Методы, алгоритмы и средства для систем удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных инфокоммуникационных комплексах

Концепция долгосрочного социально-экономического развития РФ до 2020 г. в части развития системы образования отмечает необходимость ориентации на практические навыки и фундаментальные умения, расширение сферы дополнительного образования. Обеспечение компетентностного подхода, взаимосвязи академических знаний и практических навыков обозначена как одна из первых задач для достижения стратегической цели государственной политики в области образования. Для ее решения необходимо создать технические и технологические условия, позволяющие эффективно использовать информационно-коммуникационные технологии (ИКТ) в процессе обучения, в том числе дистанционного [21, 31].

Современный подход к подготовке специалистов в области ИКТ' предполагает значительный объем учебного и исследовательского практикума на реальном оборудовании. По известным оценкам [4, 56, 97, 98] для*-достижения требуемого уровня компетенций доля практических занятий должна составлять не менее 40% учебного времени. При этом отмечается важность практикума именно на реальном оборудовании, поскольку ограничения, неизбежно присутствующие у различного рода симуляторов, и эмуляторов, не позволяют сформировать адекватные навыки [82, 97].

Выполнение практикума в удаленном режиме обладает, по крайней мере, двумя важными преимуществами. Во-первых, увеличивается доступное для работы время и повышается коэффициент использования дорогостоящего инфокоммуникационного оборудования. Во-вторых, появляется возможность развития навыков групповой работы в территориально распределенных коллективах, совместного решения поставленных задач при большей степени самостоятельности каждого участника. Исследователи считают эту возможность как одну из ключевых при реализации перспективной концепции смешанного обучения («blended learning») [54, 55, 67, 68].

Опыт работы автора как сертифицированного инструктора академических программ (Academy Program) мировых лидеров индустрии ИКТ позволяет проиллюстрировать удельный вес лабораторного практикума таблицей 1 [28]:

Таблица 1. Объем лабораторного практикума в академических программах.

Компания Название курса Всего часов Лабораторный практикум Удельный вес лабораторного практикума, %.

Кол-во работ. Часов.

Cisco Cisco CCNA Exploration 280 120 140 50.

Microsoft Fundamentals of a Windows Server 2008 Network Infrastructure and Application Platform 40 14 28 70.

EMC Storage Technologist Track 40 12 30 75.

VMware VMware vSphere 4.1: Install, Configure, Manage 40 28 28 70.

Итого: 400 174 226 56.

Отметим, что указанные в таблице курсы составляют основу профессиональной подготовки технических специалистов, призванных поддерживать быстро развивающиеся и востребованные «облачные» технологии. Как видно, роль лабораторного практикума здесь особенно актуальна.

На зарубежном рынке присутствуют десятки предложений удаленной аренды стендов с различным инфокоммуникационным оборудованием [15, 62].

Ряд из них ориентирован на практическую подготовку к сдаче сертификационных экзаменов высших ступеней, таких как Cisco CCIE (Cisco Certified Internetwork Expert), другие предназначены для курсов начального, профессионального уровней или для тематических университетских программ. Вместе с тем, абсолютное большинство этих стендов являются предустановленными, т. е. статичными по числу устройств и связей между ними. Выбор пользователя лимитирован изучением одной из предлагаемых конфигураций с жестко ограниченными пределами ее модификации. Следствием этого является сужение исследовательской компоненты в дистанционном учебном процессе и, кроме того, неизбежный простой оборудования в незадействованных стендах.

Для устранения подобной ситуации требуются системы, предоставляющие удаленным пользователям возможности самостоятельного формирования и^{модернизации} стендов из необходимых им устройств. На. данный момент известно несколько зарубежных систем такого рода [79, 93, 99, 100]. Об их перспективности свидетельствуют планы ведущихся разработок, в, США, Европе* и других регионах [72]. Специалистам нашей страны предстоит сформулировать техническую политику в этой области ИКТ.

