[PATCH] Fix incorrect counter overflow handling for GCM
Jussi Kivilinna
jussi.kivilinna at iki.fi
Wed Jan 31 19:42:36 CET 2018
* cipher/cipher-gcm.c (gcm_ctr_encrypt): New function to handle
32-bit CTR increment for GCM.
(_gcry_cipher_gcm_encrypt, _gcry_cipher_gcm_decrypt): Do not use
generic CTR implementation directly, use gcm_ctr_encrypt instead.
* tests/basic.c (_check_gcm_cipher): Add test-vectors for 32-bit
CTR overflow.
(check_gcm_cipher): Add 'split input to 15 bytes and 17 bytes'
test-runs.
--
Reported-by: Clemens Lang <Clemens.Lang at bmw.de>
> I believe we have found what seems to be a bug in counter overflow
> handling in AES-GCM in libgcrypt's implementation. This leads to
> incorrect results when using a non-12-byte IV and decrypting payloads
> encrypted with other AES-GCM implementations, such as OpenSSL.
>
> According to the NIST Special Publication 800-38D "Recommendation for
> Block Cipher Modes of Operation: Galois/Counter Mode (GCM) and GMAC",
> section 7.1, algorithm 4, step 3 [NIST38D], the counter increment is
> defined as inc_32. Section 6.2 of the same document defines the
> incrementing function inc_s for positive integers s as follows:
>
> | the function increments the right-most s bits of the string, regarded
> | as the binary representation of an integer, modulo 2^s; the remaining,
> | left-most len(X) - s bits remain unchanged
>
> (X is the complete counter value in this case)
>
> This problem does not occur when using a 12-byte IV, because AES-GCM has
> a special case for the inital counter value with 12-byte IVs:
>
> | If len(IV)=96, then J_0 = IV || 0^31 || 1
>
> i.e., one would have to encrypt (UINT_MAX - 1) * blocksize of data to
> hit an overflow. However, for non-12-byte IVs, the initial counter value
> is the output of a hash function, which makes hitting an overflow much
> more likely.
>
> In practice, we have found that using
>
> iv = 9e 79 18 8c ff 09 56 1e c9 90 99 cc 6d 5d f6 d3
> key = 26 56 e5 73 76 03 c6 95 0d 22 07 31 5d 32 5c 6b a5 54 5f 40 23 98 60 f6 f7 06 6f 7a 4f c2 ca 40
>
> will reliably trigger an overflow when encrypting 10 MiB of data. It
> seems that this is caused by re-using the AES-CTR implementation for
> incrementing the counter.
Bug was introduced by commit bd4bd23a2511a4bce63c3217cca0d4ecf0c79532
"GCM: Use counter mode code for speed-up".
GnuPG-bug-id: 3764
Signed-off-by: Jussi Kivilinna <jussi.kivilinna at iki.fi>
---
cipher/cipher-gcm.c | 77 +++++-
tests/basic.c | 689 +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
2 files changed, 759 insertions(+), 7 deletions(-)
diff --git a/cipher/cipher-gcm.c b/cipher/cipher-gcm.c
index 2b8b454b2..6169d1427 100644
--- a/cipher/cipher-gcm.c
+++ b/cipher/cipher-gcm.c
@@ -1,6 +1,6 @@
/* cipher-gcm.c - Generic Galois Counter Mode implementation
* Copyright (C) 2013 Dmitry Eremin-Solenikov
- * Copyright (C) 2013 Jussi Kivilinna <jussi.kivilinna at iki.fi>
+ * Copyright (C) 2013, 2018 Jussi Kivilinna <jussi.kivilinna at iki.fi>
*
* This file is part of Libgcrypt.
