Системная реализация дистанционного лабораторного практикума Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

№>3(9)2007

П.В. Юрин

Системная реализация дистанционного лабораторного практикума

Статья посвящена актуальным вопросам реализации дистанционных образовательных технологий. Система дистанционного лабораторного практикума рассматривается как система массового обслуживания. В статье описываются трудности, возникающие при разработке программного обеспечения, предлагается его модульная структура и модели данной системы как однофазной и двухфазной систем массового обслуживания. Приводятся формулы для расчета основных характеристик системы.

В образовательном процессе все большую роль играют дистанционные технологии. Это объясняется не только популярностью дистанционного образования, позволяющего обучаться «без отрыва от производства», но и значительным количеством студентов-очников, а, следовательно, необходимостью высвобождать аудитории и преподавателей.

Сегодня уже имеется большое количество разнообразных систем дистанционного образования, однако до сих пор остается не до конца решенной одна из основных проблем — организация дистанционных лабораторных практикумов по техническим дисциплинам.

При дистанционной форме обучения приобретение практических навыков затруднено, поскольку обеспечить удаленный доступ к реальному оборудованию достаточно сложно.

Существует два подхода к организации дистанционных лабораторных практикумов: имитационное моделирование и обеспечение доступа к реальному оборудованию.

Имитационное моделирование является наиболее простым решением проблемы, так как отпадает необходимость в приобретении дорогостоящего оборудования, сопряжения его с компьютером и пр. Достаточно хорошо построенные модели могут учитывать многие нюансы изучаемых процессов, что делает их наиболее привлека-

38

тельными для использования в образовательных целях.

Тем не менее, в некоторых случаях применение имитационных моделей нецелесообразно:

• при необходимости организовать доступ к уникальному оборудованию;

• при исследовании малоизученных процессов или сложно моделируемых;

• когда требуются данные реального эксперимента, а не его модели;

• если проще и быстрее обеспечить доступ к реальному оборудованию вместо построения модели работы этого оборудования.

Кроме того, следует отметить, что после разработки модели необходимо будет решать те же проблемы, что и при использовании реального оборудования: организация удаленного доступа, коллективного режима работы и т. д.

Существует несколько способов организации практикума на реальном оборудовании:

• доступ к результатам проведенного эксперимента;

• доступ к оборудованию в режиме наблюдения — просмотра результатов выполняемого эксперимента в реальном масштабе времени;

№>3(9)2007

• реализация возможности управлять выполняемым экспериментом в реальном режиме времени.

Очевидно, что, только имея возможность управлять ходом эксперимента, студент сможет прочувствовать изучаемый процесс, вникнуть во все его нюансы, иначе о практических навыках можно будет говорить с натяжкой, поскольку модель не сможет учесть всех моментов, проявляющихся при работе на реальном оборудовании.

Для реализации лабораторного практикума с удаленным доступом к реальному оборудованию и возможностью управления этим оборудованием в реальном режиме времени необходимо решить следующие задачи:

• сопряжение лабораторной установки с персональным компьютером (ПК);

• разработка программного обеспечения, выполняющего функции обмена данными с лабораторной установкой;

• организация удаленного (сетевого) доступа к лабораторной установке в реальном режиме времени;

• решение проблемы коллективного доступа к лабораторной установке.

Сопряжение существующего оборудования с ПК в настоящее время является достаточно хорошо проработанной задачей, решаемой при помощи использования ана-логово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, а также различных управляющих механизмов (реле и т.д.).

Разработка специализированного программного обеспечения (ПО) зависит от индивидуальных особенностей конкретной лабораторной установки. Такое ПО должно выполнять функции:

• обмена данными с лабораторной установкой через некоторый порт ПК;

• отображения информации на экране;

• коллективного доступа к лабораторной установке.

Во многих вузах внедрены и действу- Л ют системы дистанционного образования 55 (СДО). Такие системы разрабатываются с учетом действующих стандартов и содер- П жат базу данных, хранящую сведения о студентах, преподавателях, курсах и т. д. Кроме того, многие СДО позволяют построить учебный процесс в строгой последовательности, например, изучение материала — тестирование — выполнение лабораторной работы.

