Единая информационная среда подразделения ВУЗа
В основе единой информационной среды кафедры заложены пять правил, принципов, предложений. Основываясь на них строится сама информационная среда.
«Человек – мера всех вещей». Система должна быть ориентирована, прежде всего, на пользователя. Пользователю должно быть удобно взаимодействовать с системой, должно быть понятно что, где и зачем находится, что и как можно сделать. Однако любая система создается прежде всего для пользователей, поэтому она должна быть достаточно проста и понятна.
«Контролируемая свобода». При взаимодействии с системой пользователь не должен быть чем-либо ограничен. Должна быть возможность свободно вносить какие-либо изменения на ресурсах системы. Однако при этом возникает возможность того, что кто-то будет специально стирать нужную информацию, добавлять неподобающие, бессмысленные материалы и совершать иные неправомерные действия. В связи с этим все действия пользователей должны контролироваться, записываться. Пользователь может что-либо изменить, но когда изменения будут замечены, можно будет определить автора, при этом важно учесть, что все пользователи в системе заводятся по факту зачисления на работу или учебу в институт, внешние пользователи заводятся администрацией ЕИС.
«Неограниченность ресурсов для пользователя». Это значит, что нет ограничений для пользователей системы. Если пользователь решил создать сайт, он получит домен, место на диске сервера, базу данных. При этом не будет наложено никаких ограничений на дисковое пространство, выделены процессорные ресурсы на виртуальном сервере (по мере возможности и необходимости).
«Географическая независимость». Пользователь может обращаться к любым ресурсам сети вне зависимости от своего местонахождения. При доступе к кафедральным ресурсам это правило так же должно выполняться. Ограничением по доступу может служить только канал связи с удаленным сервером и уровень прав доступа к запрашиваемым ресурсам, но никак не географическое положение человека.
«Единство и уникальность виртуальных имен». Данный принцип означает, что каждый пользователь имеет собственный логин и пароль, причем логин и пароль должны давать доступ на любой из ресурсов ЕИС согласно статусу пользователя. Единство пароля унифицирует доступ на любой из ресурсов и обеспечивает возможность наращивания новых сервисов в ЕИС. Логин для входа в систему – это по сути имя и фамилия человека, год выпуска. Таким образом, по логину можно точно определить кто этот человек, из какой он группы, если студент.
Предложенная модель ЕИС, разработана по результатам анализа потребностей образовательного и административного процессов. Традиционный подход к использованию ИКТ разделяет пользовательскую часть и технические средства доступа, обработки и доставки информации. В данной работе предлагается компонентная многоуровневая система, образующая экспериментальный полигон для проведения обучения, отладки разработок и проведения НИР как в области сетевых технологий, так и в смежных областях от проектирования аппаратных средств до проведения социологических исследований. На Рисунок 1 показана логика развития концепции использования этапа разработки элементов ЕИС в учебном процессе. При детальном рассмотрении видно, что работа по содержательному наполнению ЕИС возможна только при деятельном участии студентов и преподавателей, как пользователей системы, в то же время, разработка различных элементов ЕИС связана с рядом учебных дисциплин.
Функциональная модель, предложенная в данной работе, разобрана по уровням сетевой модели OSI/ISO. Архитектура ЕИС включает в себя более широкий набор уровней за счет ориентации на методические и дидактические средства. Таким образом, классификация на основе модели взаимодействия открытых систем OSI/ISO условна, поэтому для структурного представления ЕИС, помимо существующих семи уровней, добавлен дидактический уровень, поясняющий методику применения ЕИС.
Общие положения, заложенные в ЕИС
По итогам анализа потребностей очного образования в ВУЗе, изложенных в первой главе, сделан вывод, что решение должно отвечать следующим требованиям:
гибкость,
управляемось,
децентрализованность,
географическая независимость доступа,
экономичность,
ориентированность на пользователя,
дидактическая значимость.
Гибкость необходима для незамедлительного следования изменениям в плане развития и реструктуризации в случае изменений в организационной структуре. ЕИС является долгосрочным проектом и не может быть жестко привязана ни на аппаратном, ни на программном или организационном уровнях к внешним условиям, сложившимся в текущий момент. Гибкость организации ЕИС должна обеспечить устойчивость к изменениям внешней среды на уровне пересмотра задач и схем функционирования отдельных ее частей.
