В современных тяжелых экономических условиях из-за серьезного повышения цен на компьютерную технику и недостаточного финансирования организаций общего образования темпы обновления школьного парка компьютеров являются очень низкими. Так в Оренбургской области за 2012 код обновлено всего 5,7% от общего количества компьютеров. При сохранении порядка финансирования для полного обновления компьютеров потребуется 17,5 лет. При этом в современных условиях срок службы персонального компьютера до морального устаревания составляет 5 лет. Таким образом, при сохранении традиционной ориентации школ на использование собственны вычислительных ресурсов необходимо увеличение финансирования как минимум в 3,5 раза. Другои проблемои информатизации общего образования является недостаточныи уровень оснащения школ платными программными продуктами в связи с высокои стоимостью лицензии . Покупка платных лицензии экономически необоснованно, поскольку специализированные программные продукты (например, графические редакторы Adobe) используются лишь небольшую долю от общего времени эксплуатации компьютеров в учебном процессе.

Чаще всего, в системе общего образования предполагается использование открытых бесплатных программных продуктов для операционнои системы Linux. Однако администрирование Linux довольно трудоемко, требует высокои квалификации технического персонала. Кроме того, открытые продукты обычно обладают урезанным функционалом или не удовлетворяют приемлемому уровню качества.

Таким образом, традиционная схема использования программных продуктов приводит к риску снижения уровня информатизации общего образования, ухудшению качества подготовки школьников в области современных информационных технологии .

Решением проблемы может стать использование облачных технологии , предполагающих виртуализацию и перенос вычислительных ресурсов в центры обработки данных поставщиков облачных услуг. Облачная система может работать на основе механизма DaaS (Desktop as a Service, рабочии стол в качестве сервиса), направленного на предоставление каждому учащемуся виртуальнои машины и виртуального окружения (виртуального рабочего стола) со всем необходимым для обучения установленным программным обеспечением. Доступ к виртуальному окружению осуществляется учащимися удаленно с использованием компьютеров образовательных организации (которые могут иметь устаревшую конфигурацию) или мобильных устрои ств (ноутбуков, планшетных компьютеров, смартфонов). Однако в этом случае организация также должна закупить или арендовать необходимое программное обеспечение.

Альтернативныи механизм предполагает предоставление удаленного доступа к конкретному программному продукту с использованием модели SaaS (Software as a Service). К сожалению, наиболее популярные SaaS-службы Microsoft Office 365 и Google Apps предоставляются зарубежными компаниями, что в перспективе может привести к проблемам доступа и входит в противоречие со стратегиеи импортозамещения.

Для сокращения издержек наиболее выгодно организовать совместное использование всеми образовательными организациями региона типовых программных конфигурации , включающих лицензии на платные продукты. При этом виртуальные ресурсы для запуска конфигурации также проще арендовать у облачных проваи деров. Однако в настоящее время отсутствуют разработки централизованных систем управления облачными ресурсами, которые учитывали бы специфику работы образовательных организации -периодичность расписании , наличие времени начала и окончания использования виртуальных машин во время занятии (с учетом поурочных планов), ограничения плавающих лицензии . Поэтому разрабатываемые решения будут иметь принципиальную новизну в сравнении с существующими разработками.

Рассмотрим существующие решения для образовательных целеи , использующие облачные технологии для предоставления удаленного доступа к виртуальным окружениям и ПО.

Национальныи исследовательскии университет ЮУрГУ разработал облачную образовательную платформу «Персональныи виртуальныи компьютер» [1]. Данныи проект реализует механизм EaaS (Education as a Service) и представляет собои электронныи образовательныи ресурс, доступ к которому осуществляется удаленно с устрои ства пользователя. Доступ к виртуальным рабочим столам происходит на базе готового решения посредством платного импортного программного обеспечения Citrix Xen Desktop, имеющего значительную стоимость и не позволяющего контролировать ограничения плавающих лицензии .

В статье [2] Bo Wang и HongYu Xing описаны приложения облачных вычислении в системе образования Китая. Реализация механизма SaaS (Software as a Service), при использовании облачных приложении Google Appsи Zoho Office, позволяет учащимся получать доступ к офисным пакетам, библиотекам и облачным ресурсам с персонального компьютера, на котором установлена операционная система Linuxи Web-браузер Firefox. Указанное программное обеспечение относится к открытому ПО, следовательно, образовательнои организации не надо беспокоиться об установке платного программного обеспечения, обеспечивать поддержку и обновление ПО, а также своевременно закупать дорогостоящее оборудование. Предложенная система не позволяет получать удаленныи доступ к обычным настольным приложениям, не адаптированным под облачные модели, и их лицензионные ограничения.

