H3C云学堂技术方案概述.docx
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H3C云学堂技术方案概述
1方案概述
随着信息化技术的飞速发展，从国家的主管部门到站在教育第一线的教师们都意识到，必须对作为立国之本的教育事业进行信息化改造，才能满足不断变化的教学需求。
而教育手段的信息化改造，是教育信息化改造最为基础，最先进行的一部分。
如何利用先进的信息技术和现代教育思想，为实施素质教育创建信息化教学管理环境，是摆在教育工作者面前一个崭新而又富有挑战的课题。
目前，传统的教学方式已不能够充分满足当前教学发展的要求，教学过程中既存的和新发现的一系列问题都严重影响了教学质量的提高以及教学进度，所以新兴的现代教育技术手段就显的格外重要。
H3C基于最前沿的云计算技术，结合了广大院校的实际情况，有针对性的设计出了新一代计算机教室建设方案。
每间教室只需配置一台云学堂主机，便可获得几十台性能卓越的虚拟机，这些虚拟机通过网络交付给云学堂终端，学生便可体验生动的云桌面环境。
云学堂可按照课程提供丰富多彩的教学课程模板，将云计算和教育场景紧密结合，实现教学集中化，管理智能化，维护简单化，将计算机教室带入云时代。
1.1项目背景
近年来，云计算因具备资源按需分配、安全可控、数据可靠、资源利用率高、管理方便、系统高可用、成本适中、节能环保等多种特性，在各行业中应用越来越广泛。
基于网络的日趋优化，云服务随时随地交付变为可能。
但云计算在教育行业，却迟迟没能落地。
其主要原因有四点：
部署困难、管理技术门槛高、用户体验较差以及初次投资成本过高。
1.2项目建设目标
H3C云学堂根据不断整合和优化校园机房设备的工作思路，结合普教/职教/高教等广大院校的实际情况，编写本设计方案。
本方案的总体目标是使用前沿的云计算技术打造学校的云教学机房，使用桌面虚拟化代替传统PC机，通过部署高性能的云学堂主机和零维护的云学堂终端，交付学生上课使用的教学桌面，并通过多媒体教学管理软件丰富的教学功能高效的完成教学，从而极大的降低运维难度，节能减排，提高教学体验，促进学校信息化发展。
具体建设内容包括：
实现数据中心云学堂主机的部署，提供数据中心级的管理；
使用云学堂终端替换PC机，在满足教学需求的同时，更易管理、更易维护、更节能环保；
教师机上安装专为虚拟化环境优化的云学堂多媒体教学管理软件，具备丰富的教学功能，极大的提升上课效率；
建设校级的统一管理平台，集中管理所有服务器、存储资源。
1.3方案设计思路
为更好满足学校教学机房的建设要求，H3C对国内多所院校进行实地调研，根据教师和学生的上课习惯，结合国家教育局要求的师机、生机比例达标部署建议，打造出一体化交付的云学堂解决方案。
该方案在满足师生上课需求的同时，着力于改善师生上课体验，降低管理运维难度，降低总拥有成本，节能环保。
“全融合、高体验、简管理、促效率”是H3C云学堂解决方案的四大核心价值。
云学堂可根据教学需要灵活提供多种教学课程模板并支持实时切换；可有效保障学生在上课期间专注听课，保证课堂纪律，提升教学质量；可极大的降低机房维护难度。
云学堂将云计算和教学场景紧密融合，实现交付快捷化、管理集中化、教学智能化、校园信息化。
1.4更多价值点
除四大核心价值外，H3C云学堂解决方案还可提供以下优势：
易操作：
管理系统操作简单，教师，学生，管理员三种角色拥有不同的操作界面。
教师一键选择教学课程，并同步到学生的桌面；学生直接使用超越PC体验的云桌面。
管理员可通过Web浏览器随时监控云学堂主机负载。
所有操作参考多所院校实际案例制作，不需任何专业技巧。
设备利旧：
推荐使用瘦客户机代替老化的PC，瘦客户机的价格远低于标准PC，生命周期通常是标准PC的两倍，能耗仅仅是标准PC的几十分之一，而且瘦客户机体积小巧，空间占比优于标准PC。
