Карпенко М.П. Телеобучение

Подождите немного. Документ загружается.

М.П. Карпенко. Телеобучение

401

− улучшенное качество изображения для использования уникальной воз-

можности проведения семинарских занятий преподавателем базового вуза

с учащимися малокомплектных групп из разных центров доступа в режи-

ме реального времени;

− безопасность и фиксированное время ожидания для обеспечения кон-

фиденциальности внутривузовской информации (контент, ПО, докумен-

тация) в период ее прохождения по спутниковым каналам связи.

Таким образом, на основе многочисленных научно-практических ис-

следований

и результатов проведенных экспериментов сегодня в СГА стро-

ится образовательная спутниковая сеть нового поколения с сетевой архи-

тектурой «точка – многоточка». Данная система является конструктивной

частью проекта, позволяющего проводить коллективные занятия студен-

тов, проживающих в различных поселениях – это существенный фактор

технологии обучения студентов на месте проживания. Весь проект и его

конструктивная часть носит название «Платон», на ее основе осуществля-

ется взаимодействие центров доступа и базового вуза по спутниковым ка-

налам, обеспечивающим двустороннюю связь удаленных VSAT-терминалов

в центрах доступа с наземной станцией базового вуза (рис. 6.21). Техноло-

гия VSAT обеспечивает работу распределенной сети на верхнем (глобаль-

ном) уровне, связывая в единую систему локальные сети центров доступа

двусторонними каналами передачи данных. Структура образовательной

телекоммуника-

ционной сети СГА

на уровнях непос-

редственной реа-

лизации учебного

процесса – локаль-

ная сеть центра до-

ступа и локальные

сети виртуальных

образовательных

сред – будет описа-

на в § 6.3.

Волов В.Т., Волова Н.Ю. Информационно-коммуникационные технологии как

инструмент реализации педагогических инноваций XXI века // Материалы международ-

ной научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные техно-

логии в образовании – 2005». Москва, 19 мая 2005 г. С. 68–70.

Базовый вуз

Центральная

станция системы

Приемно-

передающая

антенна

Телепорт

Центр доступа

Удаленная

станциясистемы

2 телевизионных канала

6 Мбит/с

Канал рассылки

6 Мбит/с

Канал передачи данных

24 Мбит/с

Канал

передачи

данных

600 Кбит/с

VSAT-

терминал

Приемно-

передающая

антенна

Рис. 6.21. Двусторонняя спутниковая система «Платон»

402

Телекоммуникации и виртуальные среды

6.3. Планирование сети и разработка модели локальной сети

удаленного центра доступа

В соответствии с иерархией задач, определенных для решения на раз-

личных функциональных уровнях корпоративной сети, рассмотрим воп-

росы планирования инфраструктуры телекоммуникационной сети распре-

деленного вуза – разработка типовой модели локальной вычислительной

сети стандартного центра доступа (УЛВС

) и создание коммуникационной

образовательной сети распределенного вуза. В тот момент, когда УЛВС за-

данной топологии объединяются в образовательную телекоммуникацион-

ную сеть распределенного вуза, выстраиваются принципы взаимодействия

базового вуза (как центра сети) с центрами доступа (как узлами данной

сети) появляется физическое представление образовательной телекомму-

никационной сети распределенного вуза.

Задачей локальной сети центра доступа является организация следую-

щих процессов для реализации обучения:

− получение по каналам сети информации из базового вуза (образо-

вательный контент, необходимое для учебного и административных про-

цессов программное обеспечение, нормативная и управляющая докумен-

тация и др.);

− организация бесперебойной работы универсальных аудиторий и

компьютерных лабораторий;

− аккумулирование результатов работы учащихся на электронных

учебных местах в информационной системе;

− администрирование вузовских процессов на уровне центра

доступа;

− передача информации в базовый вуз по каналам обратной связи (ре-

зультаты обучения студентов, индивидуальные заказы по каталогам элек-

тронной библиотеки, административные документы и др.).

С дидактической точки зрения локально-сетевая организация учебно-

го процесса в центре доступа распределенного вуза с дистанционной об-

разовательной технологией обусловлена максимальным использованием

компьютерных средств обучения и необходимостью сбора результатов ра-

боты с ними, с технической точки зрения – одновременным использовани-

ем одного и того же учебного продукта большим количеством учащихся.

