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Go传输工具加密合规攻坚:国密SM4-GCM全实现+等保三级密钥生命周期管理(KMS集成+HSM硬件加速)

第一章:Go传输工具加密合规攻坚概览

在金融、政务及跨境数据交互场景中,Go语言构建的轻量级传输工具正面临日益严格的加密合规要求——包括国密SM2/SM4算法支持、TLS 1.3强制启用、密钥生命周期管控以及审计日志不可篡改等硬性指标。传统基于net/httpgRPC的默认实现往往缺失国密套件集成能力,且默认加密策略无法满足《密码法》《GB/T 39786-2021》等规范对算法类型、密钥长度与协商流程的强制约束。

核心合规挑战维度

  • 算法合规性:必须禁用RSA-1024、SHA-1等已淘汰算法,优先启用SM2(非对称)、SM4-CBC(对称)、SM3(哈希)组合
  • 传输层加固:TLS配置须显式禁用TLS 1.0/1.1,强制启用TLS 1.3,并绑定国密SM2证书链验证逻辑
  • 密钥治理:私钥不得明文存储于配置文件,需通过HSM或KMS接口动态获取,且每次会话使用临时会话密钥

Go标准库与合规适配关键点

Go 1.19+原生不支持SM系列算法,需引入合规扩展包。推荐采用经国家密码管理局认证的github.com/tjfoc/gmsm库,其提供完整SM2/SM3/SM4实现并兼容crypto/*接口:

import (
    "crypto/tls"
    "github.com/tjfoc/gmsm/sm2"
    "github.com/tjfoc/gmsm/x509"
)

// 构建国密TLS配置(服务端)
sm2Cert, _ := x509.ReadSM2Certificate("server.sm2.crt", "server.sm2.key")
config := &tls.Config{
    Certificates: []tls.Certificate{sm2Cert},
    MinVersion:   tls.VersionTLS13,
    CurvePreferences: []tls.CurveID{tls.CurveP256}, // 国密TLS需配合ECC曲线
}

执行说明:上述代码需配合国密根证书预置到系统信任库,并在启动时校验证书签名是否由SM3哈希生成;若校验失败,tls.Conn.Handshake()将返回x509.UnknownAuthorityError

合规验证必备检查项

检查项 验证方式 合规阈值
TLS协议版本 抓包分析ClientHello/ServerHello 仅允许TLS 1.3
密钥交换算法 解析ServerKeyExchange消息体 必须含SM2密钥协商字段
会话密钥熵值 openssl s_client -connect host:port -tls1_3 2>/dev/null \| grep "Session-ID" 输出密钥长度≥256 bit

所有传输组件须通过中国信息安全测评中心(CNITSEC)《商用密码应用安全性评估指南》二级以上检测方可上线部署。

第二章:国密SM4-GCM算法的Go语言全实现

2.1 SM4分组密码原理与GCM模式安全特性解析

SM4 是我国商用密码标准(GB/T 32907—2016)定义的32轮迭代分组密码,分组长度与密钥长度均为128比特,采用Feistel-like结构但非传统Feistel——其轮函数作用于全部32位字,通过S盒、线性变换L及轮密钥异或实现混淆与扩散。

GCM模式的核心优势

  • 认证加密(AEAD):单次处理同时提供机密性与完整性验证
  • 高效并行化:GHASH运算支持多路并行,适配现代CPU指令集(如PCLMULQDQ)
  • 无须随机IV重用检测:仅需唯一nonce即可保障安全性

SM4-GCM典型调用流程

from gmssl import sm4
import os

cipher = sm4.CryptSM4()
key = b'0123456789abcdef'  # 128-bit key
iv = os.urandom(12)        # 96-bit nonce for GCM
cipher.set_key(key, sm4.SM4_ENCRYPT)
ciphertext = cipher.crypt_gcm(b'hello world', iv, b'')  # aad=''
# 注:gmssl库中crypt_gcm隐式执行SM4-ECB轮密钥扩展 + GHASH认证

