準要求使用CAT-5雙絞線以獲得更高的功率水平，但如果只需要較低的功率，則允許使用CAT-3雙絞線。[24]

電源作為共模訊號通過乙太網路電纜中的兩個或多個差分線對提供，並且來自支援PoE的網絡裝置（例如乙太網路交換機）內的電源，或者可以在電纜中使用PoE注入器作為附加的PoE電源，與非PoE交換機結合使用。

幻象電源技術允許線路供電的同時也能承載數據傳輸。這不止允許不僅可以用於 10BASE-T 和 100BASE-TX（線纜中四對線路中只用其中兩對），也可以用於1000BASE-T、2.5GBASE-T、5GBASE-T和10GBASE-T，這些規格會使用線纜全部四對線路進行數據傳輸。因為所有版本的雙絞線乙太網路都規定了每對線路帶有變壓器耦合的差分數據傳輸，直流電源和負載可以連接到變壓器兩端的中心抽頭，因此，每一對作為直流電源的一側以共模方式工作，因此需要兩對來完成電路。直流電源的極性可以通過交叉電纜反轉，受電裝置必須使用任一對執行：備用對 4-5和7-8，或數據對 1-2 和 3-6。極性由備用對的標準定義，並通過使用二極管電橋對數據線進行模糊的實現。

PoE各標準的參數對比
屬性 802.3af （802.3at Type 1）, PoE 802.3at Type 2, PoE+ 802.3bt Type 3, 4PPoE[25] or PoE++ 802.3bt Type 4, 4PPoE or PoE++
受電裝置最大獲得功率[note 1] 12.95 W 25.50 W 51 W 71.3 W
電源裝置最大輸電功率 15.40 W 30.0 W 60 W 99.9 W[note 2]
電源裝置電壓範圍 44.0–57.0 V[26] 50.0–57.0 V[26] 50.0–57.0 V 52.0–57.0 V
受電裝置電壓範圍 37.0–57.0 V[27] 42.5–57.0 V[27] 42.5–57.0 V[28] 41.1–57.0 V
最大電流 350 mA[29] 600 mA[29] 每對線600 mA[28] 每對線960 mA[28]
每對線最大電阻 20 Ω[30] (CAT-3) 12.5 Ω[30]（CAT-5） 12.5 Ω[28] 12.5 Ω[28]
電源管理 通過訊號協商的三個功率等級（1-3） 通過訊號協商的四個功率等級（1-4） ，或以0.1 W步長由LLDP協商 通過訊號協商的六個功率等級（1-6） ，或以0.1 W步長由LLDP協商[31] 通過訊號協商的八個功率等級（1-8） ，或以0.1 W步長由LLDP協商
最大電纜環境工作溫度降額 無 5 °C（9 °F），一對線啟用時 10 °C（20 °F），超過一半的成束電纜對處於最大電流[32] 10 °C（20 °F） ，需要溫度控制
支援線材 CAT-3、CAT-5[33] CAT-5[33][note 3] CAT-5 CAT-5
支援模式 模式A（endspan）、模式B （midspan） 模式A、模式B 模式A、模式B、4-pair Mode 強制4-pair Mode

註：

  1. ^ 大部分開關模式電源會有10%~25%的功率以熱量損失。
  2. ^ ISO/IEC 60950 安全超低電壓（SELV）標準將每個埠的功率限制為 100 W（類似於美國 NEC 2 類電路）。
  3. ^ 更嚴格的電纜規格允許假設更大的載流能力和更低的電阻（CAT-3為 20.0 Ω，CAT-5為12.5 Ω）。

為裝置供電[編輯]

模式A在10BASE-T、100BASE-TX模式使用數據對來供電；模式B則是使用備用對來供電；4PPoE模式下則使用全部四對線路來供電。PoE在使用全部四對線路進行數據傳輸，沒有備用對的1000BASE-T、2.5GBASE-T、5GBASE-T、10GBASE-T模式依然可以供電，是基於使用了幻象電源技術。

模式A有對於MDI和MDI-X有兩套組態模式，使用相同的線對但對應不同的極向。其中線1和線2（T568B線纜的2號線對）對應48V直流電的一極，而線3和線6（T568B線纜的3號線對）對應另一極。10BASE-T和100BASE-TX都會使用這兩個線對來傳輸數據，而且也可以單獨只用於提供電力。自由極性支援交叉線、直通線和自動MDI-X功能。

