Применение технологий виртуализации
для построения операционной и сетевой среды обучающих систем

Сергей Викторович Сотников

к.т.н., доцент кафедры Прикладной математики и информатики,

Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н.Туполева - КАИ,

ул. К.Маркса, 10, г. Казань, 420111, (843)2310086

sotnikov.pmi@kstu-kai.ru

Игорь Николаевич Урахчинский

доцент, к.т.н., доцент кафедры Прикладной математики и информатики,

Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н.Туполева - КАИ,

ул. К.Маркса, 10, г. Казань, 420111, (843)2310086

uralex86@mail.ru


Аннотация

В работе предлагается подход к реализации операционной и сетевой среды обучающих систем по дисциплинам, связанным с системным администрированием. Рассматриваются вопросы обеспечения мобильности разработанной среды, для ее легкого переноса и возможности работы на различном оборудовании учебных классов.

This paper suggests an approach to implementing of operational and network environment of learning systems on subjects related to system administration. Also considering ways to provide the mobility of this environment for its easy carrying and the ability to run it on different hardware in classrooms.

Ключевые слова

обучающая система, системное администрирование, операционная и сетевая среда, виртуальные машины, учебный контент;

learning  system, system administration, operating and network environment, virtual machines, learning content.

Введение

В процессе реализации Инновационной образовательной программы КГТУ им. А.Н.Туполева «Система подготовки специалистов мирового уровня в области создания и использования информационных технологий как определяющий фактор обеспечения конкурентоспособности машиностроительных производств», проводимой в рамках Национального приоритетного проекта «Образование», на факультете Технической кибернетики и информатики был разработан целый ряд электронных курсов и учебно-методических комплексов [1-4], в частности, по архитектуре, внедрению и сопровождению современных компьютерных систем и сетей.

Программы всех курсов разрабатывались с учетом государственных образовательных стандартов по направлению «Информатика и вычислительная техника», международных стандартов по направлениям CS2001, IS2002, SE2004, CE2004, IT2006,  а также учебных курсов подготовки к экзаменам программы сертификации фирмы Microsoft.

Однако курсы, связанные с системным администрированием, такие как «Операционные системы», «Сети ЭВМ и  телекоммуникации», «Проектирование, внедрение и сопровождение операционной и сетевой инфраструктуры», обладают рядом специфических особенностей, основными из которых являются:

необходимость выполнения лабораторных работ под учетной записью администратора;

одновременное использование в лабораторных работах нескольких компьютеров, объединенных в локальную сеть;

наличие специального программного обеспечения;

восстановление операционных систем и сетевой инфраструктуры в начальное состояние, после выполнения лабораторных работ.

Ни одно из этих требований практически не возможно реализовать в традиционных компьютерных классах, представляющих собой несколько компьютеров, объединенных в локальную сеть.

Работа в таком традиционном классе под учетной записью администратора ставит под угрозу не только целостность и работоспособность программного  обеспечения отдельных компьютеров, но и всей локальной сети. Установка специального программного обеспечения для различных лабораторных работ  требует больших объемов внешней и оперативной памяти, что совместно с необходимостью выполнения лабораторных работ одновременно на нескольких компьютерах, ведет к удорожанию технического обеспечения класса. Требование периодического перевода класса в начальное состояние, в свою очередь, приводит к частым и длительным работам по переустановке программного обеспечения в компьютерных классах, причем  объем этих работ пропорционален количеству компьютеров и частоте проведения лабораторных работ.

Методология и технологии разработки

Анализируя вышеперечисленные требования и ограничения, можно сделать вывод, что наиболее приемлемым решением для построения операционной и сетевой среды обучающих систем, по дисциплинам, связанным с системным администрированием, является использование виртуальных машин.

Возможность создать на единственном физическом компьютере вполне работоспособную сеть - одно из важнейших достоинств технологии виртуализации [5].

