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WebSocket:5分钟从入门到精通

2019年9月26日 - 皇家前端

WebSocket:5分钟从入门到掌握

2018/01/08 · HTML5 · 1
评论 ·
websocket

原来的小说出处: 次第猿小卡   

一、内容大概浏览

WebSocket的出现,使得浏览器材有了实时双向通讯的力量。本文规行矩步,介绍了WebSocket怎么样创建连接、交换数据的内部处境,以及数据帧的格式。其余,还简介了针对WebSocket的平安攻击,以及和煦是什么抵挡类似攻击的。

二、什么是WebSocket

HTML5早先提供的一种浏览器与服务器进行全双工通信的互联网技艺,属于应用层合同。它依照TCP传输合同,并复用HTTP的握手通道。

对绝大许多web开垦者来说,上面这段描述有一点点枯燥,其实就算记住几点:

  1. WebSocket可以在浏览器里应用
  2. 支撑双向通讯
  3. 动用很简短

1、有哪些优点

谈到优点,这里的相比较参照物是HTTP协议,归纳地说便是:扶助双向通信,越来越灵活,更便捷,可扩张性更加好。

  1. 支撑双向通讯,实时性越来越强。
  2. 越来越好的二进制匡助。
  3. 非常少的决定开荒。连接制造后,ws顾客端、服务端进行数据调换时,左券决定的数量鞍山部相当小。在不分西宁部的情景下,服务端到客商端的唐山唯有2~10字节(取决于数量包长度),顾客端到服务端的来讲,须要加上额外的4字节的掩码。而HTTP公约每一次通讯都亟待指点完整的头部。
  4. 协助扩充。ws商讨定义了扩大,客商能够扩大公约,大概达成自定义的子左券。(比方补助自定义压缩算法等)

对此背后两点,未有色金属商量所究过WebSocket公约正式的同校只怕知道起来远远不够直观,但不影响对WebSocket的就学和选取。

2、须求学习怎么着东西

对网络应用层公约的求学来讲,最要紧的数十回就是接连建设构造进度数据沟通教程。当然,数据的格式是逃不掉的,因为它一贯调节了和煦自己的技巧。好的数量格式能让契约更急速、扩大性更好。

下文首要围绕上面几点开展:

  1. 什么样树立连接
  2. 怎么调换数据
  3. 数据帧格式
  4. 怎么样保持连接

三、入门例子

在正式介绍协议细节前,先来看二个简便的事例,有个直观感受。例子包涵了WebSocket服务端、WebSocket客户端(网页端)。完整代码可以在
这里
找到。

此间服务端用了ws那个库。相比大家耳闻则诵的socket.iows落到实处更轻量,更契合学习的指标。

1、服务端

代码如下,监听8080端口。当有新的一而再央浼到达时,打字与印刷日志,同期向客商端发送新闻。当收到到来自客户端的音讯时,一样打印日志。

var app = require(‘express’)(); var server =
require(‘http’).Server(app); var WebSocket = require(‘ws’); var wss =
new WebSocket.Server({ port: 8080 }); wss.on(‘connection’, function
connection(ws) { console.log(‘server: receive connection.’);
ws.on(‘message’, function incoming(message) { console.log(‘server:
received: %s’, message); }); ws.send(‘world’); }); app.get(‘/’, function
(req, res) { res.sendfile(__dirname + ‘/index.html’); });
app.listen(3000);

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var app = require(‘express’)();
var server = require(‘http’).Server(app);
var WebSocket = require(‘ws’);
 
var wss = new WebSocket.Server({ port: 8080 });
 
wss.on(‘connection’, function connection(ws) {
    console.log(‘server: receive connection.’);
    
    ws.on(‘message’, function incoming(message) {
        console.log(‘server: received: %s’, message);
    });
 
    ws.send(‘world’);
});
 
app.get(‘/’, function (req, res) {
  res.sendfile(__dirname + ‘/index.html’);
});
 
app.listen(3000);

