Проблема качества инженерно-технического образования в России — предмет дискуссий и в академической среде, и в коридорах власти. Всеми признается, что подготовка инженеров в российских вузах не соответствует реальным запросам предприятий и базируется на устаревших методологиях и оборудовании. Примером успешного внедрения современных подходов в ИТ для модернизации образовательной среды вуза стало создание платформы персональных виртуальных компьютеров (ПВК) на базе облачных вычислений в Южно-Уральском государственном университете

Национальный исследовательский университет Южно-Уральский государственный университет ведет свою историю с 1943 года. Сегодня ЮУрГУ – один из ведущих университетов страны. В рейтинге Минобрнауки ЮУрГУ входит в первую десятку лучших классических вузов России. В университете более 30 факультетов, на которых учится 57 тыс. студентов.

В 2008 году в университете был открыт суперкомпьютерный центр, в котором в настоящее время функционируют две мощные вычислительные платформы отечественной разработки – суперкомпьютер «СКИФ-Аврора ЮУрГУ», созданный компанией РСК СКИФ при участии Института программных систем РАН, и суперкомпьютер «СКИФ Урал» производства компании «Т-Платформы». Обе машины входят в рейтинги Top500 самых высокопроизводительных компьютерных систем мира и Top50 наиболее мощных компьютеров СНГ.

И «СКИФ Урал», и «СКИФ-Аврора ЮУрГУ» представляют собой высокопроизводительные кластеры, построенные на вычислительных узлах стандартной архитектуры на базе многоядерных процессоров Intel. С корпорацией университет тесно сотрудничает, в частности два года назад был создан Центр компетенции ЮУрГУ-Intel в области высокопроизводительных компьютерных технологий для инженерного моделирования. Именно в Intel была высказана идея о создании платформы универсального доступа к электронным ресурсам университета для студентов и преподавателей с любых устройств, имеющих выход в Интернет.

Идея университету понравилась. Для вуза, активно использующего информационные технологии в учебном процессе, крайне актуальны задачи оптимизации загрузки имеющихся ресурсов, эффективного применения существующих возможностей ИТ в учебном процессе, максимально быстрого развертывания новых решений, снижения затрат на эксплуатацию ИТ-инфраструктуры. Создание виртуальных рабочих мест на базе мощных кластеров суперкомпьютерного центра ЮУрГУ с возможностью доступа к образовательным ресурсам практически из любой точки открывало большие перспективы в решении этих и многих других задач.

Основной движущей силой создания платформы ПВК в университете стал факультет вычислительной математики и информатики. Как рассказывает декан факультета ВМИ профессор Леонид Соколинский, первоначально проект предполагал реализацию на базе ПО с открытым кодом. Однако в университете фактическим стандартом программной поддержки учебного процесса является лицензионное программное обеспечение Microsoft, и потому, отмечает Соколинский, было принято решение параллельно реализовать вариант ПВК на базе технологий корпорации. Microsoft вместе со своим партнером Softline выступила поставщиком комплексного решения виртуализации рабочих мест, на основе которого коллектив специалистов факультета ВМИ ведет работу по созданию новой облачной образовательной среды. В течение второго семестра 2010/2011 учебного года на факультете успешно прошло пилотное внедрение платформы ПВК на базе технологий Microsoft, и c 1 сентября платформа используется в полном масштабе на двух факультетах ЮУрГУ. Вариант решения на базе СПО пока существует в виде прототипа.

Облако образовательных сервисов

Персональный виртуальный компьютер в ЮУрГУ представляет собой универсальное средство доступа студентов и преподавателей к образовательным сервисам университета, организованным по облачным принципам. Реализация платформы ПВК на базе технологий Microsoft использует инфраструктуру виртуализации настольных систем на стороне сервера Microsoft Virtual Desktop Infrastructure. VDI обеспечивает создание рабочих мест пользователей, имеющих доступ к сети, на базе центра обработки данных, в случае ЮУрГУ – на платформе высокопроизводительных кластеров суперкомпьютерного центра университета (см. врезку). Развертывание пользовательских рабочих мест и управление ими в архитектуре VDI является полностью централизованным. Для каждого студента создается отдельный ПВК с индивидуальным профилем, и для запуска своих ПВК студенты могут использовать произвольные личные устройства доступа, от домашних компьютеров и ноутбуков до планшетов и смартфонов (см. рисунок).

