ИНФОРМАЦИОННЫЕ СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В НАУКЕ И ОБРАЗОВАНИИ

Процессы мировой глобализации охватили практически все сферы человеческой деятельности: экономику, культуру, информационное пространство, технологии и управление и многое другое. Это позволило говорить о развитии открытого информационого общества. Ему свойственен сетевой способ взаимодействия между людьми во всех направлениях их деятельности. Результатом этого процесса стало, например, создание виртуальных компаний, сотрудники которых могут находиться в разных уголках мира и вести совместный бизнес с помощью «виртуального офиса», появление средств массовой информации нового типа, развитие электронной коммерции, возникновение «персонифицированной рекламы», улучшение социальной адаптации инвалидов за счет возможности работать не выходя из дома и многое другого. Чтобы воспользоваться преимуществами открытого информационного общества, необходимо быть членом информационной сети, иметь соответствующую инфраструктуру и современные средства коммуникации. Пользователи сети должны разбираться в этой сфере, которая для большинства непрофессионалов является новой. Указанные факторы, наряду с определенной психологической инертностью, являются сдерживающими для многих практиков и даже для значительной части ученых и просвещенцев на пути приобщения к очевидным достижениям мировой цивилизации. Недавно этой проблеме посвятил заседание президиум Национальной академии наук Украины.

Информационные сети — неотъемлемая составная развитого общества

Анализируя состояние использования сетевых технологий в большинстве академических учреждений и учебных заведений, президиум НАНУ отметил, что оно почти критическое. Как правило, учреждения академии, как и ее президиум, не имеют своих корпоративных сетей. В лучшем случае они выделили несколько телефонных линий для работы с разными провайдерами Интернета. Скорость передачи данных по этим линиям не превышает 56 Кбит/с, что значительно ниже минимальных потребностей для обмена информацией научного характера. При этом не гарантируется ни качество передачи данных, ни эффективность поиска информации, а номенклатура сервисов сетей практически сводится лишь к услугам электронной почты. Использование в подобной ситуации возможностей вычислительных ресурсов международных научных центров, осуществление научных исследований в режиме виртуальных лабораторий, проведение дистанционного обучения исключено, поскольку это предполагает обмен и обработку аудио-, видео- и графической информации больших объемов в интерактивном режиме.

Между тем во всех развитых странах мира происходят процессы противоположного характера. В частности, рынок информационных технологий в этих странах ежегодно увеличивается на 10%, более чем втрое расширяется компьютерная сеть Интернет. Благодаря Интернет-технологиям международным и национальным академическим компьютерным сетям стали возможными дистанционное обучение и научные проекты, в которых одновременно участвуют тысячи исследователей из десятков стран (например, проект в отрасли физики ядерных частиц CERN).

Необходимым условием приобщения Украины к этим достижениям и создания открытого информационного общества является наличие развитой телекоммуникационной инфраструктуры, проведение исследований как технических, так и социальных аспектов ее применения.

По показателю универсальности и масштабам распространения компьютерные сети можно условно разделить на три группы:

1. Глобальная компьютерная сеть Интернет — это всемирная сеть, информационное и интеллектуальное наполнение которой охватывает все сферы человеческой деятельности.

2. Национальные компьютерные сети Ентранет, как правило, создаются в пределах одной страны и наполняются информацией и знаниями, относящимися к определенной сфере деятельности этой страны. Наиболее распространенными примерами таких сетей, созданных во многих развитых странах мира, являются национальные сети науки и образования, сети, относящиеся к космической деятельности, сети специального назначения и т.п. В частности, в Европе насчитывается 23 научно-образовательные сети. Они объединяются в общеевропейские научные сети, главными из которых являются GEANT и SINSEE (Scientific Information Network South East Europe).

3. Корпоративные компьютерные сети, создаваемые для группы компаний или организаций и наполняемые данными и знаниями, имеющими отношение к специфической сфере их деятельности.

Характеризуя масштабы распространения мировой информационной сети Интернет, необходимо указать, что на сегодняшний день общее количество ее индивидуальных пользователей превысило 800 млн., а количество так называемых хост-серверов (главных серверов) — 197 млн. Важно отметить, что эти цифры прогнозировались лишь на конец 2003 г. Среди географических доменов высшего уровня количество индивидуальных пользователей Интернета и количество главных серверов наибольшее в США, Японии, Великобритании, Германии (диагр.).

