Springwave
2016. 8
global leader in Precision Time Synchronization
순 서
1. IEEE1588 overview
2. IEEE1588 Application
3. ㈜스프링웨이브 IEEE1588
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IEEE1588 목표 (goal)
IEEE1588 Precision Time Protocol(PTP)는,
Network상에 존재하는 각 장치들이(Slaves) Master시간에
synchronization(동기) 할 수 있도록 하는 역할(프로토콜)
Master
Network
Slaves
Master에 동기
-Frequency (주파수)
-Time (시간)
-Frequency & Time
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IEEE1588v2 - 2008 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked
Measurement and Control Systems.
- 2008년에 수정됨, 현재까지 최종 버젼.
PTP(Precision Time Protocol):
IEEE1588v2 standard 규격을 따르는 프로토콜(통신방식)로서
IEEE1588 용어와 혼용.
cf) NTP (Network Time Protocol)
Two Way Time Transfer protocol (TWTT)
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동기(Synchronization) ? 주파수 동기 ≠ 시간,위상 동기 what is the difference? (frequency) (Time, phase)
fA = fB (시계바늘 속도 동일) θ = ξ (위상차이 알 수 없음)
Signal B
Signal A
time
TB=1/fB
TA=1/fA θ = ξ
주파수 동기 (Syntonization)
SDH/SONET, LTE-FDD BITS/DOTS(T1/E1)
fA = fB (동일한 speed) θ = 0 (위상차이 없음)
Signal B
Signal A
time
TB=1/fB
TA=1/fA θ = 0
시간(Time), 위상(Phase) 동기
LTE-TDD, 시계 (PTP, NTP, GPS)
시간동기
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ToD(Time of Day)
시간, 시각?
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동기(Synchronization) ?
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LTE-TDD Handover Fails
예) 위상(Phase) 동기 fail
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동기(Synchronization) ?
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LTE-TDD Handover Fails
예) 시간(Time) 동기 fail 시간, 시각?
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PTP 동기 원리 ?
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GPS 위성
GPS 수신 안테나
IEEE1588 GrandMaster IEEE1588 Slave
Packet network
Time Server Time clients
마스터/슬레이브 연결
Master-Slave architecture.
Two Way Time Transfer protocol
(TWTT)
GPS 동기 GM이 하나이상 필요
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PTP 동기 원리 ?
Slave: t1/t2/t3/t4값 획득
• Offset: Master와 slave간의 시간오차.
• t1, t4 : Master 시계로 측정된 시간값(timestamp)
• t2, t3 : Salve 시계로 측정된 시간값(timestamp)
• DMS : Sync 패킷(Master Slave)의 전달 지연값
• DSM : Del_Req 패킷(Slave Master)의 전달 지연값
t2 - t1 = DMS + offset DMS = (t2 - t1) - offset t4 – t3 = DSM – offset DSM = (t4 – t3) + offset [가정: Rate_of_master = Rate_of_slave] 이항 정리하면, Offset = [(t2 – t1) – (t4-t3)] / 2 [전제조건 : Symmetric, DMS = DSM] * Propagation tiem = [(t2 – t1) + (t4-t3)] / 2 • 패킷망의 특성상, 상/하 방향의 지연값이 항상 같지도 않으며, 항상 일정한 지연값을 갖지도 않는다.
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Offset 산출
t1, t2
t3, t4
t2
t3
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이더넷(Ethernet) 패킷망의 특성 양방향 전달 지연값이 항상 일정하지 않다.
일정치 않은 Queuing delay : Hop-by-Hop방식 패킷 스위칭 장비
양방향 Queuing delay : 거의 대부분 같지 않다. Master Slave, Slave Master
PDV, Asymmetric delay 발생 PDV : Packet Delay Variation 일정치 않은 queuing delay가 주 원인
Asymmetric delay :
- 양방향 전송 경로가 서로 다를때
- 양방향 전송 Bandwidth가 서로 다를때
- PDV에 의해서
PTP slave는 PDV, Asymmetric delay를 고려한 동기 알고리즘(algorithm)이 필요.
