Лабораторный практикум как сервис в курсах по информационно-коммуникационным технологиям

Дешко Игорь Петрович; Кряженков Костантин Геннадьевич

Международный электронный научный журнал ISSN 2307-2334 (Онлайн)

Адрес статьи: pnojournal.wordpress.com/archive15/15-01/ Дата публикации: 1.03.2015 № 1 (13). С. 70-74. УДК 004.77

И. П. Дешко, К. Г. Кряженков

Лабораторный практикум как сервис в курсах по информационно-коммуникационным технологиям

Рассматривается реализация лабораторного практикума как облачной услуги (LaaS). Специфика LaaS состоит в использовании учебных стендов с реальным информационно-коммуникационным оборудованием и виртуализированными средами в очном и дистанционном режимах.

В очном режиме LaaS опирается на услугу Desktop as a Service (DaaS). Решение использует платформу виртуализации VMware vSphere, инфраструктуру виртуальных рабочих столов на базе VMware Horizon View и веб-портал самообслуживания TermILab. Его преимуществом является возможность проведения «смешанного обучения» (Blended Learning). Показаны особенности интеграции LaaS с ядром корпоративной сетевой инфраструктуры университета.

Ключевые слова: лабораторный практикум как услуга (LaaS), реальное ИКТ оборудование, инфраструктура виртуальных рабочих столов, платформа виртуализации VMware vSphere, веб-портал TermILab

Perspectives of Science & Education. 2015. 1 (13)

International Scientific Electronic Journal ISSN 2307-2334 (Online)

Available: psejournal.wordpress.com/archive15/15-01/ Accepted: 20 November 2014 No. 1 (13). pp. 70-74.

I. P. Deshko, K. G. Kriazhenkov

Labs as a service at study ICT courses

Realization cloud Laboratory as a Service (LaaS) is considered. LaaS specifics consists in use educational stands with real ICT equipment and the virtualized environments in the internal and remote modes. In the internal mode LaaS based on the Desktop as a Service (DaaS). Considered decision uses VMware vSphere as a virtualization platform, infrastructure of virtual desktops based on VMware Horizon View and web portal TermILab for self-service. Its advantage is possibility of carrying out «blended learning». Features of LaaS integration with a core university corporate network infrastructure are shown.

Keywords: labs as a service (LaaS), real network equipment, infrastructure of virtual desktops, VMware vSphere virtualization platform, web portal TermILab

Введение

нтенсивное развитие инфокоммуника-ционных технологий (ИКТ) обуславливает необходимость внедрения новых форм организации учебного процесса, ориентированных на достижение актуальных компетенций. Наряду с совершенствованием содержания Профильных университетских ИКТ дисциплин возрастающую роль приобретает дополнительное профессиональное образование. В нем существенное место занимают известные акаде-Шические образовательные инициативы Cisco Networking Academy, EMC Academy Alliance,

йМашйЖ Ardrmyimcroot it Academy^

др. Их отличительной особенностью является большая доля практикума, доходящая до 60% от общего объема учебных часов, это же характерно и для других востребованных ИКТ курсов [1, 2].

В обеспечении практикума помимо традиционных очных занятий широко используются различные симуляторы и эмуляторы [3, 4, 5, 6]. Обладая развитым функционалом и большими возможностями, они вместе с тем не могут составить полноценную замену работе с реальными устройствами. Приобретение навыков работы с ними по-прежнему остается важной задачей учебно-исследовательского процесса, решение

ЕртоВРйИ^ДРНВется ЗнаЧйтельнОшйтоимостью учебных стендов с реальным ИКТ оборудованием. Это обстоятельство предопределяет необходимость повышения эффективности их использования и разработки систем удаленного доступа (Remote Labs) с сохранением всех основных функций по работе с каждым устройством в стенде. Подобные системы описаны в ряде работ, среди них отметим [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16].

В последнее время системы Remote Labs мигрируют в направлении облачных вычислений [17, 18, 19], составляя при этом особый класс в силу присущих им специфики. Эта специфика и пример реализации облачного лабораторного практикума по ИКТ курсам рассматривается ниРе.

