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ApacheとRedisで実現する効率的な負荷分散環境の構築手順を徹底解説

Apache

ApacheとRedisを組み合わせた負荷分散環境を構築することで、大量のアクセスが発生しても安定したWebサービスを提供できます。Apacheは広く使用されているWebサーバーであり、リクエストの処理を担当します。一方、Redisはインメモリデータベースとしてキャッシュやセッション管理を行い、システムの応答速度を向上させます。

負荷分散とは、複数のサーバーやプロセスに処理を分散させることで、一つのサーバーへの負荷を軽減し、パフォーマンスを最適化する技術です。Apacheはロードバランサーとしての機能を持ち、Redisと連携することで、セッション情報やキャッシュデータを一元管理し、リクエストを効率的に処理できます。

本記事では、ApacheとRedisを活用した負荷分散環境の構築手順について詳しく解説します。具体的には、ApacheとRedisの役割、インストール方法、連携設定、負荷テスト、障害対策などを順を追って説明します。これにより、高トラフィックでも耐えられる強固なWebシステムを構築できるようになります。

目次

ApacheとRedisの役割とは


Webサービスの効率的な運用には、ApacheとRedisが果たす役割を正しく理解することが重要です。それぞれの技術は異なる機能を持ちながらも、連携することで高性能な負荷分散環境を構築できます。

Apacheの役割


Apacheは世界中で広く利用されているWebサーバーソフトウェアです。主な役割は以下の通りです。

  • HTTPリクエストの処理：クライアントからのリクエストを受け取り、適切なレスポンスを返します。
  • ロードバランシング：複数のサーバーにリクエストを分散し、特定のサーバーに負荷が集中しないようにします。
  • SSL/TLSによる通信の暗号化：セキュアなWebサイト運用のために通信を暗号化します。
  • モジュール拡張：PHPやPythonなどのスクリプト処理やキャッシュ管理など、モジュールを追加することで機能を拡張できます。

Redisの役割


Redisはインメモリデータストアとして動作し、データをメモリ上に保持することで高速なデータアクセスを実現します。負荷分散環境においてRedisが担う役割は以下の通りです。

  • キャッシュ：頻繁にアクセスされるデータをキャッシュし、データベースの負荷を軽減します。
  • セッション管理：ユーザーのセッション情報をRedisに保存し、複数のサーバー間で共有することで、一貫性のあるユーザー体験を提供します。
  • キューイング：バックエンドで非同期処理を行う際のメッセージキューとして利用できます。

ApacheとRedisの連携の重要性


Apacheだけでも負荷分散は可能ですが、Redisと連携することで以下のようなメリットが得られます。

  • 応答速度の向上：キャッシュデータの活用により、リクエストへのレスポンス速度が飛躍的に向上します。
  • 高可用性：セッション情報をRedisで一元管理することで、どのサーバーでも同一のデータを利用可能になります。
  • スケーラビリティの向上：負荷が増加しても容易にサーバーを追加し、システム全体のパフォーマンスを維持できます。

ApacheとRedisは、それぞれの得意分野を活かしつつ、相互補完的に動作することで、堅牢な負荷分散環境を実現します。

負荷分散の仕組みとRedisの活用方法


負荷分散は、大量のリクエストを効率的に処理するための重要な技術です。Apacheを使った負荷分散では、複数のバックエンドサーバーにリクエストを分散することで、一つのサーバーへの負荷集中を防ぎます。ここでRedisを活用することで、さらに効率的なリクエスト処理と安定したセッション管理が可能になります。

負荷分散の基本的な仕組み


Apacheはリバースプロキシとして動作し、クライアントからのリクエストを複数のバックエンドサーバーに振り分けます。

  • ラウンドロビン方式：リクエストを順番に各サーバーに振り分ける。
  • 最小接続方式：接続数が最も少ないサーバーにリクエストを送る。
  • IPハッシュ方式：クライアントのIPアドレスに基づいて振り分けることで、特定のユーザーを同じサーバーに接続。