Указанные обстоятельства определяют актуальность и практическую значимость настоящей работы, нацеленной на восполнение теоретического и практического пробела в области систем удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных инфокоммуникационных комплексах на основе обобщения существующего зарубежного опыта и практических наработок диссертанта [22, 23, 24].

Объектом настоящего исследования являются системы, реализующие возможности удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в инфокоммуникационных комплексах (ИКК) учебного назначения. При этом предмет исследования состоит в системном анализе структуры объекта, требований, методов, алгоритмов и средств для его реализации.

Прежде всего, отметим отличия между ИКК учебного и производственного назначения.

ИКК производственного назначения (например, ядро мультисервисной сетевой инфраструктуры или сетевой комплекс оборудования центров обработки данных) являются статичными и находятся под единым административным контролем. Изменение их сетевой топологии происходит достаточно редко, либо по причине инсталляции нового оборудования, либо при аварийных отказах, когда вводится резерв или перераспределяется функционал неработоспособного устройства. В случае ИКК учебного назначения ситуация прямо противоположная. Здесь из оборудования ИКК ^ различными пользователями в соответствии с задачами их практикума I постоянно создаются различные стенды. Более того, по желанию пользователя даже в пределах одного стенда сетевая топология может изменяться, отражая ту или иную изучаемую ситуацию. Наконец, множество одновременно и независимо функционирующих стендов обуславливает наличие множества административных политик, каждая из которых должна ограничиваться, рамками своего стенда.

Указанная специфика ИКК учебного назначения позволяет отнести их к классу специальных компьютерных сетей.

В этой связи приведем основные определения, конкретизирующие рассматриваемую предметную область:

Учебный инфокоммуникационный комплекс (ИКК) — набор основного и вспомогательного оборудования предназначенный для удаленного выполнения лабораторного или исследовательского практикума на реальном оборудовании. К основному оборудованию относятся: маршрутизаторы, коммутаторы, межсетевые экраны, беспроводные точки доступа, 1Р-телефоны, сетевые системы хранения данных (СХД), хосты с приложениями, включая виртуальные машины (ВМ) и другие устройства, имеющий хотя бы один стандартизованный сетевой интерфейс. Основное оборудование доступно для управления удаленными пользователями. Вспомогательное оборудование обеспечивает сетевое функционирование комплекса и недоступно для пользователей;

Устройство — любая единица основного оборудования;

Стенд — специальная компьютерная сеть, образованная совокупностью устройств ИКК и линий связи между ними, находящаяся в течении времени резервирования в монопольном управлении одного или группы совместно работающих удаленных пользователей. В общем случае стенд может состоять из произвольного числа устройств, входящих в ИКК, а в рамках одного ИКК независимо могут функционировать несколько стендов;

Изменяемая топология — возможность оперативного и, в общем случае, произвольного изменения набора устройств в стенде и линий связи между ними посредством программных воздействий в удаленном режиме без процессов ручной перекоммутации;

Удаленный режим — режим, при котором доступ к стендам осуществляется посредством сети Интернет или локальной компьютерной' сети с протоколами стека TCP/IP (Интранет);

Удаленный пользователь — лицо или группа совместно работающих лиц, которые после прохождения процедур авторизации имеют доступ к стендам посредством сети Интернет или Интранет.

Целью работы является разработка и исследование методов, алгоритмов и программно-аппаратных средств для систем удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных инфокоммуникационных комплексах.

В исследованиях, посвященных вопросам анализа и синтеза компьютерных сетей различного уровня, широкое применение нашли методы теории графов [3, 6, 7, 47], Марковских процессов [12, 17, 18, 38], системного анализа и структурой сложности [2, 29, 43], имитационного моделирования [9,.

20, 44], теории сетей Петри [95, 96, 35]. Теоретическим и прикладным аспектам посвящены работы [36, 14, 19, 11].

Однако, ввиду новизны и вышеуказанной специфики, вопросы теории и практики разработки и применения систем удаленного формированием стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКЕС не получили пока должного освещения в отечественной и зарубежной литературе.

