Reino Plantae. A Diversidade de Plantas Como as plantas evoluíram?
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE...
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COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 3
Resumo
Este relatório foi desenvolvido em torno do tema da evolução da
norma IEEE 802.11, também conhecida por redes sem fio Wi-Fi ou
wireless, uma das, senão a melhor inovação tecnológica das últimas
décadas.
A fim de responder a uma questão global onde se pretendia
estabelecer uma norma nas comunicações de redes sem fio, o IEEE decidiu
apresentar um protocolo que procurava implementar uma série de
definições para o Controle de Acesso ao Meio (MAC) e o Camada Física
(PHY).
Atualmente, esta é a norma padrão para a conectividade sem fios no
mundo, tendo vindo a evoluir ao longo dos tempos, originando variantes
melhoradas, mais eficientes e rentáveis. Destas especificações, as mais
utilizadas são a 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n e a 802.11ac.
Uma das provas desta crescente utilização é o aumento do número de
“hot spots” assim como o facto da maioria dos aparelhos eletrónicos de hoje
em dia saírem de fábrica incorporados com placa de rede wireless com a
norma IEEE 802.11.
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 4
Índice Resumo .................................................................................................................................................................... 3
Glossário de Abreviaturas Relacionadas ................................................................................................................ 5
Introdução ............................................................................................................................................................... 6
O que é o IEEE? ................................................................................................................................................ 6
Norma 802.11 ......................................................................................................................................................... 7
O que é o wi-fi? ................................................................................................................................................. 7
Norma 802.11a ..................................................................................................................................................... 12
Norma 802.11b ..................................................................................................................................................... 13
Norma 802.11g ..................................................................................................................................................... 15
Norma 802.11n ..................................................................................................................................................... 16
Tecnologia MIMO.............................................................................................................................................. 16
Norma 802.11ac .................................................................................................................................................... 18
Qual o futuro? ....................................................................................................................................................... 21
Norma 802.11ad ............................................................................................................................................... 21
Project Loon ...................................................................................................................................................... 21
Conclusão .............................................................................................................................................................. 22
Referências Bibliográficas e Webgráficas ............................................................................................................. 23
Índice de Figuras
Figura 1 .................................................................................................................................................................. 18
Figura 2 .................................................................................................................................................................. 20
Índice de Tabelas Tabela 1: Evolução cronológica das normas .......................................................................................................... 9
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 5
Glossário de Abreviaturas Relacionadas AP - Access Point
BSS - Basic Service Set
DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum
ETSI - European Telecommunications Standards Institute
FCC - Federal Communications Commission
FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum
IBSS - Independent Basic Service Set
IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers
IP - Internet Protocol
MAC - Medium Access Control
MIMO – Multiple Input Multiple Output
MU-MIMO – Multiuser MIMO
MLME - MAC Sublayer Management Entity
MPDU - MAC Protocol Data Unit
OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing
PHY - Physical Layer
PLCP - Physical Layer Convergence Protocol
PMD - Physical Medium Dependent
SAP - Service Access Point
STA - Station
TCP - Transmission Control Protocol
Wi-Fi - Wireless Fidelity
WLAN - Wireless Local Area Networks
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 6
Introdução
No âmbito da disciplina do Projeto FEUP foi-nos proposta a
investigação do tema que abordava a evolução da norma IEEE 802.11.
Como tal, decidimos aprofundar esta questão e averiguar as várias etapas e
alterações a que foi sujeita a norma desde que foi implementada.
Ao longo de vários anos, inúmeras alterações foram instituídas à
norma de forma a conseguir responder às necessidades tanto empresariais
como sociais. Desta forma, o crescimento e aperfeiçoamento deste projeto é
um trabalho constante e dinâmico que vem acompanhando os avanços
tecnológicos efetuados pela ciência e pela investigação.
Desde alterações à banda de frequências até à quantidade de
informação que é transmitida por segundo, as normas têm sido alvo de
constante mudança. Neste trabalho iremos procurar responder à questão
que envolve saber quais são essas alterações, propostas futuras e a história
que deu origem a uma norma que neste momento tem a sua marca em
quase todos os locais da sociedade moderna.
O que é o IEEE?
O Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE), é uma
associação de técnicos, engenheiros e cientistas dedicada ao avanço
tecnológico. Este instituto serve para toda a comunidade científica estar em
contacto com a mais recente tecnologia.
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 7
Norma 802.11
Até alguns anos atrás, as ligações entre computadores apenas eram
possíveis através de cabos.