Виртуальные машины позволяют студентам в полной мере реализовывать практические задания лабораторных и курсовых работ, предоставляя нужное количество компьютеров и необходимых операционных систем, и  сохраняя при этом текущую конфигурацию и инфраструктуру сети учебного класса. Более того, реализация учебного контента самой обучающей системы также на виртуальной машине, придает всей обучающей системе свойство мобильности то есть возможность довольно легкого ее переноса, например при работе с филиалами [6].

Обучающую систему для данного класса дисциплин предлагается реализовывать в виде трех взаимодействующих частей:

собственно обучающей системы с контентом теоретического материала, методических указаний и тестов контроля знаний, построенной на базе IBM Lotus LearningSpace;

мобильной операционной и сетевой среды, представленной набором предустановленных и специальным образом настроенных виртуальных машин;

сценариев настройки и установки, обеспечивающих взаимосвязанную работу системы в целом.

Система IBM Lotus Learning Space была выбрана для реализации собственно обучающей системы в связи с тем, что, во-первых, она предоставляет большой набор возможностей, которые значительно облегчают задачу управления даже самыми сложными и объемными учебными программами, а во-вторых, была закуплена и  в течение нескольких лет успешно эксплуатировалась в университете.

Learning Space обеспечивает [7]:

самостоятельное, совместное обучения в реальном времени, используя мощные интерактивные методы, благодаря которым студенты могут общаться со своими коллегами и преподавателями;

обработку материалов практически из любых источников - в частности, можно включать в учебные курсы материалы, созданные при помощи мультимедиа-редакторов, текстовых процессоров, средств создания электронного контента и т.д.;

обширный спектр инструментов для оценки, контроля и управления процессом обучения, благодаря чему можно измерять эффективность учебных программ и уровень усвоения учебного материала;

исключительно мощную и масштабируемую платформу, которая может расширяться по мере увеличения потребностей в электронном обучении. Трехуровневая архитектура Learning Space может быть настроена так, чтобы решение работало как на одном, так и на нескольких серверах.

В качестве среды реализации виртуальных машин выбрана Microsoft Virtual PC 2007. Выбор обусловлен достаточно широкими возможностями среды, ее свободным распространением и совместимостью виртуальных машин с последующими средствами виртуализации фирмы Microsoft.

Реализация системы

Рассмотрим использование предложенного подхода  на примере реализации электронного учебно-методического комплекса для курса «Проектирование, внедрение и сопровождение операционной и сетевой инфраструктуры», поскольку он является самым сложным из перечисленных выше, с точки зрения реализации среды для выполнения лабораторных работ. Общая трудоемкость дисциплины составляет 136 часов, из них 34 часа лекций, 34 часа лабораторных работ, в качестве одного из видов самостоятельной работы предусмотрена курсовая работа.

Контент обучающей системы по курсу реализован в IBM Lotus Learning Space 5.01, установленном на виртуальной машине, и содержит следующие разделы:

конспект лекций (см. рис.1);

методические указания к лабораторным работам (см. рис.2);

методические указания по курсовой работе (см. рис.3);

методические указания для самостоятельной работы;

тесты контроля знаний (см. рис.4).

Теоретический материал подбирался в соответствии с рабочей программой  курса. Основными критериями при формировании материала служили: информативность, компактность и структурированность.

Лекционный материал содержит наиболее полную информацию и категоризирован по темам. Изучив его, студент получает базисные, фундаментальные знания по дисциплине.

Материал лабораторного практикума содержит краткую теоретическую  информацию, и методические указания, которые будут необходимы студентам для выполнения практических заданий.

Структура всего теоретического материала имеет четкую иерархию, что позволяет с легкостью отыскивать необходимую информацию.

Навигация в материалах реализована за счет размещения в начале документа, содержания. Содержание представляет собой последовательность гиперссылок на основные разделы документа. Благодаря наличию таких гиперссылок, студент имеет


Рис. 1. Лекционный материал категоризирован по темам.

