Содержание к диссертации
Введение
І. Анализ особенностей управления образовательными системами Российской Федерации на современном этапе 9
1.1. Высшее образование в Российской Федерации на современном этапе 11
1.2. Управление системой высшей школы как объектом информатизации 17
1.3. Иерархическая система управления высшим образованием 18
1.4. Информатизация управления системой высшей школы 21
1.5. Интеграция вузов России в мировое информационное пространство 25
Выводы 29
2. Разработка модели академической региональной информационной сети 31
2.1. Характеристики академической региональной информационной сети 32
2.2. Разработка топологического графа академической региональной информационной сети 36
2.2.1. Использование теории графов при проектировании сетей 36
2.2.2. Топология и технические характеристики академической региональной информационной сети 40
2.2.3. Определение пропускной способности каналов связи 44
2.3. Разработка моделей функциональных узлов 46
2.4. Моделирование процесса функционирования академической региональной информационной сети 52
2.5. Распределение задач по узлам сети ЭВМ 54
Выводы 60
3. Структурная оптимизация регионально-вузовских образовательных программ 61
3.1. Разработка программ развития наукоемких технологий образования технических университетов 62
3.2. Разработка региональной программы развития высшего профессионального образования 63
3.3. Построение математических моделей образовательных процессов 64
3.4. Структурная оптимизация образовательных процессов с помощью теории игр 69
Выводы 80
4. Управление образовательными системами региона на примере Республики Башкортостан 81
4.1. Программа "Региональная информационная опорная сеть вузов и научных учреждений Республики Башкортостан" 82
4.1.1. Выбор сетевых протоколов 85
4.1.2. Расчет топологии сети, выбор каналов связи и связного оборудования. 89
4.1.3. Выбор аппаратной и программной платформ 94
4.2. Программа развития высшего профессионального образования Республики Башкортостан 98
Выводы 105
Заключение 107
Список литературы
- Управление системой высшей школы как объектом информатизации
- Разработка топологического графа академической региональной информационной сети
- Моделирование процесса функционирования академической региональной информационной сети
- Построение математических моделей образовательных процессов
Введение к работе
В настоящее время всестороннее развитие и совершенствование системы высшего образования России, интеграция российской высшей школы в мировое информационное пространство невозможны без комплексной информатизации всей системы высшей школы [86]. При этом под информатизацией следует понимать не только оснащение вузов современными средствами информационно-вычислительной техники и программным обеспечением, но и создание, информационное наполнение и активное использование внутриву-зовских и межвузовских коммуникационных компьютерных сетей, широкое внедрение новых информационных технологий в учебный процесс, научно-исследовательскую работу и управление деятельностью вузов. Таким образом, речь идет не о чисто технической проблеме, а о существенной перестройке научно-педагогического мировоззрения преподавателей и сотрудников вузов, о коренном изменении организации процесса познания, технологии проведения научных исследований, методов управления учебными заведениями [50].
Разработка и внедрение новых информационных технологий в систему высшей школы России является необходимым и закономерным условием, практически единственным в настоящий период развития страны, позволяющим повысить качество подготовки и переподготовки специалистов и эффективность всех форм учебного процесса, провести совершенствование и существенное обновление организационной структуры системы высшего образования, довести до уровня, соответствующего международным стандартам и интегрировать ее в мировую систему.
В задаче информатизации образования можно выделить следующие основные направления [8]:
информатизация образовательного процесса;
информатизация научных исследований в вузе;
создание единой информационной среды высшей школы;
информатизация управления высшей школы;
интеграция высшего образования России в мировую систему.
В данной работе рассматриваются вопросы разработки технических средств управления образовательными системами региона и разработки методов структурной оптимизации образовательных программ. Известные работы в области проектирования и расчета сетей ЭВМ ( [2, 3, 6, 7, 8, 22, 28, 33, 34, 35, 36, 40, 45, 46, 63, 71, 95, 96, 97] и др.) ориентированы на сети с минимальным диаметром и их полное применение не возможно в современных российских условиях. В связи с этим создание сетей в настоящее время идет полностью интуитивно. Сети в России не проектируют - к ним "подключаются".
Целью данной работы является разработка методов проектирования региональных телекоммуникационных сетей как одного из методов повышения качества подготовки специалистов в регионе.
Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:
разработка и теоретическое обоснование способов построения региональных сетей;
формализация задачи выбора топологической структуры региональных академических информационно-вычислительных сетей;
разработка обобщенной модели региональной сети;
разработка методов распределения задач в сети ЭВМ с целью повышения эффективности использования вычислительных ресурсов.