В центре доступа компьютеры, связанные локальной сетью, объеди-

няются, по сути, в один виртуальный компьютер, ресурсы которого могут

УЛВС – учебная локальная вычислительная сеть.

М.П. Карпенко. Телеобучение

403

быть доступны всем пользователям, причем этот доступ не менее удобен,

чем доступ к ресурсам, входящим непосредственно в каждый отдельный

компьютер. Под удобством в данном случае понимается в первую очередь

высокая реальная скорость доступа, при которой обмен информацией

между приложениями осуществляется незаметно для пользователя.

По локальной сети может передаваться самая разная цифровая ин-

формация: данные, изображения, телефонные разговоры, электронные

письма и т. д. Чаще всего локальные сети используются для совместного

использования таких ресурсов, как дисковое пространство, принтеры и

выход в глобальную сеть, но это всего лишь незначительная часть тех воз-

можностей, которые предоставляют средства локальных сетей. Например,

они позволяют осуществлять обмен информацией между аппаратными

средствами разных типов. Абонентами (узлами) сети могут быть не только

компьютеры, но и другие устройства, например, тестирующие устройства,

электронные киоски и др.

Принципиальное значение имеет и такая характеристика локальной

сети, как возможность работы с большими нагрузками, т. е. с большой ин-

тенсивностью обмена (с большим трафиком)

. Если механизм управления

обменом, используемый в сети, не слишком эффективен, то компьютеры

могут чрезмерно долго ждать своей очереди на передачу, и даже если пе-

редача будет производиться затем на высочайшей скорости и полностью

безошибочно, то для пользователя сети это все равно обернется непри-

емлемой задержкой доступа ко всем сетевым ресурсам. Любой механизм

управления обменом может гарантированно работать только тогда, когда

заранее известно, сколько компьютеров (абонентов, узлов) может быть

подключено к сети.

Важнейшим аспектом работы локальной сети является скорость пе-

редачи, которая должна расти по мере роста быстродействия наиболее

распространенных компьютеров. Если еще сравнительно недавно вполне

приемлемой считалась скорость обмена в 1–10 Мбит/с, то сейчас средне-

скоростной считается сеть, работающая на скорости 100 Мбит/с, и разра-

ботаны средства для скорости 1000 Мбит/с и даже больше. При меньших

скоростях передачи связь станет узким местом, будет чрезмерно замедлять

работу объединенного сетью виртуального компьютера. Поэтому главное

отличие локальной сети от любой другой – высокая скорость обмена. Но

это не единственное отличие, не менее важны и другие факторы. Напри-

Нанс Б. Компьютерные сети. М.: БИНОМ, 1996.

404

Телекоммуникации и виртуальные среды

мер, принципиально необходим низкий уровень ошибок передачи. Ведь

даже очень быстро переданная, но искаженная ошибками информация

бессмысленна – ее придется передавать еще раз. Поэтому локальные сети

обязательно используют специально прокладываемые качественные ли-

нии связи.

Таким образом, можно сформулировать следующие отличительные

признаки локальной сети, которые позволяют реализовать учебный про-

цесс дистанционными методами с наибольшей в технологическом смысле

эффективностью:

− высокая скорость передачи, большая пропускная способность;

− низкий уровень ошибок передачи (или, что то же самое, высокока-

чественные каналы связи). Допустимая вероятность ошибок передачи дан-

ных должна быть порядка 10

–7

–10

–8

;

− эффективный, быстродействующий механизм управления обме-

ном;

− ограниченное, точно определенное число компьютеров, подключае-

мых к сети.

6.3.1. Определение топологии учебной локальной вычислительной сети

Еще одним важным вопросом при разработке учебной локальной вы-

числительной сети является определение ее топологии с учетом основных

требований к организации деятельности пользователей в этих сетях. Кро-

ме того, топология определяет требования к оборудованию, тип используе-

мого кабеля, возможные и наиболее удобные методы управления обменом,

надежность работы, возможности расширения сети. Поэтому при постро-

ении типовой локальной сети центра доступа необходимо определить вид

ее топологии

В настоящее время имеет смысл рассматривать две основные тополо-

гии сети:

− «шина» (bus), при которой все компьютеры параллельно подключа-

ются к одной линии связи, и информация от каждого компьютера одновре-

менно передается всем остальным компьютерам (рис. 6.22);

− «звезда» (star), при которой к одному центру присоединяются пе-

риферийные компьютеры, причем каждый из них использует свою от-

дельную линию связи (рис. 6.23).

Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоко-

лы: Учебник для вузов. СПб.: Питер, 2007.

М.П. Карпенко. Телеобучение

405

Центральный

узел

Рис. 6.22. Сетевая топология «шина» Рис. 6.23. Сетевая тополо-

гия «звезда»

Топология «шина» (или, как ее еще называют, «общая шина») самой

своей структурой предполагает идентичность сетевого оборудования

компьютеров, а также равноправие всех абонентов. При таком соедине-

нии компьютеры могут передавать информацию только по очереди, так

как линия связи единственная. В противном случае передаваемая ин-

формация будет искажаться в результате наложения (конфликта, кол-

лизии

). Таким образом, в «шине» реализуется режим полудуплексного

(half duplex) обмена (в обоих направлениях, но по очереди, а не одновре-

менно). Важно, что в топологии «шина» выход из строя одного перифе-

рийного устройства влечет остановку работы всей сети, что, безуслов-

но, недопустимо для работы центра доступа, где в каждый момент вре-

мени проходят обучение на компьютерных местах большое количество

студентов.

Кроме того, жесткие ограничения накладываются на суммарную дли-

ну линий связи (что, в конечном счете, является ограничением на длину

проводов и не позволяет центру доступа увеличивать количество учеб-

ных классов), так как при прохождении по линии связи сети с топологией

«шина» информационные сигналы ослабляются и никак не восстанавлива-

ются. Наращивание же длины сети в пределах указанных ограничений так

же часто приводит к снижению качества работы сети, так как существуют

еще и ограничения, связанные с конечной скоростью распространения сиг-

налов по линиям связи. И, наконец, абонент может получать из сети сигна-

лы разного уровня в зависимости от расстояния до передающего абонента.

Коллизии возникают, когда несколько устройств пытаются одновременно пере-

давать данные, используя одну и ту же среду передачи, в результате чего происходит вза-

имное искажение сигналов, несущих информацию.

406

Телекоммуникации и виртуальные среды

Это предъявляет дополнительные требования к приемным узлам сетевого

оборудования.

Таким образом, несмотря на экономический эффект данной конфигу-

рации, из-за отсутствия центрального узла топология «шина» неприемле-

ма для локальных сетей центров доступа распределенного вуза.

«Звезда» – это топология с явно выделенным центром, к которому под-

ключаются все остальные абоненты. Весь обмен информацией идет исклю-

чительно через центральный узел, на который возлагаются все функции

по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией «звезда»

в принципе невозможны, так как управление полностью централизовано,

конфликтовать некому.

Если говорить об устойчивости «звезды» к отказам компьютеров, то

выход из строя периферийного компьютера никак не отражается на функ-

ционировании оставшейся части сети. Поэтому специальные меры долж-

ны приниматься по повышению надежности центра и его сетевой аппара-

туры. Обрыв любого кабеля или короткое замыкание в нем при топологии

«звезда» нарушает обмен только с одним компьютером, а все остальные

компьютеры могут нормально продолжать работу.

В отличие от «шины», в «звезде» на каждой линии связи находятся

только два узла: центральный и один из периферийных. Чаще всего для их

соединения используется две линии связи, каждая из которых передает ин-

формацию только в одном направлении. Таким образом, на каждой линии

связи имеется только один приемник и один передатчик. Все это сущест-

венно упрощает сетевое оборудование по сравнению с шиной и избавляет

от необходимости применения дополнительных внешних терминаторов

Проблема затухания сигналов в линии связи также решается в «звезде»

проще, чем в «шине», ведь каждый приемник всегда получает сигнал од-

ного уровня.

Существует две разновидности топологии «звезда»

. Показанную на

рис. 6.24 топологию называют «пассивной звездой». Роль центрального

узла в этой топологии выполняет концентратор. Концентратор, или хаб

(hub), обеспечивает трансляцию сигнала (битового потока), принятого на

одном порту, на все остальные порты. При этом в связке повторителей

од-

Терминатор – электрическая схема, подключаемая к концу шины с целью подав-

ления нежелательных отражений сигнала.