возможность оперативного поиска информации в документе, а также быстрой навигации по нему.

Лабораторный практикум по курсу содержит семь работ:

  1. Установка и настройка Microsoft Windows Server 2003 и Microsoft Windows XP Professional;
  2. Установка, конфигурирование и администрирование Active Directory;
  3. Реализация структуры подразделений и администрирование учетных записей пользователя;
  4. Администрирование групп и объектов Active Directory;
  5. Реализация и администрирование групповых политик
  6. Защита сетевого взаимодействия
  7. Защита и управление доступом в интернет

Некоторые работы имеют большую трудоемкость и выполняются за два лабораторных занятия.

Для разработки лабораторных работ был применен метод последовательной реализации, то есть каждая следующая лабораторная работа использует результаты выполнения предыдущей. Такой подход позволяет охватить больший объем практических навыков.

Общая структура методической документации для каждой лабораторной работы одинакова и имеет следующий вид:

теоретические сведения;

содержание лабораторной работы;

порядок выполнения;

приложения.


Рис. 2. Методические указания к лабораторным работам.


Методические материалы для выполнения курсовой работы включают в себя основные теоретические сведения, требования к выполнению и оформлению курсовых работ, а также варианты индивидуальных занятий.

Тесты контроля знаний составлялись по теоретическому материалу.  Каждый тест состоит из десяти вопросов, с предложенными вариантами ответов. В каждом вопросе может быть несколько правильных вариантов ответа. Каждый вопрос имеет свой вес. Итоговая бальная оценка студента при проведении аттестации подсчитывается автоматически.

Виртуальные машины, используемые для реализации мобильной операционной и сетевой среды при выполнении лабораторных работ, созданы и функционируют под управлением Microsoft Virtual PC 2007. Для каждой из лабораторных работ курса и курсовой работы, созданы и настроены отдельные виртуальные машины. Количество виртуальных машин для каждой работы зависит от ее содержания, типа задания и варьируется от трех до пяти.

При этом работа виртуальных машин реализована таким образом, что студентам нет необходимости копировать все виртуальные жесткие диски этих машин на свой компьютер, что значительно уменьшает загруженность сети. Для осуществления такой возможности, при построении и настройке виртуальных машин использовались специальные средства Microsoft Virtual PC 2007 - диски изменений (differencing hard disks) и диски отката (undo disks) [5].

В курсовой и лабораторных работах может одновременно использоваться несколько виртуальных машин, работающих под управлением как разнотипных, так и однотипных операционных систем, например Microsoft Windows Server 2003, Microsoft Windows 7, Microsoft Windows XP Professional. Кроме того, для

Рис. 3. Методические указания к курсовой работе.

нормального функционирования локальной сети, необходимо чтобы все входящие в нее системы были уникальны, то есть имели различные идентификационные признаки, создаваемые при установке операционной системы. Однако установка нескольких однотипных операционных систем на различные виртуальные машины не только занимает много времени, но и очень расточительна с точки зрения использования дискового пространства, поскольку виртуальные жесткие диски виртуальных машин с однотипными операционными системами будут практически дублировать друг друга. Поэтому при создании мобильной операционной и сетевой среды применялась специально разработанная процедура клонирования виртуальных машин. Алгоритм этой процедуры состоит в следующем:

1) На созданные в Microsoft Virtual PC 2007 виртуальные машины устанавливаются по одной из используемых операционных систем, получаем типовые виртуальные машины.

2) Осуществляется процедура снятия идентификационных признаков систем, данный этап необходим для создания нескольких систем с разными идентификационными признаками из одного файла виртуального жесткого диска типовой виртуальной машины. Этот виртуальный жесткий диск, с установленной операционной системой будем называть родительским диском.

3) По числу требуемых виртуальных машин с одинаковыми операционными системами создается несколько дисков изменений (дочерних дисков), ссылающихся на один родительский диск, и такое же количество виртуальных машин, использующих эти дочерние диски в качестве своих основных виртуальных жестких дисков.