Разрабатываемая система дистанционного лабораторного практикума должна встраиваться в подобные системы, при этом круг решаемых задач существенно сужается (отпадает необходимость в разработке базы данных и другой программной оболочки, которая уже существует). Кроме того, появляется возможность ограничить доступ студентов к лабораторной установке — к выполнению лабораторной работы допускаются студенты, усвоившие теоретический материал (т.е. прошедшие тестирование).

Для организации удаленного доступа к лабораторной установке необходимо разрабатываемое ПО строить на основе современных сетевых и клиент-серверных технологий.

Таким образом, организацию удаленного лабораторного практикума можно изобразить следующим образом: лабораторная установка подключается к компьютеру через некоторый порт; сервер сканирует порт и отправляет полученные данные через сеть клиенту; клиент получает переданные данные и отображает их на экране. При необходимости выполнить некоторое управляющее воздействие работа происходит в обратном порядке: пользователь производит управляющее воздействие с помощью встроенных в клиентскую программу средств, клиент передает информацию об управляющем воздействии через сеть на сервер, который непосредственно производит управляющее воздействие посредством передачи некоторых данных в лабораторную установку.

39

Ik3(9) 2007

Описанная схема позволяет организовать удаленный лабораторный практикум в рамках локальной сети. Для организации доступа к лабораторной установке с любого ПК через Internet необходимо организовать возможность обмена данными между компьютером локальной сети вуза (сервер) и компьютером глобальной сети (клиент). Очевидно, что общение клиента и сервера «напрямую», как было описано выше, в данном случае невозможно, поскольку ПК расположены в разных сетях. Решением данной проблемы может стать установка серверного ПО и подключение лабораторной установки непосредственно к web-серверу, однако это сопряжено с некоторыми проблемами: дополнительная нагрузка на сервер, неудобства обслуживания и др. Поэтому предлагается ввести в систему третье звено — некоторый модуль, встраиваемый в web-сервер и выполняющий функцию перенаправления данных между клиентом и сервером. В качестве такого модуля можно использовать web-сервис.

Для работы через Internet клиентское приложение должно запускаться из web-| браузера, т. е. должно быть встроено в ото-Ü бражаемую web-страницу. Достоинство та* кого подхода — простота внедрения в су-& ществующие СДО, представляющие собой | web-приложения.

i

5

I

0

1

Е

=а

4

I

5

1 I

¡5

I

Й £

Реализация клиентского приложения возможна на основе таких технологий, как Java-апплеты, Flash-объекты, COM-объек-ты. Каждая из этих технологий позволяет динамически изменять содержимое web-страницы, а также допускает использование современных сетевых технологий для доступа к удаленному компьютеру — следовательно, появляется возможность организовать обмен данными между клиентом, web-сервисом и сервером в реальном масштабе времени. Предполагаемая схема системы изображена на рис. 1.

Кроме того, описанная схема позволяет организовать работу только на одном удаленном компьютере. Возникают сложности при попытке выполнить разные управляющие воздействия одновременно несколькими пользователями или при попытке выполнить разные лабораторные работы на одной установке и т.д. Чтобы решить проблему коллективной работы с установкой, рассмотрим ее как систему массового обслуживания (СМО) со всеми соответствующими особенностями (очереди, приоритеты, дисциплины обслуживания и т.д.).

Таким образом, можно определить общие требования к системе удаленного лабораторного практикума с обеспечением доступа к реальному оборудованию. Система предполагает:

Рис. 1.

40

Трехзвенная архитектура системы

№>3(9)2007

• возможность внедрения в существующие СДО;

• построение на основе трехзвенной архитектуры;

• реализацию элементов СМО.