Управляемость ЕИС должна обеспечиваться без привлечения трудовых ресурсов сверх минимально необходимого количества и уровня квалификации. Для этого следует обеспечить развитые средства мониторинга и первичного анализа информации о техническом состоянии систем, функционирующих в составе ЕИС и предпринять усилия по мониторингу прогностической оценке деятельности пользователей.
Децентрализованность компонент ЕИС необходима для распределения работ по управлению и развитию каждой из (или групп) компонент. Таким образом, возможно выделение самостоятельных проектов с выделенным ответственным лицом и коллективом разработчиков. Такой подход требует наличия правил взаимодействия проектов между собой и с ядром ЕИС. В то же время, требование децентрализованности не должно противоречить требованию управляемости, как более приоритетному.
Географическая независимость доступа отражает идею географической независимости информации и реализована в построении схем доступа к ресурсам как на пользовательском, так и на административном уровне. Пользователь с любыми правами доступа не должен ощущать разницы в возможностях между локальным и удаленным доступом с поправкой на скорость соединения.
Экономичность в расходовании ресурсов подразумевает планирование нагрузки на те ресурсы, которыми располагает ВУЗ, при этом учитывается фактор нестабильности прямых финансовых поступлений и делается упор на наличие постоянного потенциального пополнения трудовыми ресурсами. В то же время, при проектировании аппаратной части ЕИС делается упор на сбалансированность аппаратных ресурсов и адекватность конфигурации поставленным задачам, при этом, обеспечивается условие масштабируемости отдельных элементов на случай роста нагрузки свыше заложенных значений.
Ориентированность на пользователя на уровне приложений выражается в том, что все компоненты ЕИС объединены по доступу каталогом пользователей. При проведении НИОКР и УИР выделяется научно-образовательная направленность сервисов как пользовательского, так и системного уровня: для пользователей ЕИС функционируют связанные веб-сервисы, среда доступа, файловые и другие ресурсы, система управления правами доступа для совместной проектной работы и другие технические средства, предусмотрено предоставление выделенных виртуальных серверов для проведения работ.
Дидактическая значимость выявляет отличие чисто технической системы от инструмента, применимого в образовательном процессе. Сами по себе компьютеры и программы, средства связи и презентационное оборудование являются лишь техническими средствами и лишь наличие методики их применения и слаженная работа различных узлов ЕИС позволяют получать качественно новые возможности из стандартного оборудования и широко используемого программного обеспечения.
Исходя из этих положений, была предложена модель, включающая в себя целью помимо конечного продукта (созданной аппаратной и программной базы, информационного наполнения ЕИС), организационную методику создания ЕИС. Таким образом, проектирование отдельных компонент и создание отдельных модулей и их связей само по себе несет образовательную функцию и используется в процессе подготовки специалистов по соответствующим направлениям (сетевые технологии, мультимедиа).
Структура информационной среды.
Рассмотрим соответствие предлагаемой модели предъявляемым требованиям. Представляя собой комплекс программных и аппаратных решений, ЕИС может быть рассмотрена с двух позиций: инфраструктура (технические средства) и инфоструктура (информационное наполнение).
Инфраструктура представляет собой комплекс программных и аппаратных средств, обеспечивающий прием, хранение, обработку и доставку потребителю информации. От сбалансированности и развитости инфраструктуры зависит эффективность работы и объем задач, которые способна решать ЕИС. Основные задачи инфраструктуры:
Доступ к данным и сервисам (локальный, удаленный);
Контроль и распределение прав доступа;
Обеспечение физической сетевой инфраструктуры.
Организация службы технической поддержки сети и сервисов.
Создание правил и определение протоколов для подключения средств информационного взаимодействия пользователей (электронная почта, форумы, обменные площадки и другие средства взаимодействия).
Инфоструктура в рассматриваемом контексте – это информационное наполнение ресурсов, развернутых в рамках построения ЕИС, а так же привлеченные внешние ресурсы. Важно отметить, что несвязанные информационные ресурсы в общем случае не являются компонентами инфоструктуры.
