基于CWM的元數(shù)據(jù)管理策略

謝培基，余金山

(華僑大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 泉州 362021)

數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)是在數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的新一代信息管理技術(shù)，主要用于支持企業(yè)信息集成、數(shù)據(jù)挖掘、企業(yè)決策支持等的應(yīng)用。在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)建設(shè)過(guò)程中，由于各工具廠(chǎng)商采用不同的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和不同的元數(shù)據(jù)管理策略，使得依靠這些工具進(jìn)行數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)共享顯得十分困難。為了統(tǒng)一數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)開(kāi)發(fā)商元數(shù)據(jù)管理策略，實(shí)現(xiàn)元數(shù)據(jù)的交流和數(shù)據(jù)的集成，2001年OMG組織在其已制定的規(guī)范 UML、MOF、XMI的基礎(chǔ)上提出公共倉(cāng)庫(kù)元模型(CWM)。CWM是OMG制定的一個(gè)互操作標(biāo)準(zhǔn)，為數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和業(yè)務(wù)分析領(lǐng)域中使用的元數(shù)據(jù)定義了一種通用語(yǔ)言和交換機(jī)制[1]。CWM不僅提供了極受歡迎的描述數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)與業(yè)務(wù)分析元數(shù)據(jù)的公共元模型，而且還提供了基于XML的交換工具。CWM本質(zhì)上是一種交換技術(shù)，其目的是促進(jìn)多個(gè)廠(chǎng)商的不同軟件工具間的元數(shù)據(jù)交換活動(dòng)。

本文基于CWM的元數(shù)據(jù)管理策略，介紹了元數(shù)據(jù)管理的三種主要策略，并對(duì)此三種策略進(jìn)行比較，分析各策略的功能與復(fù)雜度，總結(jié)基于CWM的元數(shù)據(jù)管理策略的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而給出基于CWM元數(shù)據(jù)管理策略改進(jìn)的元數(shù)據(jù)管理體系結(jié)構(gòu)，最后討論了元倉(cāng)庫(kù)的設(shè)計(jì)。

1 元數(shù)據(jù)的不同管理策略及其比較

元數(shù)據(jù)管理策略為元數(shù)據(jù)集成、共享和重用制定目標(biāo)和需求。成功進(jìn)行元數(shù)據(jù)集成的關(guān)鍵之一是建立一個(gè)有效的元數(shù)據(jù)管理策略。從元數(shù)據(jù)的發(fā)展歷史[2]來(lái)看，元數(shù)據(jù)管理策略包括三種：搭建元數(shù)據(jù)橋、搭建元數(shù)據(jù)中央存儲(chǔ)庫(kù)、構(gòu)建元數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。

(1)搭建元數(shù)據(jù)橋[3]：是一種能夠?qū)⒁粋€(gè)產(chǎn)品的元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成另一個(gè)產(chǎn)品所要求的格式的軟件。使用元數(shù)據(jù)橋?qū)崿F(xiàn)不同工具間的元數(shù)據(jù)集成是一種點(diǎn)到點(diǎn)的元數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，每一對(duì)被集成的工具之間都需要一個(gè)獨(dú)立、雙向的橋，對(duì)于n個(gè)產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)元數(shù)據(jù)交換必須建立n×(n-I)個(gè)元數(shù)據(jù)橋。這種方式集成元數(shù)據(jù)大幅增加了開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用，而且通常將一種格式的元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為另一種格式時(shí)，都會(huì)有一定的信息損失。

(2)搭建元數(shù)據(jù)中央存儲(chǔ)庫(kù)[4]：是具有特定目的的數(shù)據(jù)庫(kù)，它存儲(chǔ)、控制并能操作環(huán)境中其他所有相關(guān)軟件產(chǎn)品的元數(shù)據(jù)。軟件產(chǎn)品從中央存儲(chǔ)庫(kù)中檢索、使用元數(shù)據(jù)，每個(gè)產(chǎn)品必須實(shí)現(xiàn)它自己的存儲(chǔ)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)層(另一種形式的橋)。通過(guò)使用元數(shù)據(jù)中央存儲(chǔ)庫(kù)可以在一定程度上解決定義全局可用且被廣泛理解的元數(shù)據(jù)的需要但并沒(méi)有完全消除問(wèn)題，它仍然需要使用到元數(shù)據(jù)橋，使得成本無(wú)法降低很多，也沒(méi)有消除受制于特定的廠(chǎng)商的問(wèn)題。