Основная часть

Требование доступа к реальным устройствам в учебных стендах составляет одну из специфических черт при реализации облачной Лаборатории как услуги (Laboratory-as-a-Service, LaaS). В парадигме облачных вычислений LaaS составляет подмножество XaaS (Anything as a Service), используя при этом компоненты IaaS (Infrastructure as a Service), SaaS (Software as a Service), PaaS (Platform as a Service) и др. [20]. Разница мерду рассматриваемой LaaS и полностью виртуализированными облачными лабораториями заключается в том, что LaaS позволяет предоставить доступ как к виртуальным средам, так и к реальным ИКТ устройствам, в том числе и из физического окружения. Например, обязательными являются функции удаленного управления электропитанием каждого устройства или удаленное управление ими через последо-ввельный (COM) порт. Другой специфической чертой является то, что LaaS развертывается в интересах поддержки учебного процесса, реализуемого в образовательном учреждении. Это означает необходимость учета, как текущего состояния, так и тенденций развития корпоративной сетевой инфраструктуры. Одна из них состоит в использовании на уровне доступа тонких или нулевых клиентов и внедрении услуги Desktop as a Service (DaaS) в корпоративном облаке [21]. Экономические преимущества модели DaaS показаны во множестве публикаций, среди отечественных отметим [22]. С более общих позиций услуга DaaS может рассматриваться как некоторая специфичная информационная единица в поле окружения информационной инфраструктуры, что позволяет применить для ее исследования предложенные в [23, 24, 25, 26] йодходы.

Рассматриваемая LaaS является расширени-§м разработанной в МГТУ МИРЭА системы TermlLab [27] и состоит из следующих структурных компонент:

• учебных стендов с реальным оборудованием (коммутаторы, маршрутизаторы, межсетевые

Шраны," СХД, рИданые^и вирТральныехосты и т.д.);

• системы оркестрации учебных стендов с веб-порталом самообслуживания TermILab;

• платформы виртуализации VMware vSphere;

• инфраструктуры виртуальных рабочих столов (Virtual Desktop Infrastructure, VDI) на базе VMware Horizon View;

• устройств доступа на базе тонких клиентов HPt510.

Учебные стенды представлены в двух категориях. Первую образуют автономные стенды с фиксированной конфигурацией, настроенной на практикум по конкретным курсам. Слушатели имеют к ним доступ только посредством веб-интерфейса портала TermILab без возможности внесения изменений в топологию физических соединений. Ко второй категории относятся стенды, расположенные непосредственно в учебных лабораториях и представляющие собой набор соответствующих устройств. Физические соединения между ними слушатели устанавливают самостоятельно, исходя из поставленных в практикуме задач. Портал TermILab обеспечивает доступ ко всем устройствам в стендах обеих категорий на протяжении всего жизненного цикла (активация, работа, деактивация, возвращение в исходное состояние). Важно отметить, что одновременное наличие как полностью удаленного доступа (стенды первой категории), так и очного доступа (стенды второй категории) является основой для реализации концепции «смешанного обучения» (Blended Learning). Группа слушателей может начать работу со стендом в ходе очных занятий, а продолжить ее дистанционно, при этом каждый слушатель решает свою конкретную задачу для достижения общей цели, поставленной в рамках групповой работы.

Платформа виртуализации VMware vSphere отвечает за создание виртуальных машин (ВМ) как для нужд стенда, так и для инфраструктуры VDI. В стендах могут быть использованы различные гостевые операционные системы, в том числе MS Windows и Linux. В инфраструктуре VDI применяются только ВМ с гостевой операционной системой MS Windows в режиме связанных клонов (Linked Clone). Это обеспечивает автоматизацию процесса восстановления рабочего места слушателя по завершению занятий. Доступ к VDI рабочему месту осуществляется по протоколу RDP, т.к. в нативном протоколе PCoIP, используемом в VMware Horizon View, отсутствует возможность мапирования COM порта устройства доступа в виртуальную инфраструктуру.