Развитие средств связи, в первую очередь электронной почты;
Развертывание и популяризация веб-ориентированных средств информационного взаимодействия пользователей;
Создание репозиториев;
Автоматизация документооборота;
Развертывание и интеграция в учебный процесс образовательных сервисов, в том числе электронного тестирования;
Введем обозначения:
ЕИС представляется совокупностью сетевой инфраструктуры N, серверов S, рабочих станций W, программного обеспечения P и методического обеспечения M
Серверы по значению в ЕИС
|
Серверы по назначению
|
SC Core, ключевые серверы
SE Experimental, экспериментальные серверы
|
SH Hosting, хостинг-сервер
SM Mail, почтовый сервер
SB DataBase, сервер баз данных
SR Router, сервер-маршрутизатор
SS Streaming, сервер потокового видео
SV VoIP, сервер IP-телефонии
|
Представим принадлежность серверов к категориям значимости в виде множеств. Для пересечения множеств следует отметить, что SH при использовании в экспериментальных целях, подвержен изменениям, влияющим на работу сервера в целом. Это приводит к необходимости дублирования сервера.
Сервер баз данных SB может обслуживать как экспериментальные, так и основные базы данных и может находиться в совместном доступе.
|
Рисунок 2 Распределение серверов по степени значимости.
|
Основные сервисы:
JH - Hosting, хостинг
JM - Mail, почта
JA - Authentication, аутентификация пользователей
JR - Routing, маршрутизация
JMON - Monitoring, мониторинг
JF - FileSharing, файловый сервер
JB - DataBase, базы данных
JP - Proxy, Прокси-сервер
JN - DNAT
JS - Streaming, сервер потокового видео
JV - VoIP, сервер IP-телефонии.
Таблица 1. Параметры сервисов
|
Знач.
|
JH
|
JM
|
JA
|
JR
|
JMON
|
JF
|
JB
|
JP
|
JN
|
JS
|
JV
|
Безотказность
|
0-2
|
1
|
2
|
2
|
2
|
0
|
1
|
2
|
2
|
2
|
1
|
1
|
Скорость
|
0-2
|
1
|
0
|
1
|
2
|
0
|
2
|
2
|
2
|
2
|
1
|
1
|
Требования к постоянной памяти на 1 объект
|
Mb
|
600
|
500
|
0
|
0
|
0
|
1000
|
100
|
0
|
0
|
0
|
0
|
Требования к оперативной памяти
|
Mb
|
4096
|
256
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1024
|
0
|
0
|
256
|
256
|
Требования к процессору
|
0-2
|
2
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
2
|
1
|
2
|
1
|
Сложность команд
|
0-2
|
2
|
2
|
1
|
1
|
2
|
1
|
2
|
1
|
1
|
2
|
2
|
Кол-во объектов
|
Ед.
|
F(T)
|
F(N+х)
|
F(N+x)
|
0
|
F(S, J)
|
F(N+х)
|
F(S, J)
|
F(T)
|
F(T)
|
0
|
0
|
Количество IP
|
Ед.
|
F(Z)
|
1
|
2
|
F(R)
|
0
|
1
|
1
|
F(S,J)
|
F(S,J)
|
1
|
1
|
N – количество пользователей
R – количество сетевых интерфейсов ЕИС
х – дополнительные объекты
0 – не критично
T – трафик
Z – количество сервисов, требующих размещения на одном порту, кроме HTTP
Размещение сервисов по серверам производится с учетом схожести параметров и значимости сервисов. Так, желательная группировка сервисов с одинаковым индексом сложности команд, одинаковыми требованиями по скорости выполнения, учитывая, при этом, требования безотказности и классификацию значимости.
Группировка по безотказности PR:
PR1={JH, JF, JS, JV};
PR2={JM ,JA , JR , JB, JP , JN}.
Группировка по сложности команд PD:
PD1= {JA, JR, JF, JN};
PD2= {JH, JM, JMON, JB, JV, JS}.