当然，也可以将现有PC改造成云终端重新加以利用，从而延长现有PC的生命周期并降低初始投资成本。
强化的系统稳定性：
计算和数据都在云端，H3C桌面传输协议只传输桌面图像变化，从根本上降低了机房管理所面临的安全风险。
同时，由于传输内容简单，不需要占用宝贵的带宽资源，即使网络出现故障，系统依旧正常运行在云主机上，不会受到任何影响，待故障恢复后即连即用，相对于早期的无盘系统和远程桌面，安全性和稳定性都大大提高。
简化的数据备份：
教学课程模板存放在云主机内部存储中，H3C云学堂针对存储高可用作了深度优化，可确保模板不丢失。
同时，云学堂专门为考试环境设计了作业空间来下发/上交作业，简化流程，提高了考试数据的安全性。
简化的还原工作：
任课教师主动控制或下课时，虚拟桌面会还原到初始状态，彻底简化了还原工作。
IT管理员不再需要定期还原或刷新所有操作系统。
强化的高可用性：
借助业界领先的CAS虚拟化平台提供的HA功能，可以保证云学堂主机高可用性，保证教学不中断。
简化的系统部署：
引入了课程模板化功能，所有课程都作为虚拟机模板存在，不再需要反复重装系统、安装软件，因此部署的流程可得到明显的简化。
以前管理员可能要在每台PC上花费几个小时部署新的应用，然后再花几十个小时将此修改同传给所有PC，而现在只需要花费15分钟更新教学镜像就可以了。
简化的IT维护：
与传统PC相比，云学堂主机的维护要容易得多。
因为虚拟机的特性，各项维护任务变得十分简单，包括维护系统和应用、向用户分发桌面、业务迁移以及教学场景切换等。
对虚拟机的修改在下课后都会被丢弃，系统还原卡直接被淘汰，病毒从此也无法再感染系统了。
统一管理、集中配置：
虚拟桌面的管理和配置都在云端进行，管理员可以随时随地对所有桌面和应用进行统一配置和管理。
例如系统升级、应用安装等，避免了传统PC空间上过于分散所造成的管理困难，降低了管理成本。
综上所述，H3C云学堂解决方案让师生在现代化的云机房中，获得卓越的教学体验。
2用户场景分析
2.1多所院校实地勘察概况
通过对多所院校实际场景的调研，总结出各院校面临的教学机房使用问题如下：
随着各院校办学规模的不断扩大，学生数量不断增加，教学资源逐渐紧张，传统的教学方法受到了极大的挑战。
现代化的教学方式已经离不开计算机的辅助，因此各院校都在不断增加计算机的购置和计算机教学机房的部署。
目前很多教学工作都在机房进行，而教学机房也是每个学生在课余时间上网查找资料，完成作业的场所，所以机房的管理和响应速度，将直接决定各院校教学工作能否顺利开展。
但计算机教学机房的管理难度又无疑是所有教室中最大的。
教学机房的管理和维护复杂，软硬件更新频率高，系统稳定性差。
以某中学为例，该校在每间计算机教室中平均部署50台PC机供学生进行上机操作，为防止学生操作导致的数据丢失和系统损坏，学校不得不在每台PC中安装还原卡，确保每次重启PC时，数据还原到初始状态。
还原卡本身设置繁琐、故障率高、质量参差不齐，并且要求所有PC的主板和硬盘型号都一致，常常会由于采购不到配件而导致陷入PC越用越少的困境。
因此通常都会在部署初期采购大量备件，导致初始硬件成本升高。
另外，还原卡还容易被学生破解，导致系统依旧经常损坏，管理员不得不重装系统，大大增加了管理难度。
每台PC因课程需要往往需要安装大量教学软件，系统兼容性差、过度臃肿，也令系统反应越来越慢，问题频现。
这些情况不仅会影响教学质量和效率，增加管理员的工作量，而且也会带来信息安全方面的风险。
同时，为了方便教学，该校在每间机房都部署了一台教师PC机，教师可以通过U盘、移动硬盘的方式将随身携带自身的教学课件拷贝入桌面机并通过教学管理软件进行发布和教学。
可一旦U盘和移动硬盘感染了病毒，就会迅速感染其他PC，严重影响正常教学。
同时，如果U盘出现损坏，教师只能通过黑板等传统方式进行教学，影响教学效果。