Блэк Ю. Сети ЭВМ. Протоколы, стандарты, интерфейсы. М.: Мир, 1990.

Повторитель (в локальной сети) – устройство, соединяющее два ее сегмента.

Осуществляет восстановление и усиление сигнала с целью компенсации его затухания и

М.П. Карпенко. Телеобучение

407

новременно может происходить только одна передача, и полнодуплексный

режим работы невозможен. Все узлы сети, подключенные к связке повто-

рителей, находятся в одном домене коллизий

. Они разделяют общую про-

пускную способность сети. Формальное ограничение на количество узлов в

домене коллизий — до 1024, большее число узлов достигается применением

многопортовых повторителей и их каскадным соединением. Однако при

числе узлов более 20–30 эффективность сети начинает заметно снижаться.

Во втором типе «звезды» – активном (рис. 6.25) – трансляцию сигнала

выполняет коммутатор. Коммутатор (switch) транслирует пакеты, руко-

водствуясь их адресной информацией. В сети на коммутаторах коллизии

отсутствуют (каждый порт коммутатора – отдельный домен коллизий).

Пакет транслируется только на тот порт, который ведет к его получателю;

широковещательные пакеты транслируются на все порты, так что ком-

мутаторы объединяют все узлы в домен широковещания. Это приводит к

снижению интенсивности обмена в сети вследствие разделения нагрузки,

так как каждый сегмент работает только со своими пакетами.

Концентратор

Коммутатор

Рис. 6.24. Топология «пассивная звезда» Рис. 6.25. Топология «активная звезда»

Естественно, топология «звезда» получается дороже «шины», однако

она предоставляет целый ряд дополнительных возможностей, связанных

с преимуществами «звезды». Именно поэтому в последнее время «звезда»

все больше вытесняет «истинную шину», которая считается малоперспек-

тивной топологией.

искажения в канале связи. Благодаря повторителям удается увеличить протяженность ло-

кальной сети.

Домен коллизий (collision domain) – это часть сети, все узлы которой распознают

коллизию независимо от того, в какой части этой сети коллизия возникла.

408

Телекоммуникации и виртуальные среды

Таким образом, в центрах доступа распределенного вуза рациональ-

но использовать топологию «активная звезда» с коммутатором в центре.

Свич УЛВС не только ретранслирует поступающие на него сигналы, но

и управляет обменом. Все узлы, соединенные коммутаторами обменива-

ются пакетами MAC-уровня (по MAC-адресу пакета). Одновременно че-

рез коммутатор могут проходить несколько передач, если в них задейс-

твованы разные порты. Коммутаторы обеспечивают возможность пол-

нодуплексного режима (full duplex mode) обмена данными между двумя

точками – режим одновременных приема и передачи. В отличие от обыч-

ного (полудуплексного) режима, в полнодуплексном режиме коллизий

не бывает.

Большое достоинство «звезды» состоит в том, что все точки подклю-

чения собраны в одном месте. Это позволяет легко контролировать рабо-

ту сети, локализовать неисправности сети путем простого отключения от

центра тех или иных абонентов, а также ограничивать доступ посторонних

лиц к жизненно важным для сети точкам подключения.

6.3.2. Архитектура локальной сети центра доступа

УЛВС состоит из локальных сетей универсальных учебных аудиторий

и лабораторий для проведения профессиональных компьютерных заня-

тий, имеющих топологию «активной звезды», и телезала. Универсальные

аудитории предназначены для проведения занятий различного методичес-

кого назначения на индивидуальных электронных учебных местах. Обору-

дование, установленное в такой аудитории, позволяет учащемуся работать

в различных виртуальных образовательных средах – в среде слайд-лекций,

в среде индивидуального компьютерного тренинга, в среде тестирования,

в среде телеэссе, в среде интерактивных семинаров. Компьютеры на элек-

тронных учебных местах дополнительно оснащены встроенным видео- и

web-камерами для реализации возможности участия студента в интерак-

тивных семинарах и тренинга ораторских навыков при записи телеэссе.