Решение основных задач, решаемых в диссертации, основано на использовании математического аппарата теории графов, теории вероятности, теории массового обслуживания и сетей массового обслуживания, теории игр.
Научная новизна состоит в:
обосновании выделения в отдельный класс региональных информацион-
но-вычислительных сетей управления образовательными системами региона и дистанционного образования, что обеспечивает формализацию требований, предъявляемых к таким сетям;
разработке новой методики построения сети, отличающейся отсутствием
требований к минимизации диаметра топологического графа и позво
ляющей проектировать неоднородные сети большого диаметра на основе
анализа типичного для Internet-сети трафика;
разработке алгоритмов имитационного моделирования РИВС академи
ческого назначения для анализа трафика и проектирования топологии;
В процессе выполнения работы был создан пакет прикладных программ для проектирования топологии и имитационного моделирования РИВС.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Результаты проведенных научных исследований и разработок были использованы при создании пакета прикладных программ, позволяющего проектировать региональные информационно-вычислительные сети, а также при разработке Башкирской республиканской академической сети.
Использование программного комплекса позволило при проектировании Башкирской республиканской академической сети:
разработать топологию;
определить необходимую пропускную способность каналов связи;
оценить нагрузку на коммуникационные серверы и произвести их выбор.
Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на всероссий
ской научно-методической конференции Телематика-96 (Санкт-Петербург),
международной научно-методической конференции "Новые информационные
технологии в университетском образовании" (Новосибирске, 1996 г.), Между
народной конференции по дистанционному образованию Edit-96 (г. Москва).
Основные результаты диссертации опубликованы в 7 работах.
Управление системой высшей школы как объектом информатизации
На территории Российской Федерации сегодня работают свыше шестисот высших учебных заведений, расположенных в 88 ее регионах.
В вузах России работает 224 тысячи человек профессорско-преподавательского состава и обучается 2,8 млн. студентов.
Вместе с другими образовательными учреждениями вузы обеспечили повышение уровня средней образованности граждан Российской Федерации, находящихся в трудоспособном возрасте, до 10 лет. Для молодежи в возрасте до 30 лет этот показатель достигает 12 лет. Для сравнения - в США средняя образованность трудоспособного населения составляет 14 лет. В России сегодня учится в вузе или техникуме каждый тридцатый россиянин, в США - каждый двадцатый житель страны. Начиная с 1982 года наблюдается устойчивое снижение как абсолютной численности студентов в высших и средних учебных заведениях России, так и указанного выше относительного показателя, рассчитанного по отношению к численности населения.
Высшая школа России готовит сегодня специалистов по всему спектру необходимых обществу специальностей. В то же время, ввиду своей инерционности, структура и содержание образования во многом несут на себе отпечаток ранее действовавшей жестко централизованной системы.
Существенное отличие высшей школы России от систем высшего образования экономически развитых стран состоит в отраслевой ориентации подго товки кадров и, в частности, в гипертрофии инженерно-технического образования.
Повышению качества образования мешает не только материально-техническая бедность, но и негибкость структуры высшей российской школы, до последнего времени остававшейся одноуровневой. Практически все цивилизованные страны перешли на многоуровневую систему высшего образования.
Требования сегодняшнего дня состоят в том, что нынешний и будущий россиянин, вступающий в мир рыночного труда, должен иметь высокий уровень общеобразовательной подготовки, обладать способностью и профессиональными навыками принимать самостоятельные решения.
Такие качества позволяет приобрести только хорошо отлаженная, эффективно функционирующая и открытая для новаций система образования. Именно поэтому переход к рыночной экономике требует опережающего адекватного реформирования структуры и содержания высшего образования, системы ее управления.
Современная государственная политика в области высшего образования в России направлена на решение следующих основных задач: разработку и реализацию общегосударственной стратегии развития высшего образования, адекватной общественным потребностям российского общества в условиях смены государственного устройства и социально-экономического строя; определение и осуществление комплекса практических мер, направленных на преодоление кризисных процессов и явлений в высшем образовании, его реформирование и развитие на базе новых институтов, механизмов и методов; интеграцию отечественной высшей школы в мировую вузовскую систему и академическое сообщество, развертывание эффективных интеллектуальных коммуникаций.
