数据库加密方案实践:从理论到落地,让你的数据真正固若金汤!
数据库加密方案实践:从理论到落地,让你的数据真正固若金汤!
近年来数据泄露事件频发,从某滴出行到某音,从某东到某亚,每一次数据泄露都牵动着亿万用户的心。今天我们就来深入探讨数据库加密的实际落地方案,不只是理论,更是可以直接用于生产的实践指南!
一、为什么数据库加密如此重要?
在开始介绍具体方案之前,我们先来理解为什么数据库加密如此重要。
1.1 数据泄露的代价
// 数据泄露的严重后果
public class DataBreachConsequences {
public void consequences() {
System.out.println("=== 数据泄露的代价 ===");
System.out.println("1. 法律责任:GDPR、网络安全法等法规罚款");
System.out.println("2. 品牌损失:用户信任度下降");
System.out.println("3. 经济损失:直接经济损失和间接损失");
System.out.println("4. 监管处罚:相关部门的严厉处罚");
System.out.println("5. 竞争劣势:市场份额流失");
}
}
1.2 常见的安全威胁
// 常见的安全威胁
public class SecurityThreats {
public void threats() {
System.out.println("=== 常见的安全威胁 ===");
System.out.println("1. 内部威胁:员工恶意访问");
System.out.println("2. 外部攻击:黑客入侵数据库");
System.out.println("3. 物理安全:服务器被盗");
System.out.println("4. 网络嗅探:传输过程被截获");
System.out.println("5. SQL注入:应用层漏洞利用");
}
}
二、数据库加密的核心概念
2.1 加密类型概述
// 数据库加密类型
public class EncryptionTypes {
public void types() {
System.out.println("=== 数据库加密类型 ===");
System.out.println("1. 传输加密:TLS/SSL保护数据传输");
System.out.println("2. 存储加密:TDE透明数据加密");
System.out.println("3. 字段级加密:特定字段加密存储");
System.out.println("4. 应用层加密:应用程序负责加密");
System.out.println("5. 同态加密:支持密文计算的新技术");
}
}
2.2 加密算法选择
// 加密算法选择指南
public class EncryptionAlgorithms {
public void algorithms() {
System.out.println("=== 加密算法选择 ===");
System.out.println("对称加密:AES(推荐)、DES、3DES");
System.out.println("非对称加密:RSA、ECC");
System.out.println("哈希算法:SHA-256、bcrypt、scrypt");
System.out.println("推荐组合:AES-256 + RSA + SHA-256");
}
}
三、传输层加密实践(TLS/SSL)
3.1 MySQL SSL配置
-- MySQL SSL配置检查
SHOW VARIABLES LIKE '%ssl%';
-- 查看SSL状态
STATUS;
-- 创建SSL用户
CREATE USER 'secure_user'@'%'
IDENTIFIED BY 'strong_password'
REQUIRE SSL;
-- 强制SSL连接
CREATE USER 'strict_user'@'%'
IDENTIFIED BY 'strong_password'
REQUIRE X509;
3.2 PostgreSQL SSL配置
-- PostgreSQL SSL配置检查
SHOW ssl;
-- postgresql.conf配置
ssl = on
ssl_cert_file = 'server.crt'
ssl_key_file = 'server.key'
ssl_ca_file = 'ca.crt'
-- pg_hba.conf配置
hostssl all all 0.0.0.0/0 md5 clientcert=1
3.3 应用层SSL连接
@Configuration
public class DatabaseConfig {
@Bean
public DataSource dataSource() {
HikariConfig config = new HikariConfig();
config.setJdbcUrl("jdbc:mysql://localhost:3306/mydb?useSSL=true&requireSSL=true");
config.setUsername("secure_user");
config.setPassword("strong_password");
// SSL证书配置
config.addDataSourceProperty("sslMode", "VERIFY_CA");
config.addDataSourceProperty("trustCertificateKeyStoreUrl",
"file:/path/to/truststore.jks");
config.addDataSourceProperty("trustCertificateKeyStorePassword",
"truststore_password");
return new HikariDataSource(config);
}
}
四、透明数据加密(TDE)实践
4.1 MySQL TDE配置
-- MySQL企业版TDE配置
-- my.cnf配置
[mysqld]
early-plugin-load=keyring_file.so
keyring_file_data=/var/lib/mysql-keyring/keyring
-- 创建加密表空间
CREATE TABLESPACE encrypted_ts
ADD DATAFILE 'encrypted_ts.ibd'
ENCRYPTION='Y';
-- 创建加密表
CREATE TABLE user_sensitive_data (
id BIGINT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
user_id BIGINT NOT NULL,
id_card VARCHAR(18),
phone VARCHAR(11),