模式B下，線4和線5（T568A、T568B線纜的1號線對）對應直流電的一極，而線7和線8（T568A、T568B線纜的4號線對）對應另一極。由於這兩對線對於10BASE-T和100BASE-TX是備用線對，所以模式B一定要使用4線對雙絞線。

模式A和模式B兩個供電模式的選擇是由供電裝置去決定的，而不是由受電裝置決定。標準中不允許受電裝置只實現模式A或模式B，[34]但供電裝置可以實現全部或只有其中一種。受電裝置可以在供電線對之間放置一個 25 kΩ的檢測電阻來表明它符合標準，供電裝置如果檢測到供電線對的電阻過高或過低（包括短路），則會切斷供電，從而保護非PoE裝置。可選的功率等級功能允許受電裝置通過在更高電壓下更改檢測電阻來指示其功率要求。

要保持供電，受電裝置必須每次使用至少5–10 mA的電流至少60毫秒。 如果受電裝置超過 400毫秒未滿足此要求，則供電裝置將認為裝置已斷開連接，並出於安全原因，切斷供電。[35]

供電裝置存在兩種類型：endspan（端跨）和midspan（中跨）。endspan，例如PoE網絡交換機，會直接包含PoE供電電路，而midspan則是在常規乙太網路交換機和受電裝置之間接入一個PoE電源注入器，在不影響數據傳輸的情況下注入電源。endspan通常用於新安裝或因其他原因（例如提升網絡傳輸速率）而必須更換交換機時應用，這樣方便應用PoE技術。而midspan則是在不改變現有交換機裝置的情況使用。

PoE鏈路啟動的通訊步驟
階段 動作 電壓要求 (V)
802.3af 802.3at
檢測 供電裝置檢測受電裝置是否具有19–26.5 kΩ正確的特徵電阻 2.7–10.1
分類 供電裝置檢測電阻指示的功率範圍（見下「功率分類」表） 14.5–20.5
標記1 供電裝置表示現在支援802.3at標準的訊號，受電裝置應該保持0.25–4 mA的負載。 — 7–10
分類2 供電裝置輸出檢測功率分類的電壓，代表支援802.3at標準 — 14.5–20.5
標記2 供電裝置表示現在支援802.3at標準的訊號，受電裝置應該保持0.25–4 mA的負載。 — 7–10
啟動 輸出電壓[36][37] > 42 > 42
正常運作 輸出電力給受電裝置[36][37] 37–57 42.5–57

支援IEEE 802.3at標準的裝置會定義為類型2裝置，一個支援IEEE 802.3at標準的供電裝置也可以使用鏈路層發現協定來組態標示支援IEEE 802.3at標準。[38]

功率分類[39][40]
分類 用例 可用電流（mA） 受電裝置的功率範圍（W） 供電裝置的功率範圍（W） 分類說明
0 預設 0–5 0.44–12.94 15.4 分類未定義
1 可選 8–13 0.44–3.84 4.00 超低功率
2 可選 16–21 3.84–6.49 7.00 低功率
3 可選 25–31 6.49–12.95 15.4 中功率
4 類型2裝置，支援802.3at但不支援802.3af 35–45 12.95–25.50 30 高功率
5 類型3裝置，支援802.3bt 36–44 & 1–4 40 （4對線） 45
6 36-44 & 9–12 51（4對線） 60
7 類型4裝置，支援802.3bt 36–44 & 17–20 62（4對線） 75
8 36–44 & 26–30 71.3（4對線） 99

分類4隻能讓類型2裝置以802.3at標準使用，在鏈路啟動步驟必選正確響應分類2、標記2的訊號，802.3af裝置使用分類4的電流分類被視為不符合要求，而是被視為使用分類0的電流。[41]:13

通過鏈路層發現協定組態[編輯]

鏈路層發現協定（Link Layer Discovery Protocol，LLDP）是乙太網路鏈用於管理裝置的鏈路層協定。LLDP允許在PSE和PD之間交換資訊。 此資訊採用類型-長度-值（英語：Type–length–value）（TLV）格式。 PoE 標準定義了PSE和PD用於傳送訊號和協商可用功率的TLV 結構。

