Распределённое образовательное IaaS-облако для изучения информационных технологий (Павел Жданович, OSEDUCONF-2023)

Короткая ссылка: 20230128O

Докладчик: Павел Жданович

Рассказывается о создании и эксплуатации облачной образовательной инфраструктуры на базе свободного ПО, в которой обучающиеся запускают виртуальные машины на своих личных компьютерах.

Видео

Презентация

Thesis

В дистанционном обучении выделяют следующие аспекты.

Асинхронный: студенты могут выполнять некоторые учебные задачи по своему индивидуальному расписанию. Синхронный: при общении студентов с преподавателями в реальном времени студенты получают такой же объём и качество знаний, как и в кампусе. При обучении информационным технологиям синхронность означает, что обучающиеся получают доступ к рабочему столу преподавателя, а преподаватель — к рабочим столам обучающихся. Кроме того, преподаватель должен полностью контролировать среду выполнения учебных заданий на стороне обучающегося: изменять её настройки, пересылать файлы и т. д.

Средства видеоконференцсвязи (ВКС) этих функций не предоставляют, за исключением функции демонстрации экрана всем участникам конференции. При использовании средств полноценного удалённого управления в учебном процессе требуется, чтобы среды выполнения учебных заданий на стороне каждого обучающегося были одинаковыми, как в аудитории. Этого можно достичь, организовав учебную работу в виртуальной IT-инфраструктуре, где обучающимся предоставляются однотипные виртуальные машины, заранее настроенные для выполнения той или иной учебной задачи. Использование для этой цели услуг IaaS-провайдеров сильно затруднено как с финансовой, так и с организационной точек зрения. Более перспективной задачей является создание образовательной организацией своего собственного, частного облака, однако она не может быть быстро решена с нуля.

В своей практике мы реализовали следующий подход. Для изучения конкретной темы, дисциплины или группы дисциплин создаётся виртуальная машина, на которой предустановлено всё необходимое и только необходимое программное обеспечение. Образ этой машины распространяется среди обучающихся любым доступным способом, например, через Web-сервер. Скачав образ, обучающийся разворачивает и запускает его на своём компьютере, например, под KVM или Oracle VirtualBox. Запустившись, виртуальная машина подключается к нашему VPN, используя предустановленные гостевые сертификаты и ключ, которые потом заменяются на именные. После этого виртуальная машина получает доступ к нашим сервисам (СУБД, HTTP-серверам файл-серверам и т. д.), а также к виртуальной машине преподавателя, причём этот доступ можно эффективно контролировать. В свою очередь, обучающий и его IT-служба получает полный доступ к виртуальной машине обучающегося, но не к его хост-системе.

Во время онлайн-занятия преподаватель взаимодействует индивидуально с рабочими столами обучающихся (VNC, RDP) и предоставляет свой рабочий стол, когда это нужно. Отметим также, что преподаватель имеет возможность демонстрации рабочего стола любого из обучающихся остальной группе. При выполнении групповых заданий можно разрешить необходимый сетевой трафик между обучающимися. Вербальный и визуальный контакт в ходе занятия осуществляется при помощи средств ВКС.

Описанная система является, по определению, распределённым IaaS-облаком, в котором существенная часть ресурсов выносится на инфраструктуру пользователя (обучающегося), но продолжает управляться провайдером (образовательной организацией или одним преподавателем). Напомним, что распределённые облака вошли, по версии Gartner, в десятку главных направлений развития технологий в 2020 году.

Облако реализуется на основе свободного программного обеспечения. Исключением может являться только программное обеспечение гостевых систем, если содержание обучения предполагает использование проприетарного ПО. Назовём некоторые основные программные компоненты инфраструктурного ПО, использованные нами на практике: Debian 11, OpenVPN, Apache HTTP server, TigerVNC, SSH. Отметим, что свободные ВКС-серверы Apache OpenMeetings и Jitsi Meet также являлись в нашем случае частью виртуальной инфраструктуры. Построение системы на основе ОС Linux является принципиальным с точки зрения управления сетевым трафиком (шейпинг, маршрутизация, межсетевой экран) и автоматизации операций управления, таких как распределение ключей, обмен файлами, создание VNC-подключений для новых студентов, учёт времени работы, посещаемости и пр.

Описанное распределённое образовательное облако создавалось нами в условиях экстренного массового перехода на дистанционное обучение во время пандемии COVID-19, однако оно продолжает эффективно использоваться и по возвращении к очному обучению, где средства ВКС не используются, а также в очно-дистанционном обучении, где ВКС используется для связи с удалёнными слушателями.

Примечания и ссылки