В лабораториях профессиональных компьютерных занятий установлены

офисные компьютеры с профессиональным программным обеспечением

для организации учебной деятельности студентов направления «Инфор-

матика и вычислительная техника». В видеоконференцзале проходят груп-

повые просмотры эксклюзивных учебных видеопродуктов (фильмы, лек-

ции) и организуется участие в видеоконференциях и телемарафонах. При

М.П. Карпенко. Телеобучение

409

этом УЛВС центра доступа обеспечивает бесконфликтное взаимодействие

локальных сетей универсальных аудиторий и других классов с системой

серверов

целевого назначения (серверов, обеспечивающих функциони-

рование определенной виртуальной образовательной среды). В данном

случае разделение серверов имеет фигуральный, а не физический смысл,

т. е. на одной серверной машине может располагаться более одного сервера

целевого назначения при условии безошибочной работы установленного

программного обеспечения с различными задачами; или же один сервер

целевого назначения может физически располагаться на нескольких сер-

верных машинах (например, в силу большого объема совокупной базы дан-

ных информационной системы распределенного вуза и непересекаемости

ее секторов). Поэтому вся система серверов целевого назначения объеди-

няется в так называемый Центральный сервер. Каждая виртуальная обра-

зовательная среда управляется одним из серверов целевого назначения. В

каждом центре доступа систему серверов целевого назначения составляет

следующее программное обеспечение. Интегрированная среда управления

учебным процессом (Integrator) – сервер, обеспечивающий работу вирту-

альной среды индивидуального компьютерного тренинга. Кроме програм-

много обеспечения, управляющего работой этой среды, сервер содержит

часть образовательного контента – обучающие компьютерные программы,

объединенные в систему компьютерного тренинга вуза. Сервер телеэссе

предназначен для работы специально созданной программы записи инди-

видуальных выступлений, а также содержит базу именных архивных фай-

лов телеэссе каждого студента. На сервере слайд-лекций хранятся лекции

и программа, позволяющая работать с лекцией на электронном учебном

месте в универсальной аудитории. Задача TV-сервера – хранение видео и

телевизионных учебных продуктов. Организация он-лайн занятий (двус-

торонние звук и изображение) основана на использовании программно-

го обеспечения видеосервера системы интерактивных семинаров. Сервер

тестирования обеспечивает работу программно-аппаратного комплекса

тестирования. Лицензионное профессиональное программное обеспече-

ние установлено на отдельном сервере, к которому возможен доступ из

Сервером называется абонент (узел) сети, который предоставляет свои ресурсы

другим абонентам, но сам не использует ресурсы других абонентов, т. е. служит только

сети. Серверов в сети может быть несколько, и совсем не обязательно сервер – это самый

мощный компьютер. Выделенный сервер – это сервер, занимающийся только сетевыми

задачами. Невыделенный сервер может заниматься помимо обслуживания сети и други-

ми задачами.

410

Телекоммуникации и виртуальные среды

лабораторий, предназначенных для проведения профессиональных ком-

пьютерных занятий. Важнейшее значение имеет административный сер-

вер, который хранит в специализированной Корпоративной информаци-

онной системе все данные образовательного процесса и других вузовских

процессов на уровне центра доступа. Кроме того, из соображений безопас-

ности работы первого уровня УЛВС работа студентов в глобальной сети

Интернет обеспечивается отдельным Internet-сервером.

Таким образом, учебная локальная вычислительная сеть имеет двух-

уровневую структуру (рис. 6.26). На первом уровне – локальные сети уни-

версальных учебных аудиторий и других классов, на втором – объединение

этих сетей в УЛВС. Далее локальная сеть центра доступа подключается к

корпоративной сети вуза. Необходимо отметить, что на всех уровнях обра-

зовательная распределенная спутниковая сеть имеет топологию «активной

звезды». Поэтому УЛВС, также как и сети аудиторий, позволяет ее пользо-

вателям в центре доступа рационально работать с общими информацион-

ными ресурсами и обеспечивает безопасность этих ресурсов посредством

четкого определения прав доступа из универсальных учебных аудиторий к

системе серверов УЛВС.

Маршрутизатор

Специализи

ованные

классы

Коммутатор

Коммутатор Коммутатор Коммутатор Коммутатор

Удаленный те

минал

Система

серверов

целевого

назначения

I уровень –

Локальные сети

универсальных аудитори й

II уровень –

Локальная сеть учебного

центра

овень подключения

УЛВС к образовательной

распределенной

спутниковой сети

Рис. 6.26. Двухуровневая структура УЛВС топологии «активная звезда» в центре доступа

распределенного вуза