Группировка по скорости выполнения PS:
PS1={JH, JA, JS, JV};
PS2={JR, JF, JB, JP, JN}.
Группировка по критичности
Согласно распределению серверов по степени значимости,
SC={SM, SR};
SE={SS, SV};
Анализируя указанные рекомендации по группировке, предложим следующее распределение сервисов по серверам:
SH={JH, JMON, JF};
SM={JM};
SB={JB};
SR={JA, JR, JP, JN};
SS={JS};
SV={JV}.
Такое распределение обосновывается принадлежностью некоторых сервисов к категории экспериментальных, следовательно, для минимизации рисков они вынесены на отдельные серверы. Экспериментальный характер работы позволяет устанавливать сервисы на бюджетные или устаревшие серверы.
Использование более одного веб-сервера ставит вопрос о конфигурации прокси-сервера. Для обеспечения конфигурируемости, гибкости работы следует направлять трафик через один прокси-сервер, следовательно, прокси-сервер должен размещаться на маршрутизаторе, сервер-маршрутизатор, в свою очередь, должен иметь достаточную мощность.
Далее, рассмотрим сетевую инфраструктуру модели ЕИС.
СU={CL, CW, CD, CV, CF}
Типы линий связи в среде передачи данных:
CL Ethernet LAN, проводная сеть Ethernet. (100/1000 Mbit/s)
CW Wireless, беспроводная сеть Wi-Fi (IEEE 802.11b/g)
CD DialIn, модемный доступ по коммутируемым телефонным линиям
CV VPN, подключение через виртуальные частные сети
CF Fiber, оптоволоконная сеть
В общем случае, возможны ситуации, когда сегменты сети имеют протяженность свыше норм, допустимых при прокладке UTP 5 категории, тогда следует использовать оптоволоконные кабели CF, в иных случаях для соблюдения требований экономичности, унифицированности средств и простоты эксплуатации систем предлагается использование витой пары UTP5e (CL).
Доступ по коммутируемым телефонным линиям обеспечивается для подключения в аварийных случаях, поскольку не обеспечивает комфортной скорости работы и стабильности связи, как правило, не может быть расширен до необходимого количества одновременных соединений, но, в то же время, может использоваться для средств администрирования и мониторинга в нештатных ситуациях.
Использование виртуальных частных сетей (VPN) CV применимо для организации безопасного доступа к защищенной внутренней сети ЕИС в целях управления серверами и сервисами, а так же для создания единого сетевого пространства. В частности, средствами VPN создается единая сеть с доступом по протоколам FTP, SMB, SSH без задействования дополнительных внешних IP адресов (в противном случае, для организации доступа по FTP для управления сервисами потребуется выделение пула адресов).
Беспроводная сеть CW имеет существенные недостатки по пропускной способности и стабильности при высоких нагрузках, но незаменима для работы портативных устройств и в большинстве случаев удовлетворяет всем требованиям пользователей. Использование беспроводной сети CW в совокупности с виртуальными сетями CV дает возможность совершать все возможные действия, как пользовательские, так и административные, по открытому радиоканалу благодаря средствам защиты соединений VPN.
Категории сетей в ЕИС:
NA - Administration, административная сеть
NI - IT, техническая поддержка и системные администраторы
NS - Study, учебные классы
NE - External, удаленные подключения
NW - Wireless, открытая беспроводная сеть.
Сетевая инфраструктура ЕИС может быть представлена таким образом:
N={NA, NI, NS, NE, NW}
Физическая инфраструктура сети ЕИС представляет собой минимальный набор коммуникаций, в то время, как логическая структура сети является более разветвленной. Для обеспечения разделения прав доступа, учебные, административные и системные зоны сети выделены в отдельные сегменты. Разделение обеспечивается средствами коммутаторов с использованием технологии виртуальных локальных сетей VLAN.
Благодаря разделению сетей на логические сегменты, средствами мониторинга возможно установление источников нештатных ситуаций и нежелательной активности.
Категории пользователей:
UA - Administration, административные сотрудники;
UT - Teachers, преподаватели;
US - Students, студенты;
UI - IT, системные администраторы и техническая поддержка;
UP - Project, участники проектов;
UE - External, внешние пользователи, имеющие учетную запись в ЕИС;
UG - Guests, посетители без учетной записи в ЕИС.
