[논문]해군 함정 컴퓨팅 체계 정보교환을 위한 Publish Subscribe 모델 기반 아키텍처 및 매칭 알고리즘

김홍재; 오상윤

doi:10.3745/kipsta.2011.18a.5.181

문제 정의

본 논문에서는 함정의 다양한 체계들 간의 상호운용성 확보와 정보교환을 위한 Publish Subscribe 모델 기반 정보교환 아키텍처 및 Broker의 이벤트 매칭 알고리즘을 제안한다. 제안하는 아키텍처는 Publish Subscribe 모델을 통신 미들웨어로 사용하여 상호운용성 및 확장성을 향상하였으며 서로 다른 체계간의 정보교환이 가능하다.
현재 군 도메인에 Publish Subscribe 모델에 대한 도입이 진행 중에 있다. 본 장에서는 Publish Subscribe 모델에 대한 기본적인 정보와 미 해군 개방형구조 및 개방형구조에 사용되는 DDS를 살펴본다.
현재 다양한 신기술의 신속한 적용과 개발비용 절감에 대한 요구조건으로 SOA, 클라우드 컴퓨팅 등 많은 상용 기술들이 군 도메인에 적용되고 있다. 본 절에서는 Publish Subscribe 모델의 군 도메인 적용 사례에 대해 미 해군을 중심으로 살펴본다.
그리고 해군 함정의 수명기간(통상 20~30년) 동안 동일한 시스템을 사용함에 따라 노후화된 기술에 대한 유지보수 문제가 대두되었다. 이에 미 해군에서는 함정에 탑재되는 시스템의 상호운용성 및 유지보수 능력 향상과 신기술의 신속한 도입을 위해 개방형구조(Open Architecture)에 대한 연구를 진행하였다.
그러나 대부분의 DHT를 이용한 매칭 알고리즘은 인터넷 환경에서 많은 노드가 네트워크에 참여하는 분산시스템을 기반으로 고안되었다. 그러나 본 논문에서는 DHT가 아닌 트리 기반의 매칭 알고리즘을 제시한다. 이것은 본 논문의 도메인인 해군 함정이 분산 시스템으로 그 환경이 구성되어 있으나, 그 참여 노드가 상용 환경에 비해 제한되며 전투 임무를 수행하는 함정의 특성상 적의 공격에 의한 시스템의 손상, 파괴 및 네트워크 단절로 인한 DHT 관리가 어려울 수 있기 때문이다.
이것은 본 논문의 도메인인 해군 함정이 분산 시스템으로 그 환경이 구성되어 있으나, 그 참여 노드가 상용 환경에 비해 제한되며 전투 임무를 수행하는 함정의 특성상 적의 공격에 의한 시스템의 손상, 파괴 및 네트워크 단절로 인한 DHT 관리가 어려울 수 있기 때문이다. 따라서 해군 함정 환경 고려 시 DHT 보다는 비교적 관리가 용이한 매칭 알고리즘이 요구되며 이에 본 논문에서는 내용 기반 Publish Subscribe 매칭 알고리즘을 제시한다.
본 논문에서는 해군 함정 컴퓨팅 체계 정보교환을 위한 Publish Subscribe 모델 기반 아키텍처를 제안하였으며 제안 아키텍처의 성능향상을 위해 개선된 매칭 알고리즘을 제시하였다. 성능평가는 제안 알고리즘의 유효성을 검증하기 위해 수행되었으며 본 성능평가 결과를 통해 제안 아키텍처에서 핵심적인 메시징 시스템의 성능을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 Publish Subscribe 모델 기반의 정보교환 아키텍처를 제안했다. 제안 아키텍처는 여러 체계들이 Publish Subscribe Bus를 통해 이벤트 형식으로 정보 교환이 가능해 보다 효과적인 멀티캐스트 통신이 가능하며 상호운용성을 향상시킬 수 있고 보다 높은 확장성을 가질 수 있다.
그러나 Publish Subscribe 모델에서 Subscription의 증가에 따라 이벤트 매칭을 수행하는 Broker에 부하가 가중될 수 있으며 매칭 시간이 지체되며 결국 Publish Subscribe 모델의 전체 성능에 영향을 미칠 수 있다. 이에 본 논문에서는 트리 기반의 개선된 매칭 알고리즘을 제안하였다. 제안 알고리즘은 매칭 트리 생성 시 Predicate 정보를 각 트리노드에 저장함으로써 매칭 시간을 단축할 수 있도록 하였다.