Este tipo de ligação é bastante popular, mas conta com algumas
limitações, sendo que a distância máxima entre os dois dispositivos é igual à
do comprimento dos cabos. Num local em que seja necessária uma ligação
entre computadores, os cabos não serão a opção mais prática devido à
estrutura do edifício. Felizmente, surgiram as redes wi-fi que permitiram
superar todas estas limitações.
O uso deste tipo de rede é atualmente o mais comum, não só em
ambientes domésticos e corporativos, mas também em locais públicos como
bares, centros comerciais, livrarias, aeroportos, entre outros.
O que é o wi-fi?
O Wi-Fi é um conjunto de normas para WLAN - Wireless Local Area
Network, em português rede local sem fio, baseada na norma IEEE 802.11.
Com esta tecnologia, é possível criar redes que ligam computadores e outros
dispositivos compatíveis (telemóveis, tablets, impressoras e qualquer
aparelho que contenha uma placa de rede) que estejam próximos
geograficamente. Estas redes dispensam cabos, já que efetuam a
transmissão de dados através de radio frequência. Este esquema oferece
várias vantagens, como por exemplo a de um utilizador poder usufruir desta
rede em qualquer ponto dentro do seu alcance máximo, possibilitando
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 8
também a junção de outros computadores e dispositivos na rede. Graças a
esta facilidade de conetar aparelhos sem a necessidade de cabos, a rede
wireless ascendeu ao topo.
A flexibilidade do Wi-Fi permitiu que começasse a ser utilizado na
maior parte dos locais com necessidade de transmissão de dados, tanto
públicos como privados. Para utilizar estas redes, basta ao utilizador ter um
portátil, telemóvel ou qualquer outro dispositivo compatível com a norma
802.11.
A ideia de redes sem fio não é nova. Antes de existir a norma 802.11,
empresas ligadas ao ramo das telecomunicações, preocupavam-se com a
necessidade de redes sem fio, mas a falta de padronização de normas e
especificações revelou-se um obstáculo, já que vários grupos de pesquisa
trabalhavam com propostas diferentes. Por esta razão, algumas empresas
internacionais juntaram-se, e assim, nasceu em 1999, a Wireless Ethernet
Compatibility Alliance (WECA), que a partir de 2003 começou a ser
chamada de Wi-Fi Alliance.
O padrão 802.11 estabelece normas para a criação e para o uso de
redes sem fio. A transmissão deste tipo de rede é feita por sinais que se
propagam pelo ar e podem cobrir áreas na ordem das centenas de metros.
Como existem inúmeros serviços que podem utilizar sinais de rádio, é
necessário que cada um opere de acordo com as exigências estabelecidas
pelo governo de cada país. Esta é uma maneira de evitar problemas,
especialmente interferências.
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 9
Para facilitar a compreensão, é conveniente saber que, para uma rede
deste tipo ser estabelecida, é necessário que os dispositivos (também
chamados de STA - de "station") se conectem a aparelhos que forneçam o
acesso. Estes são genericamente denominados Access Point (AP). Quando
um ou mais STAs se conectam a um AP, tem-se, portanto, uma rede, que é
denominada Basic Service Set(BSS).
Por questões de segurança e pela possibilidade de haver mais de um BSS
em determinado local (por exemplo, duas redes sem fio criadas por
empresas diferentes numa área de eventos), é importante que cada um
receba uma identificação denominada Service Set Identifier (SSID), um
conjunto de caracteres que, após definido, é inserido no cabeçalho de cada
pacote de dados da rede. Por outras palavras, o SSID nada mais é do que o
nome dado a cada rede sem fio.
Tabela 1: Evolução cronológica das normas1
Nome Data de
aprovação oficial Características
802.11-1997 21/03/1997 Norma inicial do IEEE para as especificações do Medium Access
Control (MAC) e do Physical Layer (PHY) para Wireless LAN
ISO/IEC 802.11:
1999
30/09/2005 Norma internacional do IEEE
802.11a 16/09/1999 Maiores velocidades da extensão PHY na frequência de 5 GHz
802.11b 16/09/1999 Maiores velocidades da extensão PHY na frequência de 2.4 GHz
802.11b-car1 10/10/2001 Correções na norma introduzida em 1999
1 "The IEEE 802.11 Universe", IEEE Communications Magazine, Vol. 48, nº 1, Janeiro 2010
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 10
802.11c 16/09/1998 MAC Bridges – Suplementos para support do IEEE 802.11
802.11d 14/06/2001 Efetua operações em domínios adicionais, permitindo aos
dispositivos trabalhar com os requerimentos regionais
802.11e 22/09/2005 Série de especificações para melhorar o MAC e suporte para QoS
802.11f 12/06/2003
802.11g 12/06/2003 Aumento da extensão de dados na banda de frequências de 2.4 GHz.