В качестве лабораторной установки будем использовать УНИЛ — учебную научно-исследовательскую лабораторию, разработанную на кафедре вычислительной техники Иркутского государственного технического университета (ИрГТУ) [1]. УНИЛ основан на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), что позволяет сконфигурировать на нем практически любое устройство. Эта особенность лабораторной установки дает возможность использовать ее для проведения работ по различным дисциплинам (теория автоматов, микропроцессорные системы, электроника и т. д.).

УНИЛ изначально разрабатывалась как устройство, подключаемое к ПК. Поэтому отпадает необходимость в сопряжении лабораторной установки с компьютером. Также отпадает необходимость в разработке специализированного ПО — оно уже выполняет функции обмена данными с УНИЛ и имеет набор виртуальных измерительных приборов (осциллографы, индикаторы и т.д.). К сожалению, данное ПО позволяет работать с установкой только локально — с одного компьютера.

Кроме того, в ИрГТУ ведется разработка системы дистанционного обучения [2], которая уже содержит большое количество курсов по различным дисциплинам, имеется возможность тестирования знаний, имеется база данных и т.д. Разрабатываемая в ИрГТУ СДО построена на международном стандарте SCORM. Необходимо, чтобы система удаленного лабораторного практикума была встроена в существующую СДО. Научная новизна данной задачи заключается в том, что в настоящее время не существует альтернативных реализаций лабораторного практикума в рамках стандарта SCORM.

Таким образом, необходимо адаптировать имеющееся ПО к работе в сети, встро-

ить его в уже существующую СДО и реали- Л зовать в рамках ПО элементы системы 55 массового обслуживания.

Для адаптации ПО к сетевым условиям работы необходимо применить клиент-серверную технологию. При этом требуется разработать универсальный протокол обмена данными, обладающий достаточной гибкостью, которая позволяла бы наиболее просто изменять функциональность системы.

К основным задачам серверного приложения можно отнести прием соединения от клиентов, обмен данными с УНИЛ, обмен данными с клиентами.

Основные задачи клиентского приложения: установление соединения с сервером, обмен данными с сервером, отображение получаемой информации.

Очевидно, что эти задачи должны выполняться одновременно, поэтому как сервер, так и клиент должны представлять собой многопоточные приложения.

Рассмотрим работу системы в первом приближении.

Лабораторная установка (УНИЛ) подключается к ПК. На этом же ПК запускается сервер. Сервер выполняет функции обмена данными с установкой через USB-порт. На другом компьютере запускается клиент. После установления соединения клиент должен проделать предусмотренную протоколом работу (передать пароль и имя пользователя, номер лабораторной работы, произвести обмен файлами и т.д.). Непосредственно выполнение лабораторной работы заключается в следующем. Клиент отправляет на сервер запрос (команду) прочитать данные из установки. Сервер получает команду, выполняет связанные с ней действия (производит чтение данных из установки) и отправляет эти данные клиенту. Клиент при приеме данных отображает их на экране в некотором виде (это может быть текстовое отображение, осциллогра-фическое изображение и т.д.). Чтобы изменить состояние установки, клиент также отправляет некоторую команду на сервер, который изменяет состояние установки. Схе-

41

Не3(9) 2007

ПК-клиент

ПК-сервер

Рис. 2. Работа системы по принципу «запрос — ответ»

I

I

12

0

!

1

5

I

0

1

Е §

ч

I

¡8

л

¡5

I

Й £

ма системы и упрощенный алгоритм ее работы показаны на рис. 2 и 3.

Описанная схема была реализована, но тестирование показало некоторые ее недостатки. Дело в том, что время прохождения данных по сети превышает период времени, через который необходимо опрашивать состояние лабораторной установки. В результате клиент получает информацию с запаздыванием и пропусками. Кроме того, следует учесть, что время прохождения данных по сети может носить случайный характер (это зависит и от загруженности сети, и от ее пропускной способности и от других факторов).

Для решения этой проблемы было решено применить буферизацию данных на сер-

Клиент

вере. Клиент передает команду на сервер о начале выполнения некоторой работы. Сервер после приема команды начинает опрашивать состояние лабораторной установки и заносить прочитанные данные в буфер. Одновременно данные из буфера непрерывно (не дожидаясь запроса клиента) передаются на клиентское приложение (рис. 4). Клиент непрерывно принимает данные и отображает их на экране.

