Hard Disk. Andrea Asta Filippo Zaniboni

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1 Hard Disk Andrea Asta Filippo Zaniboni

2 Sommario o Hard Disk Meccanica Elettronica o Storia o Caratteristiche Capacità Tempo di accesso Velocità di trasferimento Velocità di rotazione Buffer Interfaccia o File system o Cluster Definizione Frammentazione Deframmentazione o Interfacce ATA: Advanced Technology Attachment SATA: Serial ATA SCSI: Small Computer System Interface o RAID Implementazioni Livelli o SAN: Storage Area Network o Prezzi o Credits 2

3 Hard Disk o Periferica non volatile dove vengono memorizzati i dati a lungo termine Detta periferica di archiviazione di massa o È diviso in 2 parti fondamentali Parte meccanica Parte elettronica o Sono prodotti in 2 dimensioni standard 3,5 pollici (pc) 2,5 pollici (notebook) 3

4 Meccanica o È composto da uno o più dischi composti da due superfici magnetiche dove vengono memorizzati i dati o I dati sono scritti per mezzo di una testina di lettura e scrittura che crea dei campi magnetici o I dischi girano ad una velocità rotazionale costante attorno ad un asse centrale o Ogni disco ha una sola testina che si muove lungo tutto il raggio del disco 4

5 Meccanica o La testina è distante alcuni nanometri dal disco o La parte meccanica è sigillata dentro l HD per evitare che si deteriori o L HD è sigillato inoltre per evitare che qualcosa finisca tra la testina e il disco 5

6 Curiosità o Un HD normale, quindi sigillato, non può lavorare oltre i 3000m, perché la pressione è troppo bassa e la testina viene schiacciata contro il disco o Per tali usi esistono particolari Hard Disk 6

7 Meccanica o Gli HD non sono sigillati ermeticamente o Ogni HD ha un filtro dell aria tra il tappo sopra il disco e la scatola del HD o Il filtro evita che entri dello sporco lasciando passare però aria ed umidità o Molta umidità potrebbe danneggiare irreparabilmente la testina, facendo si che questa si incolli al disco 7

8 Meccanica o Per proteggere l HD c è una parte del disco detta Landing Area dove viene mandata la tesina nel caso succeda qualcosa, come per esempio se viene a meno l alimentazione o La testina viene spinta contro il disco e finché questo gira la testina viene sorretta dal cuscino d aria o Quando il disco non gira la testina atterra sul disco o Le testine generalmente sono progettate per un numero massimo di circa atterraggi 8

9 Meccanica 9

10 Meccanica 10

11 Suddivisione del Disco o L HDD è formato da più dischi Ogni disco è scrivibile su entrambe le facce o Ogni disco è diviso in Piste Settori o Per accedere ad un dato, necessitiamo quindi di 3 informazioni Disco (faccia) Pista Settore 11

12 Tracce e Settori o Tracce Sono degli anelli (ideali) presenti su ogni piatto e sono identificati da un numero intero che parte da zero. o Settori Sono parti delle tracce (una traccia è divisa in settori) Rappresentano la minima quantità di memorizzazione di dati che supporta il disco La dimensione del settore viene calcolata in base al numero di piatti presenti nel disco fisso e alla capacità di esso. 12

13 Tracce e Settori 13

14 Elettronica o È composto da una scheda stampata avvitata al contenitore della parte meccanica o L accesso ai dati avviene grazie alle leggi del magnetismo La testina di lettura sfrutta le diverse polarità (Nord, Sud) per cambiare un dato o prelevarlo o Ha il compito di controllare: I movimenti della testina Il motore Lettura/scrittura dei dati 14

15 Storia o Primo Hard Disk della storia Inventato nel 1955 Creato dall IBM per il computer IBM305 Inventato da Reynold Johnson Formato da 50 dischi di diametro 24 pollici l uno! Capacità di 5MB Denominazione originaria: Fixed Disk Utilizzo di una sola testina 15

16 Storia o Nel 1961 fu annunciato l IBM1301 Prevedeva una testina per ogni disco Tempi di accesso ridotti notevolmente o Nel 1973 l IBM introduce il modello 3340 Winchester Usava una particolare saldatura Dischi- Testine Formato da due dischi da 30MB l uno Il nome diventò sinonimo di HDD Gli HDD moderni utilizzano ancora questo modello 16