created_at TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP
) TABLESPACE=encrypted_ts;
4.2 PostgreSQL TDE配置
-- PostgreSQL TDE配置(需要插件)
-- 安装pg_tde扩展
CREATE EXTENSION pg_tde;
-- 创建加密表空间
SELECT pg_tde_create_tablespace('encrypted_ts', '/path/to/encrypted/data');
-- 创建加密表
CREATE TABLE user_sensitive_data (
id SERIAL PRIMARY KEY,
user_id BIGINT NOT NULL,
id_card VARCHAR(18),
phone VARCHAR(11),
created_at TIMESTAMP DEFAULT NOW()
) USING tde_heap_basic;
五、字段级加密实践
5.1 AES加密实现
@Component
public class FieldEncryptionUtil {
@Value("${encryption.key}")
private String encryptionKey;
private static final String ALGORITHM = "AES";
private static final String TRANSFORMATION = "AES/ECB/PKCS5Padding";
/**
* AES加密
*/
public String encrypt(String plainText) {
try {
Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORMATION);
SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(encryptionKey.getBytes(), ALGORITHM);
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);
byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException("加密失败", e);
}
}
/**
* AES解密
*/
public String decrypt(String encryptedText) {
try {
Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORMATION);
SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(encryptionKey.getBytes(), ALGORITHM);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);
byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encryptedText));
return new String(decryptedBytes);
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException("解密失败", e);
}
}
}
5.2 数据库实体类设计
@Entity
@Table(name = "user_sensitive_data")
public class UserSensitiveData {
@Id
@GeneratedValue(strategy = GenerationType.IDENTITY)
private Long id;
@Column(name = "user_id")
private Long userId;
// 敏感字段使用加密存储
@Column(name = "id_card")
private String encryptedIdCard;
@Column(name = "phone")
private String encryptedPhone;
@Column(name = "created_at")
private LocalDateTime createdAt;
// 加密工具注入
@Transient
@Autowired
private FieldEncryptionUtil encryptionUtil;
// Getter和Setter方法
public String getIdCard() {
return encryptionUtil.decrypt(encryptedIdCard);
}
public void setIdCard(String idCard) {
this.encryptedIdCard = encryptionUtil.encrypt(idCard);
}
public String getPhone() {
return encryptionUtil.decrypt(encryptedPhone);
}
public void setPhone(String phone) {
this.encryptedPhone = encryptionUtil.encrypt(phone);
}
// ... 其他getter/setter方法
}
5.3 Repository层处理
@Repository
public interface UserSensitiveDataRepository extends JpaRepository<UserSensitiveData, Long> {
// 注意:这里查询的是加密后的字段
@Query("SELECT u FROM UserSensitiveData u WHERE u.encryptedIdCard = :encryptedIdCard")
UserSensitiveData findByIdCard(@Param("encryptedIdCard") String encryptedIdCard);
// 如果需要模糊查询,只能在应用层解密后匹配
default List<UserSensitiveData> findByIdCardContaining(String idCardPattern) {
// 这种查询效率较低,仅作演示
return findAll().stream()
.filter(data -> data.getIdCard().contains(idCardPattern))
.collect(Collectors.toList());
}
}
六、应用层加密完整方案
6.1 加密配置管理
@Configuration
@ConfigurationProperties(prefix = "app.encryption")