Основными программными аспектами в области высшего образования Российской Федерации должны быть следующие: реализация законов Российской Федерации "Об образовании" и "О высшем образовании" и принципов государственной политики в области образования; создание нормативно-правовой базы, обеспечивающей формирование новых механизмов развития образования; развитие различных по содержанию основных и дополнительных образовательных программ; сохранение единого образовательного пространства за счет разработки и введения государственных образовательных стандартов; изменение структуры и содержания управления образованием в новых социально-экономических условиях; расширение рынка образовательных услуг; повышение уровня и качества профессионального образования; активизация научно-педагогических исследований и научно-методических разработок; адаптация экономики образования к условиям рыночной экономики.
При этом в соответствии со статьей 2 Закона Российской Федерации "Об образовании" государственная политика в области образования основывается на принципах: гуманистического характера образования, приоритета общечеловеческих ценностей и свободного развития личности; единства федерального культурного и образовательного пространства; общедоступности образования, адаптивности системы образования к уровням и особенностям развития и подготовки обучающихся; демократического, государственно-общественного характера управления образованием;
Разработка топологического графа академической региональной информационной сети
Региональная информационно-вычислительная сеть с точки зрения ее топологии представляет собой совокупность коммуникационных узлов, соединенных между собой линиями связи. Графически топологию сети можно пред ставить в виде графа в трехмерном пространстве, состоящего из двух множеств [3]: V={vj} - множества точек - узлов сети; Е={е;} - множества простых (непрерывных самонепересекающихся) кривых - линий связи; и удовлетворяющего следующим условиям: каждая кривая из Е содержит ровно две точки множества V, которые и являются ее граничными; единственными общими точками кривых из множества Е являются точки из множества V. Сознательно отпустим одно из определяющих условий геометрического графа, а именно определения замкнутой кривой, как кривой, содержащей только одну точку из множества V. Случаи наличия линии связи внутри одного узла (или входящего из данного узла и входящего в него же) рассматриваться не будет, как не имеющий ценности при построении топологического графа.
Введем следующие условия: Граф не является вырожденным, т.е. имеет ребра. Множества V и Е являются конечными. Таким образом, сам граф является конечным - все узлы сети известны и их количество конечно. Граф не имеет параллельных ребер. С точки зрения вычислительных сетей это условие означает, что ни одна из линий связи не дублируется. Минимальная валентность узла равна 1, т.е. граф связен. Максимальная валентность узла равна V -1. Граф не является ориентированным. В контексте сетей связи это условие означает, что линия связи является дуплексной, т.е. возможна передача по ней в любом направлении.
В качестве базовой топологии будем рассматривать полный граф - граф, в котором любые две вершины смежные (топология "каждый с каждым"). С точки зрения надежности такая топология является предпочтительной и ее целесообразно использовать при проектировании высоконадежной сети с небольшим количеством узлов. При увеличении числа узлов n=\V\ количество ребер k=ii полного графа будет определяться как \E\ = ±(i-\) (1) Очевидно, что при построении региональной сети с десятью узлами ко личество линий связи составит 50, что будет представлять большие проблемы как экономические, так и технические. Если попытаться свести этот полный граф к покрывающему его дереву, то мощность множества всех покрывающих деревьев составит D = п" 2. (2)
Поэтому под задачей синтеза топологии сети можно понимать задачу уменьшения разнообразия систем за счет дополнительной информации о функциях и задачах системы. Для региональных сетей многие варианты топологии не применимы по географическим или экономическим причинам. Принципиальной особенностью синтеза сетевой топологии является отсутствие универсальной методики перехода от формально заданных свойств к топологии системы [3]. Одной из причин этого является функциональная неоднозначность такого преобразования, так как определенный круг задач может выполняться множеством топологических схем и оценить заранее мощность этого множества не представляется возможным. Поэтому задача топологического проектирования решается как итеративный процесс перебора возможных вариантов по определенным критериям. Строго говоря, эти критерии должны быть эквивалентны критериям оценки всей сети. Но этап проектирования топологии является одним из первых этапов, когда еще многие критерии всей сети невозможно определить с достаточной точностью
Моделирование процесса функционирования академической региональной информационной сети
Процесс функционирования сети будем рассматривать на промежутке времени [0,Т]. При этом накладываются два условия: заявки, поступившие во время t T не рассматриваются; обслуженными считаются только те заявки, для которых время окончания обслуживания t T.
