Server-Flash in der Analyse Schließen Sie die Performancelücke

White Paper Server-Flash in der Analyse Schließen Sie die Performancelücke Wodurch wird der plötzliche Bedarf an schneller Speichertechnologie getrieben, wo steht die Flash-Technologie heute und was ist für potentielle Nutzer zu beachten? Christian Groll OCZ Storage Solutions, Inc. A Toshiba Group Company

Contents Page 1 2 3 4 5 6 Einleitung Die Performancelücke Einblicke in die Flash-Technologie Einsatzbereiche für (Server-Side) Flash OCZ-Flash-Lösungen 4.1 PCIe Solid State Drive Serie Z-Drive 4500 4.2 2,5-Zoll SATA-SSD Serien Intrepid 3600 und 3800 4.3 Software: Beschleunigung von Windows-basierten Applikationen mit OCZ WXL-Software Performance und Hochverfügbarkeit in VMware- Umgebungen mit OCZ VXL-Software Beschleunigung von SQL-Datenbanken mit ZD-XL SQL-Software Performance-Beispiele Fazit 2 3 4 6 6 7 8 9 10 11 12 13 1 Einleitung Die Performancelücke Die erfolgreiche technische Entwicklung der letzten Jahre im Bereich der Server- und Netzwerktechnologie und die resultierenden Verbesserungen hinsichtlich I/O Performance und Durchsatz, stellen hohe Anforderungen an die heutige Speichertechnologie. Die Netzwerkgeschwindigkeit hat sich innerhalb von 10 Jahren verhundertfacht, die CPU Performance verzehnfacht und die Entwicklung geht in gleicher Geschwindigkeit weiter. Die Festplatte ist hinsichtlich der möglichen I/O-Performance ausgereizt. Entsprechend gab es hier in den letzten Jahren keine nennenswerten Verbesserungen mehr. Das Resultat ist eine immer größer werdende Perfomancelücke zwischen Server/ Netzwerk und Storage. Diese Problematik konterkariert die Anforderungen heutiger IT-Kunden, die massiv anwachsenden Mengen strukturierter wie unstrukturierter Daten in kurzen Abständen zu analysieren und daraus Geschäftsvorteile zu generieren. Die klassische Stapelverarbeitung über Nacht mit dem Ziel der Erstellung von statischen Reports ist zu ersetzen durch die Abfrage/Analyse großer Datenbankbestände in Echtzeit. 2

Die Antwortzeit von NAND-Flash liegt genau zwischen HDDs und DRAM-Technologie. Weitere aktuelle Entwicklungen in der IT, wie beispielsweise die weite Verbreitung von VDI-Umgebungen oder die Notwendigkeit zur Erhöhung der HW-Density bzw. zur größtmöglichen Konsolidierung der IT-HW werden durch die unzureichende Performanceentwicklung der konventionellen, HDD-basierten Speichertechnologie behindert. Um die Leistung bestehender Speicherumgebungen zu verbessern, werden immer noch sehr konventionelle Wege beschritten, z.b. die Erhöhung der Anzahl an Spindeln oder das Upgrade des Cache im Server- oder Storage- Subsystem. Solche Maßnahmen sind mit erheblichen administrativen als auch finanziellen Aufwänden verbunden und bringen häufig nicht den gewünschten Erfolg. Es wird eine immer größere Zahl an Spindeln benötigt um akzeptable Performancewerte zu erreichen. Die Kapazität der Disks wird hierbei häufig nicht ansatzweise benötigt. Die Kosten für Anschaffung und insbesondere für den Betrieb solcher Umgebungen sind erheblich. In Datenbanken findet immer häufiger der In Memory -Ansatz Anwendung. Diese Technologie erzielt üblicherweise die gewünschte Geschwindigkeit, verursacht aber erhebliche Infrastruktur- und Lizenzkosten. Wie können erforderliche Leistungsverbesserungen erzielt werden, bei gleichzeitiger Senkung der Infrastruktur- und Betriebskosten? Der Schlüssel liegt im richtigen Einsatz der Flash-Technologie. 2 Einblicke in die Flash-Technologie Die Flash-Technologie liegt mit Antwortzeiten im zweistelligen Mikrosekundenbereich genau zwischen Festplatte und DRAM. NAND-Flash ist besser als jede andere aktuelle Speichertechnologie dafür geeignet, die Performancelücke zwischen DRAM und HDDs zu schließen. Die Sicherheit gegen Datenverlust sowie die generelle Lebensdauer von Flash-Lösungen ist in den letzten zwei Jahren durch die stetige Weiterentwicklung und Optimierung der Flash-Controller-Algorithmen (z.b. durch die Implementierung effektiver Kompressionsalgorithmen) sowie durch die Einführung umfangreicher Schutzmechanismen immer weiter gesteigert worden. Enterprise-Flash- Medien zählen inzwischen zu den sichersten Speichermedien überhaupt. Der am meisten verbreitete Flash-Technologieansatz ist die SSD, gefolgt von Flash-Karten für die PCIe-Schnittstelle des Servers sowie All-Flash-Arrays. SSDs sind einfach zu implementieren und vergleichsweise kostengünstig, nutzen aber die mögliche Performance der Flash-Technologie bei weitem nicht aus. Zudem können viele SSDs im Speichersubsystem sogar zu Performanceproblemen führen (Stichwort Auslastung des Storage Controller ). Im Hinblick auf reine 3