@Data
public class EncryptionProperties {
/**
* 主加密密钥(用于加密数据密钥)
*/
private String masterKey;
/**
* 数据密钥(用于实际数据加密)
*/
private String dataKey;
/**
* 密钥轮换周期(天)
*/
private int keyRotationDays = 90;
/**
* 是否启用加密
*/
private boolean enabled = true;
}
6.2 密钥管理系统
@Component
@Slf4j
public class KeyManagementService {
@Autowired
private EncryptionProperties encryptionProperties;
@Autowired
private RedisTemplate<String, String> redisTemplate;
private static final String MASTER_KEY_ALIAS = "master-key";
private static final String DATA_KEY_ALIAS = "data-key";
private static final String KEY_VERSION_PREFIX = "key-version:";
/**
* 获取当前数据密钥
*/
public String getCurrentDataKey() {
String cachedKey = redisTemplate.opsForValue().get(DATA_KEY_ALIAS);
if (cachedKey != null) {
return cachedKey;
}
// 从配置中心或密钥管理系统获取
String dataKey = encryptionProperties.getDataKey();
redisTemplate.opsForValue().set(DATA_KEY_ALIAS, dataKey, Duration.ofHours(1));
return dataKey;
}
/**
* 密钥轮换
*/
@Scheduled(cron = "0 0 2 * * ?") // 每天凌晨2点执行
public void rotateKeys() {
try {
log.info("开始执行密钥轮换");
// 生成新的数据密钥
String newDataKey = generateRandomKey(32);
// 使用主密钥加密新数据密钥
String encryptedDataKey = encryptWithMasterKey(newDataKey);
// 更新密钥存储
redisTemplate.opsForValue().set(DATA_KEY_ALIAS, newDataKey);
redisTemplate.opsForValue().set(KEY_VERSION_PREFIX + System.currentTimeMillis(),
encryptedDataKey);
log.info("密钥轮换完成");
} catch (Exception e) {
log.error("密钥轮换失败", e);
}
}
private String generateRandomKey(int length) {
SecureRandom random = new SecureRandom();
byte[] keyBytes = new byte[length];
random.nextBytes(keyBytes);
return Base64.getEncoder().encodeToString(keyBytes);
}
private String encryptWithMasterKey(String data) {
// 使用主密钥加密数据密钥的实现
return data; // 简化实现
}
}
6.3 加密服务实现
@Service
@Slf4j
public class EncryptionService {
@Autowired
private KeyManagementService keyManagementService;
private static final String ALGORITHM = "AES";
private static final String TRANSFORMATION = "AES/GCM/NoPadding";
private static final int GCM_IV_LENGTH = 12;
private static final int GCM_TAG_LENGTH = 16;
/**
* 加密敏感数据
*/
public EncryptedData encrypt(String plaintext) {
try {
String key = keyManagementService.getCurrentDataKey();
SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(Base64.getDecoder().decode(key), ALGORITHM);
// 生成随机IV
byte[] iv = new byte[GCM_IV_LENGTH];
new SecureRandom().nextBytes(iv);
GCMParameterSpec gcmSpec = new GCMParameterSpec(GCM_TAG_LENGTH * 8, iv);
Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORMATION);
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, gcmSpec);
byte[] ciphertext = cipher.doFinal(plaintext.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
// 返回加密结果和IV
return new EncryptedData(
Base64.getEncoder().encodeToString(ciphertext),
Base64.getEncoder().encodeToString(iv)
);
} catch (Exception e) {
log.error("加密失败", e);
throw new RuntimeException("加密失败", e);
}
}
/**
* 解密敏感数据
*/
public String decrypt(EncryptedData encryptedData) {
try {
String key = keyManagementService.getCurrentDataKey();
SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(Base64.getDecoder().decode(key), ALGORITHM);
// 解析IV
byte[] iv = Base64.getDecoder().decode(encryptedData.getIv());
GCMParameterSpec gcmSpec = new GCMParameterSpec(GCM_TAG_LENGTH * 8, iv);
Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORMATION);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, gcmSpec);
byte[] plaintext = cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encryptedData.getCiphertext()));
return new String(plaintext, StandardCharsets.UTF_8);
} catch (Exception e) {
log.error("解密失败", e);
throw new RuntimeException("解密失败", e);
}
}
}
@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
class EncryptedData {
private String ciphertext;
private String iv;
}
七、数据库审计与监控
7.1 敏感数据访问审计
@Aspect
@Component
@Slf4j
public class SensitiveDataAccessAudit {
@Autowired
private AuditLogService auditLogService;
/**
* 拦截敏感数据访问
*/
@Around("@annotation(AuditSensitiveData)")
public Object auditSensitiveDataAccess(ProceedingJoinPoint joinPoint) throws Throwable {
long startTime = System.currentTimeMillis();
// 获取方法参数
Object[] args = joinPoint.getArgs();
String methodName = joinPoint.getSignature().getName();
String className = joinPoint.getTarget().getClass().getSimpleName();
try {
// 执行原方法
Object result = joinPoint.proceed();
long endTime = System.currentTimeMillis();
// 记录审计日志
auditLogService.logSensitiveDataAccess(
AuditLog.builder()
.userId(getCurrentUserId())
.className(className)
.methodName(methodName)
.accessTime(new Date())
.duration(endTime - startTime)
.success(true)
.build()
);
return result;
} catch (Exception e) {
// 记录失败日志
auditLogService.logSensitiveDataAccess(
AuditLog.builder()
.userId(getCurrentUserId())
.className(className)
.methodName(methodName)
.accessTime(new Date())
.duration(System.currentTimeMillis() - startTime)
.success(false)
.errorMessage(e.getMessage())
.build()
);
throw e;
}
}
private Long getCurrentUserId() {
// 获取当前用户ID的实现
return 1L;
}
}
7.2 数据库审计配置
-- MySQL审计日志配置
-- my.cnf配置
[mysqld]
log-bin=mysql-bin
binlog-format=ROW
audit-log-policy=ALL
audit-log-format=NEW
audit-log-rotate-on-size=100M
-- 查看审计日志
SELECT * FROM mysql.audit_log WHERE timestamp > DATE_SUB(NOW(), INTERVAL 1 HOUR);
-- PostgreSQL审计扩展
-- 安装pg_audit扩展
CREATE EXTENSION IF NOT EXISTS pgaudit;
-- 配置审计
SET pgaudit.log = 'ALL';
SET pgaudit.log_level = 'log';
-- 查看审计日志
SELECT * FROM pg_log
WHERE log_time > NOW() - INTERVAL '1 hour'
AND message LIKE '%AUDIT%';
八、性能优化与最佳实践
8.1 加密性能优化
@Service
public class OptimizedEncryptionService {
// 使用对象池减少Cipher对象创建开销
private final ObjectPool<Cipher> cipherPool;
public OptimizedEncryptionService() {
this.cipherPool = new GenericObjectPool<>(new CipherFactory());
}
/**
* 批量加密优化
*/
public List<EncryptedData> batchEncrypt(List<String> plaintexts) {
return plaintexts.parallelStream()
.map(this::encrypt)
.collect(Collectors.toList());
}
/**
* 缓存解密结果
*/
private final Cache<String, String> decryptCache =
Caffeine.newBuilder()
.maximumSize(10000)
.expireAfterWrite(Duration.ofMinutes(10))