Как уже было сказано в разделе 2.3, способностью к генерации заявок обладают только т.н. «внутренние сети», т.е. учрежденческие ЛВС. Это объясняется тем, что нет абонентов, которые были бы подключены к сети «напрямую». Также, при создании модели сети будут учитываться следующие моменты: каждый информационный пакет передается в соответствии со своим протоколом; моделируются протоколы FTP (RFC414, RFC475, RFC506, RFC 468, RFC438, RFC478, RFC480, RFC520, RFC422, RFC 949), SMTP (RFC866, RFC876, RFC1047, RFC1845, RFC1846, RFC1830, RFC1428), HTTP (CERN HTTP 1.0); функции демонов соответствующих протоколов возложены на "внутреннюю сеть".
При моделировании сетевого взаимодействия с учетом реальных протоколов алгоритм работы внутренней сети будет следующим:
При поступлении информационного пакета (заявки) от маршрутизатора производится анализ данного пакета и определяется, является ли данный пакет самостоятельной заявкой (запросом к соответствующим информационным ресурсам) или же это дейтаграмма, являющаяся частью запроса.
Если это самостоятельная заявка, то она помещается в очередь к соответствующему демону. Если эта заявка к демону SMTP (sendmail), то заявка поглощается и сеть не генерирует никаких других пакетов отправителю. Если эта заявка представляет собой запрос к ресурсам WWW-сервера, то генерируется поток пакетов суммарным размером г , который экспоненциально распределен на интервале [512, 102400]. В случае идентификации заявки как ftp-запроса, происходит такая же генерация пакетов, но их суммарный размер в этом случае экспоненциально распределен на интервале [1024, 1048576].
Если поступивший с маршрутизатора пакет представляет собой часть заявки, то происходит определение, является ли данный пакет первым пришедшим для заявки. Если ответ утвердительный, то создается специальный буфер и в нем происходит сбор всех пакетов для данной заявки. Иначе происходит помещение данного пакета в уже существующий буфер. После поступления каждого пакета происходит проверка, не собрана ли данная заявка полностью. Если заявка собрана, то она помещается в очередь к соответствующему демону.
При создании и эксплуатации сети вычислительных машин имеет место проблема распределения нагрузки по вычислительным серверам. Эта проблема описана во многих работах ([57, 63, 71, 88, 95, 96]).
Но принятые методы, в частности [63], ориентируются на принцип распределения задач наиболее близким (с географической точки зрения) вычислительным узлам. В случае использования неоднородной сети на основе протоколов TCP/IP должны применяться иные подходы.
Пусть сеть базовых вычислительных серверов (в дальнейшем - серверов) имеет множество компьютеров А и множество задач X, которые предполагается выполнить в сети, и пусть А состоит из п серверов, а X - из m независимых друг от друга задач.
Для каждого сервера а, є А задана доступная мощность (объем вычислений), измеряемая в вычислительных операциях в сутки. В соответствии с множеством А имеется вектор p=(pi,...pn) доступных вычислительных ресурсов всей сети. Пусть что стоимость единицы ресурса одинакова по всем серверам множества А (всем серверам сети) и что каждые два сервера а; и aj могут обмениваться между собой по одному кратчайшему маршруту длиной гц\ В качестве меры длины маршрута будет определяться не физическое расстояние по каналам связи, а среднее время передачи пакета данных между узлами / nj. Действительно, при использовании сети на основе протоколов TCP/IP нет необходимости учитывать дальность передачи данных. Два удаленных на тысячи километров узла могут быть связаны оптоволоконной линией, а связь с соседним сервером может проходить через телефонный канал с высокой степенью загрузки.
Время передачи гц- берется в секундах. В соответствии с множеством А существует квадратная матрица R= ранга времен передачи пакетов между узлами. Каждая задача х єХ характеризуется требуемым ресурсом z, для ее выполнения в течение суток. По всем задачам множества X существует вектор Z=(Z),...,Zm) ТребуеМЫХ реСурСОВ.
По каждой задаче х,єХ дан вектор Vi=(vii,...,Vin), определяющий интенсивность обмена (байт/сут.) задачи Xj с каждым сервером множества А. По всей совокупности задач имеем прямоугольную матрицу V размера mxn, составленную из векторов vj, l i m. Каждую задачу множества X можно выполнять на любом одном сервере множества, т. е. распараллеливание задач недопустимо.
Проблема состоит в распределении задач X по серверам множества в соответствии с заданным функционалом и ограничениями на допустимые ресурсы сервера. В [63] дается ряд постановок по распределению вычислительных работ в сети ЭВМ. Приводимая ниже постановка позволяет существенно их дополнить и при этом учесть специфику сетей TCP/IP.
Пусть в сети передачи данных между серверами нет каких-либо ограничений на пропускную способность каналов связи и процессов передачи данных.