每次考试之前，IT管理员要为各机房的教师机和学生机重新刷机，每学期刷机就占了很大的工作量。
考试结束后，所有机器又要刷回教学系统，工作量加倍。
为了能按时完成，学校往往不得不请外援来协助完成，费时费力、增加成本不说，还有安全隐患。
该校每当需要部署新应用进行教学授课时，必须要在新的财年提交申请并审批，经过政府采购流程后才可获得新的PC机，此采购周期往往为半年甚至一年。
尽管该校针对教学机房做了节能方案，如按时断电、学生下课关机检查、教师巡检等。
但机房电力消耗依旧是困扰学校的一大难题。
经过勘测，发现空调和PC机是机房的用电大户。
2.2机房类型分析
各院校的教学机房建设时间，维护质量和采购成本各不相同，机房的实际情况也有好有坏，需要根据现有环境，打造符合教学要求、既节省成本又可以解决问题的云机房。
2.3云机房建设关键点
根据学校实际情况决定实施配置方案，旧机房改造可继续沿用老PC，充分利旧、节省成本。
新建机房则推荐采用瘦客户机全面代替PC。
3项目需求分析
3.1业务架构与需求分析
学校的机房建设项目往往需要达成以下目标：
保障教学业务系统稳健性和数据的安全性：
教学系统稳健性要得到进一步加强，在学生上机操作时对课件进行处理的时候，数据、系统的安全性会受到来个人自误操作及外部网络的各种威胁，为了防止人为或病毒的攻击，解决方案需要提供一套安全保护措施，充分保证操作系统和数据应用系统的安全，同时要实现在多教室同时授课情况下，对数据和系统的安全性和可靠性的保障措施，灾难应对及恢复策略。
减少对现有环境的修改：
在建设新机房的同时尽可能减少对学校现有网络环境和电路作修改。
最好可以沿用原有旧机房直接改造，或者在新建机房时不需要部署强电，直接从普通教室升级而来即可。
保证教学应用系统及外围设备的兼容性：
保证系统在3-5年时间内兼容现有教学应用系统，并能够随时支持新的教学场景切换。
要实现最高效的教学应用系统的集中管理、充分考虑合理的运维费用和较小的运维服务难度，最大限度地降低综合的维护成本。
兼顾到不同时期的各项软件应用及硬件设备，利用较小的代价改造这些系统。
兼顾到与已有的各种教学管理系统和身份认证系统的兼容性。
兼顾不同终端设备，包括个人电脑，云终端等。
兼顾多种外接设备，如USB设备，并口设备，串口设备等。
3.2总体设计要求
3.2.1需求特点总结
随着信息化校园的建设和云计算的升温，基于云计算的应用交付逐步成为教育行业发展的必然趋势。
学校期望的，是可以在预算不变的前提下加快信息化建设步伐，现有教学系统和应用可以平稳过渡到桌面云上，教师和学生在教学上有更优的体验，而管理员也不需要为系统的安全和数据保护而分心，能将更多的精力投入到业务创新中。
3.2.2方案设计原则
根据上述的需求分析和部署环境的实际特点，使用H3C云学堂解决方案整体规划与打造云机房，需要本着以下原则进行：
统一规划、逐步建设实施原则
机房在统一规划的前提下，根据学校的实际需求，进行逐步实施，充分考虑各种因素。
集成性原则
通过统一集成的规划，实现基于云桌面访问的系统接入规范，从而逐步实现对全校教学系统用户接入的全面融合。
安全性原则
根据桌面访问的不同安全等级要求，和网络访问的安全规范，制定系统的安全性规范，完善信息安全策略和信息安全标准，满足数据安全和访问安全的要求，提供可靠的系统安全管理模式。
可扩展性原则
系统的设计要考虑到学校未来发展的需要，架构应满足横向和纵向扩展的需求，在架构简明的基础上，降低各功能模块和组件的耦合度，并充分考虑到兼容性，实现快速高效的扩展方案。
适应性原则
系统需充分考虑到已有的IT资源投入，适配网络、系统和应用架构，避免在构建过程中的大范围系统改造，降低系统复杂度和建设成本。
4云学堂项目总体架构设计
云学堂解决方案的核心构成是H3C云学堂统一管理平台、教师端和学生端。
管理员在统一管理平台上针对不同课程制作课程模板；在教师机上部署教师端程序，在学生机上部署学生端程序。