54 Mb/sOFDM PHY nessa mesma frequência
802.11h 11/09/2003 Alterações do espetro e controlo do poder da transmissão nas
normas para a Europa . Todos os dispositivos que operem na banda
de frequências 5 GHz devem implementar esta norma.
802.11i 24/06/2004 Introdução de novas medidas de segurança no MAC, conhecidas
como WPA e WPA2 desenvolvidas pela Wi-Fi Alliance
802.11j 23/09/2004 Alterações no espetro de operação no Japão, alterando para 5GHz.
802.11ma 08/03/2007 Revisão e manutenção das medidas implementadas pelo 802.11-
1999 que irá ser substituído pela norma 802.11-2007
802.11t 31/12/2009 Norma que define as medidas recomendadas para a avaliação da
performance do 802.11 Wireless
802.11-2007 08/03/2007 Norma que incorpora as medidas e alterações implementadas nas
correções a, b, d, e, & g-j
802.11k 31/03/2008 Radio Resource Measurement
802.11n 11/09/2009 Melhorias para melhor rendimento. 600Mb/s MIMO PHY na banda
de frequências de 2.4 GHz e 5 GHz
802.11r 30/06/2008 Melhorias para dispositivos movéis. Roaming mais rápido
802.11w 30/09/2009 Implementação de medidas de segurança para quadros de gestão
802.11y 30/06/2008 Alterações na banda de frequências nos EUA (3650-3700 MHz).
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 11
A primeira versão da norma 802.11 foi lançada em 1997, após 7 anos
de estudos, aproximadamente. Com o aparecimento de novas versões, a
versão original passou a ser conhecida como 802.11-1997 ou, ainda, como
802.11 legacy. Por se tratar de uma tecnologia de transmissão por
radiofrequência, o IEEE determinou que a norma operasse no intervalo de
frequências entre 2,4 GHz e 2,4835 GHz. A sua taxa de transmissão de
dados é de 1 Mb/s ou 2 Mb/s (megabits por segundo) e é possível usar as
técnicas de transmissão Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) e
Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS).
Estas técnicas possibilitam transmissões utilizando vários canais dentro de
uma banda de frequência, no entanto, a DSSS cria vários segmentos da
informações transmitidas e envia-las simultaneamente aos canais. A técnica
FHSS, por sua vez, utiliza um esquema de "salto de frequência", onde a
informação transmitida utiliza determinada frequência em certo período e,
no outro, utiliza outra frequência. Esta característica faz com que o FHSS
tenha velocidade de transmissão de dados um pouco menor, por outro lado,
torna a transmissão menos suscetível à interferências, uma vez que a
frequência utilizada muda constantemente. O DSSS apresenta-se mais
rápido, mas também mais suscetível a sofrer interferências.
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 12
Norma 802.11a
A norma 802.11a foi introduzida no ano de 1999. Esta foi a terceira
grande alteração às normas 802.11 introduzidas em 1997 e permitia uma
velocidade de transmissão de dados de 54 Mbps. Contudo, a grande
novidade é a introdução de um novo método para o transporte de dados.
Esta norma introduz um método de transmissão de informação que se
chama Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM). Esta
operação é um método de modulação digital de um sinal no qual este é
dividido em vários canais estreitos em diferentes frequências. Esta técnica
apresenta como prioridade o isolamento de algumas interferências, isto
sobrepõe-se à importância de ter canais individuais perfeitos. Este método
funciona particularmente bem em locais como escritórios pois há menor
interferência com outros aparelhos como telefones e micro-ondas.
A banda de 2.4 GHz é constantemente utilizada tornando-se bastante
lotada. Dessa forma, a norma 802.11a torna-se vantajosa porque opera
numa banda de frequências localizada na zona dos 5 GHz. Contudo, esta
norma também possui uma série de desvantagens: devido à sua gama de
frequências bastante elevada, o seu alcance é reduzido e, para além disso, a
sua capacidade de atravessar vários obstáculos e colmatar a absorção das
ondas nas paredes é menor do que as normas que usam a banda de
frequências de 2.4 GHz.
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 13
Norma 802.11b
No ano de 1999, foi revelada uma atualização do padrão 802.11
original, ou seja, 802.11b. O principal interesse desta especificação foi a
possibilidade de estabelecer ligações com velocidade de transmissão de 11
Mb/s. A banda de frequências para esta norma não sofreu alterações em
relação à 802.11 original, mantendo-se aproximadamente nos 2,4 GHz.
Esta banda de frequência traduz-se em preços mais acessíveis para o
mercado pelo que esta foi bastante comercializada na altura do seu
lançamento.