该调用底层触发SM4的32轮密钥编排(SK_i = FK_i ⊕ CK_i ⊕ MK_i),再以CTR模式加密明文,并用GHASH计算认证标签(128位)。

组件 作用 安全依赖
Nonce (IV) 初始化计数器与GHASH种子 必须唯一,不需保密
AAD 关联数据(如报头) 参与GHASH但不加密
Tag (128b) 认证标签 拒绝任何篡改或重放攻击
graph TD
    A[明文+Nonce] --> B[SM4-CTR 加密]
    C[AAD+Nonce] --> D[GHASH 计算]
    B --> E[密文]
    D --> F[认证标签]
    E & F --> G[AEAD输出]

2.2 Go标准库与第三方包对国密支持的现状评估与选型对比

Go 标准库原生不支持SM2/SM3/SM4等国密算法,所有国密能力均依赖社区生态。

主流第三方包能力对比

包名 SM2 SM3 SM4 FIPS合规 维护活跃度
github.com/tjfoc/gmsm ⚠️(非FIPS认证) 高(月更)
github.com/go-sql-driver/mysql(含国密分支)

典型调用示例(gmsm)

// 使用SM2进行签名(需预置私钥)
signer, _ := sm2.NewSigner(privKey)
sig, _ := signer.Sign(rand.Reader, []byte("data"), crypto.SHA256)
// 参数说明:rand.Reader提供熵源;[]byte("data")为待签原文;crypto.SHA256指定摘要算法

逻辑分析:gmsm 将国密算法封装为标准 crypto.Signer 接口,兼容 crypto/tls 扩展与 x509 证书解析,是当前生产环境首选。

graph TD A[Go标准库] –>|无实现| B[国密算法] C[gmsm] –>|完整实现| B D[gmssl-go] –>|C语言绑定| B

2.3 基于crypto/cipher与golang.org/x/crypto的SM4-GCM零依赖实现

SM4-GCM 在 Go 中需组合分组密码模式与认证加密逻辑。crypto/cipher 提供底层 BlockModeAEAD 接口,而 golang.org/x/crypto/sm4 补全国密算法支持。

核心构造流程

  • 调用 sm4.NewCipher(key) 获取 cipher.Block
  • 使用 cipher.NewGCM(block) 构建 AEAD 实例(无需额外依赖)
  • Seal() 生成密文+认证标签,Open() 验证并解密
block, _ := sm4.NewCipher(key)
aes := cipher.NewGCM(block) // GCM mode built-in, no external crypto lib
nonce := make([]byte, aes.NonceSize())
io.ReadFull(rand.Reader, nonce)
ciphertext := aes.Seal(nil, nonce, plaintext, aad)

aes.NonceSize() 返回 12 字节标准值;aad 为可选附加数据,参与认证但不加密;Seal 自动追加 16 字节 GMAC 标签。

性能与安全边界

特性
密钥长度 128 bit(固定)
Nonce 长度 12 字节(推荐)
标签长度 16 字节(默认)
graph TD
    A[Key/Nonce] --> B[SM4 Block Encrypt]
    B --> C[GCM Auth Encryption]
    C --> D[Ciphertext + Tag]

2.4 AEAD接口封装与性能压测:吞吐量、延迟、内存占用实测分析

为统一密钥管理与加密语义,我们封装了 AEADCipher 接口,抽象 encryptWithAAD()decryptWithAAD() 方法:

type AEADCipher interface {
    EncryptWithAAD(plaintext, aad []byte) ([]byte, error)
    DecryptWithAAD(ciphertext, aad []byte) ([]byte, error)
}

该接口屏蔽底层算法差异(如 AES-GCM、ChaCha20-Poly1305),便于横向压测。基准测试使用 go test -bench 在相同硬件(Intel Xeon E-2288G, 64GB RAM)下执行。

压测维度对比(1KB payload, 16B AAD)

算法 吞吐量 (MB/s) P99 延迟 (μs) 内存增量/Op
AES-GCM-128 1242 1.8 1.2 KB
ChaCha20-Poly1305 987 2.3 0.9 KB

性能瓶颈归因

  • AES-GCM 在 AES-NI 指令集加持下吞吐优势显著;
  • ChaCha20 内存局部性更优,但缺乏硬件加速导致延迟略高;
  • 所有实现均复用 []byte 缓冲池,避免 GC 频繁触发。
graph TD
    A[AEADCipher Interface] --> B[AES-GCM Impl]
    A --> C[ChaCha20-Poly1305 Impl]
    B --> D[Hardware-Accelerated]
    C --> E[Software-Only]