17 Storia o Problemi degli Hard Disk fino agli anni Ottanta Dimensioni esagerate Costi elevati Risorse elevate (tensione, corrente) o Nella prima versione del PC (IBM5150) l Hard Disk non era previsto nella distribuzione industriale! 17

18 Storia o Nel 1980 viene introdotto il modello ST506 Dimensioni ridotte: 5.25 pollici Capacità di 5MB Utilizzo di un motore passo passo o Dopo gli anni 80 si ebbe una crescita esponenziale delle prestazioni e delle capacità offerte dagli Hard Disk 18

19 TimeLine o Anni 50 Primi Hard Disk o Anni 80 Primi HDD a 5.25 pollici Creazione di SCSI o Anni 90 Hard Disk fino a 10GB o Dopo il 2000 Interfaccia Serial ATA Hard Disk fino a 500Gb Miglioramento di SCSI (SAS) 19

20 Caratteristiche o L Hard Disk è spesso la causa principale del rallentamento di un computer Le sue prestazioni sono molto inferiori a quelle che compongono il resto dei personal computer o Le sue caratteristiche principali sono: Capacità Tempo di accesso Velocità di trasferimento Velocità di rotazione Buffer di memoria Interfaccia 20

21 Capacità o In genere espressa in GigaByte (GB) I produttori usano i GigaByte metrici, invece della approssimazioni per potenze di due ciò significa che un HD di una data capacità è in realtà poco più piccolo o Può essere aumentata aumentando la densità dei dati sul disco, il numero di dischi, oppure la grandezza dei dischi stessi o La capacità commerciali attualmente variano dagli 80 GB ai 500 GB 21

22 Tempo di accesso o Si tratta del tempo medio necessario perché un dato posto in una parte a caso del disco possa essere reperito o Questo tempo dipende dalla velocità del disco e dalla velocità della testina o Spesso non viene menzionata dal produttore o È attorno ai 10 ms per gli HD standard, mentre per quelli ad alte prestazioni (15000 giri) è di 3-4 ms 22

23 Tempo di accesso o E dato dalla somma di 3 tempi Tempo di selezione della pista Tempo di selezione del settore Tempo effettivo di trasferimento 23

24 Velocità di trasferimento o È la quantità di dati che un HD è in grado leggere/scrivere su un disco in un determinato tempo (di solito 1 secondo) o Per incrementare questa velocità solitamente si usano dischi più veloci, oppure si aumenta la densità dei dati o Questa velocità è teorica, e tale velocità viene raggiunta raramente 24

25 Velocità di rotazione o E la velocità di rotazione dei dischi o Maggiore è questo valore, maggiore è la velocità di accesso ai dati Ma è necessario un buon sistema di ventilazione! o Si misura in RPM (Giri al Minuto) o Velocità più comuni 7200RPM 15000RPM à PC 5400RPM à Notebook 25

26 Buffer di memoria o Detto anche cache o Si tratta di una piccola memoria in genere di alcuni MB o Ha il compito di memorizzare gli ultimi dati letti o scritti dal disco o Se un programma richiede ripetutamente le stesse informazioni, queste possono essere reperite nel buffer invece che sul disco o Poiché è un componente elettronico la sua velocità di trasferimento è molto maggiore rispetto a quella del disco 26

27 Interfaccia o È la modalità di collegamento tra l Hard Disk e la scheda madre o Le più comuni sono: ATA SATA SCSI 27

28 File System o È un metodo di organizzare e memorizzare i dati sul disco, in modo da essere recuperati facilmente e nel più breve tempo possibile o Deve organizzare lo spazio all interno dei settori o Offre gli strumenti per creare, muovere ed eliminare sia file che cartelle o Sicurezza: basata su liste di controllo di accesso che permettono di definire per ciascun elemento del file system di quali permessi (lettura, scrittura, modifica ecc.) dispone ciascun utente. 28

29 File System o Esistono una vasta quantità di file system. o I sistemi operativi moderni sono spesso in grado di accedere a diversi file system o I più conosciuti, nonché quelli implementati in Windows e MSDOS, sono: FAT FAT32 NTFS 29