제안 방법

제안하는 아키텍처는 Publish Subscribe 모델을 통신 미들웨어로 사용하여 상호운용성 및 확장성을 향상하였으며 서로 다른 체계간의 정보교환이 가능하다. 그리고 기존의 Publish Subscribe 모델의 트리매칭 알고리즘에서 각 트리노드에 추가적인 정보를 저장하여 이벤트 매칭 시 사용하도록 함으로써 기존 알고리즘에 비해 매칭시간을 단축하여 Publish Subscribe 모델의 성능을 향상하도록 하였다.
본 장에서는 본 논문에서 제시하는 Publish Subscribe 모델 기반 정보교환 아키텍처를 제안한다. 제안 아키텍처는 함정 내부의 서로 다른 애플리케이션간의 상호운용성 향상과 효과적인 데이터 교환을 위해 Publish Subscribe 모델을 통신 미들웨어로 사용하여 이벤트 기반의 정보교환이 가능하게 한다.
본 장에서는 본 논문에서 제시하는 Publish Subscribe 모델 기반 정보교환 아키텍처를 제안한다. 제안 아키텍처는 함정 내부의 서로 다른 애플리케이션간의 상호운용성 향상과 효과적인 데이터 교환을 위해 Publish Subscribe 모델을 통신 미들웨어로 사용하여 이벤트 기반의 정보교환이 가능하게 한다.
기존 애플리케이션을 Publish Subscribe Bus와 연결을 위해 PubSub 매니저를 인터페이스로 사용을 하며 PubSub Broker가 Publisher와 Subscriber의 중계 역할을 수행한다. 그리고 PubSub Broker는 다른 함정의 PubSub Broker 들과 PubSub 네트워크를 구성하여 여러 함정 간에 Publish Subscribe Bus 구현 및 정보교환이 가능하도록 한다.
전술데이터 링크 메시지 해독 및 변환 모듈은 Link-11, Link-16 및 Link-K와 같은 전술데이터 링크를 사용하는 어플리케이션에서 발생하는 전술데이터 링크 메시지 데이터를 이벤트 및 Subscription과 변환하는 역할을 수행하여 어플리케이션에서 전술데이터링크 메시지 해독 및 변환 과정을 생략할 수 있도록 한다. 이를 통해 전술데이터링크를 사용하지 않는 어플리케이션과 정보교환이 가능하다.
따라서 다양한 하드웨어 및 운영체제에서 운영이 가능하며 상호운용성을 향상할 수 있다. 셋째, 전투체계, 일부 센서 및 타격체계에서 사용되는 전술데이터링크 메시지의 변환을 PubSub 매니저에서 수행함으로써 어플리케이션에서 발생하는 전술 데이터링크 메시지 해독 및 변환 과정을 생략하도록 하였다. 넷째, 제안 아키텍처는 보다 높은 확장성을 가진다.
본 장에서는 Publish Subscribe 모델 기반 정보교환 아키텍처에서 사용된 매칭 알고리즘을 제안한다. 제안 매칭 알고리즘은 Publish Subscribe 모델의 이벤트 매칭에 사용이 되며 기존 트리매칭 알고리즘에서 각 트리 노드에 추가적인 정보를 저장하여 사용함으로써 기존 알고리즘에 비해 매칭 시간 단축 및 제안 정보교환 아키텍처의 성능 향상이 가능하다.
본 논문에서 제안하는 내용 기반 Publish Subscribe 모델의 매칭 알고리즘은 기본적으로 Aguilera 알고리즘을 바탕으로 고안되었다. 제안하는 알고리즘 역시 매칭 전 Subscription으로 트리를 생성하고 트리를 기반으로 매칭을 한다.
본 논문에서 제안하는 내용 기반 Publish Subscribe 모델의 매칭 알고리즘은 기본적으로 Aguilera 알고리즘을 바탕으로 고안되었다. 제안하는 알고리즘 역시 매칭 전 Subscription으로 트리를 생성하고 트리를 기반으로 매칭을 한다. Aguilera의 알고리즘에 비해 제안하는 알고리즘의 주 차이점은 트리 생성 시 각 Subscription이 가지고 있는 Predicate의 개수정보를 트리 생성 시 각 노드 포함하는 것이다.
성능평가를 위한 환경은 <표 1>과 같다. 성능평가 시 구현범위는 Publish Subscribe 모델에서 매칭 알고리즘과 이벤트 매칭을 담당하는 Broker의 매칭 트리 생성 기능으로 한정하였다.
그 후 Publisher가 이벤트를 발행하고 Broker는 생성된 트리를 이용해 이벤트 매칭(eventMatching) 후 이벤트를 전달하고 종료한다. 성능평가는 Broker의 매칭트리 생성시간 및 매칭 소요 시간을 측정하여 비교하였다.
본 성능 평가에 영향을 미치는 요소는 Subscription과 Subscription이 가진 Predicate의 개수, 어트리뷰트 및 어트리뷰트 값이다. 이에 성능평가 시 Subscription의 개수 변화에 따른 성능평가를 실시하였으며 각 Subscription내 Predicate 개수는 2-10개의 범위 내에서 랜덤 값을 가지도록 하였다. 이벤트 역시 2-10개의 범위 내에서 어트리뷰트와 어트리뷰트 값을 가지도록 하였으며 매칭 시간 오차를 줄이기 위해 이벤트는 500개 단위로 매칭을 실시하였다.
이에 성능평가 시 Subscription의 개수 변화에 따른 성능평가를 실시하였으며 각 Subscription내 Predicate 개수는 2-10개의 범위 내에서 랜덤 값을 가지도록 하였다. 이벤트 역시 2-10개의 범위 내에서 어트리뷰트와 어트리뷰트 값을 가지도록 하였으며 매칭 시간 오차를 줄이기 위해 이벤트는 500개 단위로 매칭을 실시하였다. 위 데이터 셋은 과거 다른 연구에서 Publish Subscribe 모델의 매칭 알고리즘의 성능을 평가하기 위해 사용한 데이터 셋의 평균적인 값이다[17][18].
이에 본 논문에서는 트리 기반의 개선된 매칭 알고리즘을 제안하였다. 제안 알고리즘은 매칭 트리 생성 시 Predicate 정보를 각 트리노드에 저장함으로써 매칭 시간을 단축할 수 있도록 하였다.