IEEE 802.3-2015中通過MDI使用LLDP協商電力的協定幀[42]
TLV頭 TLV的控制值意義
類型
（7位） 		長度

（9位）

IEEE 802.3 OUI

（3位八進制值）

IEEE 802.3 子類型

（1位八進制值）

MDI電源支援[43]
（1位八進制值） 		PSE電源線對[43]
（1位八進制值） 		功率類型
（1位八進制值） 		裝置類型和源優先度

（1位八進制值）

PD請求電源功率值

（1位八進制值）

PSE提供電源功率值

（1位八進制值）

127 12 00-12-0F 2
  • b0：介面類型
    • 1=PSE
    • 0=PD
  • b1：PSE側MDI電源支援
  • b2：PD側MDI電源支援
  • b3：PSE線對控制能力
  • b4~b7：保留
 1=通訊訊號線對
2=預留線對
  • 1=class 0
  • 2=class 1
  • 3=class 2
  • 4=class 3
  • 5=class 4
  • b7：電源類型
    • 1=Type 1
    • 0=Type 2
  • b6：電源類型
    • 1=PD
    • 0=PSE
  • b5~b4：電源源頭
  • b3~b2：保留
  • b0~b1：電源優先度
    • 11=low
    • 10=high
    • 01=critical
    • 00=unknown
 以0.1W步進，0~25.5W 以0.1W步進，0~25.5W
IEEE 802.1AB-2009通過MDI使用遺留LLDP協商電力的協定幀[44]
TLV頭 TLV的控制值意義
類型  
(7位) 		長度
(9位) 		IEEE 802.3 OUI  
(3位八進制值) 		IEEE 802.3 子類型

（1位八進制值）

MDI電源支援[43]
（1位八進制值） 		PSE電源線對[43]
（1位八進制值） 		功率類型
（1位八進制值）
127 7 00-12-0F 2
  • b0：介面類型
    • 1=PSE
    • 0=PD
  • b1：PSE側MDI電源支援
  • b2：PSE側MDI電源狀態
  • b3：PSE線對控制能力
  • b4~b7：保留
 1=通訊訊號線對
2=預留線對
  • 1=class 0
  • 2=class 1
  • 3=class 2
  • 4=class 3
  • 5=class 4
遺留LLDP MED（Media endpoint discovery extension）進階電源管理[45]:8
TLV頭 MED頭 通過MDI擴充電源
類型  
(7位) 		長度
(9位) 		TIA OUI
(3位八進制值) 		通過MDI擴充電源頭子類型

（1位八進制值）

電源類型
（2位） 		電源類型
（2位） 		電源優先度
（2位） 		功率值
（2位八進制值）
127 7 00-12-BB 4 PSE、PD 正常、後備 Critical,
High,
Low 		以0.1W步進，0~102.3W

使用LLDP協商電源組態的步驟如下：

  1. PSE物理地使用IEEE 802.3af階段分類3測試PD，將PD輸電啟動
  2. PD向PSE傳送訊息，表明自己是PD，最大功率為X，請求最大功率為X
  3. PSE向PD響應訊息，表明自己是PSE，允許提供功率為X。這時PD可以使用PSE所提供的電源功率。

此功率協商的規則是：

  • PD不能使用超過IEEE 802.3af物理上所能允許的功率上限。
  • PD消耗的功率不得超過PSE公佈的最大功率。
  • PSE可以拒絕任何PD消耗的功率超過PSE允許的最大值。
  • PSE不應減少分配給正在使用的PD的功率。
  • PSE可能會通過節能模式請求降低功率。[45]:10

非標準實現[編輯]

思科[編輯]

在IEEE將PoE標準化之前，思科的一些無線存取點和VoIP電話就支援私有的PoE功能。[46]這些早期PoE裝置不能通過軟件升級來支援IEEE 802.3af。思科給這些早期PoE裝置能每個埠提供高達10W的功率。通過思科發現協定（英語：Cisco Discovery Protocol）（Cisco Discovery Protocol，CDP），交換機和終端受電裝置之間可以協商需要傳輸的電量，除外，CDP還會將語音VLAN值從思科的交換機動態傳送給思科的VoIP電話。

在思科這個標準下，PSE（交換機）會通過數據傳輸線對傳送傳送一個快速鏈路脈衝（fast link pulse，FLP），PD（受電裝置）將這個訊號通過低通濾波器連接回接收線端，PSE就會從PD收回這個FLP訊號，PSE就會線上對1和2提供一個共模模式電流，預設為48V、6.3W的直流電。[47][48]PD必須在5秒內向交換機埠提供自動協商模式以協商獲得乙太網路鏈路。稍後帶有TLV的CDP訊息告訴PSE其最終功率要求。鏈路脈衝的中斷會讓電源關閉。[49]