2、客户端

代码如下,向8080端口发起WebSocket连接。连接建构后,打字与印刷日志,同一时候向服务端发送新闻。接收到来自服务端的音讯后,同样打字与印刷日志。

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3、运维结果

可分别查看服务端、客商端的日志,这里不进行。

服务端输出:

server: receive connection. server: received hello

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server: receive connection.
server: received hello

顾客端输出:

client: ws connection is open client: received world

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client: ws connection is open
client: received world

四、怎么样树立连接

近来提到,WebSocket复用了HTTP的拉手通道。具体指的是,用户端通过HTTP乞求与WebSocket服务端协商进级合同。合同进级成功后,后续的数据沟通则依照WebSocket的商讨。

1、客户端:申请公约晋级

首先,客商端发起公约晋级乞请。可以观望,采纳的是正经的HTTP报文格式,且只援助GET方法。

GET / HTTP/1.1 Host: localhost:8080 Origin:
Connection: Upgrade Upgrade: websocket Sec-WebSocket-Version: 13
Sec-WebSocket-Key: w4v7O6xFTi36lq3RNcgctw==

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GET / HTTP/1.1
Host: localhost:8080
Origin: http://127.0.0.1:3000
Connection: Upgrade
Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Version: 13
Sec-WebSocket-Key: w4v7O6xFTi36lq3RNcgctw==

重在呼吁首部意义如下:

注意,上面央求省略了部分非重视央浼首部。由于是正规的HTTP央浼,类似Host、Origin、Cookie等央浼首部会照常发送。在拉手阶段,能够因此相关乞求首部进行安全限制、权限校验等。

2、服务端:响应公约晋级

服务端重返内容如下,状态代码101代表公约切换。到此变成商业事务进级,后续的数目交互都根据新的议和来。

HTTP/1.1 101 Switching Protocols Connection:Upgrade Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Accept: Oy4NRAQ13jhfONC7bP8dTKb4PTU=

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HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Connection:Upgrade
Upgrade: websocket
Sec-WebSocket-Accept: Oy4NRAQ13jhfONC7bP8dTKb4PTU=

备注:每个header都以\r\n终极,并且最终一行加上多个异常的空行\r\n。另外,服务端回应的HTTP状态码只好在拉手阶段采用。过了拉手阶段后,就不得不利用一定的错误码。

3、Sec-WebSocket-Accept的计算

Sec-WebSocket-Accept凭仗顾客端诉求首部的Sec-WebSocket-Key总括出来。

计算公式为:

  1. Sec-WebSocket-Key258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11拼接。
  2. 透过SHA1乘除出摘要,并转成base64字符串。

伪代码如下:

>toBase64( sha1( Sec-WebSocket-Key +
258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 ) )

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>toBase64( sha1( Sec-WebSocket-Key + 258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11 )  )

表达下面前的归来结果:

const crypto = require(‘crypto’); const magic =
‘258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11’; const secWebSocketKey =
‘w4v7O6xFTi36lq3RNcgctw==’; let secWebSocketAccept =
crypto.createHash(‘sha1’) .update(secWebSocketKey + magic)
.digest(‘base64’); console.log(secWebSocketAccept); //
Oy4NRAQ13jhfONC7bP8dTKb4PTU=

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const crypto = require(‘crypto’);
const magic = ‘258EAFA5-E914-47DA-95CA-C5AB0DC85B11’;
const secWebSocketKey = ‘w4v7O6xFTi36lq3RNcgctw==’;
 
let secWebSocketAccept = crypto.createHash(‘sha1’)
    .update(secWebSocketKey + magic)
    .digest(‘base64’);
 
console.log(secWebSocketAccept);
// Oy4NRAQ13jhfONC7bP8dTKb4PTU=

五、数据帧格式

客户端、服务端数据的交换,离不开数据帧格式的定义。由此,在实质上批注数据沟通以前,大家先来看下WebSocket的数目帧格式。

WebSocket客商端、服务端通信的不大单位是帧(frame),由1个或八个帧组成一条完整的音讯(message)。

  1. 出殡端:将新闻切割成四个帧,并发送给服务端;
  2. 接收端:接收信息帧,并将关乎的帧重新组装成完全的音信;