*
@@ -556,6 +556,77 @@ do_ghash_buf(gcry_cipher_hd_t c, byte *hash, const byte *buf,
}
+static gcry_err_code_t
+gcm_ctr_encrypt (gcry_cipher_hd_t c, byte *outbuf, size_t outbuflen,
+ const byte *inbuf, size_t inbuflen)
+{
+ gcry_err_code_t err = 0;
+
+ while (inbuflen)
+ {
+ u32 nblocks_to_overflow;
+ u32 num_ctr_increments;
+ u32 curr_ctr_low;
+ size_t currlen = inbuflen;
+ byte ctr_copy[GCRY_GCM_BLOCK_LEN];
+ int fix_ctr = 0;
+
+ /* GCM CTR increments only least significant 32-bits, without carry
+ * to upper 96-bits of counter. Using generic CTR implementation
+ * directly would carry 32-bit overflow to upper 96-bit. Detect
+ * if input length is long enough to cause overflow, and limit
+ * input length so that CTR overflow happen but updated CTR value is
+ * not used to encrypt further input. After overflow, upper 96 bits
+ * of CTR are restored to cancel out modification done by generic CTR
+ * encryption. */
+
+ if (inbuflen > c->unused)
+ {
+ curr_ctr_low = gcm_add32_be128 (c->u_ctr.ctr, 0);
+
+ /* Number of CTR increments this inbuflen would cause. */
+ num_ctr_increments = (inbuflen - c->unused) / GCRY_GCM_BLOCK_LEN +
+ !!((inbuflen - c->unused) % GCRY_GCM_BLOCK_LEN);
+
+ if ((u32)(num_ctr_increments + curr_ctr_low) < curr_ctr_low)
+ {
+ nblocks_to_overflow = 0xffffffffU - curr_ctr_low + 1;
+ currlen = nblocks_to_overflow * GCRY_GCM_BLOCK_LEN + c->unused;
+ if (currlen > inbuflen)
+ {
+ currlen = inbuflen;
+ }
+
+ fix_ctr = 1;
+ buf_cpy(ctr_copy, c->u_ctr.ctr, GCRY_GCM_BLOCK_LEN);
+ }
+ }
+
+ err = _gcry_cipher_ctr_encrypt(c, outbuf, outbuflen, inbuf, currlen);
+ if (err != 0)
+ return err;
+
+ if (fix_ctr)
+ {
+ /* Lower 32-bits of CTR should now be zero. */
+ gcry_assert(gcm_add32_be128 (c->u_ctr.ctr, 0) == 0);
+
+ /* Restore upper part of CTR. */
+ buf_cpy(c->u_ctr.ctr, ctr_copy, GCRY_GCM_BLOCK_LEN - sizeof(u32));
+
+ wipememory(ctr_copy, sizeof(ctr_copy));
+ }
+
+ inbuflen -= currlen;
+ inbuf += currlen;
+ outbuflen -= currlen;
+ outbuf += currlen;
+ }
+
+ return err;
+}
+
+
gcry_err_code_t
_gcry_cipher_gcm_encrypt (gcry_cipher_hd_t c,
byte *outbuf, size_t outbuflen,
@@ -595,7 +666,7 @@ _gcry_cipher_gcm_encrypt (gcry_cipher_hd_t c,
return GPG_ERR_INV_LENGTH;
}
- err = _gcry_cipher_ctr_encrypt(c, outbuf, outbuflen, inbuf, inbuflen);
+ err = gcm_ctr_encrypt(c, outbuf, outbuflen, inbuf, inbuflen);
if (err != 0)
return err;
@@ -642,7 +713,7 @@ _gcry_cipher_gcm_decrypt (gcry_cipher_hd_t c,
do_ghash_buf(c, c->u_mode.gcm.u_tag.tag, inbuf, inbuflen, 0);
- return _gcry_cipher_ctr_encrypt(c, outbuf, outbuflen, inbuf, inbuflen);
+ return gcm_ctr_encrypt(c, outbuf, outbuflen, inbuf, inbuflen);
}
diff --git a/tests/basic.c b/tests/basic.c
index c883eb39f..42ee819e7 100644
--- a/tests/basic.c
+++ b/tests/basic.c
@@ -1347,6 +1347,7 @@ check_ofb_cipher (void)
static void
_check_gcm_cipher (unsigned int step)
{
+#define MAX_GCM_DATA_LEN (256 + 32)
static const struct tv
{
int algo;
@@ -1355,9 +1356,9 @@ _check_gcm_cipher (unsigned int step)