これにより、一部のサーバーが過負荷になることを防ぎ、システム全体の安定性を維持します。

Redisの活用ポイント


負荷分散環境ではセッション管理やキャッシュが重要な役割を果たします。Redisを活用することで、以下のような処理を効率的に行えます。

1. セッション管理の一元化


通常、ユーザーのセッション情報はWebサーバーごとに保存されます。しかし、複数のサーバーがリクエストを処理する負荷分散環境では、セッションの一貫性を保つことが課題となります。
Redisを使うことで、セッションデータを一元管理し、どのサーバーがリクエストを処理しても同一のセッションデータを参照できるため、ユーザー体験が途切れません。

// PHPでのセッション管理例
ini_set('session.save_handler', 'redis');
ini_set('session.save_path', 'tcp://127.0.0.1:6379');
session_start();
$_SESSION['user'] = 'example';

2. キャッシュによる応答速度の向上


頻繁にアクセスされるデータをRedisにキャッシュすることで、データベースへのクエリ回数を減らし、レスポンスを高速化します。

# Redisにデータをキャッシュ
SET user:1001 '{"name": "John", "age": 30}'
GET user:1001


これにより、データ取得のオーバーヘッドが大幅に削減されます。

3. 負荷分散キューの実装


Redisはメッセージキューとしても使用され、リクエストを非同期で処理することで、負荷分散のさらなる最適化が可能です。

# キューにタスクを追加
LPUSH queue:tasks "process_image"
# タスクを取得して処理
RPOP queue:tasks

RedisとApacheの連携で得られるメリット

  • 高速なデータアクセス：キャッシュやセッション管理が高速化され、ユーザー体験が向上します。
  • 高可用性の確保：セッションの一元管理により、セッション切れやデータの不整合が防止されます。
  • スケーラブルなシステム構築：サーバーの追加が容易になり、トラフィック増加に柔軟に対応可能です。

Apacheによるリクエスト分散とRedisによるデータ管理を組み合わせることで、負荷分散環境はさらに強力で安定したものになります。

必要な環境と前提条件の設定


ApacheとRedisを組み合わせた負荷分散環境を構築するためには、適切な環境を整えることが重要です。以下では、必要なソフトウェア、システム要件、および事前設定について解説します。

必要なソフトウェアとバージョン


最新の安定版を使用することで、セキュリティの向上とパフォーマンスの最適化が期待できます。

  • Apache：バージョン 2.4 以上
  • Redis：バージョン 6.x 以上
  • PHP (必要に応じて)：バージョン 7.4 以上
  • OS：Linux系 (Ubuntu 20.04 以上、CentOS 8 以上推奨)
  • Python (オプション)：Redis操作用のスクリプトで利用可能

ハードウェア要件

  • CPU：2コア以上
  • メモリ：4GB 以上 (Redisはメモリ上で動作するため、多くのデータを保持する場合は8GB以上推奨)
  • ストレージ：SSD推奨 (I/O性能向上のため)

ネットワーク要件

  • サーバー間で低遅延のネットワーク接続が必要です。
  • Redisはデフォルトでポート6379を使用するため、ファイアウォール設定でポートを解放します。
  • Apacheは標準でポート80(HTTP)および443(HTTPS)を使用します。

事前設定と準備

1. システムのアップデート


最初にOSおよび関連パッケージを最新の状態にします。

sudo apt update && sudo apt upgrade -y

2. Apacheのインストール確認


Apacheがインストールされているか確認し、インストールされていない場合は以下のコマンドで導入します。

sudo apt install apache2 -y


インストール後、Apacheが動作しているか確認します。

sudo systemctl status apache2

3. Redisのインストール


Redisをインストールし、自動起動を設定します。

sudo apt install redis-server -y
sudo systemctl enable redis
sudo systemctl start redis


インストール完了後、Redisが正常に動作しているか確認します。

redis-cli ping
# PONGと表示されれば成功

4. PHPモジュールのインストール (オプション)


PHPでセッション管理やキャッシュを使用する場合は、以下をインストールします。

sudo apt install php php-redis -y
sudo systemctl restart apache2

前提条件の確認

  • サーバーが適切にネットワークに接続されていること。
  • ApacheとRedisが正常に起動し、ポートが解放されていること。
  • 必要なアクセス権限が設定されていること。