Учиться в облаках

Платформа ПВК

Тонкости реализации

В основе платформы ПВК в ЮУрГУ на базе технологий Microsoft лежит среда виртуализации настольных систем на стороне сервера Microsoft VDI. Технология VDI предоставляет пользователям, имеющим доступ к сети, возможность работать с персональными виртуальными рабочими столами, которые физически реализуются в центре обработки данных. В случае платформы ПВК ЮУрГУ виртуальные рабочие места развертываются на высокопроизводительных кластерах университетского суперкомпьютерного центра (см. рисунок).

Виртуальные рабочие столы создаются на базе платформы виртуализации Microsoft Hyрer-V Server R2 с помощью системы управления Microsoft System Center Virtual Machine Manager, которая поддерживает простое развертывание ПВК из центральной библиотеки шаблонов. Инфраструктура виртуализации также включает в себя сервер виртуализации приложений Microsoft Application Virtualization. APP-V обеспечивает доставку приложений на ПВК в динамическом режиме, то есть по требованию пользователей, вместо постоянного развертывания в составе соответствующего образа ПВК. Это позволяет сократить объем рабочей памяти для виртуальных настольных систем, а также управлять приложениями централизованно, что делает их использование более эффективным и безопасным.

В архитектуре ПВК технологии Microsoft выполняют ключевые функции виртуализации рабочих мест. Их дополняют средства управления персональными виртуальными компьютерами, реализованные с помощью инструментов компании Citrix. Система администрирования ПВК построена на базе модуля Citrix Desktop Delivery Controller, который используется в качестве менеджера соединений, выполняет аутентификацию пользователей при подключении, контролирует виртуальные рабочие места и взаимодействует с другими компонентами инфраструктуры. Шлюз безопасности Citrix Secure Gateway предназначен для защиты сетевого трафика между средой развертывания ПВК и клиентами.

Система управления образами ПВК на базе решения Citrix Provisioning Server позволяет один и тот же образ виртуальной машины запустить на произвольном числе персональных виртуальных компьютеров. Для группы студентов одного курса определенного направления подготовки ПВК должен выполнять некоторый стандартный набор программного обеспечения, то есть образы их ПВК оказываются практически идентичны, различаясь только персональными настройками. С помощью технологии Citrix Provisioning Server для всей такой группы студентов хранится только один образ ПВК, который загружается при каждом подключении пользователя на создаваемую виртуальную машину и дополняется персональными данными, за размещение и управление которыми отвечает система управления профилями. Благодаря такому подходу обеспечивается существенная экономия пространства в системе хранения образов ПВК.

 

Учиться в облаках

Виртуальные рабочие места, развернутые на высокопроизводительных кластерах университетского суперкомпьютерного центра

 

Как рассказывает Соколинский, для развертывания виртуальных рабочих мест в настоящее время используются мощности обоих суперкомпьютеров ЮУрГУ. Установленный в университете недавно кластер «СКИФ-Аврора ЮУрГУ» по мощности почти на порядок превосходит «СКИФ Урал» и сейчас постепенно осваивается пользователями. Подобный процесс, по словам Соколинского, занимает, как правило, около полугода, после чего система переходит в фазу стабильной работы, и происходит массовая миграция задач на новую, более производительную платформу. Это означает, что мощности «СКИФ Урал» практически освободятся, и, как прогнозирует Соколинский, будут использоваться преимущественно для запуска ПВК. Эта платформа поддерживает работу более полутысячи пользователей одновременно. Учитывая, что «СКИФ-Аврора ЮУрГУ» мощнее почти в десять раз, возможностей суперкомпьютеров ЮУрГУ с запасом хватит для масштабирования платформы ПВК не только на два факультета, но и на весь университет.

Соколинский рассказывает, что внедрение платформы ПВК инициировало процесс серьезной реструктуризации образовательного пространства ЮУрГУ. Все образовательные электронные ресурсы университета будут организованы в форме облачных сервисов, доступ к которым осуществляется с помощью ПВК. Студент со своего ноутбука или другого устройства с доступом в Интернет подключается к системе ПВК, проходит процедуру идентификации и получает на экране привычную картинку рабочего стола с пиктограммами доступных ему образовательных сервисов. Таких сервисов реализуется три типа: программы, документы и методические сервисы.

К первому типу относится программное обеспечение, необходимое студенту для выполнения лабораторных работ и других учебных занятий (Microsoft Word, Delphi, Photoshop, Ansys и др.) и предоставляемое по модели SaaS. Работая в среде ПВК, студент запускает их как обычно, но при этом необходимые программы не инсталлированы на его компьютере, а размещены на удаленном сервере и выполняются под управлением ПВК, предоставляя пользователю только необходимые результаты. Мощные средства администрирования пользователей ПВК на базе технологий Microsoft и Citrix дают возможность задавать групповые политики доступа к приложениям, благодаря чему все студенты, использующие ту или иную программу в своих учебных занятиях, без специальных персональных настроек получат всю необходимую функциональность.