Статья [3] Shinichiro Kibe, Teruaki Koyama и Minoru Uehara предлагает два вида реализации схемы DaaS (Desktop as a Service) -удаленныи рабочии стол для одного или группы пользователеи . Разработанные авторами статьи продукты поддерживают различные операционные системы (CentOS, Ubuntu, Windows и MacOSX). При увеличении количества пользователеи возрастает нагрузка на облачную систему. Для решения этои проблемы авторы предложили ограничения по ролям для удаленных рабочих столов и сессионные ограничения на использование таких рабочих столов. В дальнеи шем авторы планируют описать подходы, которые позволят снизить стоимость использования образовательного облака при увеличении числа активных пользователеи . В отличие от решении авторов статьи, в рамках нашего проекта предлагаются разработки по эффективному распределению нагрузки пользователеи на виртуальные машины, а также поддержка плавающих лицензии .

Совершенно другои подход предложен Justin Cappos, Ivan Beschastnikh, Arvind Krishnamurthy и Tom Anderson в статье [4]. Здесь описывается разработанная облачная вычислительная образовательная платформа Seattle. Данная платформа зависит от ресурсов, которыми поделился пользователь программного обеспечения. Он имеет возможность установить Seattle на свои персональныи компьютер и использовать программное обеспечение этои платформы, задеи ствуя часть вычислительных ресурсов компьютера с возможность выполнения программ других пользователеи в песочницах.

Идея использования обычных компьютеров, вместо высокопроизводительных серверов, для построения облачных образовательных систем представлена в работах [5][6]. Основнои недостаток [5] -низкая производительность, в том числе подсистемы ввода/вывода, связанная с доступом к дисковым образам виртуальных машин.

В работе [7] предлагается использовать ресурсы проваи деров облачных услуг для создания образовательных облаков нескольких высших учебных заведении . Авторы рассматривают только услуги IaaS, PaaS и SaaS, отставив за рамками предоставление услуги рабочего стола в качестве сервиса -DaaS-услуг (Desktop as a Service), кроме того, они не описывают никаких деталеи возможнои реализации.

Ранее нами были разработаны [8][9][10] концепция региональных образовательных ресурсных центров на базе облачных центров обработки данных, эффективные алгоритмы планирования виртуальных машин и виртуальных окружении учащихся. Разработка предполагает развертывание собственного центра обработки данных (ЦОД) с программно-конфигурируемои сетью, что является не очень эффективным решением в экономическом плане, т.к. потребуются значительные затраты на закупку, настрои ку, обновление оборудования. Также часть ресурсов, например, по ночам, когда нет занятии или в выходные дни, будет простаивать, что отрицательно скажется на стоимости владения ЦОД.

Более эффективное решение предлагается в рамках данного проекта -использование ресурсов одного из существующих отечественных облачных проваи деров, предлагающих гибкую систему оплаты. В этом случае оплачиваются только реально потребляемые виртуальными машинами ресурсы процессоров, оперативнои и дисковои памяти, СХД, сетевого трафика, что приводит к значительнои экономии. При использовании сторонних облачных проваи деров, в отличие от собственного ЦОД, задача планирования виртуальных машин принимает новую форму -теперь ресурсные ограничения не учитываются, а принимаются во внимание только ограничения плавающих лицензии ПО и поурочных планов предметов, преподаваемых в образовательных организациях.

Отечественные проваи деры облачных DaaS-услуг (Desktop as a Service, рабочии стол в качестве сервиса) не позволяют гибко управлять набором ПО, разворачиваемом в виртуальных машинах виртуальных классов, а также не предоставляют возможность планировать запуск и остановку виртуальных окружении по расписанию. Поэтому наиболее адекватным решением является использование ресурсов отечественных проваи деров IaaS-услуг (например, Active Cloud, RTCLOUD), поверх которых реализуются собственные DaaS-услуги. С целью балансировки нагрузки и повышения отказоустои чивости РЦКД может использовать ресурсы нескольких проваи деров.

Основными пользователями системы являются: а) учащиеся, осуществляющие подключение к виртуальным машинам виртуальных классов и работу с виртуальными окружениями, которые содержат платное и бесплатное ПО для уроков; б) администраторы образовательных организации , отвечающие за создание и конфигурирование виртуальных классов (указание предметов и поурочных планов с необходимым ПО), составление расписания их работы, создание профилеи учащихся; в) глобальныи администратор системы, решающии задачи на уровне всего РЦКД, включая: управление учетными записями, лицензиями, образами, дисками, сервисами и их обслуживанием.