本节的首要,就是教师数据帧的格式。详细定义可仿效 RFC6455
5.2节 。

1、数据帧格式大概浏览

上边给出了WebSocket数据帧的统一格式。领会TCP/IP合同的同班对如此的图应该不素不相识。

  1. 从左到右,单位是比特。举个例子FINRSV1各占据1比特,opcode占据4比特。
  2. 剧情囊括了标志、操作代码、掩码、数据、数据长度等。(下一小节会议及展览开)

0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+——-+-+————-+——————————-+
|F|R|R|R| opcode|M| Payload len | Extended payload length | |I|S|S|S|
(4) |A| (7) | (16/64) | |N|V|V|V| |S| | (if payload len==126/127) | |
|1|2|3| |K| | | +-+-+-+-+——-+-+————-+ – – – – – – – – – – –

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+-+-+-+-+——-+-+————-+——————————-+
|F|R|R|R| opcode|M| Payload len |    Extended payload length    |
|I|S|S|S|  (4)  |A|     (7)     |             (16/64)           |
|N|V|V|V|       |S|             |   (if payload len==126/127)   |
| |1|2|3|       |K|             |                               |
+-+-+-+-+——-+-+————-+ – – – – – – – – – – – – – – – +
|     Extended payload length continued, if payload len == 127  |
+ – – – – – – – – – – – – – – – +——————————-+
|                               |Masking-key, if MASK set to 1  |
+——————————-+——————————-+
| Masking-key (continued)       |          Payload Data         |
+——————————– – – – – – – – – – – – – – – – +
:                     Payload Data continued …                :
+ – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – +
|                     Payload Data continued …                |
+—————————————————————+

2、数据帧格式详解

本着后面包车型客车格式大概浏览图,这里每一个字段张开教学,如有不掌握之处,可参看合同正式,或留言调换。

FIN:1个比特。

倘使是1,表示那是消息(message)的结尾四个分片(fragment),假诺是0,表示不是是新闻(message)的最终四个分片(fragment)。

RSV1, RSV2, RSV3:各占1个比特。

相似意况下全为0。当顾客端、服务端协商采纳WebSocket扩充时,那三个标记位能够非0,且值的含义由扩充进行定义。假如出现非零的值,且并未有运用WebSocket扩张,连接出错。

Opcode: 4个比特。

操作代码,Opcode的值决定了相应怎样深入分析后续的数码载荷(data
payload)。若是操作代码是不认得的,那么接收端应该断开连接(fail the
connection)。可选的操作代码如下:

Mask: 1个比特。

代表是还是不是要对数码载荷进行掩码操作。从顾客端向服务端发送数据时,须要对数据开展掩码操作;从服务端向客户端发送数据时,没有要求对数码进行掩码操作。

万一服务端接收到的多寡未有举行过掩码操作,服务端供给断开连接。

倘若Mask是1,那么在Masking-key中会定义四个掩码键(masking
key),并用这几个掩码键来对数码载荷进行反掩码。全数客商端发送到服务端的数据帧,Mask都以1。

掩码的算法、用途在下一小节疏解。

Payload
length
:数据载荷的尺寸,单位是字节。为7位,或7+十八人,或1+陆拾位。

假设数Payload length === x,如果

除此以外,要是payload length占用了四个字节的话,payload
length的二进制表明选拔互连网序(big endian,主要的位在前)。

Masking-key:0或4字节(32位)

负有从顾客端传送到服务端的数据帧,数据载荷都进行了掩码操作,Mask为1,且带领了4字节的Masking-key。假如Mask为0,则尚未Masking-key。