.build();
public String decryptWithCache(EncryptedData encryptedData) {
String cacheKey = encryptedData.getCiphertext() + ":" + encryptedData.getIv();
return decryptCache.get(cacheKey, key -> decrypt(encryptedData));
}
}
8.2 数据库索引优化
-- 加密字段索引优化方案
-- 方案1:哈希索引(适用于精确匹配)
ALTER TABLE user_sensitive_data
ADD COLUMN phone_hash VARCHAR(64) AS (SHA2(phone, 256)) STORED;
CREATE INDEX idx_phone_hash ON user_sensitive_data(phone_hash);
-- 查询示例
SELECT * FROM user_sensitive_data
WHERE phone_hash = SHA2('13800138000', 256);
-- 方案2:前缀索引(适用于模糊匹配)
ALTER TABLE user_sensitive_data
ADD COLUMN phone_prefix VARCHAR(3) AS (LEFT(phone, 3)) STORED;
CREATE INDEX idx_phone_prefix ON user_sensitive_data(phone_prefix);
-- 查询示例
SELECT * FROM user_sensitive_data
WHERE phone_prefix = '138'
AND phone LIKE '138%';
九、安全合规要求
9.1 GDPR合规实践
@Service
public class GDPRComplianceService {
/**
* 数据主体权利实现 - 数据访问权
*/
public UserDataReport generateUserDataReport(Long userId) {
// 收集用户所有数据
List<UserDataRecord> records = userDataRepository.findByUserId(userId);
// 解密敏感数据
records.forEach(record -> {
if (record.isEncrypted()) {
record.setDecryptedData(decrypt(record.getEncryptedData()));
}
});
return UserDataReport.builder()
.userId(userId)
.records(records)
.generatedAt(LocalDateTime.now())
.build();
}
/**
* 数据主体权利实现 - 被遗忘权
*/
@Transactional
public void deleteUserPersonalData(Long userId) {
// 1. 标记用户数据为删除状态
userDataRepository.markUserAsDeleted(userId);
// 2. 触发数据清理任务
dataCleanupService.scheduleCleanup(userId);
// 3. 记录删除操作
auditLogService.logDataDeletion(userId, "GDPR被遗忘权");
}
}
9.2 等保2.0合规
@Component
public class SecurityComplianceChecker {
/**
* 等保2.0合规检查
*/
public ComplianceReport checkCompliance() {
ComplianceReport report = new ComplianceReport();
// 1. 检查传输加密
report.setTransportEncryption(checkTransportEncryption());
// 2. 检查存储加密
report.setStorageEncryption(checkStorageEncryption());
// 3. 检查访问控制
report.setAccessControl(checkAccessControl());
// 4. 检查审计日志
report.setAuditLogging(checkAuditLogging());
// 5. 检查密钥管理
report.setKeyManagement(checkKeyManagement());
return report;
}
private boolean checkTransportEncryption() {
// 检查数据库连接是否使用SSL/TLS
return true; // 简化实现
}
private boolean checkStorageEncryption() {
// 检查是否启用TDE或字段级加密
return true; // 简化实现
}
private boolean checkAccessControl() {
// 检查最小权限原则实施情况
return true; // 简化实现
}
private boolean checkAuditLogging() {
// 检查审计日志完整性
return true; // 简化实现
}
private boolean checkKeyManagement() {
// 检查密钥轮换策略
return true; // 简化实现
}
}
十、故障排除与应急响应
10.1 常见问题排查
@Component
@Slf4j
public class EncryptionTroubleshooting {
/**
* 解密失败问题排查
*/
public DecryptionIssue diagnoseDecryptionFailure(String encryptedData, Exception exception) {
DecryptionIssue issue = new DecryptionIssue();
try {
// 1. 检查密文格式
if (!isValidBase64(encryptedData)) {
issue.setType(IssueType.INVALID_FORMAT);
issue.setDescription("密文不是有效的Base64格式");
return issue;
}
// 2. 检查密钥可用性
String key = keyManagementService.getCurrentDataKey();
if (key == null || key.isEmpty()) {
issue.setType(IssueType.KEY_UNAVAILABLE);