Apesar de esta versão ser similar em termos de frequência utilizada, a
técnica de transmissão limita-se ao DSSS, pois o FHSS não cumpre as
normas estabelecidas pela Federal Communications Commission (FCC),
isto quando a rede opera a velocidades superiores a 2 Mb/s.
Uma transmissão 802.11b pode alcançar os 400m em espaços abertos
e os 50m em locais fechados, isto teoricamente, pois a distância pode sofrer
influência de uma série de fatores, tais como eletrodomésticos que causam
interferência ou podem até impedir a conexão. Assim, este padrão, para
manter a ligação o mais funcional possível, pode tornar a taxa de
transmissão de dados menor, até atingir o limite mínimo de 1 Mb/s à
medida que uma estação se afasta do ponto de acesso. O oposto também é
possível, quando a distância entre a estação e o ponto de acesso diminui, a
velocidade de transmissão aumenta.
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 14
Esta especificação da norma original 802.11, chamada de 802.11b, foi
a primeira a ser utilizada em larga escala, sendo uma das maiores
impulsionadoras no que diz respeito à popularidade das redes Wi-Fi.
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 15
Norma 802.11g
A norma 802.11g foi introduzida no ano de 2003 e uma das
particularidades que a tornaram desvantajosa foi o facto de ser mais cara
do que a norma antecedente, 802.11b. Contudo, esta norma é a primeira
que introduz uma velocidade de transmissão de dados de 54 Mb/s e
permite um suporte a vários utilizadores.
Para além disso, utiliza uma banda de frequências de 2.4 GHz que
sofreu uma alteração. Com estas modificações, ocorreu um aumento da
extensão de dados, o que lhe permitiu que o alcance do sinal fosse maior e
não fosse tão facilmente obstruído.
Contudo, esta alteração da norma não implica que os aparelhos, como
telemóveis e micro-ondas não incomodem a transmissão de informação
pois operam perto dessa banda de frequências.
Desta forma, uma das maiores vantagens desta norma é a sua
versatilidade e compatibilidade com as normas estabelecidas previamente.
Isto é, os pontos de acesso que operam com a norma 802.11g são
conciliáveis com os adaptadores de redes sem fios que se regem pelas
normas previamente em vigor (802.11a e 802.11b).
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 16
Norma 802.11n
A norma 802.11n-2009, abreviada para 802.11n apenas, é uma das
variantes da norma 802.11, pertencente à quarta geração de normas.
Iniciada em 2002, desenvolvida durante 7 anos e aprovada em 2009, veio
acrescentar alguns aspetos inovadores à famosa rede wireless.
Primeiramente, permitiu velocidades na ordem dos 300 Mb/s, 6 vezes
superior à norma anterior 802.11g, operando nas frequências 2,4 GHz e 5,0
GHz e numa largura de banda dos 20 GHz e dos 40 GHz. Além disto, utiliza
também, pela primeira vez, a tecnologia MIMO (Multiple Input, Multiple
Output).
Tecnologia MIMO
A norma 809.11 n utiliza a tecnologia MIMO para aumentar a taxa de
transmissão de dados. Esta tecnologia consiste em usar vários streams.
O código binário é repartido em três streams. Cada transmissor
encaminha um dos três streams independentes, com a mesma frequência
que os outros dois. Na recepção desses streams existem antenas e
receptores independentes.
Esta divisão de dados por três streams permite uma maior taxa de
transmissão, através das reflexões de dados, sem ser necessário aumentar a
banda espectral.
A norma 802.11 n veio trazer algumas vantagens, como maiores
velocidades de transmissão, uma nova maneira de transmitir dados, através
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 17
do MIMO, um novo alcance com menos interferências que as normas
anteriores.
Além disto, esta norma é totalmente compatível com as outras
normas, operando nas bandas de frequência dos 2,4 GHz e dos 5 GHz.
Umas das grandes desvantagens desta norma é o facto de poder haver
interferências na largura de banda dos 2,4 GHz, sendo que é nesta
frequência que operam a maioria dos rádios.
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 18
Norma 802.11ac A norma 802.11ac é a variante mais recente a ser implementada no
mercado, desenvolvida praticamente entre os anos 2011 e 2012, sendo
aprovadas as suas características em 2013 pelo IEEE. Esta evolução
apareceu como um aperfeiçoamento da norma 802.11n, trazendo maiores
velocidades, maior número de possíveis utilizadores em simultâneo
permitindo assim uma melhor experiência em cada conexão.