К величайшему сожалению, Украина, где был создан первый в континентальной Европе компьютер, по этим показателям уступает России в 15—30 раз, Германии почти на два порядка, а сравнение с Соединенными Штатами Америки вообще лишено смысла. Мировое распределение главных серверов по категориям пользователей показывает, что коммерческие организации, провайдеры услуг и учреждения науки и образования владеют более чем 90 процентами этих систем по сравнению с любыми иными категориями.

Европейский рынок в отрасли информационных технологий и электронной коммерции составляет лишь треть соответствующего рынка США. Ситуация усугубляется слишком высокими тарифами на коммуникации в Европе, а также все большей нехваткой подготовленных специалистов (если сегодня их дефицит составляет 800 тыс., то в 2003 году это число может удвоиться).

Возникает закономерный вопрос: почему развитые страны дополнительно к Интернету вынуждены создавать национальные или корпоративные телекоммуникационные сети в определенных сферах деятельности? Не может ли Интернет взять на себя функции других видов сетей и полностью заменить их? Ответ: может, но это нецелесообразно. Объясняется это следующим.

1. Национальные и корпоративные сети имеют собственную информационную среду в определенной сфере деятельности, которая характерна для конкретной страны или конкретной группы компаний или организаций.

2. В связи с тем, что национальные и корпоративные сети не нуждаются в использовании серверов и каналов связи глобальных сетей, объемы информации, которой обмениваются пользователи, могут быть значительно большими, а стоимость этого обмена существенно снижается.

3. В национальных и корпоративных компьютерных сетях достигается значительно более высокая степень защиты информации, чем в глобальной сети Интернет.

4. Для обеспечения оптимального доступа к информации, размещенной на информационных серверах национальных или корпоративных сетей, их информационная и техническая (телекоммуникационная) составляющая создается по единым принципам, на единой технологической платформе.

В то же время пользователям национальных и корпоративных сетей автоматически обеспечивается доступ к глобальной сети Интернет.

Построение украинской научно-образовательной информационной сети

Необходимость построения украинской информационной сети в сфере науки и образования остро проявилась еще в начале 90-х годов прошлого века. Но реальная возможность начать эти работы появилась лишь в 1995 г., когда Национальный технический университет Украины «КПИ» (НТУУ «КПИ») выиграл конкурс по программе «Темпус-Тасис» на создание такой сети в Украине с участием Аахенского технического университета (Германия) и университета «Дельфт» (Голландия). Проект был активно поддержан Национальной академией наук Украины и Министерством образования Украины. За это время был пройден непростой путь создания украинской информационной сети. Коротко можно отметить лишь несколько главных этапов:

1. В 1996 году Национальной академией наук Украины и Министерством образования Украины разработана программа создания Национальной телекоммуникационной сети учреждений науки и образования. Сеть получила название URAN (URAN — Ukrainian Research and Academic Network).

2. Общим постановлением президиума НАН Украины и коллегии Министерства образования и науки Украины в 1997 г. учреждена Ассоциация пользователей URAN, утвержден ее устав, создан «Центр европейской интеграции», который начал выполнять функции оператора сети.

3. В 1997 г. задача по созданию информационной сети учреждений науки и образования Украины с опорными узлами в крупнейших образовательных и научных центрах (городах Киеве, Днепропетровске, Донецке, Харькове, Одессе, Львове) внесена в Национальную программу информатизации.

4. В октябре 1998 г. проект создания Национальной информационной сети учреждений науки и образования Украины URAN одобрен Международным конгрессом ЮНЕСКО «Образование и информатика».

5. В 1998—2000 гг. создана первая очередь опорной сети (бекбона) с базовыми узлами в городах Киеве, Харькове, Днепропетровске, Львове, Одессе, Донецке.

6. В 2001 г. начато построение второй очереди URAN — создание региональных узлов в городах Симферополе, Чернигове, Луганске, Сумах, Запорожье, Ивано-Франковске.

Назначение сети.