由于點(diǎn)到點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)和中央存儲(chǔ)庫(kù)的集成體系結(jié)構(gòu)并沒(méi)有形成一個(gè)統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，所以其方案成本都相對(duì)昂貴。

(3)構(gòu)建元數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)：即是基于CWM的元數(shù)據(jù)管理策略。元數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的功能包括對(duì)元數(shù)據(jù)源的ETL、元數(shù)據(jù)的Warehouse以及終端用戶(hù)的各種分析、挖掘、報(bào)告工具。通過(guò)構(gòu)建基于CWM的元數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，使得各軟件產(chǎn)品元數(shù)據(jù)有一個(gè)一致的標(biāo)準(zhǔn)(CWM標(biāo)準(zhǔn))，各軟件工具之間只需要建立一個(gè)與元數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)連接的 “橋”(即CWM適配器)就能實(shí)現(xiàn)元數(shù)據(jù)的交換或共享。元數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)與元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)都要求建立通用的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，但二者相比有所不同：①元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)的刷新周期相對(duì)于元數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)來(lái)說(shuō)要慢，元數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的元數(shù)據(jù)是準(zhǔn)實(shí)時(shí)的，而元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)的元數(shù)據(jù)通常的刷新周期在1天以上；②元數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)所集成的元數(shù)據(jù)不斷變化，其保存元數(shù)據(jù)的更新情況。而元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)則是將所有不同時(shí)期的元數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)下來(lái)。

通過(guò)對(duì)上述三種元數(shù)據(jù)管理策略的分析，得出如圖1所示的三種策略的對(duì)比圖。

圖1 元數(shù)據(jù)管理策略對(duì)比

基于CWM的元數(shù)據(jù)管理策略使得元數(shù)據(jù)的交換有了一個(gè)統(tǒng)一的具體通用標(biāo)準(zhǔn)，解決了用元數(shù)據(jù)橋式的元數(shù)據(jù)交換帶來(lái)的元數(shù)據(jù)的雜亂無(wú)章、不可理解性，以及為了讀懂接收的元數(shù)據(jù)，對(duì)交換的元數(shù)據(jù)進(jìn)行從一種格式到另一種格式的轉(zhuǎn)換所帶來(lái)的一定數(shù)量的元數(shù)據(jù)的丟失，破壞了元數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性。

比較三種元數(shù)據(jù)的功能復(fù)雜度，CWM元數(shù)據(jù)管理策略中使用的CWM元倉(cāng)庫(kù)既滿(mǎn)足了性能的要求，又能夠提供很廉價(jià)的存放元數(shù)據(jù)的場(chǎng)所；而對(duì)于元數(shù)據(jù)中央存儲(chǔ)庫(kù)，雖然性能上偏優(yōu)，但元數(shù)據(jù)在獲得庫(kù)所提供的復(fù)雜性能的同時(shí)也會(huì)受到它的限制，例如庫(kù)本身的復(fù)雜性和資源需求，導(dǎo)致人員培訓(xùn)費(fèi)用的增加等。

2 基于CWM的元數(shù)據(jù)管理體系結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)三種元數(shù)據(jù)管理策略的分析比較可以發(fā)現(xiàn)，搭建基于CWM的元數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的管理策略存在較多的優(yōu)點(diǎn)，它能夠以較少的代價(jià)提供豐富的數(shù)據(jù)管理功能，即持續(xù)存儲(chǔ)、允許并發(fā)、對(duì)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境中復(fù)雜元數(shù)據(jù)提供事物訪(fǎng)問(wèn)，而相對(duì)于一個(gè)完善的基于元數(shù)據(jù)中央存儲(chǔ)庫(kù)的元數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，基于CWM的元數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在功能上還存在一些不足，如版本化、生命周期的管理等。針對(duì)基于CWM的元數(shù)據(jù)管理策略不足，本文給出了一種如圖2所示改進(jìn)的元數(shù)據(jù)管理體系結(jié)構(gòu)。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由元倉(cāng)庫(kù)、可操作的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、建模工具、元數(shù)據(jù)管理工具及其他一些數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用工具或軟件產(chǎn)品等模塊組成。