모든 hop에서 Residence time과 path delay time 산출 및 보정
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1G(master) -- 100M(slave) offset발생?
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ITU-T G.8261 Test case modeling
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GE-X : 10hops Two-way traffic
Test Case #12 ~ #17
from ITU-T G.8261
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ITU-T G.8261 TC12~17 modeling
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Floor delay
약 +108 us
참조: Calnex사 Paragon-x
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IEEE1588v2 Features(일부)
Mapping to UDP/IPv4&6, Ethernet(direct mapping), DeviceNet,
PROFINET, ControlNet
Transparent Clock mode. packet망의 PDV (거의)제거
Redundancy & fault tolerance option
PTP sub-layer mapping 정의 : Annex D ~ H
- PTP over UDP over IPv4, PTP over UDP over IPv6
- PTP over IEEE802.3/Ethernet (direct mapping)
- PTP over DeviceNet
- PTP over ControlNet
- PTP over IEC61158 Type 10
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PTP messages :
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PTP event messages
PTP event메세지들은 장치(포트)에서 입출력시 timestamp값을 기록
- Sync
- Delay_Req
- Pdelay_Req
- Pdelay_Reap
PTP general messages
Not timestamped
- Follow_Up
- Delay_Resp
- Pdelay_Resp_Follow_Up
- Announce
- Signaling
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break time
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TAI, UTC, GMT, leap second
In the IEEE1588v2
UTC : Coordinated Universal Time
TAI : International Atomic Time
GMT : Greenwich Mean Time
* currentUtcOffset
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PTP Clock types :
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IEEE1588v2 Clock type :
- Ordinary Clocks : Master, Slave
- Boundary Clocks
- Transparent Clock
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PTP Clock types :
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Ordinary Clock
하나의 도메인내에서 하나의 PTP 포트를 가지는 클럭 장치(device) - GrandMaster, Master, 기지국 장치와 같은 PTP Slave 등.
- Master : Time source 역할
- Slave : Master에 Time 동기 필요.
IEEE1588 Slave
Packet network
IEEE1588 GrandMaster
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PTP Clock types :
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Boundary Clock
정의: 하나의 도메인내에서 여러 개의 PTP 포트를 가지는 클럭 장치(switch, or router)
각 포트는 PTP master 또는 PTP slave로 동작한다.
- master-slave : parent-child hierarchy
- The PTP slave terminates the PTP traffics from the PTP master,
and synchronizes its local clock to the master
- BMCA: Best Master Clock Algorithm
BMCA
BMCA
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Delay Request-Response mechanism
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GrandMaster IEEE1588 Slave traditional
packet switch traditional
packet switch GM time
t1
Slave time
t2
Sync
Follow_Up
Delay_Req
Delay_Resp
Timestamps known by slave t2 t1, t2 t1, t2, t3 t1,t2,t3,t4
t3
t4
One-step:
- No Follow_Up sending
- t1 carried in the Sync
Two-step:
- t1 carried in the Follow_Up
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PTP Clock types :
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Transparent Clock (TC)
송수신 되는 PTP 패킷들의 delay를 계산하고, 그 값을 조정할수 있는
PTP 패킷 처리 가능한 스위치.
End-to-end TC mode - Only residence time measurement for PTP event
(not support peer delay measurement)
- CF field correction from measured residence time
GrandMaster IEEE1588 Slave End-to-end Transparent
End-to-end Transparent
Residence Time CF field 조정
Transparent Clock measures internal switch delay
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PTP Clock types :
Page 22
1
t3=21
t2=19
10
Sync
Delay_Req
Delay_Resp
Master E2E-1 5
Sync
Delay_Resp
7
Sync
Delay_Req
Delay_Req
Delay_Resp
E2E-2 Slave
tes1=9 tis1=8
tes2=14
tis2=12
tid2=20
ted2=22 tid1=21
ted1=22
tcs1=tes1-tis1=1
tcd1=ted1-tid1=1
tcd2=ted2-tid2=2
tcs2=tes2-tis2=2
End-to-end TC
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Peer delay mechanism
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End-to-end TC
Residence time
Delay_Req. message, too.
