Архитектура виртуальной обучающей среды с

76 Дистанционное и виртуальное обучение. 2010. № 6 Виртуальные технологии , доктор технических наук, профессор Архитектура виртуальной обучающей среды с поддержкой технологий беспроводного доступа к информационным ресурсам В статье рассматривается опыт создания экспериментального гетерогенного информационного пространства кафедры и центра дистанционного образования вуза с зонами беспроводного доступа на базе установленных мультиантенных маршрутизаторов технологии WiFi (ASUS-500WL), точек доступа технологии Bluetooth (D-Link DBT-900AP) и отладочных комплектов технологии ZigBee для учебно-методической поддержки студентов и преподавателей, поддержки мониторинга технических и вспомогательных систем и университетских служб. Основной идеей является обеспечение возможности беспроводного доступа к информации с мобильных устройств пользователя, таких как сотовые телефоны, смартфоны, КПК, коммуникаторы, ноутбуки и нетбуки. Использование беспроводных мобильных средств для доступа к ресурсам обусловлено распространением подобных устройств в студенческой среде, отсутствием лицензирования на использование технологий беспроводной связи и возможностью предоставления вузом бесплатного доступа к собственным информационным ресурсам для поддержки процесса образования и самообразования. Гетерогенность виртуальной среды предполагает использование проводных (Ethernet) и беспроводных (Bluetooth, WiFi) сетевых сегментов при организации единого информационного пространства с реализацией ?повсеместного? доступа к информации по принципу 4А в любом месте кампуса вуза и в любое время, что позволит повысить эффективность и качество учебного процесса. Ключевые слова: информационная поддержка, сенсорные сети, гетерогенные сети, локализация, дополненная реальность, поддержка принятия решений, электронное образование, WiFi, Bluetooth, ZigBee. Введение В настоящее время в связи со значительным прогрессом в развитии современных информационных и телекоммуникационных технологий образовательДистанционное и виртуальное обучение. 2010. № 6 77 Виртуальные технологии ные учреждения различного профиля все большее внимание уделяют вопросам разработки и эффективного применения инновационных методик и технологий в процессе подготовки специалистов. При этом особую актуальность приобретают задачи, связанные с внедрением беспроводных информационно-телекоммуникационных технологий в вузе. В связи с появлением и развитием технологий электронного (e-learning) и мобильного (m-learning) образования возникает необходимость разработки систем произвольного персонального доступа как к внутренним информационно-образовательным ресурсам вуза, так и к внешним Интернет-ресурсам для поддержки различных форм очного и дистанционного обучения, самообразования студентов. Распространенным подходом учебно-методического обеспечения образовательных систем и информационной поддержки процессов обучения является организация информационно-образовательного портала (ИОП) в Интранет/Интернет виртуальной среде вуза. Информационно образовательный портал — это программно-аппаратный комплекс, способствующий проведению целостной образовательной деятельности учебного заведения посредством предоставления персонифицируемого доступа к информационным ресурсам, дающий возможность пользователям управлять и взаимодействовать с информационными ресурсами и другими пользователями с целью повышения профессионального уровня. В настоящее время в сети Интернет существует большое количество порталов для различных предметных областей, профилей и уровней образования. Для построения полнофункционального портала на основе гетерогенной телекоммуникационной среды помимо традиционных методов предлагается внедрить принцип ?повсеместного? (ubiquitous) доступа к информационным ресурсами с поддержкой мобильности пользователей (технология u-learning). Данный термин заимствован из латыни (ubique), и означает everywhere -повсеместный. Концептуальное значение ?повсеместная сеть? не ограничивается только географической характеристикой. Фактически это создание всеохватывающей (всепроникающей) телекоммуникационной сети, которая вместе с программным обеспечением позволяет реализовать концепцию получения информации по принципу 4А (?anywhere, anytime, by anyone and anything?). Подобный принцип предполагает широкое использование технологий беспроводной и мобильной связи (Bluetooth, WiFi, WI-MAX, GPRS, EDGE, UMTS, WAP) . Таким образом возникает необходимость разработки широкомасштабных корпоративных информационных систем с возможностью беспроводного мобильного доступа пользователей к различным сервисам и ресурсам . Причем подобная система должна быть настроена не только на доставку информации до пользователя, но и предоставлять ему возможность обратной связи с информационной системой, Web-презентациями, виртуальными обучающими комплексами. К основным сервисам подобной информационной системы с беспроводным доступом можно отнести следующие: 78 Дистанционное и виртуальное обучение. 