これで、ApacheとRedisを組み合わせた負荷分散環境を構築する準備が整いました。次は、それぞれの詳細な設定方法について解説します。

Apacheのインストールと基本設定


Apacheのインストールと設定は、負荷分散環境構築の第一歩です。ここでは、Apacheのインストールから基本的な設定までを詳しく解説します。

Apacheのインストール手順


まず、システムにApacheをインストールします。以下はUbuntuでのインストール手順です。

sudo apt update
sudo apt install apache2 -y

CentOSの場合は以下のコマンドを使用します。

sudo yum install httpd -y
sudo systemctl start httpd
sudo systemctl enable httpd

インストール後、Apacheが正しく動作しているか確認します。

sudo systemctl status apache2  # Ubuntu
sudo systemctl status httpd    # CentOS


Active (running)と表示されれば、Apacheが正常に起動しています。

Apacheの自動起動設定


システム再起動時にApacheが自動で起動するように設定します。

sudo systemctl enable apache2  # Ubuntu
sudo systemctl enable httpd    # CentOS

基本的なApacheの設定


Apacheの設定ファイルは/etc/apache2/apache2.conf (Ubuntu)または/etc/httpd/conf/httpd.conf (CentOS)にあります。必要に応じて、以下の設定を行います。

1. ドメインとポートの設定


デフォルトではポート80 (HTTP)と443 (HTTPS)を使用します。ポートを変更する場合は以下を編集します。

sudo nano /etc/apache2/ports.conf

以下の行を追加または変更します。

Listen 8080  # 例: 8080ポートでリッスン

変更後、Apacheを再起動します。

sudo systemctl restart apache2

2. バーチャルホストの設定


複数のWebサイトを運用する場合は、バーチャルホストを設定します。

sudo nano /etc/apache2/sites-available/000-default.conf

以下のようにバーチャルホストを設定します。

<VirtualHost *:80>
    ServerAdmin admin@example.com
    ServerName example.com
    DocumentRoot /var/www/html
    ErrorLog ${APACHE_LOG_DIR}/error.log
    CustomLog ${APACHE_LOG_DIR}/access.log combined
</VirtualHost>

設定後、サイトを有効化してApacheを再起動します。

sudo a2ensite 000-default.conf
sudo systemctl restart apache2

ファイアウォールの設定


必要なポートを開放します。

sudo ufw allow 80/tcp
sudo ufw allow 443/tcp
sudo ufw reload

動作確認


ブラウザでサーバーのIPアドレスまたはドメイン名にアクセスし、Apacheのデフォルトページが表示されることを確認します。

これでApacheの基本的なインストールと設定が完了しました。次はRedisのインストールと設定について解説します。

Redisのインストールと設定方法


RedisはApacheと連携してセッション管理やキャッシュに利用されるインメモリデータストアです。高速なデータアクセスが可能で、負荷分散環境におけるパフォーマンス向上に寄与します。ここではRedisのインストールから基本的な設定までを解説します。

Redisのインストール手順

Ubuntuでのインストール

sudo apt update
sudo apt install redis-server -y

CentOSでのインストール

sudo yum install epel-release -y
sudo yum install redis -y

インストール後、Redisを起動して自動起動を設定します。

sudo systemctl start redis
sudo systemctl enable redis

正常に動作しているか確認します。

redis-cli ping
# PONGと表示されれば正常

Redisの基本設定


Redisの設定ファイルは/etc/redis/redis.conf (Ubuntu)または/etc/redis.conf (CentOS)にあります。必要に応じて以下の設定を変更します。

1. バインドアドレスの変更


デフォルトではローカルホストのみにバインドされています。他のサーバーからアクセスできるようにするには、以下を変更します。

sudo nano /etc/redis/redis.conf
bind 0.0.0.0  # すべてのIPからの接続を許可

2. ポート番号の確認


Redisはデフォルトで6379ポートを使用します。必要に応じて変更します。

port 6379

3. 永続化の設定


データの永続化にはRDB (スナップショット)またはAOF (Append Only File)が利用できます。デフォルトではRDBが有効です。

save 900 1   # 15分ごとに1回保存
save 300 10  # 5分で10回の書き込みがあれば保存
save 60 10000  # 1分で10000回の書き込みがあれば保存