В рамках пилотного проекта в качестве образовательного сервиса был оформлен программный комплекс конечно-элементных расчетов Ansys, который используют в лабораторных работах студенты, изучающие инженерное проектирование и моделирование. В ближайшей перспективе, подчеркивает Соколинский, по модели образовательных сервисов будут предоставляться все учебные программы университета.

Второй тип образовательных сервисов – это хранилище документов студента, которые он создает в ходе занятий с помощью программ. Студент не знает, где физически размещены его документы, но всегда может получить к ним доступ, внести необходимые изменения, скопировать на внешний носитель и т. д.

По словам Соколинского, наиболее сложный в реализации, но при этом наиболее интересный тип сервисов – третий. Методические сервисы – это учебно-методические приложения, документы которых напрямую недоступны студентам для изменения: электронные учебные пособия, обучающие программы, электронные энциклопедии, компьютерные тесты и др. Простейший вариант методического сервиса – пособия к занятиям и лабораторным работам, которые преподаватель размещает в сети в формате HTML или PDF. Студент имеет возможность только читать информацию, которая в них содержится, но никак не сможет их изменить. Максимальный уровень сложности методического сервиса – системы электронного обучения, которые позволяют реализовать в сети проведение учебных занятий в дистанционном режиме и контроль знаний студентов. В ЮУрГУ не так давно начали осваивать систему электронного обучения Competentum, которая теперь также оформляется в виде методического сервиса.

Средства администрирования Microsoft, обеспечивающие эффективные механизмы контроля доступа к ресурсам целых групп пользователей, здесь, как и в случае программ, реализуют гибкий способ предоставления прав использования методических сервисов целому курсу или группам, обучающимся по определенным специальностям. Благодаря этому каждый член такой группы проходит авторизацию и получает необходимые материалы и средства обучения за считанные минуты.

«У университета наработан большой объем методического обеспечения в электронном виде, но оно лежит в сети в разных формах, на разных страницах и сайтах. Поэтому процесс его предоставления студентам требует длинных и сложных инструкций и определенных усилий по консолидации контента. Платформа ПВК в корне меняет ситуацию. Все, что нужно будет сделать студенту, – открыть свой ПВК и получить доступ к нужному методическому сервису, который мгновенно появится на его компьютере», – объясняет Соколинский. По его мнению, образовательные сервисы, реализованные с помощью платформы ПВК на базе технологий Microsoft, станут мощным средством эффективного управления и организации всего учебного контента университета.

Преимущества ПВК

В течение нескольких месяцев пилотной стадии проекта средствами ПВК пользовались в реальных учебных занятиях около 100 студентов направления «Фундаментальная информатика и информационные технологии». С 1 сентября 2011 года с помощью технологии ПВК полностью организован учебный процесс на двух факультетах ЮУрГУ – ВМИ и приборостроительном. А затем к ПВК постепенно будут подключаться и другие факультеты. По словам Соколинского, примерно через три года на платформу ПВК планируется перевести учебный процесс на всех факультетах ЮУрГУ.

Соколинский отмечает, что небольшие масштабы и сроки пилотного проекта не позволяют пока проанализировать экономический эффект от внедрения ПВК. Однако уже сейчас очевидно, что платформа персональных виртуальных компьютеров обеспечивает ряд очень значимых для университета преимуществ.

Одно из главных – возможность отказаться от традиционного компьютерного класса. «Для любого крупного вуза компьютерные классы – всегда больной вопрос. Они требуют постоянного обновления, необходимо держать большое количество персонала для их поддержки и обслуживания. Но самая большая проблема – невозможность обеспечить надлежащий уровень персонализации», – поясняет Соколинский. Компьютерный класс университета могут использовать студенты разных курсов, разных специальностей и даже разных факультетов. Объем программного обеспечения, который будет им всем необходим, очень велик, и установить все эти программы на компьютеры в классе оказывается просто невозможно. Для этого потребовались бы, во-первых, персональные настольные «суперкомпьютеры» – по мощности и стоимости, а во-вторых, огромные усилия со стороны администраторов, которые должны все это хозяйство поддерживать, обновлять и следить за целостностью и сохранностью ПО, к которому далеко не все студенты склонны относиться бережно и ответственно. Поэтому, как правило, в компьютерных классах стараются ограничиться стандартным минимальным пакетом программных средств для студентов.