В процессе занятий слушатели проводят коммутацию устройств, затем через веб-портал самообслуживания TermILab формируют стенд, при необходимости изменяя его топологию путем добавления ВМ или своих тонких клиентов в состав стенда, а затем приступают к работе

с нимт При 5таР^яуя1ГеЯи имеют®возмож-^ ность установить консольное подключение с любым управляемым устройством стенда, как Внерез пользовательский веб-интерфейс системы TermILab, так и непосредственно со своего тонкого клиента.

Внедрение LaaS потребовало решить ряд задач по интеграции этого облачного сервиса с ядром сетевой инфраструктуры университета. Так, использование режима связанных клонов требует особого внимания к процессу взаимодействия с СХД. Здесь было принято решение использовать систему хранения с возможностью адаптивного выделения емкости хранения (Thin Provisioning) на базе СХД HP 3PAR. Эта СХД была затерминирована на две фабрики FC-коммутаторов Brocade 6505, что позволило обеспечить масштабируемость, высокую доступность и отказоустойчивость сети хранения данных в целом. На СХД HP 3PAR располагаются инфраструктурные элементы LaaS, а потребности учебных стендов обеспечивают СХД EMC CX3-10C и Thecus N8800 PRO V2. ВМ базируются на консолидированной платформе HP BladeSystem c7000, которая имеет в своем составе четыре сервера-лезвий HP ProLiant BL460cG8 и коммутационный модуль HP VC FlexFabric 10 Гб/с. Последний позволяет производить подключение как к SAN-сети, так и к сети 10 Гб/с Ethernet ядра корпоративной инфраструктуры.

Проведенная интеграция обеспечила взаимодействие инфраструктурных элементов LaaS с системами аутентификации, обеспечения безопасности и защитой от злонамеренной активности, применяемых в университете. Причем, обеспечение безопасности и защита от злонамеренной активности реализованы в так называе-

-щга'ШбиТйеМОй^ш LaaS. В

классических виртуализированных средах меж§§ сетевое экранирование производится аппаратными устройствами на границе сети, что заставляет трафик ВМ преодолевать уровень доступа и распределения. Это приводит к неоправданной загрузке линий связи, которые соединяют виртуализированную среду с физической сетью. Поэтому фильтрацию трафика и детектирование злонамеренной активности рационально разместить как можно ближе к пулу ВМ, что и было сделано с помощью решений компаний Palo Alto и «Лаборатории Касперского». Данные мероприятия позволили полностью изолировать и обезопасить пулы устройств в LaaS и VDI.

Апробация рассмотренной LaaS была проведена в ходе занятий по курсу CCNA R&S в сетевой академии Cisco при МГТУ МИРЭА. Ее результаты подтвердили правильность выбранных решений и возможность их применения при реализации других академических инициатив в сфере ИКТ обучения, требующих большого объема практических занятий с реальным оборудованием.

Заключение

Внедрение LaaS на базе стендов с реальными ИКТ устройствами в сочетании с инфраструктурой DaaS позволяет не только использовать новые формы организации практикума, но и повысить эффективность использования дорогостоящего оборудования, снижая совокупную стоимость владения учебной инфраструктурой. Внедрение LaaS на базе стендов с реальными ИКТ устройствами в сочетании с инфраструктурой DaaS позволяет повысить качество образования и разнообразить учебные курсы набором перестраиваемых заданий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Курсы Облачная инфраструктура (IaaS). URL: http://www.specialist.ru/dictionary/definition/cloud-infrastructure-courses (дата обращения: 20.11.2014).

2. Timur Z. Mirzoev, Georgia Southern University. Employing Virtualization for Information Technology Education // Technology! interfase international journal. 2011. vol. 12. №1. p.78-86.

3. Cisco Packet Tracer. Cisco Networking Academy. [Электронный ресурс]. URL: www.netacad.com/documents/300010/11300388/ Cisco_PacketTracer_AAG.pdf/39c04df5-0cf0-4267-81b8-9cd98c1f43f8. (дата обращения 20.11.2014).

4. Network Emulation Software for Windows. INE for Windows. [Электронный ресурс]. URL: www.itrinegy.com/index.php/ products/network-emulators/ine-for-windows. (дата обращения: 20.11.2014).