30 Cluster o L unità minima di allocazione di un file è chiamata cluster Un cluster è un numero intero di settori del disco Un file occupa minimo un cluster, ma può occuparne di più o La dimensione dei cluster è gestita dal Sistema Operativo E un numero intero che indica il numero di settori utilizzati Dipende dal file system Può essere cambiata 30

31 Frammentazione o Non sempre è possibile registrare i cluster uno di seguito all'altro Se lo spazio libero contiguo presente su disco non è sufficiente a contenere tutti i cluster di un file, questi vengono registrati sparsi per il disco rigido negli spazi liberi disponibili è il fenomeno della frammentazione o La frammentazione dei cluster rallenta le fasi di lettura e registrazione del file. 31

32 Deframmentazione o Il software di deframmentazione cerca di riunire tutti i cluster di tutti i file frammentati In questo modo, cerca di velocizzare l accesso ai dati o Alcune utility di deframmentazione hanno la capacità di assegnare particolari zone del disco rigido, dalle quali il caricamento è più veloce, ai file più utilizzati e/o a quelli del sistema operativo. 32

33 Interfacce o Dispositivo fisico che permette la comunicazione tra Hd e Motherboard (BUS) o Esistono 3 standard di interfacce: ATA: Advanced Technology Attachment SATA: Serial ATA SCSI: Small Computer System Interface o Ogni interfaccia è incompatibile con le altre poiché dotata di una interfaccia (connettore) differente dalle altre e poiché lavorano in maniera differente 33

34 ATA o Chiamata anche IDE, EIDE, ATAPI, UDMA, PATA o Tale interfaccia era la più diffusa sino al 2004 o Ha un connettore formato da 40 PIN o Utilizzata per periferiche di archiviazione di massa e per CD/DVD drive o Se due unità vengono collegate allo stesso canale è necessario configurare una delle due come master e l altra come slave o L unità master viene elencata come prima dal S.O. o Esiste anche una altro modo per collegare due periferiche assieme, il cable select, tramite il quale viene deciso dal collegamento col cavo quale periferica è master e quale è slave 34

35 ATA ~ Cavi o Sono dotati di 2 o 3 connettori o Hanno una lunghezza media compresa tra i 40cm e i 90cm o Permettono il trasferimento di dati di 16 o 32 bit per volta o Ne esistono di due tipi, uno formato da 40 fili, uno formato da 80 o Il cavo con 80 conduttori prevede un filo di massa per ciascun conduttore, riducendo gli effetti di induzione elettromagnetica tra conduttori adiacenti 35

36 ATA ~ Cavi 36

37 ATA ~ Standard o Esistono vari standard IDE o Lo standard più usato al giorno d oggi è l IDE6, poiché è l ultimo ad essere stato progettato e anche il più veloce Standard IDE0 IDE1 IDE2 IDE3 IDE4 IDE5 IDE6 Velocità 16,6 MB/s 25,0 MB/s 33,3 MB/s 44,4 MB/s 66,7 MB/s 100,0 MB/s 133,0 MB/s 37

38 SATA o SATA => Serial ATA o Standard di connessione per periferiche di memorizzazione o Interfaccia per dispositivi interni o Destinata a sostituire ATA o Connessione di tipo seriale Nell ATA era di tipo parallelo! 38

39 SATA vs ATA ATA SAT A 39

40 Difetti di ATA o Transfert Rate limitato a 133MB/s o E prevista la connessione fino a due dispositivi contemporaneamente, ma Solo un dispositivo per volta può comunicare! Le due periferiche, quindi, non possono comunicare tra loro o I cavi piatti utilizzati rallentano il raffreddamento del sistema 40

41 SATA ~ Pregi S Velocità A Gestione Cavi T Hot Swap A 41

42 SATA ~ Caratteristiche o Il cavo di collegamento è composto solo da 4 fili contro i 40 dello standard ATA o Utilizzo di cavi sottili Raffreddamento del sistema più facile o Possibilità di collegare e scollegare dispositivi mentre il sistema è in funzione (hot swap) o Velocità di trasferimento fino a 150MB/s Nelle future versioni previste velocità di 300MB/s e fino a 600MB/s 42

43 SATA ~ Cavi o Cavi flessibili o Estremità di 8 millimetri o Pregi rispetto ai cavi ATA Sono più pratici Sono meno ingombranti Quindi favoriscono il passaggio dell aria garantendo quindi una corretta ventilazione del sistema o I connettori non possono essere inseriti al contrario Grazie ad una asimmetria fisica 43