Платформа ПВК полностью снимает эту проблему. Вся программная «начинка» размещается и выполняется в центре обработки данных университета, мощностей которого достаточно для поддержки разнообразных потребностей любых факультетов. Установка, обновление, модернизация, техническая поддержка и защита данных для любого ПО выполняется централизованно и требует минимальных усилий со стороны ИТ-персонала университета, высвобождая его ресурсы для решения других, возможно более творческих задач. Комплекс программных средств для определенных курсов и специальностей сохраняется в образе ПВК – общем для данной группы студентов, а дополнительные параметры персонализации фиксируются в личных профайлах персональных виртуальных компьютеров. Такой подход позволяет удовлетворить любые учебные требования любого студента.

Кроме того, централизованное использование программного обеспечения, необходимого в учебном процессе, значительно упрощает процесс управления лицензиями и оптимизирует их приобретение. Количество необходимых лицензий теперь определяется по числу одновременно работающих пользователей, а не установленных ПК.

Необходимость же в специальных помещениях с обычными ПК на столах в принципе отпадает. В компьютерный класс легко трансформируется любая учебная аудитория при минимальном добавлении оборудования. Соколинский рассказывает, что сейчас на факультете несколько обычных аудиторий оснащены специально организованными розетками для подключения ноутбуков, и этого достаточно, чтобы проводить в них полноценные лабораторные занятия с использованием ПВК.

Это не означает, конечно, что все компьютерные классы в университете будут в одночасье ликвидированы. Их можно продолжать использовать для терминального доступа к ПВК, однако ставка делается на личные устройства студентов. Соколинский отмечает, что подавляющее большинство студентов университета имеет свои ноутбуки, очень многие ходят с ними на занятия, и с переходом на платформу ПВК у них появится стимул делать это постоянно. Кроме того, в новом учебном году в университете при поддержке Intel запускается программа, которая предоставит студентам возможность приобретать качественные ноутбуки по ценам, близким их себестоимости, причем покупать их в кредит, который составит около 300 руб. в месяц. Для тех же студентов, которые не имеют своих систем и по каким-либо причинам не смогут воспользоваться даже настолько льготными условиями их покупки, планируется предоставлять ноутбуки во временное пользование в библиотеках – как книги.

Реализация этих планов, очевидно, повлечет за собой кардинальное сокращение затрат на обслуживание компьютерных классов, даст возможность более эффективно использовать учебные площади и постепенно полностью отказаться от специально оборудованных помещений для проведения занятий на компьютерах.

С появлением ПВК студентам не только не нужны специальные помещения для занятий, но и нет необходимости физически находиться в определенной аудитории для участия в учебном процессе. «Ключевая возможность этой технологии – мобильность студента», – подчеркивает Соколинский. В ближайшее время в ЮУрГУ планируется охватить беспроводной связью все помещения университета, и это означает, что работа с ПВК будет возможна из любой точки любого здания вуза. Более того, болезнь или другие обстоятельства, не позволяющие студенту присутствовать на занятиях в университете, не помешают ему в них участвовать, если эти занятия проходят с помощью ПВК и студент имеет доступ в Интернет.

Означает ли это готовность университета к масштабному переходу на дистанционное обучение? Соколинский подчеркивает, что на этот сложный вопрос нельзя дать однозначный положительный ответ только исходя из того, что в вузе есть эффективные средства удаленного доступа к учебным материалам. Однако перспективные технологии имеют потенциал оказать серьезное влияние на учебный процесс и с точки зрения форм проведения занятий, тем более что в университете уже осваиваются возможности системы дистанционного обучения. «Я прогнозирую, что существенная часть учебной нагрузки в университете в результате внедрения ПВК может трансформироваться в дистанционные занятия», – замечает Соколинский.

Инфраструктура виртуальных десктопов Microsoft VDI демонстрирует работоспособность технологий виртуализации Microsoft на суперкомпьютерной платформе. Как рассказывает Соколинский, для университета проблемы недостаточной загруженности мощностей суперкомпьютерного центра не существует. Однако в целом по стране такая проблема есть – высокопроизводительные вычислительные платформы устанавливаются в вузах, которые еще не имеют достаточного объема учебных и научных задач для выполнения на суперкомпьютерах. Поэтому опыт создания ПВК в ЮУрГУ может оказаться полезным российским университетам в том числе и с точки зрения более эффективного использования существующих у них ИТ-ресурсов.

Внедрение платформы ПВК в ЮУрГУ находится сейчас на начальном этапе. Но первые результаты уже приносят университету реальную пользу и убедительно демонстрируют перспективность выбранного подхода. Благодаря использованию передовых информационных технологий ЮУрГУ имеет потенциал стать примером настоящего интеллектуального кампуса.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Купить номер с этой статьей в PDF