AOFを有効にする場合は以下を追加します。

appendonly yes

4. メモリの上限設定


Redisのメモリ使用量を制限するには以下を設定します。

maxmemory 2gb
maxmemory-policy allkeys-lru  # LRUでキャッシュ削除

Redisの再起動


設定変更後はRedisを再起動して反映します。

sudo systemctl restart redis

Redisへの接続確認


以下のコマンドでRedisに接続し、簡単なデータ操作を行います。

redis-cli
set test "Hello Redis"
get test
# "Hello Redis"と表示されれば成功

ファイアウォールの設定


外部アクセスを許可する場合は、Redisのポート6379を開放します。

sudo ufw allow 6379
sudo ufw reload

これでRedisのインストールと基本設定が完了しました。次はApacheとRedisを連携させる方法について解説します。

ApacheとRedisの連携設定


ApacheとRedisを連携することで、セッション管理やキャッシュ機能を強化し、負荷分散環境のパフォーマンスを向上させることができます。ここでは、ApacheとRedisを連携させる具体的な手順を解説します。

1. PHPとRedisの連携 (PHPセッション管理)


PHPを使用してWebアプリケーションを構築する場合、セッションデータをRedisに保存することで複数のApacheサーバー間でセッションを共有できます。

PHP-Redisモジュールのインストール

sudo apt install php-redis -y
sudo systemctl restart apache2

PHP設定ファイルの編集

sudo nano /etc/php/7.4/apache2/php.ini


以下の行を追加または変更します。

session.save_handler = redis
session.save_path = "tcp://127.0.0.1:6379"


変更後、Apacheを再起動して設定を反映します。

sudo systemctl restart apache2

動作確認 (PHPスクリプト)


Redisでセッションが正しく動作するかを確認する簡単なPHPスクリプトを作成します。

sudo nano /var/www/html/session_test.php


以下のコードを記述します。

<?php
session_start();
if (!isset($_SESSION['count'])) {
    $_SESSION['count'] = 1;
} else {
    $_SESSION['count']++;
}
echo "セッションカウント: " . $_SESSION['count'];
?>


ブラウザでhttp://<サーバーIP>/session_test.phpにアクセスし、セッションカウントが増加することを確認します。Apacheが複数台構成でもセッションが引き継がれます。

2. ApacheでRedisキャッシュを活用 (mod_cache_redis)


Apacheで動的コンテンツのキャッシュにRedisを利用する場合、mod_cache_redisモジュールを使用します。

mod_cache_redisのインストール

sudo apt install libapache2-mod-cache-redis -y
sudo a2enmod cache cache_redis
sudo systemctl restart apache2

Redisキャッシュの設定


Apacheのサイト設定ファイルにRedisキャッシュの設定を追加します。

sudo nano /etc/apache2/sites-available/000-default.conf


以下を追記します。

CacheQuickHandler off
CacheLock on
CacheLockPath /tmp/mod_cache-lock
CacheLockMaxAge 5

CacheEnable disk /
CacheRoot /var/cache/apache2/mod_cache_disk
CacheDefaultExpire 3600
CacheMaxExpire 86400

CacheEnable redis /
CacheRedisHost 127.0.0.1:6379
CacheRedisDatabase 0
CacheRedisExpire 7200


設定後、Apacheを再起動します。

sudo systemctl restart apache2

3. ApacheでロードバランシングとRedis連携


Apacheでリバースプロキシによるロードバランシングを設定し、Redisでセッションを共有する構成も可能です。

ロードバランシング設定例

sudo nano /etc/apache2/sites-available/000-default.conf


以下を追記します。

<Proxy balancer://mycluster>
    BalancerMember http://192.168.1.101
    BalancerMember http://192.168.1.102
</Proxy>

ProxyPass / balancer://mycluster/
ProxyPassReverse / balancer://mycluster/

Redisセッション管理とロードバランシングを併用することで、複数のApacheサーバーでセッションが維持され、スケールアウトが容易になります。

RedisとApache連携のメリット

  • 高速化：動的コンテンツをキャッシュすることで、レスポンス速度が向上します。
  • セッション維持：複数のApacheサーバー間でセッションが共有され、ユーザー体験が向上します。
  • スケーラビリティ：サーバーの追加が容易で、大規模なトラフィックにも対応可能です。

これで、ApacheとRedisの連携設定が完了しました。次は負荷テストとチューニング方法について解説します。

負荷テストとチューニングの実施


ApacheとRedisを連携させた負荷分散環境が構築できたら、次のステップは負荷テストとチューニングです。これにより、システムのボトルネックを特定し、最適化して高いパフォーマンスを維持することができます。