Die Unterschiede zwischen Enterprise- und Consumer-Flash- Medien sind beträchtlich. Performance ist die PCIe-basierte Flash Karte der schnellste Technologieansatz für NAND-Flash. Sie sitzt nahe der CPU und umgeht den gesamten Storage-Protokoll-Stack, wodurch unnötige Latenzen und Limitierungen der I/O-Performance vermieden werden. Auf die Verwendung extrem teurer SLC-NAND-Flash-Architektur kann inzwischen auch im Enterprise-Bereich verzichtet werden. MLC-NANDbasierende Flash-Lösungen erreichen inzwischen eine Lebensdauer, die noch vor zwei Jahren nur mit deutlich teureren SLC-Chips erzielt werden konnte. Dies hat zusammen mit dem generellen Preisverfall von NAND-Flash dazu beigetragen, daß in den letzten 24 Monaten der Preis/GB für Enterprise-Flash um ca. 75% gesunken ist. Es besteht jedoch weiterhin ein großer Unterschied zwischen Low-Cost/Consumer-Flash und Enterprise-Flash. Typische Unterscheidungsmerkmale zwischen Consumer- und Enterprise- Flash-Lösungen: Datenmenge, welche im Rahmen der garantierten Lebensdauer auf das Flash-Medium geschrieben werden kann Performance Konsistenz der Performance... - unter hoher I/O-Last - nach längerer Einsatzdauer (Monate/Jahre) - bei hoher Auslastung der max. Speicherkapazität des Mediums Sicherstellung der sofortigen Betriebsbereitschaft bzw. Schutz vor Datenverlust nach plötzlichem Stromausfall Qualität der integrierten Mechanismen zum Schutz der Daten und Absicherung gegen Bit-Fehler Gewährleistung 3 Einsatzbereiche für (Server-Side) Flash Seit Jahren findet Server-Side-Flash Verwendung als Read Cache Target, beschleunigt Webseiten oder wird eingesetzt, um z.b. Big Data Analytics- Prozesse drastisch zu verkürzen. In den letzten 12 Monaten sind einige SW-Lösungen auf den Markt gekommen, die den Einsatz von PCIe-Flash auch dann ermöglichen, wenn eine hochverfügbare Auslegung des Storage erforderlich ist. Mit OCZ VXL-Software-Lösung besteht die Möglichkeit, Flash-Volumes in VMware-Umgebungen als Cache-Target, Primärspeicher oder als Kombination aus beidem zu verwenden. Dabei kann das Flash-Volume 4

