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Go接口开发最后的护城河:TLS双向认证+证书轮换+OCSP Stapling全链路实现(含Let’s Encrypt自动化脚本)

第一章:TLS双向认证与接口安全的终极防线

在现代微服务架构与开放API生态中,单向TLS(服务器身份验证)已无法抵御中间人伪装客户端、证书冒用或凭证窃取等高级威胁。TLS双向认证(mTLS)通过强制客户端与服务端互相验证数字证书,将身份信任锚点从“谁在调用”升级为“谁持有合法密钥且被CA可信签发”,构成接口通信不可绕过的终极防线。

为什么单向TLS不再足够

  • 仅验证服务端,客户端可匿名发起请求(如恶意脚本伪造User-Agent)
  • API密钥或Bearer Token易被截获、重放或硬编码泄露
  • OAuth 2.0令牌缺乏传输层绑定,无法防止token劫持后跨环境滥用

核心实现三要素

  • 受信根证书(Root CA):由组织私有CA签发,不接入公共信任链
  • 服务端证书:绑定DNS名称,启用serverAuth扩展
  • 客户端证书:绑定唯一设备/服务身份,启用clientAuth扩展,私钥严格隔离存储

快速启用mTLS的Nginx配置片段

# 启用双向认证(需前置生成pem格式证书链)
ssl_client_certificate /etc/nginx/certs/ca-bundle.pem;  # 根CA公钥
ssl_verify_client on;                                    # 强制校验客户端证书
ssl_verify_depth 2;                                      # 允许中间CA层级

# 在location中提取客户端身份用于鉴权
location /api/v1/ {
    proxy_set_header X-Client-DN $ssl_client_s_dn;       # 传递DN字段供后端解析
    proxy_set_header X-Client-Verify $ssl_client_verify; # 验证结果(SUCCESS/FAILED)
    proxy_pass http://backend;
}

执行逻辑说明:Nginx在TLS握手阶段拒绝无有效客户端证书的连接;成功后将证书主题信息注入HTTP头,后端可据此执行RBAC策略(如CN=payment-service仅允许访问支付接口)。

常见部署模式对比

模式 适用场景 私钥管理要求
文件挂载证书卷 Kubernetes StatefulSet Pod内只读挂载,避免硬编码
SPIFFE/SVID集成 Service Mesh(Istio/Linkerd) 自动轮换,零接触私钥
HSM硬件模块 金融级高敏服务 私钥永不离开HSM芯片

第二章:Go语言中TLS双向认证的深度实现

2.1 X.509证书体系与双向认证协议流程解析

X.509 是公钥基础设施(PKI)的核心标准,定义了数字证书的语法、字段语义及验证规则。其核心结构包含版本、序列号、签名算法、颁发者、有效期、主体、公钥信息及扩展字段。

双向认证本质

客户端与服务端均需出示由可信CA签发的有效X.509证书,并相互验证对方证书链、签名、吊销状态(OCSP/CRL)及主体身份匹配性。

TLS 1.3双向认证关键流程

graph TD
    A[Client Hello + client_cert_req] --> B[Server Hello + cert + cert_verify]
    B --> C[Client sends cert + cert_verify]
    C --> D[双方完成密钥确认与Finished验证]

典型证书字段解析(OpenSSL命令示例)

openssl x509 -in client.crt -text -noout
# 关键输出节选:
#     Subject: CN=client.example.com, O=Org, OU=Dev
#     Issuer:  CN=Internal-CA, O=Org
#     X509v3 extensions:
#         X509v3 Extended Key Usage: TLS Web Client Authentication
#         X509v3 Subject Alternative Name: DNS:client.example.com

该命令解析证书明文结构;Extended Key Usage 确保证书仅用于客户端认证,Subject Alternative Name 支持多标识校验,避免CN单点绑定缺陷。

字段 作用 验证要求
notBefore/notAfter 时间有效性 必须在当前系统时间窗口内
Basic Constraints 是否为CA证书 双向认证中终端实体证书此项应为 CA:FALSE
Key Usage 密钥用途限制 客户端证书需含 digitalSignature

2.2 Go标准库crypto/tls源码级剖析与配置陷阱规避

TLS握手关键路径

crypto/tls.(*Conn).Handshake() 是入口,其内部调用 clientHandshake()serverHandshake(),依据 config.GetConfigForClient 动态选择配置——若未显式设置 MinVersion,默认为 TLS10,极易触发降级攻击