issue.setDescription("当前数据密钥不可用");
return issue;
}
// 3. 检查算法兼容性
if (!isAlgorithmSupported()) {
issue.setType(IssueType.ALGORITHM_UNSUPPORTED);
issue.setDescription("加密算法不受支持");
return issue;
}
// 4. 检查密钥正确性
if (!isKeyValid(key)) {
issue.setType(IssueType.INVALID_KEY);
issue.setDescription("密钥格式或内容无效");
return issue;
}
} catch (Exception e) {
log.error("解密问题诊断失败", e);
}
issue.setType(IssueType.UNKNOWN);
issue.setDescription("未知错误: " + exception.getMessage());
return issue;
}
private boolean isValidBase64(String data) {
try {
Base64.getDecoder().decode(data);
return true;
} catch (Exception e) {
return false;
}
}
private boolean isAlgorithmSupported() {
try {
Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
return true;
} catch (Exception e) {
return false;
}
}
private boolean isKeyValid(String key) {
try {
Base64.getDecoder().decode(key);
return true;
} catch (Exception e) {
return false;
}
}
}
10.2 应急响应预案
@Component
@Slf4j
public class EncryptionEmergencyResponse {
@Autowired
private NotificationService notificationService;
@Autowired
private KeyManagementService keyManagementService;
/**
* 密钥泄露应急响应
*/
public void handleKeyCompromise() {
log.warn("检测到密钥可能泄露,启动应急响应");
try {
// 1. 立即禁用当前密钥
disableCurrentKeys();
// 2. 生成新密钥
String newMasterKey = generateNewMasterKey();
String newDataKey = generateNewDataKey();
// 3. 更新密钥存储
updateKeyStorage(newMasterKey, newDataKey);
// 4. 通知相关人员
notificationService.sendSecurityAlert(
"密钥泄露应急响应",
"检测到密钥可能泄露,已启动应急响应程序"
);
// 5. 启动数据重新加密
scheduleDataReEncryption();
log.info("密钥泄露应急响应完成");
} catch (Exception e) {
log.error("密钥泄露应急响应失败", e);
notificationService.sendCriticalAlert(
"密钥泄露应急响应失败",
"应急响应过程中发生错误: " + e.getMessage()
);
}
}
private void disableCurrentKeys() {
// 禁用当前密钥的实现
}
private String generateNewMasterKey() {
// 生成新主密钥
return "new-master-key"; // 简化实现
}
private String generateNewDataKey() {
// 生成新数据密钥
return "new-data-key"; // 简化实现
}
private void updateKeyStorage(String masterKey, String dataKey) {
// 更新密钥存储的实现
}
private void scheduleDataReEncryption() {
// 安排数据重新加密任务
}
}
结语
数据库加密不是一个一次性的工作,而是一个持续的过程。从传输加密到存储加密,从字段级加密到应用层加密,每一种方案都有其适用场景和注意事项。
关键要点总结:
- 分层防护:传输层、存储层、应用层都要考虑加密
- 密钥管理:建立完善的密钥生命周期管理体系
- 性能平衡:在安全性与性能之间找到平衡点
- 合规要求:满足GDPR、等保等法规要求
- 监控审计:建立完整的安全监控和审计机制
记住,安全不是绝对的,但我们可以让攻击者付出更大的代价。在数据安全这条路上,我们一起努力!
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标题:数据库加密方案实践:从理论到落地,让你的数据真正固若金汤!
作者:jiangyi
地址:http://jiangyi.space/articles/2025/12/21/1766304285469.html
- 一、为什么数据库加密如此重要?
- 1.1 数据泄露的代价
- 1.2 常见的安全威胁
- 二、数据库加密的核心概念
- 2.1 加密类型概述
- 2.2 加密算法选择
- 三、传输层加密实践(TLS/SSL)
- 3.1 MySQL SSL配置
- 3.2 PostgreSQL SSL配置
- 3.3 应用层SSL连接
- 四、透明数据加密(TDE)实践
- 4.1 MySQL TDE配置
- 4.2 PostgreSQL TDE配置
- 五、字段级加密实践
- 5.1 AES加密实现
- 5.2 数据库实体类设计
- 5.3 Repository层处理
- 六、应用层加密完整方案
- 6.1 加密配置管理
- 6.2 密钥管理系统
- 6.3 加密服务实现
- 七、数据库审计与监控
- 7.1 敏感数据访问审计
- 7.2 数据库审计配置
- 八、性能优化与最佳实践
- 8.1 加密性能优化
- 8.2 数据库索引优化
- 九、安全合规要求
- 9.1 GDPR合规实践
- 9.2 等保2.0合规
- 十、故障排除与应急响应
- 10.1 常见问题排查
- 10.2 应急响应预案
- 结语
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