1. 負荷テストの目的


負荷テストは以下の点を確認するために実施します。

  • 同時接続時のパフォーマンス測定
  • システムの最大処理能力の特定
  • ボトルネックの特定と解消
  • サーバーのスケールアウト判断基準の策定

2. 負荷テストツールの導入


負荷テストには「Apache Benchmark (ab)」や「JMeter」を利用します。ここではApache Benchmarkを使用したテスト手順を解説します。

Apache Benchmarkのインストール

sudo apt install apache2-utils -y

3. 負荷テストの実施方法

シンプルなテストコマンド


以下のコマンドで、100件のリクエストを同時に10接続ずつ実行します。

ab -n 100 -c 10 http://<サーバーIP>/

パラメータ解説

  • -n 100：リクエスト総数
  • -c 10：同時接続数

テスト結果の例

Requests per second:    256.45 [#/sec] (mean)
Time per request:       39.00 [ms] (mean)
Transfer rate:          5123 Kbytes/sec
  • Requests per second：1秒間に処理できるリクエスト数
  • Time per request：リクエスト1件あたりの処理時間

大量リクエストでのテスト

ab -n 10000 -c 100 http://<サーバーIP>/session_test.php


セッション管理を伴うページでテストを行い、RedisとApacheの連携が正しく動作しているかを確認します。

4. Redisのパフォーマンステスト


Redis自体のパフォーマンスを測定するためにはredis-benchmarkを利用します。

Redisの負荷テスト

redis-benchmark -n 100000 -q


テスト結果の例

PING_INLINE: 123456.78 requests per second
SET: 111111.11 requests per second
GET: 150000.00 requests per second
  • GET/SETの速度が重要です。キャッシュ利用時のパフォーマンスが確認できます。

5. チューニングの方法

1. Apacheのチューニング


Apacheの処理能力を向上させるため、/etc/apache2/apache2.conf (Ubuntu)で以下の設定を調整します。

<IfModule mpm_prefork_module>
    StartServers            5
    MinSpareServers         5
    MaxSpareServers         10
    MaxRequestWorkers       250
    MaxConnectionsPerChild  10000
</IfModule>

調整ポイント

  • MaxRequestWorkers：同時に処理可能な接続数を増やします。
  • StartServers：Apache起動時に立ち上げるプロセス数です。

2. Redisのチューニング


Redisのメモリ管理を最適化します。/etc/redis/redis.confを編集します。

maxmemory 2gb
maxmemory-policy allkeys-lru
  • maxmemory：Redisが使用できる最大メモリ量を設定します。
  • maxmemory-policy：メモリが不足した場合に古いキャッシュから削除するポリシーを設定します。(LRU: 最も使用頻度の低いデータを削除)

6. 負荷分散環境の確認


ロードバランシングの挙動を確認するために、複数のサーバーで負荷テストを実施し、レスポンス時間やエラー率を比較します。

複数サーバーでのテスト例

ab -n 5000 -c 50 http://<ロードバランサーIP>/

このようにして、負荷テストを定期的に行うことでシステムのパフォーマンスが安定しているかを確認できます。

7. パフォーマンス改善のポイント

  • Apacheプロセス数の適切な調整
  • Redisキャッシュサイズの拡張
  • 不要なデータの定期削除
  • サーバーのスケールアウト (水平分散)

負荷テストとチューニングを繰り返すことで、安定した負荷分散環境が構築できます。次は障害対策とトラブルシューティングについて解説します。

障害対策とトラブルシューティング


ApacheとRedisを利用した負荷分散環境では、障害が発生した場合に迅速に対処することが求められます。本セクションでは、発生しやすい障害とその対策、具体的なトラブルシューティングの方法について解説します。

1. Apache関連の障害と対策

1.1 サーバーが応答しない (503エラー)


原因: バックエンドサーバーが過負荷、またはApacheのプロセス数が上限に達している場合に発生します。
対策:

  • MaxRequestWorkersの上限を引き上げる。
  • プロセスを増加させる設定を行う。
<IfModule mpm_prefork_module>
    StartServers            10
    MinSpareServers         10
    MaxSpareServers         20
    MaxRequestWorkers       400
    MaxConnectionsPerChild  0
</IfModule>
  • 一時的なアクセス集中が原因の場合は、キャッシュの有効化で対処。