Такая схема позволяет избежать пропусков информации (чтение данных с установки происходит непрерывно). Информация отображается с некоторым запаздыванием, равным времени прохождения данных по сети. Как было отмечено выше, время прохождения данных по сети имеет случайный ха-

Сервер

Рис. 3. Упрощенный алгоритм работы системы

42

ПК-клиент

ПК-сервер

Ив3(9) 2007

Рис. 4. Работа системы при использовании буферизации

рактер. Поэтому необходимо каким-либо способом синхронизировать клиент и сервер. Самое простое решение — зная интервал времени, через который производится опрос установки, выдавать информацию клиенту через этот же интервал.

Еще одна проблема — одновременное выполнение нескольких задач. Как отмечалось, разработанное для УНИЛ программное обеспечение содержит набор измерительных средств. Во время работы зачастую бывает необходимо пользоваться сразу несколькими измерительными приборами. Кроме того, во время функционирования сервера параллельно должны выполняться и другие операции (подключение клиентов, выполнение аутентификации, загрузка файлов и т. д.).

Для решения этой проблемы предлагается использовать следующий подход:

• каждую выполняемую сервером задачу (аутентификация, пересылка сообщений оборудования и т.д.) необходимо выделить в отдельный модуль;

• на клиенте выполнение задач необходимо также выделить в модули, причем каж-

дый модуль клиента должен соответствовать модулю сервера;

• обмен данными между клиентом и сервером должен происходить на уровне модулей;

• исходя из описанных предложений, необходимо передаваемые данные формировать в пакеты с указанием отправителя и получателя (номера или кода модуля) пакета (рис. 5); а также его типа (данные, команда, смешанные данные и команда);

• при приеме пакета его необходимо перенаправить в указанный модуль, дальнейшая обработка данных должна производиться самим модулем.

Реализация указанных допущений позволяет упростить обмен данными: сервер и клиент отвечают только за пересылку пакета по сети и перенаправление пакета в нужный модуль. Также появляется возможность параллельной работы сразу нескольких задач (приема и отображения сообщений, аутентификации и т.д.).

Для реализации описанной схемы необходимо предусмотреть наличие входных и выходных буферов как на клиенте и сервере,

Рис. 5. Пакет данных

43

Не3(9) 2007

Клиент

Сервер

I

¡1

12

0

!

1

5

I

0

1

Е §

ч

I

¡8

л

¡5

I

Й £

Рис. 6. Модульный принцип работы системы

так и в каждом модуле (рис. 6). При приеме пакета он заносится во входной буфер сервера (клиента). Далее из буфера пакет перенаправляется во входной буфер модуля.

Модуль обрабатывает полученные данные по известному ему алгоритму и заносит ответ в свой выходной буфер. Из выходных буферов модулей пакеты перенаправляются в выходной буфер сервера (клиента), а затем передаются по сети клиенту (серверу).

Наиболее адекватной математической моделью разрабатываемой системы, на наш взгляд, является модель системы дистанционного лабораторного практикума (ДЛП) как системы массового обслуживания. В настоящее время накоплен большой опыт анализа и синтеза сложных систем методами теории массового обслуживания, которые позволяют при достаточно общих исходных условиях получать основные зависимости между параметрами системы и на их основе производить технические расчеты.

Согласно приведенному выше описанию разрабатываемую систему ДЛП можно отнести к замкнутой системе массового обслуживания. Кроме того, заявка от пользователя системы ДЛП может последовательно проходить через ряд элементов (модулей) системы, задерживаясь на некоторый,

заранее не известный, интервал времени. С позиций теории массового обслуживания в этом случае принято говорить о фазах обслуживания, а системы называть — однофазные, двухфазные и т.д. В зависимости от степени детализации одну и ту же структуру системы можно представить как однофазную, двухфазную СМО и т.д.