U={ UA UT US UI UP UE UG}
При этом пользователь может быть отнесен сразу к нескольким категориям.
Посетители без учетной записи могут читать открытую информацию информационных ресурсов наравне с любыми пользователями Интернет, но не могут публиковать информацию. Студенты и административные сотрудники могут публиковать информацию от своего имени, а сотрудники технических служб и преподаватели могут администрировать контент информационных ресурсов.
Таблица 2. Распределение прав доступа групп пользователей в ЕИС
|
Read
|
Write
|
Admin
|
UA
|
+
|
+
|
|
UT
|
+
|
+
|
+
|
US
|
+
|
+
|
|
UI
|
+
|
+
|
+
|
UP
|
+
|
+
|
|
UE
|
+
|
+
|
|
UG
|
+
|
|
|
Таким образом, студент X в роли администратора сервиса Y по проекту Z может быть представлен в системе, как U={US(X),UA(Y),UP(Z)}.
Аппаратная часть ЕИС состоит из серверов S и сетевой инфраструктуры N. Конфигурация и состав аппаратной части подробно рассмотрены и обоснованы в диссертации. Основные положения:
Первоначально созданная модель ЕИС и определенная ею конфигурация аппаратной составляющей видоизменялась в деталях, но общие принципы сохранились и являются определяющими при дальнейшем развитии.
Основная задача аппаратной части ЕИС – обеспечить подключение пользователей к сети (локальная проводная сеть, беспроводная сеть, коммутационное оборудование) и предоставить им доступ к внутренним и внешним ресурсам.
Маршрутизация трафика обеспечивается сервером-роутером SR. Анализ аппаратных решений и потребностей ЕИС показал, что в данном случае закупка аппаратного роутера нецелесообразна, а нужную гибкость при разумных затратах обеспечит программный маршрутизатор, установленный под управлением ОС Linux и соответствующим набором утилит. Таким образом, на сервер-роутер возлагаются следующие функции:
маршрутизация всего трафика в ЕИС,
dial-in сервер (подключения по модему, беспроводной сети, VPN каналам),
прокси-сервер и кеширующий сервер для веб-серверов.
Аппаратные требования для сервера-роутера резко возрастают при использовании его в качестве прокси-сервера для активно действующих веб-серверов. Сервер-роутер является критически важным узлом сети и при высоких требованиях к производительности приоритетным является необходимость обеспечения надежности работы.
Почтовый сервер. С точки зрения конфигурации системы почтовый сервер не обязательно выносить на отдельный физический сервер. Такое решение обосновано требованиями надежности и эволюционным характером развития ЕИС. Работы, чаще всего происходящие на веб-серверах, не должны затрагивать функционирование почтового сервиса, являющегося одним из основных в информационной среде, при наличии веб-сервера, не использующегося в исследовательских или учебных целях, возможно размещение почтового сервера на нем. Аппаратные требования к выделенному почтовому серверу позволяют использовать устаревшие серверы (Pentium 3) и уделять основное внимание надежности, а не производительности.
Веб-сервер(ы) специфичны тем, что к управлению расположенными на них ресурсами должны иметь доступ администраторы, не участвующие в поддержке и развитии ядра ЕИС. В общем случае, управлять сайтами могут неквалифицированные администраторы. Это обстоятельство накладывает серьезные требования к безопасности и обособленности поддерживаемых ресурсов для исключения взаимного влияния и воздействия на работу самого сервера.
Для обеспечения информационной и ресурсной защищенности, используется виртуализация серверов. Технология VPS (Virtual Private Server) позволяет выделять администратору персональную виртуальную машину (VM, Virtual Machine) на физическом сервере. Количество обслуживаемых VM зависит от мощности сервера и от выделенных каждой VM ресурсов. Как следствие, веб-сервер крайне требователен к аппаратным ресурсам и для полноценного его функционирования необходимо обеспечить большой объем оперативной памяти и запас процессорной мощности. Задачи хорошо распараллеливаются, следовательно, предпочтительны многопроцессорные многоядерные конфигурации сервера.