이론/모형

본 논문에서 제안한 아키텍처는 내용 기반의 Publish Subscribe 모델을 적용하였다. 이것은 내용 기반이 주제 기반 Publish Subscribe 모델보다 유연하고 확장성이 높기 때문이다.
Pre-process 단계를 통해 생성된 트리는 Publisher의 이벤트를 매칭하는데 사용한다. 본 논문에서 비교대상으로 선정한 Aguilera의 트리 매칭 알고리즘[5]은 Depth-first order에 따라 최상위 루트 노드에서부터 최하위 노드로 찾아가도록 하였다.
(그림 14)는 제안하는 매칭 알고리즘 의사 코드로 Depth-first order에 따라 루트 노드에서 최하위 노드로 찾아가도록 하였다. 제안하는 알고리즘에서는 매칭할 이벤트 내의 어트리뷰트 개수와 매칭 트리의 각 노드가 가진 predicate 개수정보(괄호안 숫자)를 비교하여 이벤트의 어트리뷰트 개수가 노드의 predicate 개수정보 보다 같거나 클때 매칭을 진행하도록 함으로써(라인 6) Aguilera 알고리즘보다 상대적으로 적은 매칭 횟수를 가질 수 있다.
성능평가 대상은 Broker의 이벤트 매칭 알고리즘으로써 비교대상은 Aguilera 알고리즘이다. 본 장에서는 제안 알고리즘과 비교대상 알고리즘을 구현, 시뮬레이션을 통한 결과를 제시한다.