(1)元倉(cāng)庫(kù)：是整個(gè)架構(gòu)的核心，是一個(gè)全局共享元數(shù)據(jù)的以CWM編碼的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，主要用于存儲(chǔ)管理各以CWM為元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的工具產(chǎn)生的元數(shù)據(jù)和以CWM規(guī)范建模和操作過(guò)程中所產(chǎn)生的元數(shù)據(jù)以及從各類(lèi)型數(shù)據(jù)庫(kù)提取的元數(shù)據(jù)。

(2)建模工具：可供用戶(hù)對(duì)可操作的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的某一主題建立元模型實(shí)例，直接收集元數(shù)據(jù)，然后存入到元倉(cāng)庫(kù)中，作為其他工具所需要元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源。

(3)元數(shù)據(jù)管理工具：可供對(duì)元倉(cāng)庫(kù)中的元數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪改查操作，方便用戶(hù)對(duì)元倉(cāng)庫(kù)的更新和維護(hù)。但元倉(cāng)庫(kù)中的元數(shù)據(jù)一般的用戶(hù)很難讀懂，很難將一堆雜亂的元數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)理解其實(shí)際意義，應(yīng)當(dāng)將其與建模工具相結(jié)合，用圖形化的形式顯示這些元數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)模型。

(4)與元倉(cāng)庫(kù)連接的各軟件工具、應(yīng)用程序都支持CWM標(biāo)準(zhǔn)，它們都實(shí)現(xiàn)了相同的用于元數(shù)據(jù)交換的公共接口，這也意味著任何支持CWM的軟件組件都能夠很容易地理解其他支持CWM的組件的元數(shù)據(jù)實(shí)例，并且能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的CWM元數(shù)據(jù)接口集來(lái)訪(fǎng)問(wèn)元數(shù)據(jù)。在這些支持CWM的工具與元倉(cāng)庫(kù)的元數(shù)據(jù)交流中，同樣需要一個(gè)元數(shù)據(jù)“橋”，這個(gè)橋可以用一個(gè)CWM適配器的輕量級(jí)的橋代替。

(5)CWM適配器是一個(gè)軟件，它可以理解CWM元模型以及擁有該適配器的軟件產(chǎn)品內(nèi)部的元模型和專(zhuān)有的元數(shù)據(jù)接口。適配器的公共端實(shí)現(xiàn)CWM的標(biāo)準(zhǔn)接口，另一端則連接到產(chǎn)品的特定接口。針對(duì)某一軟件產(chǎn)品或工具寫(xiě)適應(yīng)它的適配器只需要編寫(xiě)一次，所以它相對(duì)于其他的元數(shù)據(jù)橋節(jié)省了很多開(kāi)銷(xiāo)。

3 元倉(cāng)庫(kù)的設(shè)計(jì)

在元數(shù)據(jù)管理體系結(jié)構(gòu)中，CWM編碼的元倉(cāng)庫(kù)是整個(gè)架構(gòu)的核心。因?yàn)镃WM本身是一個(gè)面向?qū)ο蟮脑Ｐ停鬈浖a(chǎn)品或工具的元數(shù)據(jù)大部分是建立在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)之上，且目前面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)不普及[5]，因而無(wú)法使用面向?qū)ο蟮腄BMS來(lái)創(chuàng)建一個(gè)元倉(cāng)庫(kù)，因此，需要將CWM的面向?qū)ο笤Ｐ陀成涞揭粋€(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，建立基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的元倉(cāng)庫(kù)。在將CWM面向?qū)ο蟮母拍钣成涞疥P(guān)系表上同時(shí)又要保持元數(shù)據(jù)本身的邏輯結(jié)構(gòu)不變，需要解決CWM中數(shù)據(jù)類(lèi)型、類(lèi)、繼承和關(guān)聯(lián)等在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的映射問(wèn)題。在CWM中大量使用了UML的繼承特性，CWM的21個(gè)元模型包[6]中就存在著大量的泛化層次結(jié)構(gòu)，因此，選擇如何實(shí)現(xiàn)泛化層次在元倉(cāng)庫(kù)的開(kāi)發(fā)是最關(guān)鍵的。為此，下面首先分析了繼承模式的幾種映射策略，選擇了一種實(shí)現(xiàn)方便、節(jié)約存儲(chǔ)空間的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)元倉(cāng)庫(kù)的建立，然后討論對(duì)象關(guān)系映射中數(shù)據(jù)類(lèi)型、關(guān)聯(lián)的映射問(wèn)題。