PCIe-Flash wird als Teil von Software-Defined-Storage vom lokalen Speichermedium zur Lösung. zwischen zwei Servern/Karten synchron gespiegelt werden. Im Falle eines Ausfalls von Server oder PCIe-Karte erfolgt ein transparenter Failover. Zudem kann das Flash-Volume anderen Servern im Netz lesend/schreibend zur Verfügung gestellt werden, wird also vom Lokalen- zum Netzwerkspeicher. Verschiedene Virtualisierungsplattformen (z.b.datacore VirtualSAN, Vmware vsan) und Betriebssysteme bieten inzwischen ähnliche Funktionen. Im Ergebnis besteht über die klassischen Einsatzbereiche von Server-Side-Flash hinaus nunmehr die Möglichkeit, wichtige und performancekritische Applikationen aus dem SAN auf den Server zu verlagern. Dabei erhält man eine drastisch gesteigerte Performance ohne Abstriche bei der Verfügbarkeit in Kauf nehmen zu müssen. Die resultierende Entlastung des Storage im Backend kann für den Anwender ein weiterer Mehrwert sein. Beispiele für TCO-relevante Mehrwerte durch den Einsatz von Server- Side-Flash: Reduzierung des Workloads auf dem Speichersystem - Längere Nutzungszyklen der Speicher-HW - Flash reduziert die notwendige HDD-Anzahl Bessere Auslastung der Server-HW durch Eliminierung von CPU-Wartezeiten - Server-Konsolidierung - Einsparung von CPU-gebundenen Lizenzkosten Geringere Kosten für Strom u. Kühlung Übersicht Anwendungsbereiche für Server-Side Flash: Datenbanken /Data Warehouse (OLAP + OLTP) HPC Anwendungen Virtual Desktop Infrastructure (VDI) Web Browsing Media Streaming Server-Virtualisierung Beispiele für Flash-basierte Lösungskonzepte: Erhöhung der maximalen User/Server, Vermeidung von Boot Storms in VDI-Umgebungen durch Einsatz von SSDs anstelle von HDDs Vermeidung von Boot-Storms in VDI-Umgebungen durch Einsatz eines Flash-Cache Reduzierung der benötigten Zeit für die Analyse großer Datenmengen durch Einsatz von PCIe-Flash als Datenspeicher Beschleunigung von Oracle-Datenbanken durch Verlagerung von Redo-Logs 5

auf PCIe-Flash Beschleunigung von Oracle-Datenbanken durch Nutzung des Smart-Flash- Cache-Features mit PCIe-Flash als Zielmedium Beschleunigung von SQL-Datenbanken durch Verlagerung der TempDB auf PCIe-Flash Beschleunigung von SQL-Datenbanken durch Einsatz eines Flash-Cache in Verbindung mit SQL-spezifischen Caching-Algorithmen Erhöhung der Klienten pro Server in einer Terminalserver-Umgebung durch Verwendung von Flash anstelle von HDDs Das optimale Konzept muß aber individuell entwickelt werden, unter Berücksichtigung z.b. der Spezifika der zu beschleunigenden Applikation und deren Implementierung sowie der vorhandenen Server- und Storage- Infrastruktur, den genauen Anforderungen des Kunden etc. Für den effektiven Flash-Einsatz gibt es kein Standardkonzept. Ziel ist ein intelligentes Konzept und ein effizienter Flash-Einsatz zur maximalen Beschleunigung ausgewählter Applikationen. Erst hierdurch wird eine PCIe-Flashkarte oder einer SSD eine Lösung. 4 OCZ-Flash-Lösungen 4.1 PCIe Solid State Drive Serie Z-Drive 4500 Z-Drive 4500 ist eine Enterprise-Flash-Karte der neuesten Generation und führend im Hinblick auf Performance und Lebensdauer. Die PCIe-SSD-Flash-Karten haben uns im Testlabor im Zusammenspiel mit DataCore SVA sehr beeindruckt, sagt Alexander Best, Director Technical Business Development bei DataCore. OCZs Z-Drive 4500 Model lieferte eine der höchsten jemals bei uns gemessenen Leistungen. Abbildung 1 Entwickelt mit Formfaktor in voller Bauhöhe und halber Länge (FH/ HL). Die Z-Drive 4500 Serie unterstützt dank der Verwendung von 19nm MLC NAND-Flash-Speicher 800GB, 1.6TB und 3.2TB verwendbaren Speicherplatz. Der Z-Drive 4500 ist extrem einfach zu installieren und benötigt aufgrund seiner Host-Offload-Architektur kaum Serverressourcen. Zum Lieferumfang gehört wahlweise die WXL-Software zur Beschleunigung von Windows-Umgebungen oder die ZD-XL-Software zur Beschleunigung von SQL-Datenbanken. 6