备注:载荷数据的长短,不富含mask key的长短。

Payload data:(x+y) 字节

载荷数据:包括了扩充数据、应用数据。在那之中,扩张数据x字节,应用数据y字节。

壮大数据:如果未有协商使用扩充的话,扩张数据数据为0字节。全数的增加都必须注明扩大数据的长短,可能能够什么总计出恢弘数据的长度。其它,扩充怎么样利用必需在握手阶段就合计好。要是扩展数据存在,那么载荷数据长度必得将扩张数据的长度包罗在内。

选拔数据:大肆的使用数据,在扩大数据今后(借使存在扩张数据),占据了数量帧剩余的岗位。载荷数据长度
减去 增加数据长度,就得到应用数据的长度。

3、掩码算法

掩码键(Masking-key)是由客商端挑选出去的三十一人的随机数。掩码操作不会影响多少载荷的尺寸。掩码、反掩码操作都接纳如下算法:

首先,假设:

算法描述为: original-octet-i 与 masking-key-octet-j 异或后,获得transformed-octet-i。

j = i MOD 4
transformed-octet-i = original-octet-i XOR masking-key-octet-j

六、数据传递

若果WebSocket客商端、服务端创建连接后,后续的操作都以依赖数据帧的传递。

WebSocket根据opcode来区分操作的种类。比方0x8意味着断开连接,0x00x2代表数据交互。

1、数据分片

WebSocket的每条音信可能被切分成多少个数据帧。当WebSocket的接收方收到贰个数目帧时,会凭借FIN的值来决断,是还是不是已经吸取音讯的末梢三个数据帧。

FIN=1表示近年来数据帧为音讯的最后叁个数据帧,此时接收方已经接受完整的音信,能够对消息举办拍卖。FIN=0,则接收方还亟需后续监听接收别的的数据帧。

此外,opcode在数据调换的风貌下,表示的是数量的品种。0x01意味着文本,0x02代表二进制。而0x00正如非常,表示三番五次帧(continuation
frame),一孔之见,就是完全音讯对应的数据帧还没接过完。

2、数据分片例子

直接看例子更形象些。上面例子来自MDN,能够很好地示范数据的分片。客商端向服务端两遍发送消息,服务端收到消息后回应客商端,这里关键看客商端往服务端发送的音信。

首先条音讯

FIN=1,
表示是时下音信的最后多个数据帧。服务端收到当前数据帧后,能够管理音讯。opcode=0x1,表示客商端发送的是文件类型。

第二条新闻

  1. FIN=0,opcode=0x1,表示发送的是文件类型,且音信还没发送达成,还有后续的数据帧。
  2. FIN=0,opcode=0x0,表示新闻还没发送完结,还应该有后续的数据帧,当前的数据帧必要接在上一条数据帧之后。
  3. FIN=1,opcode=0x0,表示音信一度发送完毕,未有承袭的数据帧,当前的数据帧必要接在上一条数据帧之后。服务端能够将涉嫌的数据帧组装成完全的信息。

Client: FIN=1, opcode=0x1, msg=”hello” Server: (process complete message
immediately) Hi. Client: FIN=0, opcode=0x1, msg=”and a” Server:
(listening, new message containing text started) Client: FIN=0,
opcode=0x0, msg=”happy new” Server: (listening, payload concatenated to
previous message) Client: FIN=1, opcode=0x0, msg=”year!” Server:
(process complete message) Happy new year to you too!

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Client: FIN=1, opcode=0x1, msg="hello"
Server: (process complete message immediately) Hi.
Client: FIN=0, opcode=0x1, msg="and a"
Server: (listening, new message containing text started)
Client: FIN=0, opcode=0x0, msg="happy new"
Server: (listening, payload concatenated to previous message)
Client: FIN=1, opcode=0x0, msg="year!"
Server: (process complete message) Happy new year to you too!