Виртуальныи класс представляет собои группу виртуальных машин, запущенных в них служб терминалов/контеи неров, которые реализуют необходимое виртуальное окружение, содержащее ПО и материалы для учебных занятии . Доступ к виртуальному классу осуществляется удаленно через сеть Интернет с физических компьютеров учащихся или школьных классов.

Для каждого виртуального класса задается список предметов, для которых он используется. В свою очередь, для каждого предмета определяется поурочныи план, в котором для каждого урока задан список необходимого программного обеспечения. Также известен максимальныи размер виртуального класса.

При создании виртуального класса администратором образовательнои организации он выбирает базовыи дисковыи образ (c однои из версии ОС Windows или с дистрибутивом Linux) и в) Виртуальныи сервер БД -хранит все информацию, относящуюся к РЦКД. В частности, здесь сохраняется текущее расписание, информация об учете использования ресурсов (биллинг), сведения службы каталогов LDAP, используемые для авторизации пользователеи в РЦКД и проверки их прав доступа к различным компонентам системы. г) Виртуальныи сервер хранилища -предоставляет собственное пользовательское хранилище данных, а также шлюз доступа к СХД проваи дера (через промежуточныи API). Оно используется для хранения дисковых образов виртуальных машин классов, а также для виртуальных дисков с данными пользователеи (подключаются вторыми дисками в виртуальные машины классов). д) Виртуальныи сервер лицензии и программ -содержит сервер лицензии , которыи управляет активациеи лицензии , а также сервисами плавающих лицензии для конкретных программ. Он также содержит сервис развертывания программ, которыи используется для автоматическои установки программ на дисковые образы при создании или изменении конфигурации виртуального класса администратором образовательнои организации. Для этои цели сервис запускает виртуальную машину на основе выбранного базового образа, затем используя SCM-систему (Software Configuration Manager), автоматически устанавливает все ПО, выбранное администратором на портале самообслуживания РЦКД, а затем сохраняет изменения в дисковыи образ, общии для виртуального класса.

К рабочим виртуальным узлам относятся виртуальные классы, которые представляют собои группы виртуальных машин с виртуальным окружением, включающим необходимые для образовательного процесса программы и материалы. Также имеются агенты связи с системои , используемые для автоматического развертывания ПО, мониторинга загруженности вычислительных ресурсов и контроля соблюдения ограничении .

Описанная общая структура РЦКД может быть охарактеризована следующим образом:

-виртуальные служебные узлы работают независимо от типа виртуализации и облачного гипервизора (для повышения переносимости); -у каждого виртуального служебного узла может быть несколько экземпляров с целью обеспечения эффективности их работы;

-виртуальные служебные узлы поддерживают синхронизацию с виртуальным сервером обслуживания системы независимо от его физического месторасположения, используя имя DNS;

-вся информация о расположении и параметрах узлов, расписании запуска, состоянии задач, образов и дисков содержится в базе данных, которая реализована в виде отдельного виртуального сервера с целью повышения масштабируемости и надежности;

-точкои входа в систему является виртуальныи сервер доступа, выполняющии две основные функции -реализацию портала самообслуживания и реализацию сервера доступа пользователеи к протоколам удаленного рабочего стола через Web-шлюз;

-для реализации лицензионных ограничении предназначен виртуальныи сервер лицензирования, использующии ся для активации преднастроенных образов операционных систем и программного обеспечения (включая плавающие лицензии); -для слежения за загрузкои системы, соблюдением правил лицензирования и ограничении проваи дера на каждои запущеннои виртуальнои машине работает агент управления в виде отдельнои программы, связывающеи ся с сервером облуживания и сервером лицензирования;

-доступ к программному обеспечению пользователи получают через протоколы удаленного рабочего стола (VNC, RDP, X11); -программныи или браузерныи клиент доступа к удаленному приложению перенаправляются перенаправляться на экземпляр виртуальнои машины, ассоциированныи с текущим расписанием клиента.

На рисунке 2 показана схема доступа клиентов к облачным приложениям. С помощью специального приложения или браузера клиент подключается к обратному прокси-сервису nginx, которыи перенаправляет запрос в зависимости от его типа либо на портал самообслуживания, либо на NoVNC-шлюз, которыи позволяет по протоколу HTTPS передавать полноценныи удаленныи экран VNC, RDP и X11. Выбор на какои именно сервер перенаправить конкретного клиента определяется согласно составленному расписанию. Эти сведения хранятся в базе данных.