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PTP Clock types :
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Transparent Clock (TC)
Peer-to-peer TC mode - residence time for PTP event + peer-delay time
- CF field correction
- support peer delay mechanism
GrandMaster IEEE1588 Slave End-to-end Transparent
End-to-end Transparent
Path delay + Residence Time CF field 조정
Transparent Clock measures internal switch delay Peer-to-peer delay
measurement at TC
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PTP Clock types :
Page 25
1
t1=2
t2=19
10
Sync
Master P2P-1 5
Sync
7
Sync
P2P-2 Slave
tes1=9 tis1=8
tes2=14
tis2=12 tcf1=tres1+td1
tcf2=tres2+td2
td1=2
td2=1
PDelay_Req
PDelay_Resp
PDelay_Req
PDelay_Resp
PDelay_Req
PDelay_Resp
tres1=tes1-tis1
tres2=tes2-tis2
Peer-to-peer TC
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PTP Clock types :
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Hybrid mode (IEEE1588v2 Non-standard)
Frequency distribution through physical media, like SyncE/TDM(BITS).
Phase distribution via packet data, like PTP/NTP
Very stable in holdover condition,
because the frequency stability keeps the phase alined
* holdover is caused from PTP/NTP errors
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Synchronization Basics
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PTP communication path
- PTP ordinary, boundary 간에 PTP path 형성.
- 중간에 TC를 포함 할수도 있다.
- End-to-end, peer-to-peer를 혼용하여 path를 구성할수 없다
Step 1 : Master들이 송신하는 announce 메시지의 clock 품질 정보를 바탕으로
최적의 마스터 선택한다.
Step 2 : 각 slave들은 해당 master시간에 동기 수행한다
- delay request-response
- peer delay mechanism
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Best Master Clock Algorithm(BMCA)
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IEEE1588v2 Slave가 최상의 마스터를 선택하는 프로토콜
BMCA 동작은 모든 slave-OC 또는 BC에서 이루어진다.
마스터들(all masters)로부터 PTP announce 메시지 수신
다음 값을 비교하면서 Best Master 선정 (낮은 값이 우선순위 높음)
- priority1 (0 ~ 255)
- clock Class (0 ~ 255)
- clock Accuracy [IEEE1588v2 Table.6 참조]
- scaled Offset Log Variance (PTP variance)
- priority2 (0 ~ 255)
- Step removed
- Master identity value (clockIdentity)
순 서
1. IEEE1588 overview
2. IEEE1588 Application
3. ㈜스프링웨이브 IEEE1588
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ITU-T standards
Page 30
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Telecom profile
Page 31
Approved in 2016-06-02
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G.8271 Time/Phase classes
Page 32
from ITU-T G.8271
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IEEE1588 in IEC61850 Smart Substation
Page 33
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IEEE PC37.238-2011
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IEEE Standard Profile for Use of IEEE1588 Precision Time Protocol
in Power System Application
in the Smart Substation
Time inaccuracy requirement (IEC 61850-9-3) < 200ns in case BC < 50ns in case TC
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Power profile
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IEEE802.1AS - 2011 Timing and Synchronization
for Time-Sensitive Application in Bridged Local Area Networks.