5. NS-3. URL: http://www.nsnam.org. (дата обращения: 20.11.2014).

6. TETCOS. URL: http://tetcos.com. (дата обращения: 20.11.2014).

7. Petr Grygárek. Architecture of semi-virtual campus for education in distributed data network laboratory. [Электронный ресурс]. URL: http://www.cnl.tuke.sk/~jakab/2008%20ICETA%20-%20organizacne/Prispevky/Grygarek/iceta08-Grygarek-Edinet-cameraReady.pdf. (дата обращения 20.11.2014).

8. Carlos E. Caicedo, Walter Cerroni. Design of a Computer Networking Laboratory for Efficient Manageability and Effective Teaching // 39th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference. San Antonio, TX. October 18-21. 2009.

9. Global Knowledge's Multi-Vendor Remote Lab Facility. [Электронный ресурс]. URL: http://www.globalknowledge.net/ whats%20new/news/remote%20labs-1.aspx. (дата обращения 20.11.2014).

10. M. Aravena, A. Ramos. Use of a Remote Network Lab as an Aid to Support Teaching Computer // CLEI Electronic Journal. Vol. 12. № 1. 2009. p. 6.

11. NETLAB Academy Edition®. [Электронный ресурс]. URL: http://www.netdevgroup.com/products/ae. (дата обращения 20.11.2014).

12. NIL - Remote Labs. Удаленные лабораторные стенды. [Электронный ресурс]. URL: http://www.nil.com/C1257455003A036D/ html/remote%20labs. (дата обращения 20.11.2014).

13. Sung Yoo, Scott Hovis. Remote Access Internetworking Laboratory. [Электронный ресурс]. URL: http://bauhaus.ece.curtin.edu. au/~iain/PhD%20BU/remote%20lab%20papers/p311-yoo.pdf. (дата обращения 20.11.2014).

14. Virtlab: A Virtual Laboratory. Удаленные лабораторные стенды. [Электронный ресурс]. URL: http://www.virtlab.com (дата обращения 20.11.2014).

15. Дешко И.П. СййЩМы удаленного доступа к учебным телекоммуникационным компЙ|ЯсаМ^4Яйые информационный!

рронсв [и др.]. М.: ООО «Арт-Флэш». 2010. С. 58-60.

16. Дешкс И.П., Двоеглазов Д.В. Архитектура и программная модель реализации дистанционного взаимодействия с комплексами учебного телекоммуникационного оборудования // Дистанционное и виртуальное обучение. 2011. №|§. С. 89-98.

а?. Dinita R.I., Wilson G., Winckles A, Cirstea M., Jones A. A cloud-based virtual computing laboratory for teaching computer networks // 13th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM). 24-26 May, 2012. p.1314-1318.

18. Tawfik M., Salzmann C., Gillet D., Lowe D., Saliah-Hassane H., Sancristobal E., Castro M. Laboratory as a Service (LaaS): A model for developing and implementing remote laboratories as modular components. // 11th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV). 2014. 26-28 Feb., p. 11-20.

19. Dr. Gokhan Gercek, Dr. NaveedSaleem. Applying Cloud Computing Technology to Build Academic Computing Labs // Certified International Journal of Engineering Science and Innovative Technology. 2014. Vol. 3. Issue 2. pp. 458-463.

20. Vikas Cheruku. Integrating Physical Laboratories Into a Cloud Environment // North Carolina State University. 2013. 118 p.

21. Кряженков К.Г. Опытный полигон DaaS в МГТУ МИРЭА / Кряженков К.Г., Двоеглазов Д.В., Дешко И.П., Тихонов А.А. // Академический форум корпорации EMC: сборник тезисов докладов участников конференции, 20-25 октября 2014г., г. Москва / Факультет ВМК МГУ имени М.В. Ломоносова. М.: МАКС Пресс, 2014. С. 99-102.

22. Вышиванов М.А., Гмарь Д.В., Крюков В.В., Нагорняк К.С., Шахгельдян К.И. Технология виртуализации как основа эффективной информационной инфраструктуры // Труды XXI Всероссийской научно-методической конференции «Телематика'2014». Санкт-Петербург, 2014. С.115-118

23. Цветков В.Я., Чехарин Е.Е. Окружение информационных единиц // Вестник МГТУ МИРЭА. 2014. № 2(3). С. 36-42.

