Информационно-вычислительная среда «Электрофизика»

Сервер шлюза: - ОС Debian GNU/Linux Почтовый сервер: Postfix, CourierlMAP yVcb сервер: Apache - сайты ,

Рис. 2. Структура среды «Электрофизика»

(включая НИР) по каждой дисциплине цикла (лекции, семинары, лабораторные работы, курсовые проекты, учебно-исследовательские работы и т.п.).

4-й уровень – базовые элементы дисциплин цикла: программа курса, календарный план занятий, учебно-методическая литература, контрольно-измерительные материалы (КИМ) и др.

5-й уровень – формы контроля по различным видам занятий (вопросы к зачету, билеты к экзамену, вопросы для самоподготовки к лабораторным работам, тесты и т.д.).

Второй – функциональный или технологический аспект информационной среды, как и первый, имеет единую практику применения независимо от цикла:

• ♦    уровень удаленного доступа и дистанционного обучения – единая структура, не зависимая от разновидностей дисциплин;

• ♦    контрольно-нормативный или уровень отчетности кафедры, цикла, преподавателя (планы, отчеты, результаты);

• ♦    уровень текущего расписания и распределения дисциплин (по семестрам).

Структура технических и программных средств

Структура корпоративной среды «Электрофизика» представлена на рис. 2 .

Можно выделить три уровня доступа к основным ресурсам кафедрального информационно-вычислительного центра:

• ♦    1 — локальная сеть кафедрального компьютерного класса (20 ПК), в состав которого входит базовый UNIX-сервер (accel.ru), основной информационный ресурс сети;

• ♦    2 — сеть кампуса МИФИ, включающая компьютеры кафедральных учебно-исследовательских лабораторий, общеинститутские компьютерные классы, ПК студенческих общежитий и т.п., инструментальный UNIX-сервер (Betta.mephi.ru), входящий в состав среды;

• ♦    3 — домашние компьютеры преподавателей и студентов, обучающихся в рамках учебных циклов кафедры.

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) кафедры ЭФУ (рис. 2) является распределителем всех информационных ресурсов, экспериментальной площадкой для исследований в области технологий дистанционного обучения, создания и модернизации на их основе информационной среды «Электрофизика» и ее внедрения в научную деятельность и учебный процесс кафедры. Базовым элементом в сети является учебный компьютерный класс, в котором проверяются все новации по использованию современных информационных технологий при обучении инженеров-физиков, специализирующихся в области электрофизики. Это происходит как в рамках аудиторных занятий студентов младших курсов, так и в рамках учебно-исследовательских и курсовых работ, дипломного проектирования.

Структура программного обеспечения класса несколько отличается от общепринятой, используемой в учебных классах НИЯУ МИФИ.

• 1.    Рабочие станции пользователей представляют два альтернативных варианта операционной среды: OC Debian GNU/Linux (как основной вариант) и Windows (Microsoft) как дополнительная возможность.

Это позволило снять проблемы лицензирования и использовать самое современное программного обеспечение.

Для пользователей доступны следующие программы:

• ♦    офисный пакет OpenOffice.org;

• ♦    WEB-браузер Firefox;

• ♦    среда разработки приложений на языке C — Eclipse CDT;

• ♦    облегченная среда разработки приложений на языках С/ Fortran/Pascal – Geany;

• ♦    современные компиляторы для языков C/Fortran/Pascal из состава GNU Compiler Collection;

• ♦    среда моделирования Scilab (замена MATLAB).

• 2.    Рабочие станции работают в терминальном режиме (в современной терминологии – режим «тонкий клиент»).

Все используемые программы распространяются под лицензиями, допускающими их свободное использование, распространение и модификацию.

При этом отпала необходимость в регулярной замене 20-ти компьютеров класса (что довольно накладно) для поддержки изменяющегося программного обеспечения, требующего все более ресурсоемких машин. К тому же это позволило в полной мере использовать все достоинства работы сети в режиме клиент-сервер, имея один достаточно мощный и современный сервер (используется сервер на базе двухпроцессорной системы с четырехядерными процессорами Intel Xeon E5405 и объемом оперативной памяти 8 Гб). Этот сервер используется не только как сервер приложений, являясь одной из виртуальных машин. Так как процессоры, используемые в сервере, поддерживают аппаратную виртуализацию, то для создания виртуальных машин была использована система KVM (Kernel-based Virtual Machine).