В терминах теории массового обслуживания модули выполняют роль каналов обслуживания, а пользователи — источников заявок. На данный момент максимальное количество пользователей системы равно 32, а количество модулей — 64. Количество модулей является постоянным параметром для конкретной конфигурации системы, число же пользователей может изменяться динамически до 32. Для упрощения расчетов будем считать интенсивность запросов, поступающих от пользователей, одинаковой и равной X — наибольшей из фактических интенсивностей. Также будем считать, что среднее время обслуживания у всех каналов одинаково и равно максимальному среднему времени обслуживания.

Используя для анализа системы ДЛП методы теории массового обслуживания, мы предполагаем, что случайные процессы, имеющие место в системе, носят марковский характер. Более того, с целью упрощения ана-

44

Ив3(9) 2007

литических расчетов, принимаем, что в рассматриваемых системах протекают марковские случайные процессы с непрерывным временем, или пуассоновские процессы.

Основное преимущество таких систем состоит в том, что вероятности состояний описываются с помощью линейных дифференциальных уравнений. Существует прием, облегчающий вывод дифференциальных уравнений для вероятностей состояний. Этот прием основан на использовании размеченного графа состояний, вершинами которого являются возможные состояния системы, а направления перехода указываются стрелками с проставленными над ними интенсивностями [3].

Для рассматриваемой системы ДЛП можно предложить несколько моделей СМО. Модель однофазной СМО позволяет произвести анализ работы диспетчера, функции которого в разрабатываемой системе выполняет сервер. Для определения параметров модулей сервера, находящихся во второй фазе обслуживания, необходимо разрабатываемую систему ДЛП представить как двухфазную СМО.

Вначале рассмотрим описанную систему ДЛП как однофазную систему массового обслуживания. Формализованная структурная схема системы для этого случая изображена на рис. 7.

Модель однофазной СМО позволяет ответить на такие вопросы, как определение длины очереди пользователей, время нахождения пользователя в очереди и т. д. Перечисленные вопросы входят в задачу анали-

Рис. 7. Формализованная структурная схема однофазной СМО

X — интенсивность потока заявок от пользователей; ц — интенсивность обработки заявок диспетчером.

за работы системы, а ответы на них позволяют определить параметры диспетчера очереди и решить задачу синтеза оптимальной структуры системы.

Под состоянием системы будем понимать число пользователей, подавших заявки на обслуживание и находящихся в процессе обслуживания или ожидания в очереди. Например, состояние Х^ — такое состояние, когда единственный пользователь находится в стадии обслуживания некоторым модулем. В общем случае XK+S — состояние, когда K+S пользователей из m обслуживаются или требуют облуживания, причем S из них находится в очереди. Здесь m — общее число пользователей системы, K — число пользователей, находящихся в процессе обслуживания, S — число пользователей, находящихся в очереди в процессе ожидания.

Исходя из вышесказанного, построим размеченный граф состояний системы (рис. 8).

у-—-ч 32Х .—-ч 31 Л. f—-ч ЗОЛ. —. 29А, X ✓—ч

Рис. 8. Размеченный граф состояний однофазной СМО

В соответствии с построенным графом может быть составлена система дифференциальных уравнений для определения вероятностей состояний системы при известных начальном состоянии и параметрах. Очевидно, что полученная система уравнений будет линейно-зависимой, имеющей бесконечное множество решений. Для получения единственного решения одно из уравнений заменяется нормировочным условием:

IР = 1

Исследуя поведение системы в установившемся режиме при t Х = const, ц = const, приравняв производные от вероятностей в левой части к нулю, имеем систему линейно-зависимых алгебраических уравнений. Исключая одно из этих уравнений и дополняя систему нормировочным условием, получаем:

45

Не3(9) 2007

-32Х- Po + P = 0 -3U- P + P2 = 0

Z Pi = 1

Решая систему уравнений, можно рассчитать основные интегральные характеристики системы ДЛП:

1. Вероятность того, что диспетчер простаивает равна Р0.

