V rámci zvyšování kvality výuky a zpřístupňování nových technologií byla na katedře telekomunikační techniky spuštěna virtuální laboratoř, která studentům poskytuje nové možnosti získávání znalostí a zkušeností z oblasti přenosových systémů. Článek popisuje způsob řešení HW a SW vybavení i realizované laboratorní úlohy.
On-line Laboratory of Transmission Systems
Abstract
A new on-line virtual laboratory was developed with the aim of increasing educational quality and new technologies access at the department of telecommunication engineering. The virtual laboratory offers new possibilities of obtaining transmission systems knowledge and experiences. This article describes HW and SW solution of the realized laboratory in conjunction with the individual laboratory measurements.
Úvod
V posledních několika letech, či chcete-li v posledním desetiletí, se internet stal více než součástí každodenního života nejen zaměstnanců firem, ale lze ho již téměř považovat za standard, kterým je vybaveno čím dál více domácností. Politika poskytovatelů internetu se během těchto let také velice změnila a v dnešní době jsou již běžné velmi vysoké rychlosti internetového připojení za relativně nízké ceny. Tento vývoj je třeba zohlednit také ve formách výuky, které by měly pružně reagovat na požadavky (možnosti) studentů a tím přispět k efektivnímu rozvoji jejich úrovně. Díky novým možnostem se také objevila oblast vzdělávání, využívající k výuce nové informační a komunikační technologie s podporou multimediálních prvků, tzv. e-learning. Stále více vysokých škol se také začalo věnovat programům celoživotního vzdělávání a úprava či vytvoření nových studijních prostředí, podmínek a podkladů je v tomto případě nutností. Obecně lze konstatovat, že se rychlému technickému vývoji nelze vyhnout ani ve vzdělávacím procesu a je žádoucí, aby se formy výuky přizpůsobily novým trendům a technologickým aspektům, jež se uplatňují napříč oborovým spektrem.
Na katedře telekomunikační techniky (ČVUT v Praze, FEL) se vyučuje řada předmětů, které se přímo zabývají, či se z části týkají oblasti přenosových systémů. Tato oblast také velmi přitahuje pozornost studentů při výběru témat kvalifikačních prací. Praktická část vyučovaných předmětů je z velké části založena na ověřování znalostí studentů v praktických laboratorních cvičeních. V těchto cvičeních se studenti, formou praktických úloh, seznamují s danými technologiemi a mohou si vyzkoušet jejich funkci, konfiguraci či řešení simulovaných problémů na konkrétních zařízeních. Nelze však vždy plně uspokojit objem požadavků na laboratorní prostory. Tato situace nás přivedla k myšlence vzdálené on-line laboratoře. Cílem bylo vytvoření prostředí, ve kterém by studenti mohli pracovat bez nutnosti fyzické přítomnosti v laboratoři. Dané prostředí by také mělo podporovat možnost operativního přístupu k zařízením např. během přednášek či odborných prezentací. V úvahu lze také brát variantu využití laboratorního prostředí jinou vzdělávací institucí.
V základu virtuální laboratoře bylo spuštěno hned několik laboratorních úloh, které jsou patrné z obr. 3. Tyto úlohy mají studentům přiblížit zejména tyto oblasti přenosových systémů:
- Mnohabodové sítě Ethernet over SDH (VCAT, SNCP, STP, VLAN, QoS)
- Ethernet over SDH v sítích typu bod – bod (VCAT, synchronizace v síti SDH)
- Propustnost přípojek ADSL, ADSL2, ADSL2+ (překlenutelná vzdálenost, rušení, přeslechy)
- Propojování lokálních sítí (LAN – LAN) s využitím přípojek SHDSL
Koncepce vzdálené laboratoře
Na základě vytyčených cílů jsme navrhli a realizovali virtuální laboratoř, jež ve svém základu umožňuje řešení laboratorních úloh zaměřených zejména na synchronní digitální hierarchii SDH a digitální účastnické přípojky xDSL. Přístup studentů k daným technologiím je zprostředkován prostřednictvím veřejné sítě Internet a laboratoř je tak přístupná z jakéhokoliv počítače, který je přístupem k internetu vybaven. Samotný přístup do virtuální laboratoře je zprostředkován pomocí webového rozhraní aplikace Internet Explorer, která je nutná z důvodu využívání prvků ActiveX. Virtuální laboratoř poskytne studentům přístup k požadovaným technologiím kdykoli a ulehčí zatížení laboratorních prostor. Laboratoř je koncipována tak, aby bylo možné její postupné rozšiřování s možností reagovat na nové trendy a technologie v telekomunikační technice.