Но не все так просто. Мало кого на сегодняшний день устроит работа в режиме командной строки, а реализация на рабочих станциях графической оболочки X Windows потребовала решения ряда вопросов.

Удаленный доступ и дистанционное обучение

Удаленный доступ и дистанционное обучение отражают две взаимодополняющие технологии информационной среды «Электрофизика», используемых на различных этапах под- готовки инженера-физика на кафедре Электрофизических установок, расширяющих возможности работы преподавателей и научных сотрудников.

Поддержка средств дистанционного обучения, которое является важным дополнением традиционных аудиторных занятий. Прежде всего, это касается проведения характерных для электрофизики лабораторных практикумов, т.е. обеспечение возможности выполнения лабораторных работ вне учебных лабораторий. Хотя удаленный доступ и является составной, даже основной частью так называемого дистанционного обучения, в большинстве случаев он может иметь самостоятельное значение как для студентов, так и для преподавателей и научных сотрудников.

Регламентированные аудиторные занятия, особенно лабораторные практикумы, вследствие их «привязки» к конкретным лабораториям в отведенное время иногда ведут к накоплению задолженностей и напряженности во время зачетной сессии, что связано как с разной скоростью выполнения заданий в силу разной подготовленности студентов, так и пропуском занятий, часто по вполне объективным причинам (болезнь, командировка у студентов вечернего отделения и т.п.). В связи с этим появление инструментальной среды дистанционного доступа (из кафедрального компьютерного класса, общежития, домашнего компьютера) явилось удачным дополнением к традиционным видам занятий, в ряде случаев значительно расширяющим объем изучаемого материала и качество его освоения.

Средства удаленного доступа студентов к учебно-методическим ресурсам кафедры, особенно при выполнении компьютерных лабораторных практикумов, используются на кафедре уже более 10 лет и являются очень удачным дополнением традиционных аудиторных занятий.

Теперь студенты могут выполнять лабораторные работы не только в компьютерных классах университета по расписанию, но и в любое удобное для себя время, находясь дома, на работе или на отдыхе – например, в интернет-кафе. Тем самым студенты с разным уровнем таланта и исходной подготовки получают возможность при необходимости использовать дополнительное время и избежать накопления академической задолженности к зачетной сессии по практическим и лабораторным работам.

Для информационной поддержки удаленного доступа и дистанционного обучения используется выделенный Web-сервер, функционирующий под управлением программы Apache. Этот кафедральный Web-сервер обеспечивает работу учебно-информационного сайта кафедры ЭФУ (. В настоящее время на сайте размещены учебные материалы, описания и задания лабораторных практикумов и практических работ учебных циклов: «Информатика», «Автоматизация проектирования» и «Вакуумная техника». Кроме того, для цикла «Мощная импульсная техника» по протоколу HTTP доступны исполнимые файлы лабораторных работ – приложения ОС Windows, описания которых доступны в самих приложениях после их запуска. Изначально сайт создавался, что называется, «для внутренних нужд» – как открытый информационный ресурс для поддержки учебных циклов и дисциплин кафедры ЭФУ. Однако статистика посещаемости сайта показывает, что более трети посетителей попадают на него через поиско-

вые системы и внешние ссылки, а не через прямые переходы, как это обычно делают студенты, которым известен адрес сайта. При этом количество ежедневных просмотров страниц сайта порой приближается к двум тысячам, причем никаких SEO-мероприятий в отношении сайта не проводилось. Помимо вполне прогнозируемых посетителей (их большинство), из таких традиционно академических регионов, как Москва и Московская область, Санкт-Петербург и Новосибирск, на сайт заходят студенты Урала, Поволжья, Дальнего востока, Северного Кавказа и юга России. Поисковые запросы, через которые пользователи Интернет приходят на сайт, в основном связаны с базовым учебным циклом «Информатика». Это является убедительным свидетельством того, что контент сайта представлен в достаточно наглядной и удобочитаемой форме и представляет собой общеобразовательный бэк-гра-унд по представленным на сайте учебным дисциплинам.

Исследование временного таргетинга посещений показывает, что сайт чаще используется в ранние утренние и поздние вечерние часы – то есть как раз в то самое «свободное время». Таким образом, исследование статистики посещений с очевидностью показывает, что на основе ru может быть создан открытый Интернет-портал дистанционного обучения базовым дисциплинам информатики не только в рамках НИЯУ МИФИ, но и для внешних пользователей.