성능/효과

본 논문에서는 함정의 다양한 체계들 간의 상호운용성 확보와 정보교환을 위한 Publish Subscribe 모델 기반 정보교환 아키텍처 및 Broker의 이벤트 매칭 알고리즘을 제안한다. 제안하는 아키텍처는 Publish Subscribe 모델을 통신 미들웨어로 사용하여 상호운용성 및 확장성을 향상하였으며 서로 다른 체계간의 정보교환이 가능하다. 그리고 기존의 Publish Subscribe 모델의 트리매칭 알고리즘에서 각 트리노드에 추가적인 정보를 저장하여 이벤트 매칭 시 사용하도록 함으로써 기존 알고리즘에 비해 매칭시간을 단축하여 Publish Subscribe 모델의 성능을 향상하도록 하였다.
0에서는 분산 미들웨어로 Publish Subscribe 모델을 포함하고 있다[4]. 이와 같이 미 해군의 개방형구조에서는 애플리케이션과 하드웨어를 분리하고 하드웨어 역시 상용 표준기반으로 구성함으로써 미 해군은 앞서 언급한 상호운용성, 유지보수 및 신기술 도입에 대한 문제 해결을 추진 중이며 Publish Subscribe 모델이 데이터 분산에서 중요한 역할을 하는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서 제시한 아키텍처는 다양한 서로 다른 애플리케이션이 존재하는 함정에서 각 애플리케이션의 효과적인 정보교환을 위해 고안되었으며 다음과 같은 특징을 가진다. 첫째, Publish Subscribe 모델을 사용함에 따라 함정 내에서 다른 애플리케이션간의 효과적인 멀티캐스트 통신이 가능하다. 둘째, 애플리케이션간의 정보교환을 위한 상호운용성의 향상시킬 수 있다.
첫째, Publish Subscribe 모델을 사용함에 따라 함정 내에서 다른 애플리케이션간의 효과적인 멀티캐스트 통신이 가능하다. 둘째, 애플리케이션간의 정보교환을 위한 상호운용성의 향상시킬 수 있다. 제안하는 아키텍처에서 Publish Subscribe 모델은 하드웨어나 운영체제 등에서 독립적인 미들웨어 형태를 가진다.
둘째, 애플리케이션간의 정보교환을 위한 상호운용성의 향상시킬 수 있다. 제안하는 아키텍처에서 Publish Subscribe 모델은 하드웨어나 운영체제 등에서 독립적인 미들웨어 형태를 가진다. 따라서 다양한 하드웨어 및 운영체제에서 운영이 가능하며 상호운용성을 향상할 수 있다.
셋째, 전투체계, 일부 센서 및 타격체계에서 사용되는 전술데이터링크 메시지의 변환을 PubSub 매니저에서 수행함으로써 어플리케이션에서 발생하는 전술 데이터링크 메시지 해독 및 변환 과정을 생략하도록 하였다. 넷째, 제안 아키텍처는 보다 높은 확장성을 가진다. 제안 시스템 구축 후 다른 시스템을 추가나 연동이 보다 쉽게 이루어 질 수 있으며 OMG DDS 표준에 따라 구현시 보다 높은 확장성을 가질 수 있다.
넷째, 제안 아키텍처는 보다 높은 확장성을 가진다. 제안 시스템 구축 후 다른 시스템을 추가나 연동이 보다 쉽게 이루어 질 수 있으며 OMG DDS 표준에 따라 구현시 보다 높은 확장성을 가질 수 있다.
본 장에서는 Publish Subscribe 모델 기반 정보교환 아키텍처에서 사용된 매칭 알고리즘을 제안한다. 제안 매칭 알고리즘은 Publish Subscribe 모델의 이벤트 매칭에 사용이 되며 기존 트리매칭 알고리즘에서 각 트리 노드에 추가적인 정보를 저장하여 사용함으로써 기존 알고리즘에 비해 매칭 시간 단축 및 제안 정보교환 아키텍처의 성능 향상이 가능하다.
(그림 14)는 제안하는 매칭 알고리즘 의사 코드로 Depth-first order에 따라 루트 노드에서 최하위 노드로 찾아가도록 하였다. 제안하는 알고리즘에서는 매칭할 이벤트 내의 어트리뷰트 개수와 매칭 트리의 각 노드가 가진 predicate 개수정보(괄호안 숫자)를 비교하여 이벤트의 어트리뷰트 개수가 노드의 predicate 개수정보 보다 같거나 클때 매칭을 진행하도록 함으로써(라인 6) Aguilera 알고리즘보다 상대적으로 적은 매칭 횟수를 가질 수 있다.