2010. № 6 Виртуальные технологии 1) сервис локализации и определения местоположения. Предназначен для автоматического обнаружения, распознавания и идентификации мобильного устройства при его попадании в зоны доступа информационного пространства; 2) сервис персональной информационной поддержки. Позволяет пользователю получать по запросу необходимую ему информацию организационного, учебно-методического и справочного характера после прохождения автоматических процедур регистрации, идентификации и аутентификации; 3) сервис сбора телеметрической и биометрической информации. Предназначен для регистрации пользователей в системе, слежения за их действиями и перемещениями на контролируемой территории, для мониторинга работы различных технических, энергетических. охранных и прочих систем в различных университетских службах; 4) сервис дистанционного управления. Предназначен для использования мобильных устройств с радиомодулями для управления бытовыми приборами и приборами промышленной автоматизации техническими, программными приложениями, объектами виртуальной и расширенной реальности , компьютерным и презентационным оборудованием, оргтехникой и т.д. Архитектура информационной сети с поддержкой беспроводного доступа Важным моментом при создании гетерогенных масштабируемых сетей является учет внешнего Интернет-трафика и внутреннего распределенного трафика между узлами сети. Внутренний трафик влияет на эффективность внутрисетевого обмена и на время отклика при обращении к информационным ресурсам университета. Сегментация информационного пространства гетерогенной сети на кластеры может существенно снизить число случайных переходов при передаче данных. Для реализации проекта предложена базовая архитектура гетерогенной сети с объединением сетей трех беспроводных технологий и проводного сетевого сегмента Ethernet со шлюзами во внешнюю Интернет-сеть, доступом в сети. Беспроводные сегменты включают: 1) кластер WiFi-сегментов для организации доступа к информационному порталу с ноутбуков, нетбуков и коммуникаторов; 2) кластер Bluetooth-пикосетей для организации доступа к информационным ресурсам с сотовых телефонов; 3) ZigBee-кластеры для организации сенсорных сегментов сети, решающих задачи по локализации и идентификации пользователей и другие специфические задач. В общем случае сетевая архитектура включает следующие кластерные сегменты: 1) кластеры сенсорных узлов ZigBee; 2) распределенную структуру (scatter net) пикосетей устройств связи с радиомодулями Bluetooth; Дистанционное и виртуальное обучение. 2010. № 6 79 Виртуальные технологии 3) зоны доступа WiFi с расширенным набором базовых служб (ESStopology); 4) совокупность устройств, используемых для беспроводного доступа к ресурсам гетерогенной сети; 5) совокупность интерфейсных устройств (маршрутизаторов, координаторов и т.д.), выполняющих функции шлюзования для объединения сегментов и выхода во внешнюю сеть. Для объединения устройств внутри кластера используются координаторы, точки доступа, мастер-узлы, маршрутизаторы и коммутаторы. Для объединения кластеров разных технологий используются устройства-шлюзы (мосты) с несколькими беспроводными модулями и программным обеспечением для протокольного преобразования. Существует три подхода к согласованию разных стеков протоколов. 1. Трансляция — обеспечивает согласование двух протоколов путем преобразования (трансляции) сообщений, поступающих от одной сети, в формат другой сети. В роли ретранслятора могут выступать программный или аппаратный шлюз, мост, коммутатор или маршрутизатор, размещается между взаимодействующими сетями. 2. Мультиплексирование — заключается в установке нескольких дополнительных стеков протоколов на одном из серверов, участвующих во взаимодействии. Сервер с несколькими стеками протоколов является связующим звеном для разных сетевых сегментов и использует для взаимодействия с соответствующим сегментом его протокольный стек. Для того, чтобы запрос от прикладного процесса был правильно обработан и направлен через соответствующий стек, используется программный или аппаратный элемент — мультиплексор протоколов, который позволяет передавать по одной коммуникационной линии одновременно несколько различных потоков данных, и определять, к какой сети направляется запрос клиента. 3. Инкапсуляция (туннелирование) — применяется для вложения протокольных блоков данных верхнего уровня в блоки данных нижнего уровня. Инкапсуляция может быть использована, когда две сети с одной транспортной технологией необходимо соединить через сеть, использующую другую транспортную технологию, например передать пакеты WiFi сегмента через кадры сенсорной сети ZigBee в другой WiFi сегмент. Создаваемая архитектура экспериментальной гетерогенной сети позволит реализовать принцип ?бесшовной? передачи информации между сетевыми сегментами с разными протокольными стеками. Для исследования архитектуры можно использовать многоагентную распределенную модель ?