Перспектива увеличения количества используемых серверов и множественность сервисов информационно-вычислительного ресурса кафедры ЭФУ порождают проблему единого централизованного доступа к ним. В настоящее время для реализации этой цели, в экспериментальном режиме используется виртуальная обучающая система Moodle (moodle.org) [3]. Эта система используется в курсе САПР ЭФУ для виртуализации лабораторного практикума по расчету статических и динамических электромагнитных полей в ускоряющих и фокусирующих системах различной конфигурации, а также оптимизации этих структур и исследования устойчивости и группировки частиц в рассматриваемых полях.

Важнейшим фактором, определяющим выбор структуры технических средств, операционной среды и инструментального ПО для разработки приложений и средств дистанционного обучения в создаваемой системе, является обеспечение сохранности и целостности быстро изменяющихся информационных ресурсов, т.е. обеспечение надежности работы системы. При современном развитии информационных технологий и средств телекоммуникаций вопросы защиты информации являются определяющим фактором эффективности работы системы. Однако основные задачи защиты информации и последствия ее нарушения в информационных системах значительно различаются. В связи с этим структура программно-аппаратных средств, обеспечивающих эту защиту, в большой степени зависит от требований, предъявляемых конкретными приложениями. Если вопросы защиты информационных систем органов государственной власти, промышленных предприятий, учреждений кредитно-финансовой сферы, банков и т.п. достаточно очевидны и хорошо проработаны, то особенности информационных систем компьютерных учебных центров и необходимость защиты их информаци- онных ресурсов от случайных и преднамеренных факторов не столь очевидна и нуждается в проработке, особенно в связи с развитием дистанционного обучения и включения информационных ресурсов в текущие аудиторные занятия [4]. Специфика этой информационной системы заключается в том, что основную и достаточно многочисленную категорию пользователей составляют студенты. Для всех видов занятий на центральном сервере центра хранятся постоянно обновляемые как индивидуальные, так и групповые архивы студентов, в которых сохраняется выполняемая ими работа, а также размещаются различные методические указания, индивидуальные задания, учебные пособия и наиболее важная научная литература.

В связи с этим загрузка центрального сервера оказывается значительной. Так, например, в одном из наиболее насыщенных лабораторными практикумами цикле ИСУ проводятся занятия в компьютерных классах для двадцати групп студентов дневного факультета и примерно такое же количество групп вечернего факультета. Практически это означает необходимость поддерживать сохранность около 900 личных архивов, которые находятся в постоянном воздействии и изменении. При этом периодичность смены владельцев архивов и обновление в них информации различна и зависит от вида занятий (для дипломного проектирования – не менее года, а в лабораторных практикумах может меняться в течение семестра). И хотя информация в студенческой базе данных, включающая выполняемую ими работу в рамках учебного плана, разумеется, не представляет государственной тайны и не связана с кредитно-денежными операциями, ее нарушение или потеря, а также несанкционированный доступ (что часто случается) может значительно осложнить работу информационного центра и привести к сбоям проведения учебных занятий.

Программное обеспечение безопасности хранения информации, кроме традиционных средств ОС (авторизирован-ный вход в среду Microsoft Windows и авторизированный вход GNULinux), включает средства инструментальной среды Moodle, на основе которой предполагается построение всех форм взаимодействия кафедральных циклов.

Каждый уровень доступа предполагает комплекс программно-аппаратных и административных мероприятий по защите как от преднамеренных, так и от непреднамеренных воздействий.

Основным средством защиты от нежелательных (преднамеренных) внешних воздействий является брандмауэр, представляющий комплекс программно-аппаратных средств, ограничивающих доступ к информационным ресурсам центра ( рис. 2 , шлюз-Internet). Связь с сервером осуществляется с использованием зашифрованного соединения SSL. Для этого используются программы Postfix и Courier IMAD.