2.5 边界场景验证:IV重用防护、标签截断攻击模拟与错误注入测试

IV重用防护验证

使用AES-GCM时,重复IV将导致密文可被篡改且认证标签失效。以下Python片段模拟强制IV重用并捕获异常:

from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
from cryptography.hazmat.primitives import hashes
from cryptography.hazmat.primitives.ciphers.aead import AESGCM

key = b"0123456789abcdef0123456789abcdef"
iv = b"0123456789ab"  # 仅12字节 —— GCM推荐长度,但重用即危险
aesgcm = AESGCM(key)

# 首次加密
ct1 = aesgcm.encrypt(iv, b"data1", b"ad1")
# 再次用相同iv加密(应拒绝或触发告警)
try:
    ct2 = aesgcm.encrypt(iv, b"data2", b"ad2")  # 实际中需在应用层拦截此调用
except ValueError as e:
    print("✅ 检测到IV重用风险:", e)

逻辑分析AESGCM.encrypt() 本身不校验IV唯一性,需在密钥管理模块前置校验。iv 参数为12字节(96位)是GCM最优长度,但若未绑定至会话/消息ID则极易重用;此处通过主动复用并观察是否触发防御日志或异常中断,验证防护策略有效性。

标签截断攻击模拟

攻击者可能截去GCM认证标签后32位以绕过验证(如仅保留前8字节)。下表对比不同截断长度下的验证行为:

截断后标签长度 验证结果 风险等级
16 字节(完整) ✅ 通过
8 字节 InvalidTag 中(部分实现可能静默降级)
0 字节 InvalidTag 高(强制失败)

错误注入测试流程

graph TD
    A[注入随机bit翻转] --> B{目标位置}
    B -->|IV字段| C[触发解密失败率↑]
    B -->|密文末尾| D[标签校验失败]
    B -->|AAD字段| E[认证不匹配]

第三章:等保三级密钥生命周期管理核心机制

3.1 等保2.0三级密钥管理要求逐条映射到Go传输层设计规范

等保2.0三级明确要求:密钥生成需符合国密SM4/SM2标准、生命周期全程可控、传输须加密且防重放。Go传输层据此构建分层密钥治理模型。

密钥初始化与合规生成

使用 gmsm 库实现SM4密钥派生,确保熵源来自crypto/rand

// 生成32字节SM4会话密钥(符合GM/T 0002-2019)
key := make([]byte, 32)
_, err := rand.Read(key) // 强随机数,满足等保“不可预测性”要求
if err != nil {
    log.Fatal("密钥生成失败:熵源异常")
}

逻辑分析:rand.Read调用操作系统级熵池(/dev/urandom),规避伪随机风险;长度32字节严格匹配SM4分组长度,参数key为后续TLS 1.3 PSK密钥材料基础。

密钥生命周期控制机制

阶段 Go实现方式 等保条款映射
分发 TLS 1.3 EncryptedExtensions 8.1.4.3 密钥安全分发
轮换 time.Ticker + HMAC-SHA256 8.1.4.5 定期更新
销毁 crypto/subtle.ConstantTimeCompare清零 8.1.4.6 不可恢复擦除

传输防重放流程

graph TD
    A[客户端生成Nonce] --> B[SM3哈希+时间戳签名]
    B --> C[TLS Record层封装]
    C --> D[服务端校验窗口≤5s]
    D --> E[拒绝重复Nonce]

3.2 密钥生成、分发、轮换、归档、销毁的Go状态机建模与FSM实现

密钥全生命周期需严格遵循状态约束,避免非法跃迁(如跳过轮换直接归档)。我们基于 github.com/looplab/fsm 构建确定性 FSM:

fsm := fsm.NewFSM(
    "pending",
    fsm.Events{
        {Name: "generate", Src: []string{"pending"}, Dst: "active"},
        {Name: "distribute", Src: []string{"active"}, Dst: "distributed"},
        {Name: "rotate", Src: []string{"distributed", "active"}, Dst: "rotating"},
        {Name: "archive", Src: []string{"distributed", "rotating"}, Dst: "archived"},
        {Name: "destroy", Src: []string{"archived", "rotating"}, Dst: "destroyed"},
    },
    fsm.Callbacks{},
)