24. Цветков В. Я. Информационные единицы сообщений // Фундаментальные исследования. 2007. № 12. С.123-124.

25. Цветков В.Я., Булгаков С.В. Информационная инфраструктура. М.: МИИГАиК, «Госинформобр». 2006. 84 c.

26. Цветков В.Я., Булгаков С.В. Дружественный интерфейс как характеристика информационной инфраструктуры // Современные наукоемкие технологии. 2010. № 1. С. 97-98.

27. Кряженков К.Г., Степушин А.А., Чехарин Е.Е. Практика использования в учебном процессе системы удаленного доступа к реальному телекоммуникационному оборудованию // Труды XVII Всероссийской научно-методической конференции «Телематика 2010» в 2т. . СПб.: ГИТМО. 2010. Т. 1. С. 96.

REFERENCES

1. Courses Cloud infrastructure. Available at: http://www.specialist.ru/dictionary/definition/cloud-infrastructure-courses (accessed 20 November 2014).

2. Timur Z. Mirzoev, Georgia Southern University. Employing Virtualization for Information Technology Education. Technology interfase international journal, 2011, V. 12, no.1, pp.78-86.

3. Cisco Packet Tracer. Cisco Networking Academy. Available at: www.netacad.com/documents/300010/11300388/Cisco_ PacketTracer_AAG.pdf/39c04df5-0cf0-4267-81b8-9cd98c1f43f8. (accessed 20 November 2014).

4. Network Emulation Software for Windows. INE for Windows. Available at: www.itrinegy.com/index.php/products/network-emulators/ine-for-windows. (accessed 20 November 2014).

5. NS-3. Available at: http://www.nsnam.org. (accessed 20 November 2014).

6. TETCOS. Available at: http://tetcos.com. (accessed 20 November 2014).

7. Petr Grygarek. Architecture of semi-virtual campus for education in distributed data network laboratory. Available at: http:// www.cnl.tuke.sk/~jakab/2008%20ICETA%20-%20organizacne/Prispevky/Grygarek/iceta08-Grygarek-Edinet-cameraReady.pdf. (accessed 20 November 2014).

8. Carlos E. Caicedo, Walter Cerroni. Design of a Computer Networking Laboratory for Efficient Manageability and Effective Teaching // 39th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference. San Antonio, TX. October 18-21. 2009.

9. Global Knowledge's Multi-Vendor Remote Lab Facility. Available at: http://www.globalknowledge.net/whats%20new/news/ remote%20labs-1.aspx. (accessed 20 November 2014).

10. M. Aravena, A. Ramos. Use of a Remote Network Lab as an Aid to Support Teaching Computer. CLEI Electronic Journal, 2009, V. 12, no. 1, p. 6.

11. NETLAB Academy Edition®. Available at: http://www.netdevgroup.com/products/ae. (accessed 20 November 2014).

12. NIL-Remote Labs. Available at: http://www.nil.com/C1257455003A036D/html/remote%20labs. (accessed 20 November 2014).

13. Sung Yoo, Scott Hovis. Remote Access Internetworking Laboratory. Available at: http://bauhaus.ece.curtin.edu.au/~iain/PhD%20 BU/remote%20lab%20papers/p311-yoo.pdf. (accessed 20 November 2014).

14. Virtlab: A Virtual Laboratory. Available at: http://www.virtlab.com (accessed 20 November 2014).

15. Deshko I.P. Sistemy udalennogo dostupa k uchebnym telekommunikatsionnym kompleksam [System remote access to the educational telecommunication systems]. Novye informatsionnye tekhnologii i menedzhment kachestva (NIT&QM'2010). Materialy mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii/pod red. A.N. Tikhonov [New information technologies and quality management (NIT&QM'2010). Materials of the international scientific conference/ Ed. by A. N. Tikhonov]. Moscow, Art-Flesh Publ., 2010. pp. 58-60.

16. Deshko I.P., Dvoeglazov D.V. Architecture and programming model the implementation of remote interaction with complexes of educational telecommunications equipment. Distantsionnoe i virtualnoe obuchenie - Distance and virtual learning, 2011, no. 1, pp. 89-98.