Построение Национальной научно-образовательной информационной сети Украины является необходимым этапом дальнейшего развития сфер науки и образования. Она должна иметь значительное интеллектуальное наполнение, содержать базы данных и знаний по разным направлениям науки и образования, электронные библиотеки, системы поиска информации, обеспечивать общее отдаленное использование мощных вычислительных ресурсов, работу в режиме виртуальных научных и образовательных лабораторий, осуществлять мультисервисную обработку информации (графическую, видео- и аудиоинформацию).

Архитектура сети.

Выбор архитектуры URAN связан с географическими, техническими и информационными аспектами. Сеть URAN создавалась по модели мощнейших научно-образовательных сетей Германии (DFN) и Голландии (SURFNET).

Архитектура сети URAN — трехуровневая. К первым двум уровням относится центральный узел в г.Киеве, имеющий магистральные (оптоволоконные и спутниковые) каналы передачи данных, связанные с глобальной сетью Интернет и опорными узлами сети. Третий уровень включает собственную информационную инфраструктуру и кампусовые сети университетов, академических учреждений, научных библиотек, являющихся коллективными пользователями всех ресурсов сети URAN. Центральный узел осуществляет общее администрирование сети и подключает пользователей Киевского региона. Подобные функции на своем уровне выполняют базовые узлы в остальных областных центрах Украины. (Общая топология сети с выделением базовых и региональных центров URAN показана на карте)

Центральный узел URAN в г.Киеве является распределенным и включает центры управления сетью, расположенные в Министерстве образования и науки Украины, в Кибернетическом центре НАН Украины и НТУУ «КПИ». Топология сегмента сети URAN в Киеве включает как академические учреждения, так и университеты. Киевский сегмент охватывает Академгородок с узлом в Институте металлофизики НАНУ, Западный узел в Институте электродинамики НАНУ, Южный узел в Кибцентре и Центральный узел в Министерстве образования и науки Украины и в НТУУ «КПИ».

Топология URAN является звездообразной с резервными сегментами, что обусловлено применением сетевой технологии ATM (Asynchronous Transfer Mode). Эта технология — базовая в высокоскоростных мировых сетях. Кроме того, по этой технологии строятся магистральные каналы передачи данных национального провайдера телекоммуникационных услуг — Укртелекома, а также крупнейшие кампусовые (корпоративные) сети, что предопределяет единство технологических платформ сети URAN. Сети URAN свойственно построение по единой идеологии, единому проекту на основе оптимального отбора программно-аппаратных платформ и сбалансированного регионального распределения информационных ресурсов.

Исходя из международного опыта, URAN использует различные типы каналов связи. Прежде всего магистральные наземные каналы Укртелекома. Вместе с тем сети, подобные URAN, должны использовать свои собственные спутниковые каналы и так называемые коммуникации «последней мили», построенные на микроволновых технологиях, для подключения коллективных пользователей в регионах Украины, особенно удаленных. В таких местностях в связи с отсутствием наземных каналов связи могут использоваться отечественные микроволновые системы передачи данных.

Информационное и интеллектуальное наполнение сети.

Сейчас сеть URAN объединяет информационные научно-образовательные ресурсы более 50 университетов и научных заведений, размещенные на информационных серверах этих учреждений во всех регионах Украины. Задачей URAN является создание и предоставление собственных информационных ресурсов и ресурсов Интернет пользователям сети. Однако, учитывая необходимость развития в Украине системы дистанционного обучения и ее методического обеспечения, ресурсы региональных узлов URAN объединяются с сетью и ресурсами региональных центров дистанционного обучения. Кроме того, задачей региональных центров является интеграция ресурсов электронных библиотек для создания единой национальной сети электронных библиотек с мощными справочно-информационными системами. В настоящее время воплощается в жизнь международный проект создания электронных библиотек с участием Национальной библиотеки им. В.Вернадского, Научно-технической библиотеки НТУУ «КПИ», Венской национальной библиотеки и университетов г.Аахена (Германия) и г. Дельфт (Голландия).