常见配置陷阱

  • 忽略 InsecureSkipVerify: true 仅禁用证书链验证,不绕过 SNI 或 ALPN 协商
  • ServerName 未设置导致 ClientHello 中 SNI 字段为空,被严格服务端拒绝
  • 自定义 RootCAs 时未调用 certPool.AppendCertsFromPEM(),导致信任链构建失败

安全配置模板

conf := &tls.Config{
    MinVersion: tls.VersionTLS12, // 强制 TLS 1.2+
    CurvePreferences: []tls.CurveID{tls.CurveP256},
    NextProtos:       []string{"h2", "http/1.1"},
}

此配置禁用弱密码套件(如 RC4、3DES)、强制前向保密,并优先协商 HTTP/2。CurveP256 确保 ECDHE 握手兼容性与性能平衡。

风险项 修复方式
默认 TLS 1.0 支持 显式设 MinVersion: TLS12
SNI 缺失 设置 ServerNameGetConfigForClient
graph TD
    A[Client Hello] --> B{ServerName set?}
    B -->|Yes| C[继续SNI匹配]
    B -->|No| D[Connection rejected by strict server]

2.3 客户端证书验证策略:自定义ClientCAs与VerifyPeerCertificate实践

Go 的 tls.Config 提供两级客户端证书校验能力:基础 CA 链信任(ClientCAs)与深度自定义逻辑(VerifyPeerCertificate)。

双阶段验证机制

  • ClientCAs:仅验证证书是否由指定 CA 签发,不检查 CN/SAN/有效期等细节
  • VerifyPeerCertificate:接收原始证书链字节,可执行任意策略(如白名单指纹、OCSP 状态、业务字段匹配)

自定义验证代码示例

cfg := &tls.Config{
    ClientAuth: tls.RequireAndVerifyClientCert,
    ClientCAs:  rootPool, // 仅用于构建信任链
    VerifyPeerCertificate: func(rawCerts [][]byte, verifiedChains [][]*x509.Certificate) error {
        if len(verifiedChains) == 0 {
            return errors.New("no valid certificate chain")
        }
        cert, err := x509.ParseCertificate(rawCerts[0])
        if err != nil {
            return err
        }
        if !strings.HasPrefix(cert.Subject.CommonName, "svc-") {
            return errors.New("CN must start with 'svc-'")
        }
        return nil
    },
}

该回调在标准链验证通过后触发;rawCerts[0] 是终端实体证书,verifiedChains 是已由 ClientCAs 验证过的完整路径。策略可结合数据库查询或 JWT 声明做动态授权。

验证层级 可控粒度 是否支持吊销检查
ClientCAs CA 根信任 否(需配合 CRL/OCSP)
VerifyPeerCertificate 全证书字段+业务逻辑 是(可集成 OCSP Stapling)

2.4 基于HTTP/2的gRPC与RESTful接口双模式双向认证集成

在统一网关层实现双协议安全互通,核心在于复用TLS 1.3通道并分离认证上下文。

认证凭证复用机制

  • gRPC 使用 x509.CommonName 提取客户端身份
  • RESTful 接口通过 Authorization: Bearer <cert-hash> 透传证书摘要
  • 双向TLS握手后,服务端同步校验 client_ca.pemserver_ca.pem

协议适配层关键配置

# gateway.yaml —— 同一监听端口启用双协议
http2:
  tls: { cert: server.crt, key: server.key, client_auth: require }
  grpc: { enable: true, max_message_size: 16777216 }
  rest: { enable: true, path_prefix: "/api/v1" }

此配置启用HTTP/2单端口复用:max_message_size 保障大payload gRPC调用;path_prefix 隔离REST路由空间,避免路径冲突。

协议 认证方式 传输头字段 会话复用
gRPC TLS Client Cert :authority
REST TLS + Bearer Authorization
graph TD
    A[Client] -->|TLS 1.3 Handshake| B(Gateway)
    B --> C{Protocol Detect}
    C -->|h2 HEADERS with :scheme=grpc| D[gRPC Handler]
    C -->|h2 HEADERS with :path=/api/v1/| E[REST Handler]
    D & E --> F[Shared Auth Context]