Для обеспечения безопасности всего учебно-научного центра программы, доступ к которым возможен из сети Интернет, выполняются в изолированном окружении (chroot), что предотвращает доступ ко всей системе при взломе одной из них. При этом необходимо учесть, что права доступа различных студентов, преподавателей и научных сотрудников к разным видам информационных ресурсов должны быть различными, а среда доступа представляет распределенную иерархичес-

обзор кую сеть. Это, прежде всего, кафедральный компьютерный класс (18 компьютеров), в котором находится основной сервер учебно-научного центра электрофизики (основной информационный ресурс в кафедральной ЛВС), все средства, включенные в сеть кампуса МИФИ – институтские учебные компьютерные классы, ПК учебно-научных лабораторий кафедры. И, наконец, внешняя сеть, из которой возможен доступ с домашних компьютеров студентов (включая компьютеры студенческого городка МИФИ) и преподавателей, которым предоставлены соответствующие права. Таким образом, студентам предоставляется в режиме удаленного доступа возможность дополнительной самостоятельной удаленной работы в рамках разнообразных форм учебных занятий, а преподавателям – возможность выполнения методической работы.

Одна из важнейших задач разработки информационного центра связана с обеспечением надежной работы основного информационного ресурса – центрального сервера локальной вычислительной сети компьютерного класса кафедры, на котором находится большое количество личных архивов студентов, методические материалы, различное инструментальное и прикладное программное обеспечение.

Это требует разработки комплекса мер защиты сервера как от случайных (непреднамеренных), так и от преднамеренных внешних воздействий и нежелательных внутренних взаимодействий пользователей (студентов) в рамках рабочей среды.

Определенную роль в общем комплексе мер информационной безопасности играет Proxy-схемы с аутентификацией пользователей, которая создает соединения внешней сети (Интернет) с конечным адресатом через промежуточный сервер и, таким образом, кафедральная локальная сеть ПК представляет приватную сеть с виртуальными IP-адресами. Таким образом, с одной стороны, система является открытой и предоставляет обширные Интернет-возможности, такие как сотрудничество и дискуссии с другими пользователями, предоставление изучаемого материала и конструирование собственных знаний, возможность загрузки дополнительных компонентов по изучаемой дисциплине. Это Web-технология, которая может использоваться как в онлайновом, так и в автономном режиме.

С другой стороны, система предоставляет средства защиты от несанкционированного доступа – просмотра, а в ряде случаев и нарушения информационных ресурсов, таких как тесты, критерии оценки знаний, журналы успеваемости и посещаемости в сети и т.п. Как и любая защита, все эти мероприятия несколько снижают функциональность системы. Работа различных категорий пользователей строго регламентирована, права доступа к различным ресурсам системы устанавливаются авторизацией пользователей (каждый участник этой системы имеет свой логин и пароль, которые и определяют их возможности).

Что касается непреднамеренных воздействий, которые связаны с ошибками обслуживающего персонала, сбоев в электросети и т.п., то предусмотренная защита от них достаточно традиционна. Это, прежде всего:

• 1)    резервное копирование личных архивов пользователей (под ответственность пользователей), регулярное копирование наиболее важного и часто изменяемого как об-

• щеинститутского, так и прикладного ПО на различные внешние носители;

• 2)    избыточность данных обеспечивается как RAID-массивами центрального кафедрального сервера, так и отдельным резервным сервером (UNIX) в сети компьютерных классов МИФИ;

• 3)    защита от сбоев в силовой сети осуществляется общепринятыми средствами (UPS, SPS и т.п.).

Заключение

Следует иметь в виду, что удаленный доступ студентов и преподавателей к информационным материалам и использование виртуальных обучающих систем не является альтернативой традиционным аудиторным занятиям, а служит лишь дополнительным средством расширения возможностей самостоятельной работы. В то же время внедрение этой системы позволило повысить управляемость учебного процесса и степень объективности оценки знаний студентов. Текущая информация об «активности» студентов, результативности их работы, степени освоения курса, оценка знаний, затраченное время, количество посещений портала и т.п. сохраняется в базе данных в течение всего времени аудиторных занятий по соответствующему курсу.

Безусловно, каждый разработанный в среде Moodle курс требует индивидуальной проработки, оценки целесообразности выбора различных функций среды (глоссарий, ресурс, задание, форум, урок, тест и т.д.).

В целом стоит отметить, что в настоящее время информационно-вычислительный ресурс поддержки дистанционного обучения кафедры ЭФУ МИФИ является полноценной действующей системой обеспечения учебного процесса. В то же время это удобная экспериментальная площадка для проведения исследований, создания и внедрения наиболее эффективных технологий дистанционного обучения. К этим исследованиям и разработкам традиционно привлекаются студенты, выполняющие УИР в Вычислительной лаборатории кафедры ЭФУ НИЯУ МИФИ ■