Логично считать, что при заданных параметрах качество проектируемой сети будет зависеть от среднего времени реакции системы на запросы к задачам, от стоимости арендуемых каналов связи и стоимости оборудования процессоров передачи данных. Время реакции системы на запрос к задаче включает две составляющие: время выполнения задачи на сервере, за которым она закреплена, и время передачи по сети входного и выходного сообщений на запрос к задаче.
Построение математических моделей образовательных процессов
При выборе технологии для построения сети было рассмотрено два варианта: 1. технология Х.25 (основные представители сетей, построенных на таком принципе: SprintNet, РОСНЕТ, РОСПАК) 2. технология TCP/IP (39 сетей составляющих internet).
В результате обсуждения был выбран вариант построения сети на базе технологии TCP/IP по следующим причинам: в сетях на базе Х.25 практически отсутствует широковещательная информация, необходимая большинству потребителей; технология доступа абонентов либо ограничивается терминальным доступом, либо требует установки у клиента специального дорогостоящего оборудования; лучшая аппаратура маршрутизаторов Х.25 (коммутатор пакетов DCN-612 фирмы AT&T) ограничена пропускной способностью 4000 пакетов в секунду, что явно недостаточно для организации высокоскоростных сетей. В то же время лучший IP маршрутизатор (CS-7010 фирмы Cisco) позволяет иметь пропускную способность до 250000 пакетов в секунду при всего вдвое большей стоимости. Перспектива такова, что максимальной скоростью для Х.25 является 34 Мбит/с (в телефонной терминологии -ТЗ) и то при применении дополнительного оборудования мультиплексирования, для TCP/IP пока не найдено физического канала, который бы он не мог использовать (максимальная скорость известная в мире -1525 Мбит/с, Н4 в телефонной терминологии): крупнейшая компания, развивающая Х.25 - Sprint, сворачивает программы развития сети SprintNet в пользу более молодой и более перспективной SprintLink. компания AT&T - крупнейший производитель оборудования Х.25 снизила темпы производства с 1990 по 1994 год в 6.2 раза, в то же время Cisco System, специализирующаяся на производстве оборудования для TCP/IP увеличила объемы производства за тот же период в 21.6 раза. Переоборудование основной опорной сети компании Sprint с Х.25 на TCP/IP явно свидетельствует о том, что Х.25 не развивается и развиваться не будет; все современные производители программного обеспечения и операционных систем включают в свои разработки модули для работы по TCP/IP, в то время как для работы по Х.25 необходимо такие модули приобретать отдельно. Кроме того, для новых версий операционных систем Solaris и OS/2 таких продуктов не существует и, судя по планам Sun Microsystems и IBM, вообще не будет создано; программное обеспечение для работы по TCP/IP сейчас существует абсолютно для всех платформ; трансляционная работа протоколов Х.25 "поверх" TCP/IP получается на порядок быстрее, чем наоборот; TCP/IP позволяет создавать виртуальные каналы для передачи информации между группами потребителей, что особенно важно при организации сетевых конференций к которым сейчас имеется повышенный интерес; наработки в абонентском программном обеспечении TCP/IP позволяют предоставить потребителю намного большее удобство работы, нежели аналогичные наработки в сетях Х.25; при использовании каналов передачи данных со скоростями более 2 Мбайт/с для Х.25 требуется применение дополнительной аппаратуры мультиплексирования, не дающей никакого выигрыша, кроме дополнительных затрат, для использования протокола TCP/IP на аналогичных каналах такого оборудования не требуется; сети на базе TCP/IP имеют гораздо более гибкую структуру управления и реорганизации трафика, что позволяет исключить потери или задержки прохождения информации при выходе из строя какого-то канала передачи данных; наличие программного обеспечения TCP/IP и его открытость позволяют легко использовать сеть передачи данных под специфичные нужды заказчика; TCP/IP позволяет использовать себя в качестве транспортной сети без дополнительных затрат для локальных и глобальных сетей построенных на технологиях: IPX/SPX (Novell), Х.25, DECnet, FTN, AppleTalk, Appolo domain; при увеличении пропускной способности каналов требуется только замена соответствующего каналообразующего модуля без изменения структуры программного обеспечения; унифицированность интерфейса и программного обеспечения при работе с каналами различной пропускной способности от 1200 бит/с через модем по городской коммутируемой линии до 155 Мбит/с через волоконно-оптический канал связи; Таким образом, принято решение о построении базовой сети на базе TCP/IP и сопряжении ее с сетями FREEnet и RUNNet, как с основными академическими сетями России