1.2 高負荷時のレスポンス遅延


原因: キャッシュが機能していない、またはキャッシュサイズが不足している可能性があります。
対策:

  • Redisキャッシュを有効化し、キャッシュサイズを増加。
CacheEnable redis /
CacheRedisHost 127.0.0.1:6379
CacheRedisExpire 10800
  • 静的ファイルはCDNを利用して分散。
  • ApacheのGzip圧縮を有効にする。
<IfModule mod_deflate.c>
    AddOutputFilterByType DEFLATE text/html text/plain text/xml
</IfModule>

2. Redis関連の障害と対策

2.1 Redisが接続できない (セッションが切れる)


原因: Redisがダウンしている、または接続が切断された可能性があります。
対策:

  • Redisの稼働状況を確認し、プロセスを再起動します。
sudo systemctl status redis
sudo systemctl restart redis
  • Redisのログを確認し、異常がないかを調べます。
sudo tail -f /var/log/redis/redis-server.log
  • ポート6379がファイアウォールでブロックされていないか確認。
sudo ufw allow 6379

2.2 メモリ不足エラー (OOMエラー)


原因: Redisがメモリ制限を超えて動作した場合に発生します。
対策:

  • maxmemoryの値を増やします。
maxmemory 4gb
maxmemory-policy allkeys-lru
  • 不要なキャッシュデータを削除します。
redis-cli flushall
  • メモリ不足が頻発する場合は、スケールアウトしてRedisのインスタンスを増やします。

3. ロードバランサーの障害と対策

3.1 リクエストが特定のサーバーに偏る


原因: ロードバランシングのアルゴリズム設定に問題がある可能性があります。
対策:

  • Apacheのロードバランシング設定でラウンドロビン方式を指定します。
<Proxy balancer://mycluster>
    BalancerMember http://192.168.1.101
    BalancerMember http://192.168.1.102
    ProxySet lbmethod=byrequests
</Proxy>
  • IPハッシュ方式など、他のアルゴリズムも検討します。

4. 全体的なトラブルシューティング方法

4.1 ApacheとRedisの接続確認


RedisがApacheから接続できているか確認します。

redis-cli ping
<?php
$redis = new Redis();
$redis->connect('127.0.0.1', 6379);
echo $redis->ping();
?>


ブラウザでPONGと表示されれば正常です。

4.2 ログの確認


障害が発生した場合はログを確認し、原因を特定します。

sudo tail -f /var/log/apache2/error.log  # Apacheエラーログ
sudo tail -f /var/log/redis/redis-server.log  # Redisログ

4.3 再起動での即時対応


一時的な障害は再起動で解消する場合があります。

sudo systemctl restart apache2
sudo systemctl restart redis

5. 障害対策のベストプラクティス

  • モニタリングの導入：PrometheusやGrafanaを導入し、リアルタイムで負荷を監視します。
  • アラートの設定：負荷が一定値を超えた場合にメールで通知する仕組みを導入します。
  • フェイルオーバー設定：Redis Sentinelを利用して、自動でフェイルオーバーを実装します。
  • バックアップの取得：Redisデータのスナップショットを定期的に保存し、障害発生時に迅速に復旧できる体制を整えます。

これらの対策を実施することで、障害発生時にも迅速に対応し、安定した負荷分散環境を維持することが可能です。

まとめ


本記事では、ApacheとRedisを組み合わせた負荷分散環境の構築方法について解説しました。ApacheがHTTPリクエストの処理とロードバランシングを担当し、Redisがセッション管理やキャッシュとして機能することで、システムの安定性とパフォーマンスを大幅に向上させることができます。

主な内容として、ApacheとRedisの役割、インストール手順、連携設定、負荷テスト、チューニング方法を具体的に説明し、障害発生時のトラブルシューティング方法についても取り上げました。

これらの知識を活用することで、高トラフィックにも耐えられるスケーラブルなWebシステムを構築し、ユーザー体験を向上させることが可能になります。ApacheとRedisを適切に設定し、継続的に監視と改善を行うことで、安定した運用環境を維持しましょう。

Apache
Apache 負荷分散 Redis サーバー構築

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