На самих рабочих серверах установлены VNC сервера, позволяющие работать с фреи мбуфером и транслировать только одно окно приложения. Это дает возможность однооконным приложениям работать с несколькими пользователями на одном сервере практически без увеличения накладных расходов.

Поскольку данная система должна обладать высокои производительностью в пиковые часы и экономить ресурсы во время простоя экземпляры виртуальных машин запускаются только по расписанию, составленному на основе заявок администраторов образовательных организации (например, учителеи информатики).

В рамках проекта созданы алгоритмы планирования уроков виртуальных классов на основе интеллектуальных методов: генетических алгоритмов и имитации отжига [11][12], которые могут:

-составлять расписание работы виртуальных классов с учетом времени начала и окончания отдельных уроков в образовательных организациях и пожелании преподавателеи , ведущих предметы с использованием данных классов;

-учитывать лицензионные ограничения на ПО, одновременно используемое при проведении уроков в нескольких виртуальных классах различных образовательных организации (максимальное количество одновременно работающих экземпляров ПО при плавающих лицензиях, а также обычные лицензии).

Также имеется высокая вероятность заражения виртуальных машин компьютерными вирусами, возможны хулиганские деи ствия самих пользователеи .

Планируется разработать систему защиты информации РЦКД, включающую систему SIEM (Security Information and Event Management -Управление информациеи и событиями безопасности), которая агрегирует информацию из разных источников и на основе статистического анализа или использования сигнатурных правил выявляет потенциальные угрозы и атаки. Система SIEM подключается к следующим источникам (средствам защиты РЦКД): антивирусы, DLP (Data Link Prevention -системы предотвращения утечек конфиденциальнои информации), IDS (Intrusion Detection System -системы обнаружения вторжении ), межсетевые экраны, журналы работы облачных сервисов, гипервизоров виртуальных машин, ОС и программ внутри виртуальных машин, сведения о загруженности вычислительных ресурсов. Для системы SIEM будут использованы стандартные средства превентивнои защиты -блокировка трафика на межсетевом экране, оповещение администратора, а также разработаны собственные, учитывающие специфику РЦКДнапример, изоляция и остановка подозрительных виртуальных машин, отключение синхронизации между виртуальными ЦОД РЦКД, размещенными у разных проваи деров, в случае взлома одного из них и др.

Предусмотрено активное использование криптографических средств защиты информации: а) шифрование сведении в БД РЦКД -применение симметричных алгоритмов; б) шифрование информации пользователеи , передаваемои через Интернет -применение защищенных протоколов SSL/TLS; в) шифрование информации, передаваемои между виртуальными ЦОД РЦКД -организация VPN-соединении .

Отказоустои чивость системы может быть обеспечена за счет использования нескольких виртуальных ЦОД РЦКД, размещаемых у различных проваи деров, а также за счет стандартных механизмов облачных систем.

Важнои особенностью проекта является предоставление учителям готовых конфигурации виртуальных машин со всем необходимым программным обеспечением, рекомендуемым в учебнометодических комплексах по школьным предметам. В рамках проекта разработаны типовые конфигурации для изучения предмета «Информатика» в 7-11 классах на основе рекомендованных Министерством образования и науки РФ учебников, входящих в федеральныи перечень.

Таким образом, широкое внедрение единого регионального центра коллективного доступа к образовательным программным продуктам на базе облачных технологии будет иметь значительныи социальныи эффект -обеспечит удаленныи доступ через интернет всем учащимся школ Оренбургскои области к практически любому ПО, необходимому в учебном процессе, что положительным образом скажется на качестве образования. Использование ресурсов россии ских проваи деров облачных услуг -важныи шаг в сторону импортозамещения ПО в системе образования.

Региональныи центр коллективного доступа к образовательным программным продуктам позволит значительно снизить затраты школ и Министерства образования на закупку и установку импортных компьютеров и платных программных продуктов. Централизованное администрирование центра обеспечит его надежную и бесперебои ную работу, значительно сократит затраты на обслуживание школьных компьютерных классов.

Оренбургской области (грант № 37 от 30 июня 2016 г.), РФФИ (проекты № 16-07-01004, 16-47-560335), Президента Российской Федерации, стипендии для молодых ученых и аспирантов (СП-2179.2015.5).