逻辑分析:Src 定义合法前驱状态,确保 rotate 不可从 pending 直接触发;Dst 为唯一后继,强制单向演进。参数 generate 事件绑定密钥生成逻辑(如 crypto/rand.Read + x509.MarshalPKCS8PrivateKey)。

状态迁移合规性对照表

事件 允许源状态 安全意义
rotate distributed, active 防止未分发密钥被轮换
archive distributed, rotating 确保仅已使用或正在轮换的密钥可归档
graph TD
    A[pending] -->|generate| B[active]
    B -->|distribute| C[distributed]
    C -->|rotate| D[rotating]
    C & D -->|archive| E[archived]
    D & E -->|destroy| F[destroyed]

3.3 密钥元数据审计日志的结构化采集与WAL持久化方案

为保障密钥生命周期操作的可追溯性与强一致性,系统采用双通道日志机制:结构化采集层统一解析密钥操作事件(如 CREATE_KEY, ROTATE_POLICY),WAL层同步落盘确保崩溃可恢复。

数据同步机制

审计事件经 Kafka Producer 批量推送到日志服务,同时写入本地 WAL 文件(audit_wal_001.log):

# WAL写入示例(带fsync保证持久性)
with open("/wal/audit_wal.log", "ab") as f:
    record = struct.pack(
        ">QI32sB",      # 时间戳(8B) + 长度(4B) + trace_id(32B) + 操作码(1B)
        int(time.time_ns()),
        len(payload),
        trace_id.encode().ljust(32, b"\x00"),
        op_code
    )
    f.write(record + payload)
    os.fsync(f.fileno())  # 强制刷盘,避免缓存丢失

逻辑分析struct.pack 构建定长头部,实现快速偏移定位;os.fsync() 确保内核页缓存立即刷入磁盘,满足 WAL 的原子写入语义。trace_id 左填充至32字节,便于后续按固定偏移解析。

元数据字段映射表

字段名 类型 含义 是否索引
event_id UUID 全局唯一事件标识
key_fingerprint STRING 密钥SHA-256指纹(64字符)
op_type ENUM CREATE/DELETE/GRANT等
timestamp_ns INT64 纳秒级时间戳

持久化流程图

graph TD
    A[API网关] -->|JSON审计事件| B(结构化采集器)
    B --> C{校验签名 & 解析schema}
    C -->|合法| D[WAL文件追加写]
    C -->|非法| E[丢弃+告警]
    D --> F[Kafka异步投递]
    F --> G[ES归档+SIEM联动]

第四章:KMS集成与HSM硬件加速深度整合

4.1 主流国产KMS(如阿里云KMS、华为云DEW、数科网维KeyCenter)Go SDK适配实践

国产KMS在接口语义、认证方式与密钥生命周期管理上存在显著差异,需统一抽象层屏蔽异构性。

核心适配策略

  • 统一密钥元数据结构(KeyID, KeySpec, Status
  • 封装差异化认证:阿里云用AccessKey+Signature,华为云依赖AK/SK+ProjectID,数科KeyCenter采用Token+TenantID
  • 抽象加解密操作为Encrypt(ctx, plaintext, keyID)Decrypt(ctx, ciphertext, keyID)

阿里云KMS Go SDK调用示例

// 初始化客户端(需替换实际Region与Credentials)
client, err := kms.NewClientWithAccessKey(
    "cn-shanghai",           // Region ID
    "LTAI5tQZ...",           // AccessKeyID
    "r3jJk...",              // AccessKeySecret
)
if err != nil { panic(err) }

// 加密请求(KeyID格式:acs:kms:cn-shanghai:123456:key/abcd-efgh)
resp, err := client.Encrypt(&kms.EncryptRequest{
    KeyId:     "abcd-efgh",
    Plaintext: base64.StdEncoding.EncodeToString([]byte("hello")),
})

逻辑分析KeyId需带完整ARN前缀;Plaintext必须Base64编码;返回CiphertextBlob为二进制密文的Base64字符串。错误码需映射为标准errors.Is(err, kms.ErrKeyNotFound)便于统一处理。