上课时，教师在教师端程序执行简单操作：
选中所需课程，点击“上课”，即可在云主机中生成几十个虚拟桌面并推送到学生端；点击“下课”即可终止课程，删除所有虚拟机，回收云主机资源。
云主机的操作记录，运行状态等，可通过Web图形化管理界面查看，一目了然。
学生的云终端开机后自动和云主机连接，获取虚拟桌面，操作方式与传统PC完全相同。
针对不同的使用场景，需要注意以下几点：
以教室为单位按课程制作镜像顺序：
按课表中的课程分别创建虚拟机→按课程要求在虚拟机中安装标准化操作系统→安装课程需要的教学应用和多媒体教学管理软件→将虚拟机转换成模板并按课程命名。
如果不同的课程使用相同或类似的教学应用，可以考虑将应用合并在同一个课程模板中，对模板名称加以注释即可，这样可以减少存储空间占用，减少资源浪费。
应用的兼容性。
为避免课程应用出现兼容性问题，在虚拟机中安装应用时要注意环境变量调优和参数配置，保证所有应用使用正常。
外设的兼容性。
考虑到不同课程可能会对外设有详细要求，需要打开云主机中外设重定向功能，将外设连接至云终端，在虚拟机中验证设备可正常识别并安装好设备驱动，测试基本功能没问题，再将虚拟机制作成课程模板。
因为安装不同应用的虚拟机对云主机系统资源占用量不同，所以在满足用户需求的前提下，建议按照最大资源占用量制作方案，并选择云学堂主机类型。
下文中将分析目前的重要使用场景，并提出推荐和备选的解决方案。
4.1教室分散式部署云主机场景
该场景为H3C推荐云机房建设方案，在每个教学机房分别部署云主机交付本教室桌面，最突出的特点是：
带宽充足，显示效果最佳，且不占校园网络带宽
管理按物理教室划分，一目了然
不必改造现有网络架构
4.2数据中心集中部署云主机场景
在数据中心或设备机房中集中部署，通过校园网交付远程桌面，最突出的特点是：
云主机不用放在教室内，空间节省
数据中心综合环境更佳
网络需要相应的作优化
财产安全，避免被破坏
对于该场景，由于所有终端使用校园网连接至数据中心，对核心交换机要求较高，带宽相对受限，可能会影响显示效果，因此建议为云桌面环境单独配置带宽较高的局域网环境，并配置专用交换机，连接数据中心的云主机和教学机房中的云终端。
5方案详述
以新建一个60人的教学机房、云主机在数据中心部署为例，方案设计如下图：
5.1教室拓扑设计
根据前述的需求分析、设计原则，以及总体架构的要求，教室拓扑图如下所示：
教学机房分为三部分：
云终端区、云主机区和云管理区。
使用方式如下：
第一步，教师机发起请求，连接至云主机，选择课程镜像，点击“上课”，制作好的课程模板在90秒内生成60个虚拟机。
第二步，学生打开云终端即可获得虚拟桌面，直接使用虚拟桌面上课或访问校园网系统。
第三步，教师可以通过多媒体教学管理软件进行电子教学管理，如屏幕广播、远程控制、在线考试等。
第四步，教师点击“下课”按钮即可结束课程，所有虚拟机都会被删除，云主机回收资源，为下一堂课做好准备。
如此，教师和学生可以轻松获得生动的云教学体验。
以下将详细描述典型整体架构中的三个组成区域模块。
5.2云主机区设计
H3C云学堂主机配备性能卓越的处理器、工业级存储、高速内存，预装业界领先的H3CCAS虚拟化平台。
5.2.1网络设计
云主机和云终端之间使用H3C自主开发的哈雷桌面传输协议，该协议仅传输桌面图形变化等少量信息，不传输业务数据，因此占用带宽很少。
5.2.2传输协议设计
根据H3C在云学堂上的实施经验。
下面是一些关键指标的参考值：
基础教学桌面50kbps
上机考试桌面100kbps
图形视频类教学桌面150~500kbps
H3C云学堂采用业界领先的哈雷桌面传输协议，提供更好的性能和更佳的用户体验，能以极低资源交付高性能的虚拟桌面。
该协议除包含多条如图形显示、键盘输入、用户接口设备、鼠标移动等专用通道外，还专门针对视频解码和高质量音频还原作了大量优化，让学生感受身临其境的影音世界。