44 SATA ~ Cavi o Connettore di alimentazione simile al cavo di trasmissione dei dati. o Più largo, costituito da 15 conduttori, che trasportano le tre diverse tensioni di alimentazione necessarie: 3,3V, 5V e 12V. o Durante la transizione tra l'interfaccia IDE ed il Serial ATA sono previsti diversi convertitori per rendere compatibili i due standard. Alimentazione, i connettori standard di alimentazione sono sostituiti dai cavi di alimentazione Serial ATA, che hanno un connettore femmina standard e due connettori maschi SATA. Dati, è necessario un ponte che converta la trasmissione di dati parallela in seriale e viceversa 44

45 SCSI o Small Computer System Interface Interfaccia standard per la comunicazione tra dispositivi interni tramite un bus Si pronuncia scasi Introdotta nel 1986 Utilizzata soprattutto per le periferiche di memorizzazione di massa Ideato per favorire Intercambiabilità dei dispositivi Compatbilità dei dispositivi 45

46 SCSI o Small Computer System Interface Interfaccia standard per la comunicazione tra dispositivi interni tramite un bus Si pronuncia scasi Introdotta nel 1986 Utilizzata soprattutto per le periferiche di memorizzazione di massa Ideato per favorire Intercambiabilità dei dispositivi Compatbilità dei dispositivi 46

47 SCSI ~ Diffusione o Pregi di SCSI Velocità o Difetti di SCSI Costi più elevati o Diffusione Un tempo era legata a tutte le periferiche Oggi si usa solo nelle workstation e periferiche di fascia alta o Altre interfacce più economiche ATA/IDE (hard disk) USB (periferiche) 47

48 SCSI ~ Esempio di terminale 48

49 SCSI ~ Cenni storici Shugart Technology NCR Corporation SASI Fusione Progetti BYSE SCSI 49

50 SCSI ~ Standardizzazione o Lo SCSI viene creato già con lo scopo di diventare uno standard o La standardizzazione arriva nel 1986 Standard ANSI: Specifica SCSI o Da allora lo SCSI viene adottato come standard industriale o Furono create e diffuse diverse versioni di SCSI 50

51 SCSI ~ Versioni o SCSI 1 Versione originale (1986) Bus a 8 bit Velocità fino a 5MB/s Lunghezza massima dei cavi: 6 metri Utilizza livelli logici 0-5V 51

52 SCSI ~ Versioni o SCSI 2 Lanciata nel 1989 Seguono varianti Fast-SCSI e Wide-SCSI Velocità fino a 10MB/s Alcune varianti arrivano a 20MB/s Lunghezza massima dei cavi: 3 metri 52

53 SCSI ~ Versioni o SCSI 3 Lanciato nel 1992 Con il nome di Ultra-SCSI Velocità fino a 20MB/s per sistemi a 8 bit Velocità fino a 40MB/s per sistemi a 16 bit Seri problemi di funzionamento Causati anche solo da piccoli difetti fisici nei cablaggi 53

54 SCSI ~ Versioni o Ultra 2 Lanciata nel 1997 Cavi lunghi fino a 12 metri Corretti i problemi causati dai disturbi Velocità fino a 80MB/s o Ultra 3 Lanciata nel 1999 Correzione automatica degli errori di trasmissione Velocità fino a 160MB/s 54

55 SCSI ~ Versioni o Versioni moderne Prodotte dal 2003 Aumentano solo le velocità di trasferimento Ultra 320 => 320MB/s Ultra 640 => 640MB/s o iscsi Versione pensata per Ethernet Incorpora SCSI-3 e TCP/IP 55

56 SCSI ~ Architettura o SCSI-1 Definisce le operazioni di base Caratteristiche fisiche del bus Sequenza di segnali elettrici per ogni azione o SCSI-2 Definizione di un set di istruzioni 56

57 SCSI ~ Architettura o Il set di comandi SCSI si chiama SAM SAM => SCSI Architecture Model o E inclusa nei dispositivi che si avvalgono degli standard Fibre Channel SSA InfiniBand iscsi USB IEEE 1394 Serial Attached SCSI 57