三厂商能力对比表

特性 阿里云KMS 华为云DEW 数科KeyCenter
最小密钥长度 256 bit (AES) 128 bit (AES) 192 bit (SM4)
签名算法 HMAC-SHA256 SHA256withRSA SM2
密钥轮转周期 支持自动(30d+) 手动触发 不支持自动轮转
graph TD
    A[应用调用 Encrypt] --> B{适配器路由}
    B --> C[阿里云KMS]
    B --> D[华为云DEW]
    B --> E[数科KeyCenter]
    C --> F[ARN解析 + Base64编码]
    D --> G[ProjectID注入 + URL签名]
    E --> H[SM4模式协商 + Token鉴权]

4.2 PKCS#11接口抽象层设计与OpenSC/HSM厂商驱动统一接入

为屏蔽底层HSM硬件差异,抽象层采用“接口契约+动态适配器”模式:所有厂商驱动(如Thales Luna, YubiKey PIV, OpenSC’s opensc-pkcs11.so)均需实现统一的 pkcs11_function_list_t 符号表入口。

核心抽象结构

  • 封装 CK_FUNCTION_LIST_PTR 的生命周期管理(C_Initialize/C_Finalize 自动代理)
  • 按OID或厂商ID自动加载对应驱动SO/DLL
  • 错误码标准化映射(如将 CKR_DEVICE_ERROR 统一转为 PKCS11_ERR_HW_FAILURE

驱动注册表示例

Vendor Library Path Supported Slots Auto-Reload
OpenSC /usr/lib/opensc-pkcs11.so
SafeNet /opt/safenet/.../cryptoki.so
// 初始化时动态绑定厂商驱动
CK_RV pkcs11_abstraction_init(const char* driver_path) {
    void* handle = dlopen(driver_path, RTLD_LAZY); // 加载SO
    CK_FUNCTION_LIST_PTR* func_list;
    *(void**)(&func_list) = dlsym(handle, "C_GetFunctionList"); // 获取函数表入口
    return func_list ? (*func_list)->C_Initialize(NULL) : CKR_ARGUMENTS_BAD;
}

该代码通过 dlopen/dlsym 实现运行时驱动解耦;driver_path 由配置中心注入,C_Initialize 参数为NULL表示使用默认初始化策略,避免硬编码上下文。

graph TD
    A[应用调用C_Sign] --> B{抽象层路由}
    B -->|OpenSC| C[opensc-pkcs11.so::C_Sign]
    B -->|Luna| D[lunacryptoki.so::C_Sign]
    C & D --> E[返回标准化CK_RV]

4.3 HSM密钥加解密卸载路径优化:异步批处理、连接池复用与故障降级策略

为缓解HSM硬件吞吐瓶颈,需在客户端侧构建高弹性密钥服务通道。

异步批处理机制

将单次加解密请求聚合为批次(maxBatchSize=32),通过HSM厂商SDK的AsyncCryptoSession提交:

// 批量提交AES-GCM解密请求(带上下文绑定)
List<DecryptionRequest> batch = buildBatch(requests);
session.decryptAsync(batch) // 非阻塞,返回CompletableFuture<List<DecryptionResult>>
    .exceptionally(e -> fallbackToSoftwareDecrypt(batch)); // 自动触发降级

decryptAsync底层复用同一PCIe通道DMA缓冲区,降低序列化开销;maxBatchSize需根据HSM固件版本调优(v4.2+支持≤64,旧版限32)。

连接池复用策略

池参数 推荐值 说明
maxIdleTimeMs 30000 避免HSM端会话超时断连
acquireTimeoutMs 500 防止线程阻塞拖垮上游QPS

故障降级流程

graph TD
    A[收到加解密请求] --> B{HSM连接健康?}
    B -->|是| C[走批处理通道]
    B -->|否| D[启用本地KMS软件加密]
    C --> E{响应超时/错误码127?}
    E -->|是| D
    E -->|否| F[返回结果]

4.4 KMS+HSM双模密钥协同调度:策略驱动的密钥路由与SLA保障机制

在高合规场景下,密钥生命周期需同时满足云原生弹性(KMS)与金融级物理隔离(HSM)要求。系统通过统一策略引擎实现动态路由决策。

策略路由核心逻辑

def route_key_request(policy: dict, workload: dict) -> str:
    # policy: {"min_entropy": 256, "fips_mode": true, "latency_sla_ms": 120}
    # workload: {"type": "PCI-DSS", "qps": 1800, "region": "cn-north-1"}
    if policy["fips_mode"] and workload["type"] == "PCI-DSS":
        return "hsm-cluster-az2"  # 强制路由至FIPS 140-2 Level 3 HSM集群
    elif workload["qps"] > 1500 and policy["latency_sla_ms"] < 150:
        return "kms-shard-3"      # 高吞吐低延迟场景优先KMS分片
    return "kms-default"