Před samotnou realizací virtuální laboratoře bylo zapotřebí vytvoření jádra systému. Pro tyto účely byl zakoupen výkonný hardwarový server Supermicro, disponující dvěma 3 GHz procesory, 4 GB pamětí RAM a dvěma 250 GB pevnými disky, které byly nastaveny do funkce RAID pro zvýšení spolehlivosti systému. Jako operační systém byl zvolen Windows Server 2003. Vzhledem k přepokládanému počtu připojovaných periferních zařízení bylo třeba rozšířit počet externích rozhraní serveru. K tomuto účelu byly zakoupeny USB a sériové (COM) rozbočovače. Zvýšení počtu Ethernet rozhraní bylo provedeno pomocí dvou Ethernet přepínačů (switch), kde jeden je využit jako přístupový a jeden slouží jako fyzické rozhraní softwarově vytvořených síťových adaptérů. Tyto virtuální síťové adaptéry byly vytvořeny pomocí tzv. virtuálních lokálních sítí VLAN (Virtual Local Area Network), které Ethernet přepínače a síťový adaptér serveru podporují. Řešení vlastních koncových stanic bylo realizováno formou virtuálních stanic, které disponují téměř identickými vlastnostmi jako klasické stolní PC. Platformou pro vytvoření virtuálních strojů se stal volně dostupný produkt Microsoft Virtual Server 2005. Virtuální laboratoř tímto získala svůj základ a byla připravena k postupnému začleňování jednotlivých prvků určených pro realizaci plánovaných laboratorních úloh. Obecná síťová struktura virtuální laboratoře je uvedena na obr. 1.
Obr. 1. Koncepce on-line laboratoře
Popis aplikačních částí laboratoře
Jedním ze základních kamenů laboratoře je využití Virtual Serveru 2005. Tento produkt umožňuje vytvoření virtuálních stanic, kterým lze téměř libovolně nadefinovat jejich „hardwarové“ parametry, které odpovídají hardwarovým možnostem serveru a jeho součástí. Vytvořené virtuální stanice lze vybavit zvoleným operačním systémem a výsledný celek je obdobou klasického stolního počítače, ovšem s určitými nedostatky. Jednou z největších nevýhod zvoleného řešení resp. softwaru je absence USB rozhraní u virtuální stanic, což se nám podařilo částečně vyřešit formou redukce na sériové rozhraní. Bohužel i zde má zvolený program nevýhodu v omezeném počtu těchto sériových rozhraní a je nutné s tímto faktem počítat při návrhu laboratorních úloh. Příklad obrazovky administrátora se zobrazenými virtuálními stroji je uveden na obr. 2.
Obr. 2. Virtuální stanice – Virtual server 2005
Vlastní přístup studentů k laboratorním úlohám a souvisejícím studijním materiálům, je řešen formou webového přístupu při použití internetového prohlížeče Internet Explorer. Webové rozhraní zajišťuje funkce správy uživatelů, plánování úloh a zprostředkování přístupu k virtuálním pracovním stanicím pomocí grafického rozhraní. Jádrem je sada skriptů v programovacím jazyce PHP, které jsou volány webovým serverem (Apache 2.2.6). Pro podporu persistentního uchovávání dat je využívána databáze MySQL 5.0. Z pohledu databáze je aplikace reprezentována pěti entitami: Třídy (classes), uživatelé (users), úlohy (tasks), virtuální stanice (virtuals) a webové rozhraní (web). O uživateli jsou udržovány informace o jeho jméně, příjmení, emailu, telefonu a heslu zakódovaném jednosměrnou šifrou MD5. Příklad vstupní obrazovky po přihlášení je uveden na obr. 3.