58 RAID o Sistema che usa un insieme di dischi per condividere o replicare informazioni o Le funzione dei RAID sono: Visione unica di tutto lo spazio disponibile Aumento delle prestazioni di lettura/scrittura Aumento della sicurezza dei propri dati o Esistono vari tipi o livelli di RAID, ognuno differente dagli altri o Brevettato per la prima volta da IBM nel

59 RAID ~ Implementazioni o o o o o DATA STRIPING I dati vengono divisi in segmenti di uguale lunghezza e vengono scritti su dischi differenti Queste partizioni vengono divise sui dischi mediante (ES: Round Robin) HARDWARE O SOFTWARE Il RAID può essere implementato sia con HW che con SW SW Il SO gestisce l insieme di dischi attraverso un normale controller Più lento del metodo HW HW Richiede un controller RAID I sistemi più grandi possono essere collegati tramite Fibra Ottica Prestazioni migliori In genere supporta il scambio a caldo (Hot Swaping) permettendo di sostituire il disco mentre il sistema è in esecuzione 59

60 RAID ~ Livelli Standard o Sono i livelli di RAID definiti ufficialmente o Sono indicati da un numero progressivo o Vanno da 0 a 6 (esiste anche un un livello 7 sviluppato proprietariamente da un produttore hardware) o Alcuni livelli sono combinabili tra loro per ottenere livelli RAID più complessi 60

61 RAID ~ Livello 0 o Divide i dati equamente tra 2 o più dischi senza informazioni di parità o ridondanza o Usato per: Aumentare le prestazioni Creare un piccolo numero di grandi dischi virtuali da un grande numero di piccoli dischi fisici o La sua affidabilità è uguale all affidabilità media dei dischi usati o Il File System è diviso tra tutti i dischi o Se un disco si guasta i dati contenuti in quel disco non possono essere più recuperati dal File System o Possono essere recuperati con qualche strumento particolare, ma sicuramente i dati saranno incompleti o corrotti 61

62 RAID ~ Livello 1 o Crea una copia esatta di dati su 2 o più dischi o Il sistema può avere capacità massima pari a quella del disco più piccolo o L affidabilità del sistema aumenta con l aumentare dei dischi o Aumenta le prestazioni di lettura poiché i dati possono essere letti da un disco mentre l altro è occupato 62

63 RAID ~ Livello 2 o Attualmente non viene più utilizzato o Divide i dati sui dischi a livello di BIT o I dati vengono protetti con un codice di controllo sulla parità (codice Hamming) o Ogni operazione di accesso ai dati richiede l utilizzo di tutti i dischi 63

64 RAID ~ Livello 3 o Divide i dati sui dischi a livello di byte o Un disco dedicato esclusivamente alla parità o Estremamente raro nella pratica o 2 grossi svantaggi Per fare un RAID3 ad esempio tra 2 dischi ne servono 3 Ogni operazione di accesso ai dati richiede l utilizzo di tutti i dischi 64

65 RAID ~ Livello 4 o Divide i dati sui dischi a livello di blocchi o Un disco dedicato esclusivamente alla parità o Per fare un RAID4 ad esempio tra 2 dischi ne servono 3 o Ogni disco lavora indipendentemente quando viene richiesto un singolo blocco 65

66 RAID ~ Livello 5 o Divide i dati sui dischi a livello di blocchi o La parità viene divisa tra tutti i dischi appartenenti al sistema o Questo metodo può essere implementato sia in maniera HW che SW 66

67 RAID ~ Livello 6 o Divide i dati sui dischi a livello di blocchi o La parità viene divisa tra tutti i dischi appartenenti al sistema 2 volte o È inefficiente quando il numero di dischi utilizzati è limitato 67

68 RAID ~ Livello 7 o Ha le stesse caratteristiche e funzionalità del RAID 5 o Non rappresenta uno standard in quanto si tratta di una configurazione RAID proprietaria o È una configurazione implementata da Storage Computer Corporation. o Le configurazioni sono variabili e dipendenti dal tipo di implementazione o C è processore dedicato alla gestione simultanea di un certo numero di processi, per aumentare le prestazioni in fase di scambio dati con i dischi 68