Audio & Video와 같은 기기(AVB)를 LAN망에서 동기 목적
Bridged LAN은 IEEE1588v2 기반의 Time-Aware Network 으로 구성
- Bridges : PTP BC와 유사하게 동작, TC/OC 로는 동작 할수 없음
- PTP mapping: Ethernet direct mapping only
- peer-to-peer TC delay mechanism만 사용
Delay measurement :
Ethernet LAN (IEEE1588v2 P2P), 802.11 무선랜 (802.11v),
E-PON(Discovery process), CSN (혼용 : IEEE1588v2 P2P, 802.11v)
Two-step mode: Pdelay_Resp, Pdelay_Resp_Follow_Up
보다 정확한 delay계산을 위하여 Syntonization 수행
BMCA에 의한 Master 선정
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IEEE802.1AS - 2011
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성능 목표 :
end station간에 시각동기 오차는
±500ns 이하
특징 & 검토 :
- 운용 환경 fast lock, stability
- 단가 고려 부품 저가화 (crystal, ASIC)
- 소형, 경량화
순 서
1. IEEE1588 overview
2. IEEE1588 Application
3. ㈜스프링웨이브 IEEE1588
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Mobile backhaul network
LTE mobile 기지국들
clock1
clock2
IS2000 series - IEEE1588v2 PTP GrandMaster Clock with Synchronous Ethernet
SPW1588 - IEEE1588v2 PTP Slave solution(IP) with Synchronous Ethernet
전진형 그랜드 마스터 (Edge GM)
Embedded IEEE1588 Slave
Springwave’s PTP/NTP solutions
MEZZ-100M slave module
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PTP/NTP Grandmaster Clock 장치
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IS2000 IEEE1588v2 PTP/NTP Grandmaster Clock
Key Features • 이동통신망, 전력망등의 IEEE1588v2 그랜드마스터 클럭 장치 – Cost effective
• NTP time 서버 지원
• 패킷망의 PDV 또는 Asymmetry 지연을 최소화 할수 있는 설치(edge master)
• IEEE1588v2-2008 표준 만족
• 다양한 GNSS(GPS/GLONASS/SBAS) 동기
• Primary Reference Clock(PRC)으로서 사용 가능 (accuracy: 1xE-11)
• SyncE master로 사용 가능
• IEEE1588 BMCA 지원 Alternate master 운용 가능
• Hybrid 운용 (IEEE1588 & SyncE)
• IEEE1588 unicast/multicast, and mixed mode 운용 가능
• ITU-T G.8275.1 full timing 모드 지원
• ITU-T G.8275.2 partial timing 모드 지원
• 소프트웨어 라이센스에 의한 다양한 client수 지원 : 64(default)/128/256/512
• 하드웨어 로직에 의한 PTP packet처리 - client숫자, packet rate에 따른 성능 저하 없음
• IPv4, IPv6 혼용 지원
• 100M/1000Mbps combo(optic/copper) 형태로 지원
• 10MHz, 1PPS 출력
• 파워입력: DC 또는 AC 가능 (factory 선택)
• WEB UI, CLI콘솔 포트
• SNMP지원
Application • 4G/LTE-FDD/TDD, LTE-Advanced networks • Ethernet backhaul networks • WiMAX backhaul networks • Passive Optical Network(PON) • Electric Power network : substation
TIME AND FREQUENCY ACCURACY Accuracy under locked to GNSS at operating temp. Time : < ±100ns/day Frequency : ±1x10-11 (ITU-T G.811) Holdover Accuracy (over constant temperature) Time : < ±8.6us/day Frequency : < ±1 x 10-10 /day
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PTP Grandmaster Clock 장치
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IS200 PCIe type IEEE1588v2 PTP Grandmaster Clock