Сервер баз данных является выделенным физическим сервером с производительной дисковой системой. Выделение отдельного физического сервера рационально при большом количестве поддерживаемых веб-ресурсов, использующих однотипные базы данных (например, MySQL). Установка СУБД MySQL на VPS нерациональна по затратам ресурсов и нежелательна с точки зрения надежности, при этом повышается нагрузка на дисковую подсистему, нежелательная при большом количестве VPS на одном веб-сервере. В то же время, объемы баз данных, как правило, суммарно не превышают емкости даже небольших по объему RAID массивов на базе SCSI дисков, что позволяет выделить недорогой сервер и использовать самые производительные его ресурсы.
Коммутация трафика обеспечивает передачу трафика между серверами и рабочими станциями с разделением на виртуальные сети. При расчете нагрузки учитывалось, что серверы с шиной PCI32 не способны передавать данные на такой скорости 1Гбит/с и перегрузка каналов при достижении предельной скорости на сетевых интерфейсах серверов не происходит. Ряд прикладных задач, возлагаемых на ЕИС, требует поддержания высокоскоростного обмена данными с рабочими станциями, однако, характер загрузки позволяет распределять во времени пиковую нагрузку на коммутатор. Для обеспечения централизованного мониторинга сети оборудование должно поддерживать протокол SNMP.
Радиосеть (Wi-Fi) предназначена для организации беспроводного доступа к ресурсам (как внутренним, так и Интернет). Особую актуальность радиосеть получила по мере распространения карманных устройств с адаптерами WLAN (смартфоны, КПК). Среди студентов и преподавателей стали распространены ноутбуки и появление радиосети в вузе стимулировало активное использование портативной техники в учебных и исследовательских работах.
Сетевая инфраструктура
Сети различного назначения (сеть общественного доступа LAN / WAN, сеть администрации подразделения, сеть системных администраторов, учебные классы) разделены в отдельные виртуальные локальные сети (VLAN) и маршрутизация между ними обеспечивается сервером-роутером на основе заданных правил.
При доступе из внутренней сети возможны два варианта аутентификации:
С помощью RADIUS на коммутаторе, в таком случае для соответствующего MAC адреса будет открыт доступ на скорости работы оборудования без каких-либо дополнительных потерь, но такой способ применим только при наличии оборудования соответствующего уровня и только в локальных сетях.
Прозрачный вход через виртуальную частную сеть (VPN). В таком случае происходит установление соединения по каналу VPN, что можно делать независимо от точки подключения, такой способ универсальнее, но имеет меньшую производительность.
Конфигурация программного обеспечения серверов
Для обеспечения информационной безопасности и независимости компонент ЕИС от сбоев, серверы используют технологии виртуализации, пользователи получают виртуальные серверы и имеют на них права root, однако, никакие их действия не могут привести к существенному отклонению от нормальной работы других виртуальных серверов или перегрузке физического сервера, если не превышена его нагрузочная способность.
Доступ к ресурсам на серверах разделяется по протоколам. HTTP запросы обрабатываются прокси-сервером SP, в то время как другие протоколы проходят через DNAT. SP позволяет экономно расходовать адресное пространство, благодаря наличию в заголовке HTTP пакета поля HOST. Для других протоколов такое условие не соблюдается и для них выполняется прямая трансляция портов. В зависимости от источника запроса (локальный или внешний), запрос обрабатывается внутренним или внешним DNS сервером.
Рисунок 3. Модель взаимодействия сервисов ЕИС
На уровне веб-сервисов была выбрана схема, позволяющая делегировать полномочия по управлению и развитию различных составляющих информационной среды. Центральным узлом является каталог пользователей, к которому подключаются независимые и самостоятельно развивающиеся ресурсы. Ресурсы обмениваются информацией между собой и с внешними ресурсами, используя общепринятые стандарты. Так, для обмена данными между сайтами предлагается формат RSS, подвид XML, а для взаимодействия с каталогом пользователей – протокол LDAP, принятый во всех аналогичных системах (Windows ActiveDirectory, SAMBA, модули аутентификации веб-сайтов).
|