该函数依据策略标签与实时负载特征,输出目标密钥服务实例ID;fips_mode触发硬件信任链校验,qpslatency_sla_ms构成SLA硬约束。

SLA保障维度对照表

维度 KMS模式 HSM模式
密钥生成延迟 ≤15 ms(P99) ≤85 ms(P99,含PCIe往返)
吞吐上限 5000 ops/s/实例 320 ops/s/槽位
审计日志粒度 API级 指令级(含CRT/CKM操作码)

协同调度流程

graph TD
    A[密钥请求入队] --> B{策略解析引擎}
    B -->|FIPS/审计强需求| C[HSM集群路由]
    B -->|弹性/成本敏感| D[KMS分片路由]
    C --> E[硬件密钥封装+TPM attestation]
    D --> F[JWT签名密钥代理+自动轮转]
    E & F --> G[统一密钥元数据总线]

第五章:工程落地、合规认证与未来演进

工程化部署实践:从Kubernetes集群到灰度发布流水线

某国家级政务云平台在2023年完成AI风控模型的全链路工程落地。团队基于Argo CD构建GitOps交付体系,将模型服务封装为Helm Chart,通过多命名空间隔离开发/预发/生产环境。关键指标显示:CI/CD流水线平均构建耗时从14.2分钟压缩至3.7分钟;灰度发布采用Istio VirtualService按请求头X-Region路由流量,首周异常率下降68%。以下为生产环境Pod资源配额配置片段:

resources:
  limits:
    memory: "4Gi"
    cpu: "2000m"
  requests:
    memory: "2Gi"
    cpu: "1000m"

合规性嵌入式治理机制

该平台同步通过等保2.0三级认证与GDPR数据跨境评估。技术层面实现三项硬约束:① 所有API调用强制启用双向TLS(mTLS),证书由HashiCorp Vault动态签发;② 敏感字段(如身份证号、银行卡号)在Kafka消息层经Apache Kafka Connect + Confluent Masking SMT插件实时脱敏;③ 审计日志通过Fluent Bit采集至Elasticsearch,并启用OpenDistro for Elasticsearch的细粒度RBAC策略。下表为2024年Q1合规审计关键项达标情况:

检查项 检测方式 结果 自动修复覆盖率
数据库字段加密 SQL审计扫描 通过 92%
API鉴权令牌有效期 Burp Suite测试 通过 100%
日志留存周期 ELK索引策略核查 通过 85%

多模态模型服务的联邦学习架构演进

为应对医疗影像数据不出院要求,平台联合6家三甲医院构建横向联邦学习网络。采用NVIDIA FLARE框架,各节点本地训练ResNet-50模型,中央服务器聚合梯度时引入差分隐私噪声(ε=2.5)。实测表明:在不共享原始DICOM图像前提下,肺结节识别AUC达0.91(较单中心提升0.13)。Mermaid流程图展示训练周期关键步骤:

graph LR
A[本地医院节点] -->|加密梯度上传| B(中央聚合服务器)
B -->|添加拉普拉斯噪声| C[差分隐私处理]
C -->|加权平均| D[全局模型更新]
D -->|安全下载| A

开源组件供应链安全加固

针对Log4j2漏洞事件后暴露的风险,团队建立SBOM(软件物料清单)自动化生成体系:CI阶段集成Syft+Grype工具链,对每个容器镜像生成SPDX格式清单并扫描CVE。2024年累计拦截高危组件17个,包括spring-boot-starter-web:2.6.3中未修复的Jackson Databind反序列化缺陷。所有第三方依赖强制通过内部Nexus Repository Manager代理,镜像签名验证失败时流水线自动中断。

可观测性驱动的SLO保障体系

核心风控服务设定SLO为“99.95%请求延迟

不张扬,只专注写好每一行 Go 代码。

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