Для устранения этого пробела и достижения цели исследования в работе ставятся следующие основные задачи:

1. Провести аналитический обзор существующих учебных ИКК с ' удаленным доступом.

2. Выявить структуру и основные требования к системе удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК.

3. Разработать математическую модель рабочего процесса системы удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК, реализующие ее алгоритмы и структуру комплекса программных средств.

4. Провести анализ методов и средств удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией^ учебных ИКК.

5. Провести экспериментальные исследования разработанных решений.

6. Внедрить разработанные в диссертации научные положения и технические решения в перспективные разработки, а также в учебную практику МГТУ МИРЭА и других учреждений сферы образования.

Перечисленные первоочередные задачи будут уточнены и дополнены по результатам аналитического обзора, выполненного в Главе 1 настоящего исследования.

Структура Диссертации состоит из Введения, трех глав, заключения, библиографического списка и двух приложений. Диссертация содержит 110 страниц текста, 22 рисунка, 10 таблиц и 106 источников в библиографическом списке.

Все результаты работы получены диссертантом лично.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключении сформулированы новизна, достоверность, практическая значимость работы. Приведен список публикаций и положения, выносимые на защиту.

Новые научные результаты.

1. Разработана математическая модель рабочего процесса системы удаленного формирования множества независимых стендов с изменяемой сетевой топологией в, составе одного учебного ИКК с реальным оборудованием. |.

2. Разработана математическая модель оценок масштабируемости и $ определения условий, при которых достигается максимизация использования ресурсов учебных ИКК по различным целевым функциям. С ее помощью получены практические результаты для программы ССЫА.

3. Разработана обобщенная, независящая от используемых методов и технических реализаций, структура комплекса программных средств для всех этапов жизненного цикла удаленно сформированных стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных инфокоммуникационных комплексах.

4. Разработана типовая архитектура реляционной базы данных и алгоритмы удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных инфокоммуникационных комплексах.

5. Показаны возможности различных методов и средств, позволяющих реализовать устройства кросс-коммутации для организации стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных инфокоммуникационных комплексах с учетом требований изолированности, прозрачности, масштабируемости, экономичности и управляемости.

Практическая ценность.

Применение разработанных математических моделей, обобщенной структуры, комплекса программных средств, реляционной базы данных и алгоритмов удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных инфокоммуникационных комплексах позволяет достичь принципиально нового уровня в организации учебного и исследовательского практикума на реальном инфокоммуникационном оборудовании.

На основе результатов исследования сформирован экспериментальный стенд с удаленным доступом и изменяемой сетевой топологией в составе инфокоммуникационного комплекса, используемого при проведении практикума по академическим программам компаний Cisco, Microsoft, EMC, VMware в Центре сетевого управления и телекоммуникаций МГТУ МИРЭА. Внедрение подтверждено соответствующим актом.

Полученные теоретические и практические результаты использованы при определении перспективных направлений" развития системы сетевых образовательных ресурсов ФГУ ГНИИ ИТТ «Информика».

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным применением математического аппарата, экспериментальными исследованиями, успешным внедрением разработанных научных положений в практические разработки, апробацией результатов исследования на специализированных научных конференциях, публикацией основных результатов работы в рецензируемых изданиях, содержащихся в перечне ВАК.

Апробация результатов исследования.

Приоритет научных положений заявлен и обсужден на научно-практических конференциях:

— Международной конференции «Инновационные подходы и информационные технологии для внедрения нового поколения государственных стандартов высшего профессионального образования», МИФИ, Москва 2009.

— На совещании по развитию и повышению эффективности функционирования сети RUNNet, Тамбов 2009.

— XVII Всероссийской научно — методической конференции «Телематика 2010», ГИТМО, Санкт-Петербург 2010.

— 59-ой НТК МИРЭА, Москва 2010; 60-ой НТК МИРЭА, Москва 2011. -VII Международной научной конференции «Новые информационные технологии и менеджмент качества», Турция, 2010.