3.1 繼承映射

從類(lèi)到表的映射并不是簡(jiǎn)單的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因?yàn)橐粋€(gè)子類(lèi)可以繼承父類(lèi)的一些特性和操作，而繼承是UML和面向?qū)ο笙到y(tǒng)的一個(gè)主要特征，它把類(lèi)組織成逆向的樹(shù)形結(jié)構(gòu) (即泛化層次)，因此必須考慮泛化層次的對(duì)象的映射問(wèn)題。以圖3所示的CWM關(guān)系型包中的Relational：：Trigger的泛化層次為例，給出幾種對(duì)象關(guān)系映射策略。

圖3 Relational：：Trigger的泛化層次

(1)整個(gè)泛化層次結(jié)構(gòu)映射成一張表

將一個(gè)完整的泛化層次結(jié)構(gòu)映射成一張表，層次結(jié)構(gòu)中所有類(lèi)的屬性都存放在這個(gè)表中，每個(gè)實(shí)例對(duì)應(yīng)表中的一行。為了表明一個(gè)對(duì)象實(shí)例是屬于哪個(gè)類(lèi)的，必須添加一個(gè)屬性“對(duì)象類(lèi)別”O(jiān)ID，這種映射對(duì)應(yīng)的表如表1所示。這種映射策略的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，只有一個(gè)單一的表，其缺點(diǎn)是存儲(chǔ)空間浪費(fèi)大、利用率低、類(lèi)層次間的耦合非常高，當(dāng)泛化層次結(jié)構(gòu)中的某一個(gè)類(lèi)要增加屬性時(shí)，必須將一個(gè)新屬性增加到表中，這將影響到泛化層次中的所有類(lèi)。

表1 整個(gè)泛化層次映射成一張表

(2)每個(gè)類(lèi)映射成一張包含該類(lèi)繼承屬性的表

使用這種映射策略，是將每個(gè)類(lèi)映射成一張表，在表中既包含該類(lèi)的屬性又包括其父類(lèi)的屬性，如表2所示。這種映射策略的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)單個(gè)類(lèi)的查詢(xún)操作比較簡(jiǎn)單，但是同樣會(huì)造成存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)，且類(lèi)層次間的耦合性較高，當(dāng)父類(lèi)的結(jié)構(gòu)改變時(shí)，子類(lèi)的結(jié)構(gòu)也要跟著改變。此外在實(shí)現(xiàn)上不方便，因?yàn)镸odelElement有兩個(gè)子類(lèi) (Trigger類(lèi)和 A類(lèi))，Trigger有一個(gè) ID，A也有一個(gè)ID，它們都是ModelElement的子類(lèi)。如果這兩個(gè)表的主鍵相同，父類(lèi)是無(wú)法識(shí)別這兩個(gè)子類(lèi)的，所以這兩個(gè)ID一定不能相同，因此也就不能使用ID自動(dòng)生成策略。

表2 每個(gè)類(lèi)映射成一張表(包含該類(lèi)的屬性又包括其父類(lèi)的屬性)

(3)每個(gè)類(lèi)映射成一張只包含該類(lèi)特有屬性的表對(duì)各個(gè)表進(jìn)行連接

使用這種策略子類(lèi)對(duì)應(yīng)的表ID應(yīng)該參考父類(lèi)對(duì)應(yīng)的表的ID，即進(jìn)行主鍵連接，對(duì)應(yīng)的表結(jié)構(gòu)如表3所示。這種策略的優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)空間比較小，類(lèi)間的耦合性比較低，查詢(xún)的時(shí)候不用找很多的表，缺點(diǎn)是要進(jìn)行表連接，每當(dāng)增加一個(gè)子類(lèi)還應(yīng)添加一個(gè)表。