2. Среднее время простоя диспетчера можно определить как произведение Р0 на интервал времени Т(час, сутки и т.д.).

3. Среднее число пользователей, находящихся в очереди

^ (к - п)т !ак

Mo

nk-nn!(m - к)!

Po

где т — общее число пользователей; п — число пользователей, находящихся на обслуживании; а = X • ц-1 — параметр системы.

4. Время реакции системы:

tD

: t04 + ^обс > tоч = Mo ■Ц )

I t is

0

il

1 il s

i

0

1

is §

4

il s

1 л

¡5

I Й

где Гр — среднее время реакции системы;

Гоч — среднее время нахождения запроса в очереди;

Гобс — среднее время обслуживания.

Для анализа модулей сервера представим систему ДЛП как двухфазную СМО. Такая модель позволяет выбрать оптимальное число пользователей, оптимальное количество модулей для заданного числа пользователей и т.д. Формализованная структурная схема двухфазной системы представлена на рис. 9.

Под состояниями системы, отображенными на размеченном графе (рис. 10), будем понимать число пользователей, выдавших запрос на обслуживание и находящихся на обслуживании либо в очереди в 1-й и 2-й фазе. В общем случае под состоянием Хц понимается состояние, когда в 1-й фазе находится i пользователей, а во 2-й — j пользователей, причем i + j < N (N — общее число пользователей).

Построив систему дифференциальных уравнений и рассматривая установившийся режим при t X = const, ц2 = const, получаем систему линейно-зависимых алгебраических уравнений. Очевидно, что система будет состоять из 528 уравнений.

Исключая одно из этих уравнений и дополняя систему нормировочным условием, имеем:

-32X ■ Poo 2 ■ P01 = 0 -(31Х + Ц1) ■ P0 2P11 + 32X ■ P00 = 0 -(30X + Ц1)■ P20 2P21 + 31X ■ P10 = 0

-(31Х + Ц 2) ■ P01 + Црю + 2Ц 2P02 = 0

Z Pj = 1

i, i

Зная вероятности состояний системы, можно рассчитать ее интегральные характеристики:

1. Вероятность того, что в системе нет требований от пользователей, т.е. диспетчер и каналы обслуживания (модули) простаивают, равна P00.

2. Вероятность того, что простаивает диспетчер (время простоя диспетчера)

32

P0 n = P00 + P01 + P02 + ••• + P0 32 =Z P0 i ■

Рис. 9. Формализованная структурная схема двухфазной СМО

46

=1

Ив3(9) 2007

Рис. 10. Размеченный граф состояний двухфазной СМО

3. Среднее число простаивающих каналов обслуживания:

N0 = £ k .£^,32 _ k.

k =1 I=0

4. Среднее число занятых пользователей в системе:

Мз =£к■ , I +1 = к.

к=1 I=0, к I=к ,0

5. Среднее время простоя каналов обслуживания:

= ^ - Т, п

где Т —рассматриваемый интервал времени, п — число каналов обслуживания.

6. Среднее время простоя диспетчера:

^ = Р0 п ■ Т.

Реализованные по описанному принципу клиентское и серверное приложения представляют собой некую универсальную платформу, выполняющую минимально необходимую функциональность: обмен дан-

47

ными, сформированными в пакеты, и перенаправление пакетов по модулям. Таким образом, достигается независимость приложений от решаемых задач, так как все задачи выполняются отдельными модулями.

На основе предложенных моделей и расчетов основных характеристик СМО может быть решена задача проектирования сервера как системы реального времени, выбора его основных характеристик.

Список литературы

1. Глухих В. И. Цифровая схемотехника. Технология внутрисхемного программирования. Иркутск: Издательство ИрГТУ, 2001.

2. Ульянов Д.А. Марковская модель адаптивного тестирования и ее программная реализация в условиях дистанционного обучения / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Иркутск: Байкальский государственный университет экономики и права, 2005.

3. Новиков О.А., Петухов С. И. Прикладные вопросы теории массового обслуживания. М.: Советское радио, 1969.