Eigenschaften: Bis zu 2.900 MB/s Sustained Lesedurchsatz Bis zu 2.200 MB/s Sustained Schreibdurchsatz Bis zu 252.000 IOPS 4k Block Lese-Performance Bis zu 76.000 IOPS 4k Block Schreib-Performance Als Full-Height/Half-Length-Format mit 800GB, 1,6TB und 3,2TB Kapazitäten Inkl. 5 Jahre Garantie Inkl. OCZ Field-Application-Engineer-Unterstützung Mit Software zur Beschleunigung von SQL- (ZD-XL) oder Windows- Umgebungen (WXL) ohne Aufpreis. Eingebaute Schutzmechanismen: Absicherung gegen Datenverlust bei plötzlichem Stromausfall Schutz der Daten durch proaktive Integritätsprüfungen Fortschrittliche ECC-Korrektur von Bitfehlern (bis 55 Bits pro 512 Byte Sektor) Datensicherheit durch 128 Bit AES-Verschlüsselung Proaktive Überwachung der Betriebstemperatur und stufenweiser Schutz gegen Überhitzung 4.2 2,5-Zoll SATA-SSD Serien Intrepid 3000 Die Intrepid SATA 3.0 Enterprise-SSDs von OCZ sind ausgelegt auf Beständigkeit, Leistung, Verlässlichkeit, Ausdauer und Effektivität. Kalkulierbare Langzeitperformance auch unter hoher Last ist eine der herausragenden Eigenschaften der Intrepid. 5 Jahre Garantie untermauern unser Vertrauen in die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit dieser Enterprise-SSD-Serie. Sie ist damit ideal für Rechenzentren und Hersteller von Speichergeräten. Abbildung 2 Für einen schnellen Service und nahtlose Bereitstellungen bietet die Intrepid 3000 mehrere OEM-freundliche Merkmale, wie verbesserte Protokollierung, geschlossene Firmware, höhere Achtsamkeit und reduzierter Verwaltungsaufwand. Intrepid 3600: Ist mit zuverlässigem und kostengünstigem Multi Level Cell (MLC) NAND-Flash-Speicher bestückt und vor allem für lese-intensive Anwendungen wie Online- Archivierung, Media-Streaming und Web-Browsing geeignet. 7

Intrepid 3800: Ist mit Enterprise-MLC (emlc) NAND-Flash-Speicher bestückt, der höchste Zuverlässigkeit bietet sowie schreib-intensive und gemischte Lasten schnellstmöglich bewältigt. Darunter befinden sich beispielsweise Big Data, Cloud Computing, OnLine Transaction Processing (OLTP), Virtuelle Desktop Infrastrukturen (VDI), Email-Server und Analytics. MODEL ENDURANCE Intrepid 3600 WORKLOAD Read-Intensive APPLICATION Online archiving, web search, media streaming, indexing, etc. 1DWPD* for 5 years 1426TBW** MLC flash 100 ~ 800GB $ Cost Savings Mixed Transaction processing, VM infrastructures, email servers, analytics, etc. 4DWPD* for 5 years 5703TBW** Intrepid 3800 emlc flash 100 ~ 800GB Endurance * Drive Write(s) Per Day ** Total Bytes Written (800GB Model) Abbildung 3 Erscheint in einem handelsüblichen 2.5-Zoll-Gehäuse und zwei unterschiedlichen Versionen (Intrepid 3000 MLC und Intrepid 3800 emlc). Unterstützt werden 100GB, 200GB, 400GB und 800GB Speicherplatz, dank 19nm MLC-Flash. Eigenschaften Bis zu 540 MB/s sequentielles Lesen Bis zu 480 MB/s sequentielles Schreiben Bis zu 91.000 IOPS 4k Random Read Bis zu 40.000 IOPS 4k Random Write Inkl. 5 Jahre Garantie Inkl. Support durch OCZ Field Application Engineer 4.3 Software-Lösungen: Beschleunigung von Windows-basierten Applikationen mit OCZ WXL-Software Performance und Hochverfügbarkeit in VMware-Umgebungen mit OCZ VXL-Software Beschleunigung von SQL-Datenbanken mit OCZ ZD-XL-Software 8