따라서 ②에서 Class(4) 노드의 Predicate 개수정보 4보다 이벤트의 어트리뷰터 개수정보 3이 적어 탐색을 중단하고 ③ 이후의 탐색을 시작, ⑥에서 Sub₂를 찾고 매칭을 종료한다. 따라서 본 예제에서는 제안하는 알고리즘이 Aguilera 알고리즘에 비해 2회의 트리 노드 탐색 횟수를 줄이는 것을 볼 수 있다. 실제 Publish Subscribe 모델의 매칭에서는 다양한 수의 Subscription과 이벤트가 사용되는 것을 고려 시 제안하는 알고리즘이 트리 노드 방문 횟수를 줄임으로써 기존 Aguilera 알고리즘에 비해 Publish Subscribe 모델의 이벤트 매칭 시간을 감소시킬 수 있다.
따라서 본 예제에서는 제안하는 알고리즘이 Aguilera 알고리즘에 비해 2회의 트리 노드 탐색 횟수를 줄이는 것을 볼 수 있다. 실제 Publish Subscribe 모델의 매칭에서는 다양한 수의 Subscription과 이벤트가 사용되는 것을 고려 시 제안하는 알고리즘이 트리 노드 방문 횟수를 줄임으로써 기존 Aguilera 알고리즘에 비해 Publish Subscribe 모델의 이벤트 매칭 시간을 감소시킬 수 있다.
본 논문에서는 해군 함정 컴퓨팅 체계 정보교환을 위한 Publish Subscribe 모델 기반 아키텍처를 제안하였으며 제안 아키텍처의 성능향상을 위해 개선된 매칭 알고리즘을 제시하였다. 성능평가는 제안 알고리즘의 유효성을 검증하기 위해 수행되었으며 본 성능평가 결과를 통해 제안 아키텍처에서 핵심적인 메시징 시스템의 성능을 확인할 수 있다.
먼저 이벤트 매칭을 위한 트리 생성 시간 비교 결과는 (그림 17(상))과 같다. 제안하는 알고리즘이 Aguilera 알고리즘에 비해 시간이 더 소요 되었다. 그리고 (그림 17(하))는 생성된 매칭 트리에서 1% 업데이트 발생 시 소요되는 시간을 비교한 것으로 역시 비교대상 알고리즘 보다 높은 결과 값을 가졌다.
그리고 업데이트 시간은 트리 생성 시간의 100분의 1 이하의 비교적 작은 오버헤드를 가진다. 따라서 본 논문에서 제안하는 군 함정 컴퓨팅 체계 정보교환을 위한 Publish Subscribe 모델 기반 아키텍처의 전체 성능에 큰 영향을 미치지 않는다.
(그림 18)은 순차검색과 매칭 트리 알고리즘(제안 및 Aguilera 알고리즘)의 매칭시간 결과를 비교한 것이다. 비교 결과 매칭 트리 알고리즘이 순차검색에 비해 매칭 시간이 줄어드는 것을 볼 수 있으며 Subscription의 개수가 늘어날수록 그 차이는 커지게 된다.
(그림 19)는 제안 알고리즘과 Aguilera 알고리즘의 매칭시간을 비교한 것으로 제안 알고리즘이 상대적으로 낮은 매칭 시간을 가지는 것을 볼 수 있다. 실험결과 제안 알고리즘이 Aguilera 대비 최소 26%에서 최대 34% 매칭시간을 단축하는 결과를 가져왔다. 이것은 제안하는 알고리즘 매칭트리의 각 노드가 Subscription의 Predicate 정보를 가지고 있어 이벤트내의 어트리뷰트 개수와 비교하여 이벤트의 어트리뷰트 개수가 노드의 Predicate 개수정보 보다 같거나 클 때 매칭을 진행하여 불필요한 트리 탐색을 줄인 결과이다.
실험결과 제안 알고리즘이 Aguilera 대비 최소 26%에서 최대 34% 매칭시간을 단축하는 결과를 가져왔다. 이것은 제안하는 알고리즘 매칭트리의 각 노드가 Subscription의 Predicate 정보를 가지고 있어 이벤트내의 어트리뷰트 개수와 비교하여 이벤트의 어트리뷰트 개수가 노드의 Predicate 개수정보 보다 같거나 클 때 매칭을 진행하여 불필요한 트리 탐색을 줄인 결과이다. 그리고 어트리뷰트 및 어트리뷰트의 범위가 늘어나면 그 차이는 더 커지게 된다.