Obr. 3. Seznam úloh
Po úspěšném přihlášení do systému je uživateli kontextově zobrazena nabídka akcí v rámci systému. Student si zde může upravit svůj profil, rezervovat si úlohu a v případě, že je některá z úloh v dané době volná, zahájit řešení úlohy. Učitel může navíc vstoupit do správy tříd, jejichž je učitelem. V případě administrátora lze dále z tohoto rozhraní prohlížet historii přístupů uživatelů, přistupovat přímo k databázi a spravovat konta uživatelů. Okno správy uživatelů dovoluje administrátorovi prohlížet a editovat vlastnosti uživatelů. Vzhled obrazovky konkrétní laboratorní úlohy je zobrazen na obr. 4.
Obr. 4. Příklad obrazovky dané laboratorní úlohy
Plocha úlohy se skládá ze tří částí: menu na horní liště, schéma úlohy a materiály ke cvičení. Horní lišta umožňuje krok zpět (Logout), ukončení práce a obsahuje seznam odkazů na jednotlivé virtuální stanice relevantní pro danou úlohu. Student má na řešení laboratorní úlohy vyhrazen časový interval 120 minut, který je zobrazen v pravém horním rohu obrazovky. Před vypršením této doby je student 15 minut před koncem automaticky vyzván k ukončení práce, nicméně pokud není úloha rezervována, může student v práci pokračovat v dalším dvouhodinovém intervalu. Schéma laboratorní úlohy je vybaveno aktivními body, díky kterým mohou studenti přistupovat k virtuálním stanicím pouhým kliknutím na danou stanici v obrázku. Přístup k virtuální stanici je zobrazen na obr. 5.
Obr. 5. Ovládání virtuální stanice v prostředí laboratorní úlohy
Studenti se na jednotlivé úlohy mohou také registrovat formou rezervačního systému (Scheduler). U vlastní rezervace se pak udržuje doba, na kterou je daný uživatel registrován na úlohu a údaj, zda-li uživatel již přistoupil k řešení úlohy či nikoliv. Takto je zajištěna efektivnější přístupnost jednotlivých úloh a omezení výskytu kolizí. V rámci entity se také udržují i data o posledním přihlášeném uživateli, času jeho přístupu a portu přepínače, ke kterému může být virtuální stanice připojena. Systém dovoluje registraci vždy jednoho studenta na úlohu v danou dobu. K registraci dochází výběrem týdne, kliknutím na některý ze dnů týdne v kalendáři a dále výběrem času a úlohy v tabulce. Uživatel může mít registrovaný právě jeden termín na úlohu, kliknutím na jiný termín dochází ke zrušení předchozí registrace. V seznamu úloh jsou pak studentovi zobrazovány ty úlohy, které má registrované na termín a úlohy, které jsou v současné době volné. Vstupem do volné úlohy dochází automaticky k registraci na termín. Vstoupí-li student pracující na úloze do časového úseku registrovaného jiným studentem po uplynutí doby, kterou měl rezervovanou, je odpojen od virtuálních stanic. Délka časových úseků, ve kterých jsou odstupňovány časy pro rezervace je jednotná pro všechny úkoly. Příklad obrazovky rezervačního systému je zobrazen na obr. 6.
Obr. 6. Rezervační systém
Závěr
V základu virtuální laboratoře bylo spuštěno několik laboratorních úloh z oblasti přenosových systémů. Virtuální laboratoř je dostupná na adrese http://psylab.feld.cvut.cz a již byla úspěšně podrobena testovacímu provozu. V letním semestru školního roku 2007/2008 je již plně nasazena do praktické výuky v předmětu Přenosové systémy. Plánuje se její využití také v dalších předmětech katedry telekomunikační techniky a také postupné rozšiřování jejích možností.
Příspěvek vznikl v rámci projektu číslo 2481/2007 za podpory Fondu rozvoje vysokých škol.
Literatura
[1] L. Boháč, J. Vodrážka: “Virtuální laboratoř pro výuku přenosu dat”, Pedagogický software 2006, České Budějovice, 2006, ISBN: 80-85645-56-4.
On-line laboratoř přenosových systémů