Beschleunigung von Windows-basierten Applikationen mit OCZ WXL Windows Accelerator Windows Accelerator WXL ermöglicht die Bereitstellung von Low-Latency -Flash-Speicher in Form von lokalen Volumes, Flash-Cache für HDDs oder als Kombination von beidem. Unterstützt werden sowohl die Intrepid 3000 SATA SSD-Serien sowie die Z-Drive 4500 PCIe SSD-Serie. Mit WXL können Datenbanken und Applikationen effektiv beschleunigt werden. Vorteile von WXL: Plug-n-Play in bestehende und neue Windows-Umgebungen mit Assistenten Deutlich höhere I/O-Performance mit wesentlich geringerer Latenz Senkt die TCO im Rechenzentrum durch die enge Integration aus HW, SW, FW und Treibern Einsatz als Flash-Volume, Caching oder Kombination aus beidem Ermöglicht Einsparungen bei Hardware-Investitionen Transparentes Direct Pass Caching SAN Host Server Z-Drive 4500 Flash Volume Flash Cache Abbildung 4 OCZs WXL-Software beschleunigt Windows-basierende Applikationen. Die eng integrierte Beschleunigung ermöglicht Flash-Speicher als Flash-Volume, Caching-Ressource oder eine Kombination aus beidem eizusetzen. 9

Performance und Hochverfügbarkeit in VMware-Umgebungen mit OCZ VXL VMware Acceleration Software Virtualization Die OCZ VXL-Softwarelösung maximiert die Performance von virtualisierten Server-Umgebungen mittels einer Kombination aus intelligentem und anwendungsoptimiertem Caching mit einer dynamischen Zuweisung von On-Host Flashspeicher. In Verbindung mit einer OCZ Z-Drive PCIe SSD ermöglicht VXL eine intelligente und effiziente On-Demand-Distribution von Flash zwischen Virtuellen Maschinen (VMs), basierend auf dem Bedarf und unabhängig von der Anzahl gleichzeitig aktiver VMs. Mit VXL können hochverfügbare Flash-Volumes aber auch sämtliche internen- oder SAN Volumes synchron gespiegelt werden. Vorteile von VXL: Kombination aus PCIe Flash & Software Ermöglicht die Nutzung des Flash zum Caching, als Flash-Volume oder beides Hochverfügbarkeit durch synchronen Spiegel und transparenten Failover Risikolose und unkomplizierte, cache-basierte Beschleunigung von Applikationen in VMware-Umgebungen Verlagerung von Applikationen auf Flash ( SANless ) ohne Kompromisse bei der Hochverfügbarkeit Dynamisches Flash-Ressourcen-Sharing (PCIe-Flash-Karte wird zum Shared-Storage) Flash-Performance ohne Einschränkung der VM-Funktionalität vmotiontm ohne Verlust des Cache-Content Applikationsoptimiertes Caching Automatisierter Cache-Warm-up-Planer Einfache und schnelle Installation VM#1 VM#2 VM#3 VM#4 VXL MIRROR VXL ESX Host A ESX Host B VMware HA and FT Abbildung 5 Hochverfügbare Flash-Volumen VXL ermöglicht das Konfigurieren von gespiegelten hochverfügbaren Flash-Volumen in einem einzigen Schritt. Virtualisiert von On-Host-Flash wird dabei sofortige, ununterbrochene Flash-Beschleunigung bereitgestellt sogar bei kompletten Serverausfällen und VM-Migration (vmotion). 10