2.5 生产级错误注入测试:伪造证书链、OCSP响应篡改与拒绝服务防护

现代TLS栈的健壮性不仅依赖于标准合规,更取决于其对恶意构造输入的容错能力。错误注入测试需直击信任锚点:证书链验证、OCSP状态检查与握手资源边界。

伪造证书链验证场景

使用mkcert生成自签名根CA,并构造含中间CA签名但故意缺失根CA的证书链,触发X509_V_ERR_UNABLE_TO_GET_ISSUER_CERT_LOCALLY

# 构造不完整链(不含根CA)
cat server.crt intermediate.crt > chain-broken.pem
openssl s_client -connect example.com:443 -CAfile /dev/null -verify_hostname example.com -cert chain-broken.pem

此命令禁用系统CA信任库(-CAfile /dev/null),强制仅验证传入链;-verify_hostname启用SNI与CN/SAN校验,暴露链完整性缺陷。

OCSP响应篡改防护

攻击者可拦截并篡改OCSP响应(如将good改为revoked或伪造过期thisUpdate)。服务端应校验OCSP签名、nextUpdate时效性及非ceiling缓存策略。

风险类型 防御措施 生产建议
响应伪造 强制OCSP Stapling + 签名验证 启用ssl_stapling_verify on(Nginx)
时间漂移滥用 校验thisUpdate ≤ now ≤ nextUpdate 设置最大允许时钟偏差±5分钟

拒绝服务向量收敛

恶意客户端可发送超长SNI、重复扩展或畸形ClientHello触发解析循环。需在TLS解析层设置硬限界:

// OpenSSL 3.0+ 自定义回调示例
int early_cb(SSL *s, int *al, void *arg) {
    size_t sni_len = SSL_get_servername_length(s); 
    if (sni_len > 255) { // RFC 6066 限制
        *al = SSL_AD_UNRECOGNIZED_NAME;
        return 0;
    }
    return 1;
}

SSL_get_servername_length() 获取原始SNI长度(未解码),避免UTF-8解析开销;SSL_AD_UNRECOGNIZED_NAME为标准告警,不泄露内部状态。

graph TD
    A[ClientHello] --> B{SNI长度 ≤255?}
    B -->|否| C[发送ALERT]
    B -->|是| D[解析扩展]
    D --> E{OCSP Stapling存在?}
    E -->|是| F[校验签名与时效]
    E -->|否| G[降级至实时OCSP查询]

第三章:自动化证书生命周期管理

3.1 Let’s Encrypt ACME v2协议在Go中的原生实现(无第三方SDK)

ACME v2核心在于精确构造JOSE签名请求,绕过所有封装抽象。

请求签名流程

// 构造带kid的JWS Protected Header
protected := map[string]interface{}{
    "alg":  "ES256",
    "kid":  "https://acme-v02.api.letsencrypt.org/acme/acct/123456789",
    "jwk":  nil, // 使用kid时jwk必须省略
    "nonce": nonce,
    "url":   "https://acme-v02.api.letsencrypt.org/acme/new-order",
}

kid标识账户密钥;jwk字段显式设为nil以满足RFC 8555 §6.2;nonce需提前从/acme/new-nonce获取并缓存。

关键字段约束表

字段 是否必需 说明
alg 必须为ES256或RS256,Let’s Encrypt仅接受ES256
kid 替代jwk,指向已注册账户
nonce 单次有效,不可复用

状态流转(简化)

graph TD
    A[GET /acme/new-nonce] --> B[POST /acme/new-account]
    B --> C[POST /acme/new-order]
    C --> D[POST /acme/challenge/xxx/validate]

3.2 证书轮换的原子性保障:热重载、连接平滑迁移与过期检测机制

热重载触发条件

证书轮换必须在不中断 TLS 握手的前提下完成。核心依赖 fs.watch() 监听 PEM 文件变更,并通过文件 inode + mtime 双校验避免竞态:

// 检测证书更新(含防抖与原子性校验)
const watcher = fs.watch(certPath, { persistent: false }, () => {
  const stat = fs.statSync(certPath);
  if (stat.ino !== prevIno || stat.mtimeMs > prevMtime) {
    reloadCert(); // 原子替换 tls.Server.credentials
  }
});

prevInoprevMtime 在首次加载时缓存,确保仅响应真实文件替换(而非编辑覆盖),避免中间状态泄露。

连接迁移关键路径

新证书生效后,存量连接继续使用旧密钥,新连接立即协商新证书——由 OpenSSL 底层自动保证。

阶段 连接行为
轮换中 新建连接用新证书
已建立连接 维持原会话密钥直至关闭
关闭后重建 强制使用新证书链

过期主动探测

graph TD
  A[定时检查 cert.notAfter] --> B{距过期 < 72h?}
  B -->|是| C[触发预轮换流程]
  B -->|否| D[静默等待]

3.3 多租户场景下的证书隔离存储与动态加载策略

在多租户 SaaS 架构中,各租户的 TLS 证书必须严格逻辑隔离,避免私钥泄露或误加载。

存储分层设计

  • 租户 ID 作为证书存储路径前缀(如 /certs/{tenant_id}/tls.crt
  • 证书元数据(有效期、签发者、绑定域名)存入加密的租户专属数据库表
字段 类型 说明
tenant_id VARCHAR(36) 全局唯一租户标识
cert_pem BYTEA PEM 格式证书(AES-256-GCM 加密)
private_key_enc BYTEA 加密后的私钥(KEK 由 HSM 托管)

动态加载流程

def load_cert_for_tenant(tenant_id: str) -> ssl.SSLContext:
    cert_data = db.query("SELECT cert_pem, private_key_enc FROM certs WHERE tenant_id = %s", tenant_id)
    ctx = ssl.SSLContext(ssl.PROTOCOL_TLS_SERVER)
    ctx.load_cert_chain(
        cadata=decrypt(cert_data.cert_pem),           # 使用租户专属 DEK 解密证书链
        keyfile=None,
        password=lambda: decrypt(cert_data.private_key_enc)  # 延迟解密,规避内存明文残留
    )
    return ctx

该实现确保:① 证书仅在 TLS 握手前瞬时解密;② 私钥密码回调函数不缓存明文;③ cadata 参数绕过文件系统,杜绝磁盘泄漏风险。

graph TD
    A[HTTP 请求抵达] --> B{提取 Host/Tenant-ID}
    B --> C[查询租户证书元数据]
    C --> D[HSM 解密私钥 DEK]
    D --> E[内存中构造 SSLContext]
    E --> F[完成 TLS 握手]

第四章:OCSP Stapling全链路优化与性能攻坚

4.1 OCSP协议原理、响应缓存模型与Go runtime调度适配

OCSP(Online Certificate Status Protocol)通过轻量HTTP查询实时验证X.509证书吊销状态,避免CRL下载开销。其核心是客户端向OCSP Responder发送ASN.1编码的OCSPRequest,接收签名的OCSPResponse(含successful/tryLater/internalError等状态)。

响应缓存关键策略

  • 使用NextUpdate字段设定TTL,但需与thisUpdate校验时钟偏移
  • 缓存键包含issuerNameHash + issuerKeyHash + serialNumber三元组
  • 失败响应按RFC 6960启用指数退避重试(初始1s,上限300s)

Go调度协同优化

func (c *ocspCache) GetOrFetch(ctx context.Context, req *ocsp.Request) (*ocsp.Response, error) {
    // 利用runtime_pollWait隐式让出P,避免阻塞G
    select {
    case resp := <-c.cacheCh: // 命中缓存通道
        return resp, nil
    default:
        // 启动非阻塞fetch goroutine,由scheduler自动负载均衡
        go c.fetchAsync(ctx, req)
        return nil, cache.MissError{}
    }
}

该实现将OCSP网络I/O与cache查找解耦,使goroutine在http.Transport底层poller等待时自动让渡M,提升高并发证书校验场景下的P利用率。

缓存层 TTL依据 并发安全机制
内存L1 NextUpdate sync.Map
L2共享 可配置Redis TTL CAS原子更新
graph TD
    A[Client TLS Handshake] --> B{OCSP Stapling?}
    B -->|Yes| C[Use stapled response]
    B -->|No| D[Check local cache]
    D -->|Hit| E[Return cached response]
    D -->|Miss| F[Spawn fetch goroutine]
    F --> G[HTTP Roundtrip]
    G --> H[Validate signature & time]
    H --> I[Store in sync.Map + broadcast]