제안하는 알고리즘의 매칭 트리 생성 시간, 업데이트 시간 및 매칭 시간 비교 결과, 제안하는 알고리즘이 Aguilera 알고리즘에 비해 트리 생성 및 업데이트에 있어 다소 많은 시간이 소요되었다. 그러나 트리 생성 시간 및 업데이트 시간은 본 논문에서 제안하는 아키텍처의 전체 성능에 큰 영향을 미치지 않는다.
그리고 제안하는 아키텍처에서 매칭트리는 최소 1회 생성 이후에는 계속 사용되나 이벤트 매칭은 지속적으로 발생한다. 따라서 Aguilera 알고리즘에 비해 최소 26%에서 최대 34% 매칭 시간 감소 결과를 가지는 개선된 매칭 알고리즘은 제안한 아키텍처의 성능을 향상 시킬 수 있다.
본 논문에서는 Publish Subscribe 모델 기반의 정보교환 아키텍처를 제안했다. 제안 아키텍처는 여러 체계들이 Publish Subscribe Bus를 통해 이벤트 형식으로 정보 교환이 가능해 보다 효과적인 멀티캐스트 통신이 가능하며 상호운용성을 향상시킬 수 있고 보다 높은 확장성을 가질 수 있다.
제안 알고리즘을 비교대상 알고리즘과 성능평가 결과 매칭 트리 생성 및 업데이트 시간에 있어서는 비교대상 알고리즘에 비해 추가적인 시간 및 사용량을 보였으나 매칭 시간에 있어서는 비교대상 알고리즘에 비해 최소 26%에서 최대 34% 매칭 시간을 감소하는 결과를 가져왔다.
따라서 본 논문에서 제안하는 정보교환 아키텍처 및 매칭 알고리즘은 해군 함정과 같이 제한된 분산 시스템 환경에서 효과적인 정보교환에 유용할 것으로 판단한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Publish Subscribe 모델이란?	Publish Subscribe 모델은 데이터의 생성이나 삭제로 인해 발생하는 이벤트에 따라서 애플리케이션이 메시지를 네트워크에 주어진 주제 또는 내용에 따라 한 번만 발행, 즉 Publish를 하고 네트워크상의 다수의 애플리케이션들이 해당 주제와 내용에 맞는 메시지를 수신하는 방식이다[6]. Publish Subscribe 모델에서 노드는 이벤트를 생성하는 Publisher, 이벤트를 수신하는 Subscriber 및 중계 역할을 하는 Broker로 구분되며 이벤트를 구독하는 방법에 따라 크게 주제 또는 내용 기반 Publish Subscribe 모델로 나뉜다.
	함정 체계의 정보교환 과정이 어떤 형태로 변하고 있는가?	현재 해군의 함정에는 레이더, 소나 등 다양한 센서 체계와 유도탄, 함포 등 타격 체계 및 전투체계, 지휘통제체계 등 다양한 시스템이 연결되어 복합 시스템(System of System)의 모습을 가진다. 그리고 함정에 탑재되는 체계들이 무인화, 자동화 되는 추세이며 함정 체계의 정보교환 과정이 과거 맨 투 머신(Man to Machine) 형태에서 머신 투 머신 형태로 변하고 있다. 따라서 새로운 체계의 개발에 대한 기간과 비용 문제 해결 이외에도 함정의 정보우위 달성을 위해서 위 체계들 간의 상호운용성 보장 및 효과적인 통신방법이 요구된다.
	내용 기반 Publish Subscribe 모델의 단점은?	따라서 이 모델은 주제 기반 모델 보다 유연성, 확장성 등에 있어서 나은 결과를 가져올 수 있다. 그러나 이 모델은 주제 기반 모델에 비해 그 구현이 상대적으로 복잡하며 참여하는 노드의 수와 이벤트 매칭 소요가 증가 시 이벤트 매칭을 수행하는 Broker에 부하를 증가 시킬 수 있어 전체 Publish Subscribe 모델의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 내용 기반 Publish Subscribe 모델로는 Siena[10], Narada Brokering[11] 등이 있다.

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