4) На каждой из созданных таким образом виртуальных машин производися установка новых идентификационных признаков. В результате получаем требуемое количество виртуальных машин на базе одного родительского диске с разными идентификационными признаками. Теперь эти машины можно объединять в виртуальную локальную сеть.


Рис. 4. Пример теста контроля знаний.

5) Последовательно выполняя на них лабораторные работы, получаем наборы эталонных виртуальных машин  (шаблоны виртуальных машин) для выполнения лабораторных работ. Каждая виртуальная машина шаблона представляет собой два файла файл настроек виртуальной машины и файл образа виртуального жесткого диска.

По курсу подготовлено четыре вида шаблонов для выполнения семи лабораторных работ.

Рассмотрим теперь схемы организации вычислительного процесса в учебных классах.

При проведении занятий в лабораториях университета, шаблоны виртуальных машин и виртуальная машина с контентом обучающей системы размещаются на сервере (рис.5).

Доступ к контенту обучающей системы студенты получают по протоколу HTTP, используя обычный браузер.

Для выполнения лабораторных работ, файлы настройки виртуальных машин из соответствующих шаблонов, копируются с сервера на физические машины учебного класса, проверяются на соответствие настроек, и в случае необходимости изменяются. Действия по копированию, проверке и настройке осуществляются программно, с помощью специально разработанных сценариев.

При запуске студентами на своей физической машине настроенных таким образом виртуальных машин, автоматически происходит создание дисков отката, которые будут содержать информацию обо всех произведенных в текущем сеансе работы  изменениях, вместо записи этих изменений на виртуальные жесткие диски шаблонов, расположенных на сервере.  Поэтому, в процессе работы на физических компьютерах класса, виртуальные машины будут обращаться к виртуальным жестким дискам шаблонов на сервере только для операций чтения, что значительно снижает нагрузку на локальную сеть учебного класса и обеспечивает сохранность самих шаблонов.

По окончанию работы, студенты производят выключение Microsoft Virtual PC 2007 и диски отката уничтожаются.

При проведении занятий в филиалах университета, шаблоны виртуальных машин и виртуальная машина с контентом обучающей системы размещаются на компьютере преподавателя. Во всем остальном вычислительный процесс организован также как и в лабораториях университета. Однако в случаях очень низкой производительности локальной сети учебного класса филиала, для снижения трафика, виртуальные диски  с шаблонов виртуальных машин  можно скопировать на машины учебного класса.


Рис. 5. Схема организации вычислительного процесса в учебных классах.

Выполнение студентами курсовой работы организовано по аналогичной схеме. Для этого создан специальный шаблон содержащий пять виртуальных машин. Однако основной особенностью курсовых работ является то, что их нельзя выполнить за один раз, поэтому промежуточные результаты работы студентов  необходимо постоянно сохранять и восстанавливать. Для выполнения этих действий разработаны специальные сценарии.

Когда работа выполняется студентом впервые, осуществляется копирование заранее подготовленных эталонных виртуальных машин, с сервера на локальный компьютер студента. Эталон представляет собой пять дисков изменений и пять виртуальных машин, которые подключены к этим дискам, кроме того машины имеют еще и диски откатов.

После того как студент выполнит необходимый ему объем работы, он может сохранить результаты. Для этого используется диск отката. После того как, студент подтвердит сохранение изменений, выполняется сценарий сохранения его наработок на сервере. Разработан также сценарий восстановления выполненных наработок с сервера на локальный компьютер.

Предложенный подход к организации системы виртуальных машин для проведения лабораторных и курсовых работ позволяет:

уменьшить общий объем используемых файлов на сервере и локальных компьютерах учебного класса;

снизить трафик в локальной сети;

обеспечить сохранность эталонных виртуальных машин.