Figura 1: Melhoramentos 802.11n vs 802.11ac2
Comparando a 802.11ac com a 802.11n, é óbvia a evolução em termos
de largura de banda, fluxos espaciais e densidade de modulação.
2 Cisco “802.11ac: The Fifth Generation of Wi-Fi Technical White Paper”
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 19
Em primeiro lugar, a 802.11ac opera unicamente na banda dos 5GHz,
que é menos ocupada por outro tipo de aparelhos eletrónicos, permitindo
assim um menor número de interferências e uma conexão mais estável.
O aumento da largura de banda de 40MHz para 80 e 160MHz, de que
é capaz a nova norma, traduz-se numa nova velociade, na ordem dos 1024
Mb/s respetivamente. Dessa forma, cada transmissão poderá transportar
muita mais informação ao mesmo tempo; no entanto, ao alargar o espectro
de frequências em que o sistema opera, acresce um diminuir do alcance da
rede uma vez que a transmissão é dividida pelo dobro das frequências.
Porém, esta redução de alcance não é significativa face ao aumento de
velocidades apresentadas.
A compatibilidade com até 8 fluxos espaciais representa um MIMO
melhorado capaz de elevar a velocidade de transmissão para o dobro. Esta
inovação baseia-se no conceito de “spatial multiplexing” (SM), já conhecido
da 802.11n, em que a informação é distribuída em várias partes que são
transmitidas de uma forma paralela ao longo dos diferentes canais. Porém,
esta também implica um aumento de antenas quer no emissor quer no
recetor, pelo que, na realidade, esta caraterística deverá ser limitada pelo
hardware. No entanto, a segunda geração de 802.11ac, implementa uma
nova tecnologia, Multiuser MIMO (MU-MIMO), que permite que vários
blocos de informação sejam enviados para diferentes utilizadores ao
mesmo tempo e na mesma gama de frequências.
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 20
O aumento de modulação de 64 QAM para 256 QAM faz com que
sejam possíveis velocidades cerca de 1,3 vezes superiores a, sobretudo,
curtas distâncias sem necessidade de mais antenas ou maior espectro de
frequência.
Figura 2: Gráfico de velocidade de transmissão em função da distância3
3 Cisco “802.11ac: The Fifth Generation of Wi-Fi Technical White Paper”
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 21
Qual o futuro?
Norma 802.11ad
Hoje em dia está a ser desenvolvida uma nova norma para
utilizadores mais avançados que permite maiores velocidades, menos
interferências e maior alcance.
Esta norma é denominada 802.11ad e promete trazer velocidades na
ordem dos Gb/s. Para tal, esta utiliza uma largura de banda de cerca de 2
GHz na banda de frequências dos 60 GHz.
Num contexto doméstico, deverá atingir 1,3 Gb/s, sendo o máximo
teórico desta norma perto dos 7 Gb/s.
Apesar destas fenomenais velocidades, a 802.11ac deverá ser a rede a
dominar o mercado nestes próximos anos e a norma 802.11ad será mais
dirigida aos utilizadores avançados e empresas.
Project Loon
Neste momento, a Google está a projetar um hotspot a nível mundial com a
tecnologia 802.11ac. Se esta tecnologia ocorrer vai permitir Wi-Fi a nível
global para toda a gente. Além de fornecer contacto com a Internet 24 horas
por 24 horas, em qualquer parte do mapa, vai ainda ter um grande impacto
na maneira como guardamos informação, já que estaremos sempre
conectados com as “clouds”.
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 22
Conclusão
Com este relatório foi possível alargar os nossos conhecimentos sobre
a norma 802.11 e redes wireless na sua generalidade. Ao analisar normas
passadas e correções que lhes foram aplicadas ao longo da história, é-nos,
agora, muito mais fácil compreender a atualidade desta tecnologia que nos
rodeia diariamente.
Desde a norma original, até à antevisão das próximas atualizações,
tem sido um longo percurso que está a culminar numa tecnologia cada vez
mais impressionante. Atualmente já são possíveis velocidades de
transferência na ordem dos Gb/s quando na norma original, era apenas
possível uns míseros 2 Mb/s.
Também podemos inferir que no presente estes protocolos se
encontram muito mais fiáveis e melhorados em alcance do sinal,
possibilitam o acesso a muitos mais utilizadores simultaneamente e maior
segurança de acesso para cada um.
Certamente que a rede sem fios é uma tecnologia que chegou para
ficar.
COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 23
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COMO EVOLUÍRAM AS NORMAS WI-FI IEEE 802.11? 24
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http://cscjournals.org/csc/manuscript/Journals/IJCN/volume3/Issue2/IJ
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Acedido a 14 de Outubro de 2013.
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2