int ivlen;
unsigned char aad[MAX_DATA_LEN];
int aadlen;
- unsigned char plaintext[MAX_DATA_LEN];
+ unsigned char plaintext[MAX_GCM_DATA_LEN];
int inlen;
- char out[MAX_DATA_LEN];
+ char out[MAX_GCM_DATA_LEN];
char tag[MAX_DATA_LEN];
int taglen;
int should_fail;
@@ -1551,11 +1552,687 @@ _check_gcm_cipher (unsigned int step)
"\xee\xb2\xb2\x2a\xaf\xde\x64\x19\xa0\x58\xab\x4f\x6f\x74\x6b\xf4"
"\x0f\xc0\xc3\xb7\x80\xf2\x44\x45\x2d\xa3\xeb\xf1\xc5\xd8\x2c\xde"
"\xa2\x41\x89\x97\x20\x0e\xf8\x2e\x44\xae\x7e\x3f",
- "\xa4\x4a\x82\x66\xee\x1c\x8e\xb0\xc8\xb5\xd4\xcf\x5a\xe9\xf1\x9a" }
+ "\xa4\x4a\x82\x66\xee\x1c\x8e\xb0\xc8\xb5\xd4\xcf\x5a\xe9\xf1\x9a" },
+ /* Test vectors for overflowing CTR. */
+ /* After setiv, ctr_low: 0xffffffff */
+ { GCRY_CIPHER_AES256,
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00",
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x86\xdd\x40\xe7",
+ 16,
+ "", 0,
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00",
+ 288,
+ "\x7d\x6e\x38\xfd\xd0\x04\x9d\x28\xdf\x4a\x10\x3f\xa3\x9e\xf8\xf8"
+ "\x6c\x2c\x10\xa7\x91\xab\xc0\x86\xd4\x6d\x69\xea\x58\xc4\xf9\xc0"
+ "\xd4\xee\xc2\xb0\x9d\x36\xae\xe7\xc9\xa9\x1f\x71\xa8\xee\xa2\x1d"
+ "\x20\xfd\x79\xc7\xd9\xc4\x90\x51\x38\x97\xb6\x9f\x55\xea\xf3\xf0"
+ "\x78\xb4\xd3\x8c\xa9\x9b\x32\x7d\x19\x36\x96\xbc\x8e\xab\x80\x9f"
+ "\x61\x56\xcc\xbd\x3a\x80\xc6\x69\x37\x0a\x89\x89\x21\x82\xb7\x79"
+ "\x6d\xe9\xb4\x34\xc4\x31\xe0\xbe\x71\xad\xf3\x50\x05\xb2\x61\xab"
+ "\xb3\x1a\x80\x57\xcf\xe1\x11\x26\xcb\xa9\xd1\xf6\x58\x46\xf1\x69"
+ "\xa2\xb8\x42\x3c\xe8\x28\x13\xca\x58\xd9\x28\x99\xf8\xc8\x17\x32"
+ "\x4a\xf9\xb3\x4c\x7a\x47\xad\xe4\x77\x64\xec\x70\xa1\x01\x0b\x88"
+ "\xe7\x30\x0b\xbd\x66\x25\x39\x1e\x51\x67\xee\xec\xdf\xb8\x24\x5d"
+ "\x7f\xcb\xee\x7a\x4e\xa9\x93\xf0\xa1\x84\x7b\xfe\x5a\xe3\x86\xb2"
+ "\xfb\xcd\x39\xe7\x1e\x5e\x48\x65\x4b\x50\x2b\x4a\x99\x46\x3f\x6f"
+ "\xdb\xd9\x97\xdb\xe5\x6d\xa4\xdd\x6c\x18\x64\x5e\xae\x7e\x2c\xd3"
+ "\xb4\xf3\x57\x5c\xb5\xf8\x7f\xe5\x87\xb5\x35\xdb\x80\x38\x6e\x2c"
+ "\x5c\xdd\xeb\x7c\x63\xac\xe4\xb5\x5a\x6a\x40\x6d\x72\x69\x9a\xa9"
+ "\x8f\x5e\x93\x91\x4d\xce\xeb\x87\xf5\x25\xed\x75\x6b\x3b\x1a\xf2"
+ "\x0c\xd2\xa4\x10\x45\xd2\x87\xae\x29\x6d\xeb\xea\x66\x5f\xa0\xc2",
+ "\x8c\x22\xe3\xda\x9d\x94\x8a\xbe\x8a\xbc\x55\x2c\x94\x63\x44\x40" },
+ /* After setiv, ctr_low: 0xfffffffe */
+ { GCRY_CIPHER_AES256,
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00",
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x8d\xd1\xc1\xdf",
+ 16,
+ "", 0,
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00",
+ 288,
+ "\xac\x6a\x10\x3f\xe2\x8d\xed\x27\x55\x14\xca\x1f\x03\x67\x0a\xa8"
+ "\xa1\x07\xbf\x00\x73\x5b\x64\xef\xac\x30\x83\x81\x48\x4c\xaa\xd5"
+ "\xff\xca\xef\x2f\x77\xbe\xfe\x1b\x20\x5c\x86\x19\xc7\xf9\x11\x99"
+ "\x27\xc5\x57\xa7\x0a\xc2\xa8\x05\xd9\x07\x2b\xb9\x38\xa4\xef\x58"
+ "\x92\x74\xcf\x89\xc7\xba\xfc\xb9\x70\xac\x86\xe2\x31\xba\x7c\xf9"