— XII Международном интерактивном форуме образовательных технологий «Дополняя реальность», РГТУ, Москва 2011.

Научные положения и практические рекомендации диссертации опубликованы в восьми статьях, в том числе в трех изданиях из перечня ВАК:

1. Кряженков К. Г. Динамическое формирование сетевых топологий в І учебных телекоммуникационных комплексах // Новые информационныеч технологии и менеджмент качества (NIT&QM'2010). Материалы международной научной конференции/ Редкол.: А. Н. Тихонов (пред.) и др.-. ФГУ ГНИИ ИТТ «Информика».- М.: ООО «Арт-Флэш», 2010 — С.61−62.

2. Кряженков*К.Г., Степушин A.A., Чехарин Е. Е. Практика использования в учебном процессе системы удаленного доступа к реальному телекоммуникационному оборудованию // Труды XVII Всероссийской научнометодической конференции «Телематика 2010» В 2 т. — СПб.: ГИТМО, 2010. -1т.- С. 96.

3. Кряженков К. Г. Динамическое формирование Ethernet технологий в телекоммуникационных комплексах учебного назначения // «T-CommТелекоммуникации и Транспорт» № 4−2010 / Редкол.: Тихвинский В. О. (глав, ред.) и др.- М.: ООО «Издательский дом Медиа Паблишер», 2010 -С. 14−16.

4. Д. В. Двоеглазов, К. Г. Кряженков. Комплексная информационная система удалённого доступа к лабораторному оборудованию TermILab //.

Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ в области технологий электронного обучения в образовательном процессе, Сборник научных работ в 2 т — Бел.: Белгу, 2010. — 2 т.- С. 19 — 21.

5. Кряженков К. Г. Модель динамического формирования стендов в телекоммуникационных комплексах учебного назначения // Динамика неоднородных систем. Вып. 14/ Под ред. Ю. С. Попкова М.: ЛЕНАЩЦ 2010.

— 314 с. (Сборник «Труды института системного анализа Российской академии наук (ИСА РАН)»), С. 105 — 111.

6. И. П. Дешко, К. Г. Кряженков Масштабируемость динамических конфигураций в учебных инфокоммуникационных комплексах с удаленным доступом // Научно-технический вестник Поволжья. № 4.2011г.

— Казань: Научно-технический вестник Поволжья, 2011. — С. 142 -146.

7. К. Г. Кряженков Способы кросс-коммутации сетевой связности в телекоммуникационных комплексах учебного назначения // Дополняя реальность: XII Международный форум образовательных технологий «Дополняя реальность». Сборник тезисов. — МО, Щелково: Издатель Мархотин П. Ю., 2011.-С. 40−41.

8. Св.-во гос. рег.прогр.для ЭВМ 2 010 612 518, Российская Федерация. Связующий модуль ядра системы TermILab с устройствами управления электропитанием / К. Г. Кряженковправообладатель K.F. Кряженков — № 2 010 610 699- дата поступл. 16.02.2010; дата регистр. 12.04.2010.

Результаты, выносимые на защиту.

1. Предложена структура системы удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК и основные требования к ней.

2. Разработана математическая модель рабочего процесса системы удаленного формирования множества независимых стендов с изменяемой сетевой топологией в составе одного учебного ИКК.

3. Разработана математическая модель оценок масштабируемости и определения условий, при которых достигается максимизация использования ресурсов учебных ИКК по различным целевым функциям и полученные с ее помощью практические результаты.

4. Сформулирована обобщенная структура комплекса программных средств для всех этапов жизненного цикла удаленно формируемых стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК.

5. Разработана типовая архитектура реляционной базы данных и алгоритмы удаленного формирования стендов с изменяемой сетевой 1 топологией в учебных ИКК. I.

6. Получены результаты исследования методов и программно-аппаратных средств, позволяющих реализовать устройства кросс-коммутации для организации стендов с изменяемой сетевой топологией в учебных ИКК.

7. Приведены результаты экспериментальной проверки разработанных решений.