Key Features • PCIe카드타입의 IEEE1588v2 그랜드마스터 클럭 장치 • 이동통신망, 전력망등의 IEEE1588v2 그랜드마스터 클럭 장치 – Cost effective • 1x lane low-profile PCIe NIC - Rev1.0a • IEEE1588v2-2008 표준 만족 • 100M/1000Mbps ethernet RJ45 • 1x GNSS동기 (GPS/GLONASS/SBAS) • 64/128개의 IEEE1588 client수 지원 • 하드웨어 로직에 의한 PTP packet처리 - client숫자, packet rate에 따른 성능 저하 없음 • IPv4, IPv6 혼용 지원 • Primary Reference Clock(PRC)으로서 사용 가능 (accuracy: 1xE-11) • IEEE1588 BMCA 지원 Alternate master 운용 가능 • IEEE1588 unicast/multicast, and mixed mode 운용 가능 • ITU-T G.8275.1 full timing 모드 지원 • ITU-T G.8275.2 partial timing 모드 지원 • In-band WEB UI, SNMP지원 • Linux 또는 win-OS 서버 장착 가능 • Stand-alone 운용 (자체 CPU 장착) 가능
Application 4G mobile network, LTE small cell network Carrier ethernet Industrial automation timing IoT(Internet of Things), Sensor networks Power electric, Smart Grid
TIME AND FREQUENCY ACCURACY Accuracy under locked to GNSS at operating temp. Time : < ±100ns/day Frequency : ±1x10-11 (ITU-T G.811) Holdover Accuracy (over constant temperature) Time : < ±8.6us/4hrs. Frequency : < ±1 x 10-10 /day
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PTP/NTP SyncoTimeTM Algorithm
Page 42
SyncoTime Algorithm 소프트웨어 IP(Intellectual Property) 형태의 PTP/NTP client 솔루션
Key Features • 소프트웨어 라이선스(IP)형태의 비즈니스 솔루션
• IEEE1588 slave 또는 NTP client용 소프트웨어 패키지
• 다양한 장치(SoC)에 유연하게 탑재 가능
: LTE-Modem chips, CPU chips, industrial systems.
• PLL PD(Phase Detector) 및 OCXO/TCXO 제어를 위한 FPGA 설계 지원
• 위상/시간 및 주파수 동기 지원
• IEEE1588v2 표준 지원
• ITU-T G.8275.1, G.8275.2 통신 모드 지원
• NTPv4 지원
• PTP/NTP를 위한 고객 요구 configuration 적용
• Remote up-grade 기능 지원
Application 4G mobile network, LTE small cell network Carrier ethernet Industrial automation timing IoT(Internet of Things), Sensor networks Power electric, Smart Grid
TIME AND FREQUENCY ACCURACY BY PTP Phase offset: < ±1.5us Frequency : < ±16ppb FREQUENCY ACCURACY BY NTP Frequency : < ±100ppb
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PTP/NTP Boundary Clock 장치
Page 43
IS3300 IEEE1588v2 PTP Boundary Clock
Application • 4G/LTE-FDD/TDD, LTE-Advanced networks • Ethernet backhaul networks • WiMAX backhaul networks • Electric Power network : substation
TIME AND FREQUENCY ACCURACY Time : < ±1.5us(normal), <±3us(G.8261 worst) Frequency : ±16ppb Holdover Accuracy (over constant temperature) Time : < ±8.6us/day Frequency : < ±1 x 10-10 /day
Key Features • 이동통신망, 전력망등의 IEEE1588v2 boundary clock 장치
• PTP마스터에 정밀시각 동기 지원
• IEEE1588v2 BMCA(Best Master Clock Algorithm) 지원
• 최대 3개의 PTP master포트 지원, 최대 512개 PTP client 지원
: 64(default)/128/256/512
• NTP time server 지원
• IEEE1588v2-2008 표준 만족
• IEEE1588 unicast/multicast, and mixed mode 운용 가능
• ITU-T G.8275.1 full timing 모드 지원
• ITU-T G.8275.2 partial timing 모드 지원
• 하드웨어 로직에 의한 PTP packet처리 - client숫자, packet rate에 따른 성능 저하 없음
• 100M/1000Mbps Ethernet RJ45 지원
• 10MHz(x1), 1PPS(x4) 출력BNC 지원
• 각각 4포트의 IRIG-B, RS232 ToD 출력 지원
• 파워입력: DC 또는 AC 가능
• WEB UI, CLI콘솔 포트
• SNMP지원
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감사합니다
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