七、连接保持+心跳

WebSocket为了保全顾客端、服务端的实时双向通讯,要求确认保障客商端、服务端之间的TCP通道保持延续未有断开。可是,对于长日子尚未数量往来的总是,假使如故长日子保持着,恐怕会浪费包蕴的接连财富。

但不排除有个别场景,顾客端、服务端即便长日子尚未多少往来,但仍亟需保持接二连三。那一年,能够接纳心跳来完毕。

ping、pong的操作,对应的是WebSocket的八个调控帧,opcode分别是0x90xA

比世尊讲,WebSocket服务端向顾客端发送ping,只要求如下代码(采纳ws模块)

ws.ping(”, false, true);

1
ws.ping(”, false, true);

八、Sec-WebSocket-Key/Accept的作用

日前提到了,Sec-WebSocket-Key/Sec-WebSocket-Accept在关键功用在于提供基础的防备,收缩恶意连接、意外再而三。

功效大约归咎如下:

  1. 防止服务端收到违法的websocket连接(比方http客商端相当的大心央求连接websocket服务,此时服务端能够向来拒绝连接)
  2. 保障服务端掌握websocket连接。因为ws握手阶段选拔的是http公约,因而可能ws连接是被三个http服务器管理并再次来到的,此时顾客端能够经过Sec-WebSocket-Key来确认保证服务端认知ws合同。(实际不是百分百保证,例如总是存在那三个无聊的http服务器,光管理Sec-WebSocket-Key,但并未兑现ws公约。。。)
  3. 用浏览器里提倡ajax须要,设置header时,Sec-WebSocket-Key以及别的有关的header是被取缔的。那样能够制止顾客端发送ajax央求时,意外央求公约晋级(websocket
    upgrade)
  4. 能够堤防反向代理(不知底ws公约)重返错误的多少。比如反向代理前后收到两遍ws连接的升官央浼,反向代理把第一回呼吁的回到给cache住,然后第一遍呼吁到来时直接把cache住的乞请给再次来到(无意义的归来)。
  5. Sec-WebSocket-Key首要指标而不是保证数量的安全性,因为Sec-WebSocket-Key、Sec-WebSocket-Accept的调换总结公式是当着的,并且特别轻便,最要紧的功效是堤防一些遍布的意料之外境况(非故意的)。

着重提出:Sec-WebSocket-Key/Sec-WebSocket-Accept
的折算,只好带来基本的保持,但连接是或不是平安、数据是不是平安、客户端/服务端是还是不是合法的
ws顾客端、ws服务端,其实并从未实际性的承接保险。

九、数据掩码的功能

WebSocket协商业中学,数据掩码的效用是加强协商的安全性。但数目掩码并非为了维护数量自己,因为算法本人是堂而皇之的,运算也不复杂。除了加密通道自己,就如从未太多立见成效的保证通讯安全的措施。

那正是说为啥还要引进掩码总括呢,除了扩大Computer器的运算量外仿佛并不曾太多的进项(这也是不知凡几同室疑惑的点)。

答案依旧五个字:安全。但并非为了防止数据泄密,而是为了幸免前期版本的说道中留存的代理缓存污染攻击(proxy
cache poisoning attacks)等主题素材。

1、代理缓存污染攻击

上面摘自二零零六年有关安全的一段讲话。当中提到了代理服务器在探究落到实处上的老毛病只怕导致的平安主题素材。撞击出处。

“We show, empirically, that the current version of the WebSocket
consent mechanism is vulnerable to proxy cache poisoning attacks. Even
though the WebSocket handshake is based on HTTP, which should be
understood by most network intermediaries, the handshake uses the
esoteric “Upgrade” mechanism of HTTP [5]. In our experiment, we find
that many proxies do not implement the Upgrade mechanism properly,
which causes the handshake to succeed even though subsequent traffic
over the socket will be misinterpreted by the proxy.”[TALKING]
Huang, L-S., Chen, E., Barth, A., Rescorla, E., and C.