- ZDSQL Accelerator Beschleunigung von SQL-Datenbanken mit OCZ ZD-XL Acceleration Software Der ZD-XL SQL Accelerator 1.5 ist eine integrierte und für Microsoft SQL-Server- Umgebungen optimierte Plug-n-Play Flash-Beschleunigungs- Lösung. Dabei werden die Vorteile von OCZs bewährter PCIe-SSD-Hardware mit anwendungsoptimierter Software verbunden, sodass SQL-Anfragen bei niedrigsten Latenzzeiten ausgeliefert und SQL-Server-Flaschenhälse aufgehoben werden können. Vorteile des ZD-XL Accelerators: Plug-n-Play in bestehende und neue SQL-Umgebungen mit Assistenten Deutlich höhere I/O-Performance mit wesentlich geringerer Latenz Senkt die TCO im Rechenzentrum durch die enge Integration aus HW, SW, FW und Treibern Beschleunigt die SQL-Server-Datenbankperformance um das bis zu 25fache Flash-Volume für tempdb und Log-Dateien Ermöglicht Einsparungen bei Hardware-Investitionen Volle Flexibilität, inkl. aller Vorteile der Virtualisierung Höhere Auslastung und dadurch effektivere Nutzung der Server-Hardware Adressiert SQL-Server Datenbank-Anwendungen und stellt sicher, dass sich die richtigen und relevanten Daten auf dem Flash befinden, wenn der SQL-Server sie benötigt ZD-XL Direct Pass Caching Architecture DB acceleration for SQL Server OLTP & DW WINDOWS SERVER Microsoft SQL Server Optimized SQL Server acceleration policies / management Windows Kernel Optimal SQL data path cache splitter In-server SQL acceleration card NIC NIC HBA HBA Out of data path updates and optimizations Internal or External HDDs Abbildung 6 Architektur des ZD-XL Direct Pass Caching Eine enge Hard- und Softwareintegration sorgt dafür, dass die fortschrittliche und anwendungsoptimierte Caching-Engine im Gleichklang mit dem entsprechenden Flash-Treibern läuft. Dies garantiert hohe Trefferquoten mit sehr niedrigen Latenzzeiten. 11

5 Beispiele für Performanceoptimierung durch Flash: Steigerung der SQL-Query-Performance um das 25fache Data Warehouse Abfragelaufzeiten in einer dedizierten SAN-Umgebung vor (grau) und nach (blau) der Installation des ZD-XL SQL Accelerators. Server Storage Acceleration Increase SQL Server Query Performance by Up to 25x Data Warehouse Query Completion Times (s) TPC-H Type Queries Market Share Shipping Priority 25x Faster Performance Orders Waiting Large Volume Customer Product Profit Supplier Volume 0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 Accelerated w/ ZD-XL RAID 0 HDDs VDI Boot Storm-Zeit Effektives Flash-Caching eliminiert Boot Storms in VDI Umgebungen. VDI Boot Storm Time HDD VXL Cached Volume 0 20 40 60 80 100 140 160 secs 12

Ein individualisiertes Konzept ist die Voraussetzung für den Projekterfolg. Leistungssteigerungen mit OCZ Software-Lösungen Microsoft Exchange Server 2010: Traffic von 200 Nutzern mit 2GB Mailboxen (Datenbank I/O Transaktionen pro Sekunde). Mit VXL bis zu 10x schneller. Microsoft SQL Server 2010: Durchschnittliche SQL Transaktionen pro Minute. Mit VXL bis zu 20x schneller. Microsoft Exchange Server 2010 VM w/o acceleration Traffic of 200 users w/ 2GB mailboxes (database I/O transactions per second) VM accelerated w/ VXL 10x Faster 0 200 400 600 800 1000 1200 Microsoft SQL Server 2010 Average SQL transactions per minute VM w/o acceleration VM accelerated w/ VXL 20x Faster 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 Latency Test Query time VM w/o acceleration VM accelerated w/ VXL 3x Improvement 0 5 10 15 20 25 6 Fazit Flash-Speicher ist die einzige derzeit verfügbare Technologie, die geeignet ist, die wachsende Performancelücke zwischen Server-/Netzwerktechnologie einerseits und Storage-Technologie andererseits zu überbrücken. Insbesondere getrieben durch den noch immer deutlichen Unterschied im Preis/GB zwischen Flash und konventionellem Storage sind effektive Einsatzkonzepte gefordert. Darüber hinaus ist ein ultraschnelles Flash-Medium alleine noch keine Lösung. Erst durch die Kombination mit entsprechender Software, also Software Defined wird eine SSD zum Cache-Target oder eine lokale PCIe-Karte zum hochverfügbaren Netzwerkspeicher. Ob simpler Austausch von HDDs durch SSDs, Flash-Caching oder die Verlagerung von Metadaten bzw. ganzer Applikationen auf Server-Side- Flash - erst durch das individuelle Konzept mit Berücksichtigung der Kundenanforderung, Applikationsspezifika, Infrastruktur und nicht zuletzt dem verfügbarem Budget, wird aus Flash-Speicher ein Garant für ultimative und zuverlässige Transaktions- bzw. Applikationsperformance. 13

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