4.2 Stapling响应预获取与异步刷新:基于time.Ticker与sync.Map的高并发实现

OCSP Stapling 的性能瓶颈常源于同步阻塞式刷新——每次TLS握手前若需实时查询CA,将引入显著延迟。为此,采用预获取 + 异步周期刷新策略。

核心设计原则

  • 预热先行:服务启动时主动拉取并缓存各域名的OCSP响应;
  • 后台保鲜:用 time.Ticker 驱动定时刷新,避免请求堆积;
  • 无锁读写sync.Map 支持高并发 Load/Store,规避全局锁争用。

刷新调度器实现

ticker := time.NewTicker(30 * time.Minute)
defer ticker.Stop()

cache := &sync.Map{} // key: domain string, value: *ocsp.Response

go func() {
    for range ticker.C {
        for _, domain := range trackedDomains {
            if resp, err := fetchOCSP(domain); err == nil {
                cache.Store(domain, resp) // 并发安全写入
            }
        }
    }
}()

逻辑说明:ticker.C 每30分钟触发一次全量轮询;fetchOCSP 封装带超时与重试的HTTP+OCSP请求;cache.Store 原子更新,无需额外同步。sync.Map 在读多写少场景下性能优于 map + RWMutex

响应生命周期管理

状态 触发条件 行为
初始化加载 Server startup 同步预取,阻塞至首批完成
定时刷新 Ticker tick 异步批量更新,失败跳过
按需回退 TLS握手时缓存缺失 同步单次获取(降级路径)
graph TD
    A[Server Start] --> B[Preload OCSP for all domains]
    B --> C[Start ticker: 30min]
    C --> D{Tick event}
    D --> E[Parallel fetch per domain]
    E --> F[Store to sync.Map]

4.3 TLS握手阶段OCSP状态嵌入:修改tls.Config.GetConfigForClient的底层钩子

OCSP装订的核心动机

客户端验证服务器证书吊销状态时,传统OCSP查询引入额外RTT与隐私泄露风险。TLS 1.3支持status_request扩展(RFC 6066),允许服务端在握手期间直接嵌入签名的OCSP响应(即OCSP Stapling)。

钩子注入时机与职责

GetConfigForClient是服务端动态选择*tls.Config的回调钩子,在ClientHello解析后、ServerHello生成前触发,是注入OCSP响应的理想切面。

实现代码示例

cfg.GetConfigForClient = func(info *tls.ClientHelloInfo) (*tls.Config, error) {
    // 1. 根据SNI获取对应证书链
    cert, ok := certMap[info.ServerName]
    if !ok { return nil, errors.New("no cert") }

    // 2. 加载预缓存的OCSP响应(需定期刷新)
    ocspResp, _ := loadCachedOCSP(cert.Certificate[0])

    // 3. 注入到证书配置中(Go 1.19+ 支持)
    cert.OCSPStaple = ocspResp

    return &tls.Config{Certificates: []tls.Certificate{cert}}, nil
}

逻辑分析:该钩子在每次ClientHello到达时动态绑定证书与对应OCSP响应;cert.OCSPStaple字段被TLS栈自动序列化进CertificateStatus消息;loadCachedOCSP需保证响应未过期(NextUpdate校验)且由CA密钥签名有效。

关键参数说明

字段 作用 安全约束
info.ServerName SNI域名,用于路由多租户证书 需防空值/恶意长字符串
cert.OCSPStaple DER编码的OCSPResponse结构体 必须由证书签发者签名,且producedAt < ThisUpdate < time.Now() < NextUpdate
graph TD
    A[ClientHello] --> B{GetConfigForClient}
    B --> C[查SNI → 选证书]
    C --> D[加载有效OCSP响应]
    D --> E[注入cert.OCSPStaple]
    E --> F[ServerHello + CertificateStatus]

4.4 实时监控看板:OCSP响应延迟、命中率与证书吊销状态告警集成

实时看板需聚合三类关键指标:OCSP响应延迟(P95 ≤ 300ms)、本地缓存命中率(目标 ≥ 92%)、以及动态吊销状态异常(如 revokedunknown 状态突增)。