表3 每個(gè)類(lèi)映射成一張表進(jìn)行連接

由上分析可以得出：(1)第一種策略是將整個(gè)泛化層次映射成一個(gè)表結(jié)構(gòu)。由于CWM元模型包中的泛化層次樹(shù)形結(jié)構(gòu)很深，所以會(huì)使得元組很龐大，浪費(fèi)大量的存儲(chǔ)空間，且每次讀取時(shí)需要讀入很多不必要的屬性，因此不適合用這種策略建立元倉(cāng)庫(kù)；(2)第二種策略同樣也會(huì)造成存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)，在實(shí)現(xiàn)上也不方便，亦不適合采用；(3)第三種策略是將每個(gè)類(lèi)映射成一個(gè)表，每個(gè)表只包含該類(lèi)含有的屬性，這種方法可節(jié)省存儲(chǔ)空間，雖然查詢(xún)操作涉及多個(gè)表的連接操作，連接操作將多個(gè)連接的表組成一個(gè)表較耗時(shí)，但在計(jì)算機(jī)速度不斷提高且不要求實(shí)時(shí)性的情況下適宜選用這種策略。所以本文使用第三種策略來(lái)實(shí)現(xiàn)CWM元模型包中各泛化層次結(jié)構(gòu)的映射問(wèn)題，建立元倉(cāng)庫(kù)。

3.2 數(shù)據(jù)類(lèi)型映射

每個(gè)CWM屬性可以是以下三類(lèi)中的一種：簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類(lèi)型、枚舉數(shù)據(jù)類(lèi)型和基于類(lèi)的數(shù)據(jù)類(lèi)型。這些CWM的數(shù)據(jù)類(lèi)型集必須映射到相應(yīng)的T-SQL語(yǔ)言支持的數(shù)據(jù)類(lèi)型上，如果沒(méi)有直接對(duì)應(yīng)的T-SQL數(shù)據(jù)類(lèi)型，元倉(cāng)庫(kù)必須創(chuàng)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使其能模仿所要求的類(lèi)型。如簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)類(lèi)型映射規(guī)則是：只要將CWM簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類(lèi)型映射到CORBA IDL類(lèi)型碼，而后映射到T-SQL數(shù)據(jù)類(lèi)型即可。

枚舉數(shù)據(jù)類(lèi)型映射規(guī)則是將每個(gè)CWM枚舉數(shù)據(jù)類(lèi)型用一個(gè)創(chuàng)建的表表示。枚舉數(shù)據(jù)類(lèi)型表中的行只有一列，名為_(kāi)EnumLiteral，它包含枚舉文字值。當(dāng)基于枚舉數(shù)據(jù)類(lèi)型的列值變化時(shí)，新的取值按照該表確定以保持列數(shù)據(jù)的完整性。

基于類(lèi)的數(shù)據(jù)類(lèi)型映射規(guī)則，則需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)基于類(lèi)的類(lèi)型的實(shí)例，然后將該實(shí)例的鍵存放在一個(gè)向表示擁有該類(lèi)屬性的類(lèi)的表增加的基礎(chǔ)列中。

3.3 關(guān)聯(lián)映射模式

關(guān)聯(lián)是UML中表示類(lèi)的實(shí)例間的關(guān)系的一種方法，有一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多三種關(guān)聯(lián)。

對(duì)于一對(duì)一關(guān)聯(lián)映射規(guī)則，只要在如圖4所示的兩個(gè)關(guān)聯(lián)類(lèi)各對(duì)應(yīng)的表中增加一列。

圖4 1：1關(guān)聯(lián)映射

一對(duì)多的關(guān)聯(lián)映射規(guī)則，僅僅需要改變關(guān)聯(lián)的多端的固定表，在該固定表中增加一列，以存放一端的一個(gè)實(shí)例的標(biāo)識(shí)值。如果關(guān)聯(lián)的多端是有序的，則需要在多端的固定表中增加一列，以存儲(chǔ)記錄多端實(shí)例次序的順序值，如圖5所示。

圖5 1：N關(guān)聯(lián)映射

多對(duì)多關(guān)聯(lián)映射規(guī)則需要將關(guān)聯(lián)單獨(dú)映射成一張關(guān)系表，如圖6所示。

本文分析了三種典型的元數(shù)據(jù)管理策略，并進(jìn)行了詳細(xì)的比較，提出了基于CWM管理策略的元數(shù)據(jù)管理體系結(jié)構(gòu)，解決了多個(gè)廠(chǎng)商的產(chǎn)品之間的元數(shù)據(jù)交換使用繁瑣而復(fù)雜的軟件工具來(lái)實(shí)現(xiàn)交換的問(wèn)題。CWM為數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和商業(yè)智能環(huán)境下的元數(shù)據(jù)交換制定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，元倉(cāng)庫(kù)是對(duì)其的映射實(shí)現(xiàn)，用元倉(cāng)庫(kù)來(lái)存放管理元數(shù)據(jù)，做到元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理和交換的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

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