пиринговой? сети с равноправными узлами (Multiagent Peer-toPeer Distributed odel). В соответствии с системно-синергетической концепцией любая сложная информационная система обладает способностью к самоорганизации . Это свойство лежит и в основе организации ячеистых самооргани80 Дистанционное и виртуальное обучение. 2010. № 6 Виртуальные технологии зующихся сетей с децентрализованной моделью управления и поддержкой беспроводных технологий передачи данных, и их применения для мониторинга, управления и поддержки принятия решений в технических и социально-экономических системах. Архитектура самоорганизующейся сети, основанной на распределенной модели определяет следующие принципы взаимодействия: 1) участники сетевого взаимодействия равноправны; 2) используется единая IP адресация узлов для организации взаимодействия сетевых сегментов разных стандартов; 3) сетевая архитектура не требует обязательного централизованного механизма управления информационными сервисами и службами, так как сеть поддерживает способность к самоорганизации информационного пространства; 4) узлы сети могут одновременно использовать сервисы других узлов и предоставлять собственные сервисы; 5) используются механизмы обмена информацией по принципу P2P с поддержкой ?битовых потоков? (BitTorrent); 6) мобильные беспроводные узлы сети наряду со стационарными могут выполнять функции ретрансляции и маршрутизации ?чужих? пакетов; 7) сеть поддерживает механизмы самовосстановления в случае сбоя, отключения и выхода из строя узлов; 8) поддерживаются механизмы адаптивной динамической маршрутизации при передаче трафика с учетом процессов самоорганизации в сети; 9) поддерживаются технологии объединения узлов сети в кластеры с целью консолидации ресурсов для распределенной обработки информации или организации совместного доступа; 10) сетевая архитектура основана на принципе открытости и масштабируемости при подключении новых беспроводных и проводных узлов. Преимуществами подобной модели являются следующие: 1) открытость сетевой инфраструктуры (любой узел может стать участником взаимодействия); 2) полностью автономная самоорганизация логической сети, либо самоорганизация кластеров с координирующими узлами; 3) непосредственное взаимодействие узлов при информационном обмене; 4) отсутствие необходимости в централизованном управлении всей гетерогенной сетью со стороны сервис-провайдеров; 5) высокая отказоустойчивость системы даже при сбоях у большинства ее узлов; 6) контроль доступа к собственным ресурсам со стороны каждого узла. Идентификацияилокализациявинформационномпространстве При организации ?повсеместного? доступа к информационным ресурсам университета первоочередной задачей является идентификация и аутентификация пользователей, а также локализация (определение местоположения) их устДистанционноеивиртуальноеобучение 2010. №6 81 Виртуальныетехнологии ройств с модулями беспроводного доступа в зонах доступа к информационным ресурсам с целью ограничения несанкционированного доступа и выполнения требований политики безопасности университетской сети . Разработка данных методов определения местоположения клиентского оборудования беспроводной связи является одной из важных проблем применения технологий беспроводных сетей. С одной стороны, это позволяет владельцу мобильного устройства с требуемой точностью обнаружить свое местоположение на карте или плане здания или рассчитать положение мобильного устройства относительно других устройств. С другой стороны, позволяет создать точки привязки мобильных устройств с модулями беспроводной связи к координатам местности, например, для решения задач опознавания ?свой-чужой?, задач слежения за передвижениями пользователей на заданной территории, задач наблюдения за действиями пользователей, задач мониторинга и других задач радиочастотной идентификации (RFID). В зарубежной литературе подобные сервисы относятся с LBS-услугам (Location-based service), т.е. службам по определению местоположения абонентского устройства. Операторы сотовой связи называют такие технологии MLS услугами (Mobile Location Service), что означает сервис по определению местоположения абонента. Очевидно, что системы локального позиционирования могут быть полезны и при использовании в беспроводных сетях с рассматриваемой архитектурой. Использование данных технологий возможно при позиционировании объектов на небольших пространствах, особенно в закрытых помещениях, где возникают проблемы с сигналами систем глобального позиционирования и проблемы с определением местоположения через операторов сотовой связи. Определение локальной позиции абонента с мобильным устройством на плане ограниченной местности (университетского кампуса) или внутри зданий, в частности, необходимо при работе систем персональной информационной поддержки студентов и преподавателей. На основании информации об относительном местоположении пользователя, он может автоматически регистрироваться и получать требуемую информацию от ближайших к нему точек WiFi или Bluetooth доступа, сенсорных ZigBee узлов. Подобные сервисы также востребованы, например, при получении информации о туристических маршрутах во время осмотра музейных и выставочны