Jackson, “Talking to Yourself for Fun and Profit”, 2010,

1
          Jackson, "Talking to Yourself for Fun and Profit", 2010,

在正规描述攻击步骤此前,大家若是有如下参预者:

攻击步骤一:

  1. 攻击者浏览器 向 凶狠服务器
    发起WebSocket连接。依照前文,首先是叁个体协会谈商讨晋级央求。
  2. 情商晋级必要 实际达到 代理服务器
  3. 代理服务器 将合计进级须要转载到 残忍服务器
  4. 惨酷服务器 同意连接,代理服务器 将响应转载给 攻击者

是因为 upgrade 的落到实处上有破绽,代理服务器
认为在此以前转载的是平凡的HTTP消息。由此,当磋商业服务业务器
同意连接,代理服务器 感觉此番对话已经甘休。

攻击步骤二:

  1. 攻击者 在事先创设的连日上,通过WebSocket的接口向 惨酷服务器
    发送数据,且数据是稳重组织的HTTP格式的文件。在那之中带有了 公平能源
    的地点,以及一个仿制假冒的host(指向正义服务器)。(见前面报文)
  2. 呼吁达到 代理服务器 。即便复用了前头的TCP连接,但 代理服务器
    感到是新的HTTP伏乞。
  3. 代理服务器无情服务器 请求 冷酷财富
  4. 狞恶服务器 返回 残忍能源代理服务器 缓存住
    狠毒能源(url是对的,但host是 公正无私服务器 的地址)。

到此处,受害者能够出台了:

  1. 受害者 通过 代理服务器 访问 公允服务器一个都不能少财富
  2. 代理服务器 检查该财富的url、host,发掘本地有一份缓存(伪造的)。
  3. 代理服务器凶暴能源 返回给 受害者
  4. 受害者 卒。

附:前面提到的周详协会的“HTTP诉求报文”。

Client → Server: POST /path/of/attackers/choice HTTP/1.1 Host:
host-of-attackers-choice.com Sec-WebSocket-Key: Server → Client:
HTTP/1.1 200 OK Sec-WebSocket-Accept:

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Client → Server:
POST /path/of/attackers/choice HTTP/1.1 Host: host-of-attackers-choice.com Sec-WebSocket-Key:
Server → Client:
HTTP/1.1 200 OK
Sec-WebSocket-Accept:

2、当前建设方案

开始时代的提案是对数据开展加密管理。基于安全、功效的设想,最后选用了折中的方案:对数据载荷进行掩码处理。

内需潜心的是,这里只是限制了浏览器对数码载荷进行掩码管理,不过坏蛋完全能够兑现协和的WebSocket客商端、服务端,不按法则来,攻击能够照常实行。

唯独对浏览器加上那些限制后,能够大大扩大攻击的难度,以及攻击的震慑范围。若无这么些限制,只必要在互连网放个钓鱼网址骗人去做客,一下子就足以在长时间内开展大面积的口诛笔伐。

十、写在后边

WebSocket可写的东西还挺多,比方WebSocket增加。顾客端、服务端之间是哪些协商、使用扩展的。WebSocket扩张能够给合同本身扩大非常多力量和想象空间,例如数据的减少、加密,以及多路复用等。

字数所限,这里先不开展,感兴趣的同桌能够留言交换。小说如有错漏,敬请提议。

十一、相关链接

RFC6455:websocket规范
https://tools.ietf.org/html/r…

职业:数据帧掩码细节
https://tools.ietf.org/html/r…

正规:数据帧格式
https://tools.ietf.org/html/r…

server-example
https://github.com/websockets…

编写websocket服务器
https://developer.mozilla.org…

对互联网基础设备的攻击(数据掩码操作所要防卫的工作)
https://tools.ietf.org/html/r…

Talking to Yourself for Fun and Profit(含有攻击描述)
http://w2spconf.com/2011/pape…

What is Sec-WebSocket-Key for?
https://stackoverflow.com/que…

10.3. Attacks On Infrastructure (Masking)
https://tools.ietf.org/html/r…

Talking to Yourself for Fun and Profit
http://w2spconf.com/2011/pape…

Why are WebSockets masked?
https://stackoverflow.com/que…

How does websocket frame masking protect against cache poisoning?
https://security.stackexchang…

What is the mask in a WebSocket frame?
https://stackoverflow.com/que…

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