17. Dinita R.I., Wilson G., Winckles A, Cirstea M., Jones A. A Cloud-based virtual computing laboratory for teaching computer networks // 13th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM). 24-26 May, 2012. p.1314-1318.

18. Tawfik M., Salzmann C., Gillet D., Lowe D., Saliah-Hassane H., Sancristobal E., Castro M. Laboratory as a Service (LaaS): A model for developing and implementing remote laboratories as modular components. // 11th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV). 2014. 26-28 Feb., p. 11-20.

19. Dr. Gokhan Gercek, Dr. NaveedSaleem. Applying Cloud Computing Technology to Build Academic Computing Labs. Certified International Journal of Engineering Science and Innovative Technology. 2014. Vol. 3. Issue 2. pp. 458-463.

•20. Vikas Cheruku. Integrating Physical Laboratories Into a Cloud Environment. North Carolina State University. 2013. 118 p.

21. Kriazhenkov K.G. Experienced polygon DaaS in MIREA. Akademicheskii forum korporatsii EMC: sbornik tezisov dokladov uchastnikov konferentsii, 20-25 oktiabria 2014g., g. Moskva / Fakul'tet VMKMGU imeni M.V. Lomonosova [Academic forum of EMC Corporation: book of abstracts of the conference participants, 20-25 October 2014., Moscow / Lomonosov Moscow State University]. Moscow, MAKS Press Publ., 2014, pp. 99-102.

Ц2. Vyshivanov M.A., Gmar' D.V., Kriukov V.V., Nagorniak K.S., Shakhgel'dian K.I. Tekhnologiia virtualizatsii kak osnova effektivnoi informatsionnoi infrastruktury [Virtualization technology as the foundation of an effective information infrastructure]. TrudyXXI Vserossiiskoi nauchno-metodicheskoi konferentsii «Telematika'2014» [Proceedings of the XXI all-Russian scientific-methodical conference "Telematics'2014"]. Saint-Peterburg, 2014. pp.115-118

23. Tsvetkov V.Ia., Chekharin E.E. Environment information items. Vestnik MGTUMIREA, 2014, no. 2(3), pp. 36з424*п Russian).

¿24. aBsfetkov V. la. Information unit mggiage. Fundamental'na&JssS§dovqniia - Fundamentalmimr'ch, 200i|, ЮаМ pp.H&skM^in

Russian).

25. Tsvetkov V.Ia., Bulgakov S.V. Irifbrmatsionnaia iAjfaSruktura [Information infrastructure]: Moscow, MIfGAiK Publ, "2006. 84 p.

26. Tsvetkov V.Ia., Bulgakov S.V. User-Friendly interface as a characteristic ofthe information infrastructure. Sovremennye naukoemkim tekhnologii - Modern high technologies, 2010, no. 1, pp. 97-98 (in Russian).

2F. Kriazhenkov K.G., Stepushin A.A., Chekharin E.E. Praktika ispol'zovaniia v uchebnom protsesse sistemy udalennogo dostupak real'nomu telekommunikatsionnomu oborudovaniiu [Practice teaching system of remote access to real-telecommunications equipment]. Trudy XVII Vserossiiskoi nauchno-metodicheskoi konferentsii «Telematika 2010» v 2t. [Proceedings of the XVII all-Russian scientific-methodical conference "Telematics 2010"]. Saint-Petersburg, GITMO Publ., 2010, V. 1, p. 96.

Информация об авторах Information about the authors

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Дешко Игорь Петрович Deshko Igor' Petrovich

(Россия, Москва) (Russia, Moscow)

Доцент, кандидат технических наук Associate Professor

Доцент кафедры информатики PhD in Technical Sciences

и информационных систем Associate Professor

Московский государственный технический of Computer Science and Information Systems университет радиотехники, электроники и Moscow State Technical University of Radioengineering,

автоматики Electronics and Automation

E-mail: [email protected] E-mail: [email protected]

Кряженков Костантин Геннадьевич Kriazhenkov Kostantin Gennad'evich