数据同步机制

采用 Kafka + Flink 实时管道消费 OCSP 日志流,每条记录含 cert_id, ocsp_latency_ms, cache_hit, revocation_status 字段:

# Flink 处理逻辑示例(窗口聚合)
windowed_metrics = logs \
  .key_by(lambda x: x["cert_id"]) \
  .window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(60))) \
  .aggregate(OcspAggFunc())  # 自定义聚合器:计算均值延迟、命中率、吊销状态分布

逻辑分析:按证书 ID 分组 + 60 秒滚动窗口,避免跨证书干扰;OcspAggFunc 输出结构为 {latency_p95, hit_rate, status_dist},支撑多维下钻。

告警联动策略

指标 阈值 告警级别 触发动作
OCSP P95延迟 > 400ms 推送企业微信 + 降级开关
缓存命中率 自动扩容 OCSP 缓存节点
revoked占比突增 Δ > 5% (5min) 紧急 阻断对应 CA 签发链

可视化拓扑

graph TD
  A[OCSP Responder] -->|JSON日志| B(Kafka Topic)
  B --> C[Flink 实时作业]
  C --> D{指标分发}
  D --> E[Prometheus Pushgateway]
  D --> F[Elasticsearch 告警库]
  E --> G[Grafana 看板]
  F --> H[Alertmanager]

第五章:从理论到生产:一个零信任API网关的演进启示

某大型金融云平台在2022年启动API治理升级项目,初期采用传统边界防火墙+OAuth2.0令牌校验的混合架构。上线三个月后,红队演练暴露出关键风险:内部服务间调用未强制设备指纹绑定,攻击者利用已泄露的短期访问令牌横向渗透至核心清算网关。这一真实事件直接触发了零信任API网关的重构工程。

架构迭代路径

阶段 核心能力 实施周期 关键技术组件
V1.0(边界守门员) IP白名单+JWT签名校验 6周 Nginx+Lua+Redis
V2.0(上下文感知) 设备证书+进程签名+网络延迟检测 14周 eBPF钩子+SPIFFE证书分发+OpenTelemetry链路追踪
V3.0(动态策略引擎) 基于UEBA行为基线的实时策略调整 22周 Flink实时计算+OPA Rego策略库+Service Mesh Sidecar

策略执行模型

零信任决策不再依赖静态规则表,而是通过多源信号融合生成实时信任评分。当某Java微服务发起对/v3/payment/transfer的调用时,网关同步采集以下维度数据:

  • 设备层:TPM芯片状态、操作系统内核完整性哈希值(SHA256)
  • 网络层:TLS握手耗时(>120ms触发降级)、BGP路由跳数(≥7跳自动限流)
  • 行为层:该服务过去2小时调用频率标准差(σ>3.2时启用二次验证)
flowchart LR
    A[API请求抵达] --> B{设备证书有效性检查}
    B -->|失败| C[立即拒绝并上报SIEM]
    B -->|通过| D[提取SPIFFE ID与进程签名]
    D --> E[查询Flink实时行为画像]
    E --> F{信任评分≥85?}
    F -->|否| G[注入HTTP Header: X-ZT-StepUp: mfa_required]
    F -->|是| H[透传至上游服务]

生产环境异常处置

2023年Q3发生典型故障:某Kubernetes集群节点因内核漏洞导致eBPF程序内存泄漏,网关Pod CPU持续98%达47分钟。运维团队通过Prometheus告警发现zt_gateway_policy_eval_duration_seconds_bucket{le="0.5"}指标骤降82%,结合Grafana看板中OPA策略评估成功率曲线,15分钟内定位到eBPF模块异常。回滚至V2.0的轻量级证书校验模式后,API平均延迟从3.2s恢复至86ms。

安全效能量化对比

重构后首年安全运营中心数据显示:

  • 横向移动攻击尝试下降91.7%(由每月平均43次降至3.6次)
  • API密钥滥用导致的数据泄露事件归零
  • 合规审计通过率从72%提升至100%,满足PCI DSS 4.1条款关于“所有远程访问必须实施多因素认证”的强制要求

该平台现每日处理12.7亿次API调用,其中83%的请求在网关层完成零信任决策,平均策略评估耗时稳定在42ms以内。

热爱 Go 语言的简洁与高效,持续学习,乐于分享。

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