В качестве перспективы развития данного подхода, можно запускать виртуальные машины,  для выполнения лабораторных и курсовых работ, не на компьютерах учебного класса, а на сервере или мощном компьютере преподавателя, обеспечивая к ним доступ с помощью средств работы с удаленным рабочим столом по  протоколу RDP (рис. 6),  а  в  последних версиях Windows посредством  средств

Рис. 6. Перспективная схема выполнения лабораторных работ.

виртуализации рабочего стола VDI. В этом случае на компьютерах учебного класса достаточно иметь только браузер и средства доступа к удаленному рабочему столу, а трафик в локальной сети класса будет ничтожным.

Анализ и оценка разработки

Оценим построенную мобильную операционную и сетевую среду по следующим критериям эффективности:

1. Степень мобильности. Данная среда имеет повышенную мобильность, потому что для ее переноса на другую локацию необходимо только, чтобы на целевом  компьютере был установлен Microsoft Virtual PC 2007 или другое совместимое средство виртуализации.

2. Время, затрачиваемое на установку и настройку среды. Установка не требуется, так как среда является предустановленной, и все её компоненты находятся либо на сервере, либо на компьютере преподавателя, который подключается к сети. Для настройки среды может потребоваться  лишь переопределение IP-адресов.

3. Степень экономии ресурсов при использовании среды. Данный критерий является очень важным и оценивается по трем показателям:

Экономия ресурсов для хранения шаблонов виртуальных машин;

Экономия ресурсов на компьютерах учебного класса при работе со средой;

Снижения трафика локальной сети.

Для первых двух  показателей было произведено исследование и экспериментальным путем показано, что использование дисков изменений позволяет сократить объем занимаемый шаблонами виртуальных машин на сервере на 30%, а использование дисков отката сокращает объем занимаемых ресурсов на компьютерах учебного класса до 50%.

Заключение

Предложен подход к  построению мобильной операционной и сетевой среды обучающей системы по дисциплинам, связанным с системным администрированием, позволяющей студентам изучать теоретический материал, реализовывать задания лабораторных и курсовых работ на виртуальных машинах, проходить аттестационные тесты. Приведенные результаты успешного применения  данного подхода  для реализации обучающей системы по курсу  «Проектирование, внедрение и сопровождение операционной и сетевой инфраструктуры» свидетельствуют о его работоспособности и перспективности.

Литература

1. Медведева С.Н., Дубовский К.П. Проектирование электронного курса сложной логической структуры в системе дистанционного обучения Blackboard // Международный электронный журнал "Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society)" - 2011. - V.14. - №4. - C.329-341. - ISSN 1436-4522. URL: http://ifets.ieee.org/russian/periodical/journal.html

2. Ризаев И.С., Осипова А. Л. Применение case-технологии в процессе обучения // Международный электронный журнал "Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society)" - 2011. - V.14. - №3. - C.395-408. - ISSN 1436-4522. URL: http://ifets.ieee.org/russian/periodical/journal.html

3. Галеев И.Х. Свойства учебных задач при алгоритмизации в обучении // Международный электронный журнал "Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society)" - 2011. - V.14. - №2. - C.289-299. - ISSN 1436-4522. URL: http://ifets.ieee.org/russian/periodical/journal.html

4. Эминов Ф.И. Формирование конкурентоспособных специалистов для IT-служб предприятий // Международный электронный журнал "Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society)" - 2009. - V.12. - №1. - C.436-442. - ISSN 1436-4522. URL: http://ifets.ieee.org/russian/periodical/journal.html

5. Гультяев А. К.  Виртуальные машины: несколько компьютеров в одном. СПб.: Питер, 2006. 224 с: ил.

6. Александров А.Ю., Урахчинский И.Н. К вопросу построения мобильной операционной среды автоматизированных систем дистанционного обучения // Материалы Всероссийской научной конференции "Информационные технологии в науке, образовании и производстве", КГТУ, Казань, 2007. с.672-674.

7. Lotus LearningSpace R5 Deployment Guide. IBM: Redbooks, 2002. 459 с: ил.