69 RAID ~ Livelli Annidiati o Sono configurazioni RAID di un certo livello applicate su una configurazione RAID di altro livello o Consente di compensare le mancanze di un certo livello, con le peculiarità di un altro livello o Non esistono tutte le combinazioni di abbinamento, ma solo alcune, perché la combinazione di due livello di RAID simili non comporta alcun vantaggio. 69

70 RAID ~ Livello 0+1 o Viene usato sia per replicare che per condividere dati tra diversi dischi o La configurazione minima per un RAID0+1 è di 4 dischi o Sfruttando la velocità fornita del RAID0 si implementa la sicurezza replicando i dati su altri dischi o Il guasto di un disco provoca l inaccessibilità al ramo contenente i dischi in RAID0, ma la copia speculare in RAID1 consentirà il recupero dei dati e il funzionamento del sistema o RISULTATO: 2 dischi grandi la metà della somma dei dischi 70

71 RAID ~ Livello 1+0 o Si velocizza l accesso con un RAID0, l accesso a dati già protetti con o Tollera il guasto anche di due dischi, purché questi, non facciano parte della stessa coppia di RAID1. o RISULTATO: 1 disco grande quanto la somma di tutti i dischi 71

72 SAN ~ Storage Area Network o Rete ad alta velocità di dispositivi di memorizzazione di massa condivisi o Protocolli standard: ISCSI: Internet SCSI FC: Fibre Channel o Un sistema SAN lavora in modo che i dispositivi di memorizzazione siano disponibili a qualunque computer connesso alla rete o VANTAGGIO: La potenza di calcolo dei computer e dei server soprattutto è utilizzata x le applicazioni poiché i dati non risiedono in uno di questi 72

73 SAN ~ Storage Area Network o Le periferiche di archiviazione sono collegate per mezzo di canali (di solito FC), HUB, ROUTER o Normalmente una SAN usa dischi collegati in RAID per migliorare prestazioni e affidabilità 73

74 Hard Disk ~ Prezzi 3,5 IDE Capacità Cache Velocità RPM Marca Prezzo 80GB 2MB 133MB/s 7200 Maxtor 50,00 80GB 8MB 133MB/s 7200 Maxtor 54,00 160GB 8MB 133MB/s 7200 Maxtor 74,00 200GB 8MB 133MB/s 7200 Maxtor 88,00 250GB 16MB 133MB/s 7200 Maxtor 93,00 300GB 16MB 133MB/s 7200 Maxtor 116,00 74

75 Hard Disk ~ Prezzi 3,5 SATA Capacità Cache Velocità RPM Marca Prezzo 80GB 8MB 150MB/s 7200 Hitachi 60,00 160GB 8MB 150MB/s 7200 Hitachi 96,00 250GB 8MB 150MB/s 7200 Hitachi 113,00 160GB 8MB 150MB/s 7200 Western 84,00 74GB 8MB 150MB/s Western 195,00 150GB 16MB 150MB/s Western 354,00 75

76 Hard Disk ~ Prezzi 3,5 SATA Capacità Cache Velocità RPM Marca Prezzo 80GB 8MB 150MB/s 7200 Maxtor 55,00 160GB 8MB 150MB/s 7200 Maxtor 77,00 200GB 8MB 150MB/s 7200 Maxtor 87,00 250GB 16MB 150MB/s 7200 Maxtor 100,00 300GB 16MB 150MB/s 7200 Maxtor 121,00 500GB 16MB 150MB/s 7200 Maxtor 313,00 76

77 Hard Disk ~ Prezzi 3,5 SATA Capacità Cache Velocità RPM Marca Prezzo 160GB 8MB 150MB/s 7200 Seagate 94,00 200GB 8MB 150MB/s 7200 Seagate 107,00 250GB 16MB 150MB/s 7200 Seagate 115,00 500GB 16MB 150MB/s 7200 Seagate 415,00 77

78 Hard Disk ~ Prezzi 3,5 SCSI Capacità Cache Velocità RPM Marca Prezzo 73GB 8MB 320MB/s Maxtor 283,00 146GB 8MB 320MB/s Maxtor 576,00 73GB 8MB 320MB/s Maxtor 508,00 78

79 Hard Disk ~ Prezzi 2,5 IDE Capacità Cache Velocità RPM Marca Prezzo 40GB 2MB ,00 80GB 2MB ,00 100GB 2MB ,00 120GB 2MB ,00 79

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