2014年，思科又創造另一個私有PoE協定，名為「Universal Power over Ethernet（UPOE）」，經過裝置協商，最高可以使用四個線對提供60W的功率。[50]

凌力爾特[編輯]

凌力爾特（英語：Linear Technology）提供了一種稱為「LTPoE++」的PoE技術，通過簡單的CAT-5e雙絞線，能夠傳送38.7、52.7、70、90W四檔功率。[51]

美高森[編輯]

美高森（英語：Microsemi）在2007年收購PowerDsine公司，這家公司自1999開始就銷售自己的Power over LAN技術及配套的跨端電源注入器。一些公司，如Polycom、3Com、朗訊、北電網絡，有使用該技術。 [52]

被動式供電[編輯]

通過被動式時PoE系統，電源注入器不與受電裝置協商供電電壓和功率，只是始終供電。常見的百兆被動式電源注入器使用802.3af模式B的引腳排列，但極化可能各不相同。千兆被動式電源注入器在數據引腳上使用變壓器，以允許電源和數據共用電纜，並且通常與802.3af模式A相容。

需要5伏電壓的裝置通常不能在超過短距離（約15英尺（4.6米））乙太網路電纜上使用5V的PoE，因為電纜的壓降太大，因此遠端需要24 V或48V轉5 V的DC-DC轉換器。[53]

也存在DC-DC的被動式電源注入器，將9~36V或36~72V的電源電力轉換為穩定的24V1A、48V0.5A、48V2.0A的PoE電力，將線腳4和5接為正極、線腳7和8接為負極。這種DC-DC電源注入器主要用於電信設施。[54]

供電能力限制[編輯]

ISO/IEC TR 29125和Cenelec（英語：European Committee for Electrotechnical Standardization） EN 50174-99-1在標準草案中就預料了使用4PPoE之後對預期的線材發熱情況，提到兩種情況：

  1. 線材從里往外發熱。
  2. 線材從外被環境溫度加熱。

第二種情況很大程度上取決於環境和安裝，而第一種情況僅受電纜結構的影響。在標準非封鎖電纜中，與PoE相關的升溫升增加了5倍。在封鎖電纜中，該值下降到 2.5 到 3 之間，具體取決於設計。

接線[編輯]

802.3af/at 表中模式A、B，從供電裝置側（MDI-X）
交換機的接線 T568A線色 T568B線色 10/100Mbps 模式B

電力與數據分離

10/100Mbps 模式A

電力與數據混合

1Gbps 模式B
DC & bi-data 		1Gbps 模式A
DC & bi-data
數據 電力 數據 電力 數據 電力 數據 電力
線1 Pair 3 Wire 1 白/綠 Pair 2 Wire 1 白/橘 Rx + Rx + DC + TxRx A + TxRx A + DC +
線2 Pair 3 Wire 2 綠 Pair 2 Wire 2 橘 Rx − Rx − DC + TxRx A − TxRx A − DC +
線3 Pair 2 Wire 1 白/橘 Pair 3 Wire 1 白/綠 Tx + Tx + DC − TxRx B + TxRx B + DC −
線4 Pair 1 Wire 2 藍 Pair 1 Wire 2 藍 DC + 不使用 TxRx C + DC + TxRx C +
線5 Pair 1 Wire 1 白/藍 Pair 1 Wire 1 白/藍 DC + 不使用 TxRx C − DC + TxRx C −
線6 Pair 2 Wire 2 橘 Pair 3 Wire 2 綠 Tx − Tx − DC − TxRx B − TxRx B − DC −
線7 Pair 4 Wire 1 白/褐 Pair 4 Wire 1 白/褐 DC − 不使用 TxRx D + DC − TxRx D +
線8 Pair 4 Wire 2 褐 Pair 4 Wire 2 褐 DC − 不使用 TxRx D − DC − TxRx D −

參考資料[編輯]

  1. ^ 802.3af-2003, June 2003 
  2. ^ IEEE 802.3-2005, section 2, table 33-5, item 1
  3. ^ IEEE 802.3-2005, section 2, table 33-5, item 4
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