其高性能还体现在以下几个方面：
加速2D图形渲染
图形智能压缩，根据网络带宽自动调节画质
自动终端侦测，根据终端资源智能调节画质，实现最佳用户体验
媒体流软解码，播放高清视频与音频（720P视频流畅）
媒体流硬解码，播放高清视频与音频（WMP流，1080P）
客户端鼠标硬件加速
全外设重定向
传输数据加密
我们按照上述方式来初步选择云主机网络接口带宽，相应交换机也按照上述方式选择，为了保证最佳用户体验，建议接入使用千兆交换机。
5.2.3云主机选择
按常用的教学课程需求资源计算，每台H3C云学堂主机最大可同时交付70个高性能虚拟桌面，建议每教室布置一台云主机。
虚拟桌面操作系统采用32位Windows7操作系统，每桌面配置3G内存，保证流畅体验。
虚拟机会自动挂载云主机的共享磁盘，共享磁盘又分2个，一个是教师空间，一个是学生空间。
教师空间对教师和所有学生可见，学生空间仅对学生本人和教师可见。
教师可以上传课件到教师空间供学生下载。
学生可以将需要保存的作业或资料保存在自己的作业空间，供教师提取。
将上课所需应用安装在虚拟机内并生成课程模板。
将课程模板存储在云主机的大容量SATA硬盘中，容量可根据用户实际需求配置。
批量生成虚拟机时产生的链接克隆文件存储在高速固态硬盘和内存中，解决了磁盘IO瓶颈问题，大大提升虚拟机生成速度和操作响应。
5.2.4安全设计
H3C云学堂解决方案隔离了学生对本地数据的直接访问，通过虚拟化技术，将所有的数据都存放在云主机中保存，大大提高了系统整体的安全性。
用户访问的安全性：
账号分级管理，按角色分权。
考虑到部分教师IT水平受限，只有管理员可以登录统一管理平台进行虚拟机级的操作，这样可以避免教师误操作对系统产生负面影响。
教师机采用MAC地址绑定+教师账号登录的方式。
传输协议的安全性：
用户操作访问虚拟桌面时，采用了开放的标准安全协议和公用密钥架构来建立会话，以确保安全。
仅传输桌面图像变化和鼠标移动、键盘输入等少量信息，不直接传输业务数据，避免数据泄露的可能性。
策略化的控制：
提供集中的、细粒度的策略控制用户的授权访问，针对用户、网络位置、终端环境、应用、云主机等属性决定用户是否能够获得访问。
5.2.5安全方案设计
如果学校目前是通过代理的方式访问互联网的，就会面临一些安全隐患，比如数据丢失、病毒引入等。
即使使用GHOST系统和还原卡，依旧会造成大量PC的系统损坏。
我们可以通过云学堂方案来解决上述问题。
设计原则：
虚拟机链接克隆：
每次上课均生成新的虚拟机，保证系统及数据的安全性和一致性，学生需要保存的个人资料和作业可上传至专属的作业空间保留。
虚拟机自动删除：
每次下课时所有虚拟机均会自动删除，学生所做的任何修改都会被丢弃。
在下次上课时，按照模板生成全新虚拟机供其他学生使用。
5.3云终端区设计
5.3.1瘦客户机
瘦客户机外观科技感十足、极富现代气息，体型小巧、连线简洁，保证教学环境干净整洁；其丰富的接口，可以满足计算机教室中一切外设需求，并配置了主流X86处理器、高速内存和高速固态硬盘，能耗极低，保证在较低成本下能提供高性能体验。
H3C云终端具有硬件成本低、能耗低、用途广、生命周期长等特点。
5.3.2传统PC机
部署H3C云学堂主机方案时，可以对现有的PC进行利旧。
因为计算都在云端进行，所以对终端的处理能力要求并不高，即便是已经使用了四五年的旧PC也可以作为终端使用，性能完全可以满足。
安装了H3C云学堂学生端软件（支持主流Windows操作系统），PC启动后学生端会自动运行，无缝连接至虚拟桌面。
5.3.3外设支持
H3C云学堂解决方案允许用户将外设连接到云终端上，然后像在本地桌面使用外设一样使用这些连接在云终端上的外设。
设备支持类型包括USB设备、串并口设备、摄像头等。
USB存储