+ "\xc4\xe2\xe0\x4c\x1b\xe4\x3f\x75\x83\x5c\x40\x0e\xa4\x13\x8b\x04"
+ "\x60\x78\x57\x29\xbb\xe6\x61\x93\xe3\x16\xf9\x58\x07\x75\xd0\x96"
+ "\xfb\x8f\x6d\x1e\x49\x0f\xd5\x31\x9e\xee\x31\xe6\x0a\x85\x93\x49"
+ "\x22\xcf\xd6\x1b\x40\x44\x63\x9c\x95\xaf\xf0\x44\x23\x51\x37\x92"
+ "\x0d\xa0\x22\x37\xb9\x6d\x13\xf9\x78\xba\x27\x27\xed\x08\x7e\x35"
+ "\xe4\xe2\x28\xeb\x0e\xbe\x3d\xce\x89\x93\x35\x84\x0f\xa0\xf9\x8d"
+ "\x94\xe9\x5a\xec\xd4\x0d\x1f\x5c\xbe\x6f\x8e\x6a\x4d\x10\x65\xbb"
+ "\xc7\x0b\xa0\xd5\x5c\x20\x80\x0b\x4a\x43\xa6\xe1\xb0\xe0\x56\x6a"
+ "\xde\x90\xe0\x6a\x45\xe7\xc2\xd2\x69\x9b\xc6\x62\x11\xe3\x2b\xa5"
+ "\x45\x98\xb0\x80\xd3\x57\x4d\x1f\x09\x83\x58\xd4\x4d\xa6\xc5\x95"
+ "\x87\x59\xb0\x58\x6c\x81\x49\xc5\x95\x18\x23\x1b\x6f\x10\x86\xa2"
+ "\xd9\x56\x19\x30\xec\xd3\x4a\x4b\xe8\x1c\x11\x37\xfb\x31\x60\x4d"
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+ "\xcd\x2b\x83\xd5\x5b\x5a\x8e\x0b\x2e\x77\x0d\x97\xbf\xf7\xaa\xab" },
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+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
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+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
+ "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00",
+ 288,
+ "\xf1\x3c\x7a\xa4\xa9\xaf\xe7\x49\x19\x7d\xad\x50\xc1\x6a\x84\x87"
+ "\xf5\x69\xe4\xe5\xc2\x0a\x90\x33\xc3\xeb\x76\x63\x5f\x9b\x1d\xf9"
+ "\x53\x4a\x2a\x6d\x6b\x61\xe0\x5d\xed\xcb\x98\x0d\xf2\x57\x33\x12"
+ "\xd1\x44\xaa\x7a\x7e\x4e\x41\x0e\xe6\xa7\x9f\x17\x92\x28\x91\xad"
+ "\xca\xce\xf2\xa8\x73\x4a\xad\x89\x62\x73\x0b\x9a\x68\x91\xa8\x11"
+ "\x44\x01\xfd\x57\xe4\xf8\x84\x55\x2b\x66\xdb\xb9\xd6\xee\x83\xe5"
+ "\x57\xea\x5c\x6a\x23\x87\xdd\x0a\x45\x63\xb4\x0c\x8f\xc5\x9f\x22"
+ "\xf3\x4f\x4e\x6f\x7b\x14\x62\xf7\x80\x59\x4a\xc5\xc8\xae\x8a\x6f"
+ "\x5e\xe3\x1e\xe6\xae\xec\x99\x77\x6b\x88\x14\xe3\x58\x88\x61\x74"
+ "\x38\x91\xa1\x32\xb8\xd2\x39\x6b\xe2\xcb\x8e\x77\xde\x92\x36\x78"
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+ "\xf8\xec\xe1\x97\xdb\x30\x85\x22\xb5\x68\x2f\xf2\x98\xda\x06\xee"
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+ "\xd9\x85\x17\x2c\x62\x41\x35\x24\xed\x6b\x87\x78\x1e\xb5\x7a\x9b"
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+ "\x68\x60\x11\x20\xc5\x3e\x0a\xc0\xba\x00\x0e\x88\x96\x66\xfa\xf0"
+ "\x75\xbc\x2b\x9c\xff\xc5\x33\x7b\xaf\xb2\xa6\x34\x78\x44\x9c\xa7",
+ "\x01\x24\x0e\x17\x17\xe5\xfc\x90\x07\xfa\x78\xd5\x5d\x66\xa3\xf5" },
};
gcry_cipher_hd_t hde, hdd;
- unsigned char out[MAX_DATA_LEN];
+ unsigned char out[MAX_GCM_DATA_LEN];
unsigned char tag[GCRY_GCM_BLOCK_LEN];
int i, keylen;
gcry_error_t err = 0;
@@ -1885,8 +2562,12 @@ check_gcm_cipher (void)
_check_gcm_cipher(1);
/* Split input to 7 byte buffers. */
_check_gcm_cipher(7);
+ /* Split input to 15 byte buffers. */
+ _check_gcm_cipher(15);
/* Split input to 16 byte buffers. */
_check_gcm_cipher(16);
+ /* Split input to 17 byte buffers. */
+ _check_gcm_cipher(17);
}
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