云学堂解决方案支持各种类型的USB存储，包括U盘、移动硬盘等，无需另装驱动，即插即用。
很多学校学生习惯使用U盘将上课时未完成做业带回继续完成，该功能可以让学生与传统方式无差异的使用任何USB存储设备。
如果学校对存储功能有所顾虑，云主机还可控制关闭USB设备的重定向使用，实现完善的集中管理功能。
打印机
云学堂解决方案可以支持HP、Canon等各种主流打印机，既支持网络打印机，也支持连接到终端设备的本地打印机；同时支持串口、并口和USB接口打印机。
串口与并口设备
云学堂解决方案可以支持各种串口、并口设备，包括打印机、扫描仪等，只需要把设备连接到云终端即可使用。
图像与多媒体支持
云学堂解决方案允许用户像本地桌面一样在虚拟桌面查看和编辑图像、多媒体信息。
在虚拟桌面环境下，可支持1920*1080分辨率的图像显示，支持32位真彩色图像显示，能够使用WindowsMediaPlayer等常用多媒体工具流畅播放720P高清视频。
5.4云管理区设计
5.4.1云主机管理
H3C云学堂教学管理平台的主要功能是对所有机房的云主机设备集中管理。
包括云主机实时在线情况、上课状态、镜像模板，直观的向管理人员展现了云主机的运行状态。
5.4.2课程模板管理
H3C云学堂可以实时制作和同步云主机上的课程模板。
简而言之，在管理平台上做一次课程模板修改，可令所有学生直接体验最新的内容。
通过此功能的灵活使用，区域间传递优质的教学资源也不再是难题，极大的平衡了教学资源。
此功能可有效提高区域整体教学水平，让师生享受到云计算的成果。
5.5设备选型
根据本项目的设计要求，推荐的设备选型如下：
产品型号
R390G2云主机
CPU
2路XEONE5-2650V3
内存
10*16G
存储
1*480GSSD+2*1TSATA
网口
缺省4个GE口
产品型号
K390云终端
CPU
主流X86芯片
内存
1GDDR3
存储
16GSSD
网口
集成千兆网卡
显卡
IntelHD集成显卡
端口
1*HDMI、1*VGA、4*USB、1*GE口、1*麦克风、1*扬声器/耳机
5.6设备配置清单
根据该项目整体方案的设计，本项目中所涉及到的相关产品如下表：
序号
设备类型
产品型号
数量
说明
1
云主机
R390G2
1
单台最多支持70个桌面
2
云终端
K390
60
3
教师机
标准PC
1
4
显示器
标准
60
与终端数相同
5
鼠标键盘
标准
60
与终端数相同
6
云学堂软件
H3CloudClass
1
每教室一套
7
教学管理软件
1
每教室一套
6云学堂方案特点和优势
6.1简管理
统一的管理平台根据不同的教学课程制作课程镜像，同步给教室中的云学堂主机，教师上课时可根据课程安排一键选择镜像从而随时获得需要的教学环境。
管理员也不用再为记录繁杂的命令而烦恼，云学堂提供全图形控制管理界面，无论虚拟机部署还是模板制作，都只需轻轻一点。
H3C云学堂解决方案可彻底解决机房中常见的大量软件安装导致系统臃肿、软件冲突、病毒侵入、教学、考试场景切换工作量大等难题，还可省去Ghost或还原卡的繁杂设置。
全校的计算机教室设备监控和软件维护在办公室中即可轻松实现，效率比PC提高10倍。
6.2促教学
云学堂三大关键技术，全面提升虚拟机性能，可令终端启动和课程切换加速，教学软件运行更快，并且可以全面控制学生用机行为，杜绝上课开小差的情况发生。
智能镜像加速技术：
所有定制好的系统镜像会由云学堂主机自动优化，在该技术的支持下，70个虚拟机启动只需要2分钟。
同时，教师在上课过程中可根据需要随时切换学生的操作系统，从而轻松改变教学环境，演绎云技术带给教学的优化和创新实践。
多级缓存加速技术：
实现镜像启动加速、IO加速，使云桌面启动和应用程
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