Принципиальным для научно-образовательных сетей является также предоставление мультисервисных услуг, включающих:

1) многоабонентскую доставку данных (Data multicast). Это позволяет осуществлять передачу данных с одного источника многим потребителям. Типичный пример этого вида сервиса — проведение видеоконференций;

2) предоставление сетевых новостей;

3) буферизацию или временное сохранение (caching) информационных ресурсов, что позволяет экономить ресурсы каналов связи, в частности внешних каналов;

4) подключение к отдаленным мощным вычислительным ресурсам;

5) обеспечение услуг электронной почты;

6) функционирование адресной книги (справочника), что позволяет осуществлять поиск людей в режиме «белые страницы» или организаций в режиме «желтые страницы» и пр.

Защита информации в URAN.

Естественно, отдельно взятые ресурсы сети URAN не содержат информацию, которая может представлять государственную тайну. Но ресурсы пользователей сети могут сохранять разнообразную информацию, в том числе и с ограниченным доступом. Поэтому несанкционированный доступ к обобщенной информации по всей сети или по ее характерному сегменту нежелателен. Именно поэтому организация научно-образовательной сети как национальной (установление прямых каналов связи между узлами сети, применение соответствующего специализированного программного обеспечения и технических средств) является необходимым условием предотвращения возможного несанкционированного доступа к информации. В целом в процессе создания системы национальной безопасности в информационном пространстве государства сети, подобные URAN, должны рассматриваться как сегменты этой системы.

Финансовые аспекты развития сети URAN.

Большинство затрат на развитие сети, ее переоснащение, подключение пользователей, эксплуатационные расходы и т.п. осуществляется за счет пользователей URAN — университетов и академических учреждений (53%), международных грантов (40%) и незначительного государственного финансирования (7%). Но, как и вся система высшего образования и науки, так и информационный сегмент этой системы не может существовать без государственной поддержки. Деятельность сети URAN не является прибыльной, то есть все ресурсы направляются на развитие сети, а вся финансовая деятельность базируется на принципах самоокупаемости. С другой стороны, широкомасштабное развитие сети только за счет ограниченных ресурсов научно-образовательных заведений и средств международных проектов невозможно, поскольку большинство международных проектов принимается к рассмотрению лишь при условии их паритетного финансирования сторонами. То есть необходимым условием для сбалансированного развития всех составляющих научно-образовательной информационной инфраструктуры, каналов передачи данных, системы администрирования и подготовки персонала является многоканальное финансирование.

Использование сетевых технологий
в научных исследованиях

Обобщая многочисленные направления применения современных информационных технологий в Украине, можно провести их классификацию: государственное управление и экономика; экология, охрана окружающей среды, медицина, биология; научные исследования и критические технологии; образование; культура; средства массовой информации; Интернет-технологии.

Среди научных сфер, где непосредственно применяются сетевые технологии, можно выделить следующие. Информационные технологии в области экологии, охраны окружающей среды, медицины и биологии. Они связаны прежде всего с методами оценки параметров окружающей среды, методами анализа и прогнозирования катастроф, технологиями оценки риска экологически опасных производств, анализа прогнозирования и принятия решений в связи с чрезвычайными ситуациями, системами проектирования экологического оборудования, системами диагностики и принятия решений в медицине и биологии, в том числе с применением телемедицинских технологий. Особенно острыми стали эти проблемы после чернобыльской катастрофы.

Разработкой, непосредственно объединяющей применение сетевых технологий в научных исследованиях и направленной на интеллектуализацию аналогичных URAN сетей, является проект создания агентно-ориентированных технологий поиска, сохранения, обработки и передачи информации, внедряемый Кибернетическим центром НАН Украины. Агентские платформы актуальны именно для научно-образовательной сетевой среды.

Важное направление применения сетевых технологий в науке — организация работы виртуальных исследовательских лабораторий. Это позволяет привлекать ученых из разных уголков мира для проведения исследований непосредственно в своих лабораториях с последующим обменом информацией через компьютерную сеть. Примером организации деятельности виртуальной лаборатории с использованием сети URAN является совместная работа Института кибернетики им. В.Глушкова с Флоридским университетом (США) над проектом дискретной оптимизации в задачах кодирования информации.

Еще одно практическое направление применения сетевых технологий — электронная коммерция, в том числе на рынке технологий, ноу-хау, научной продукции. Этот вид деятельности особенно важен для украинской науки, промышленности и технологий, которые должны занять соответствующее место в структуре мирового рынка. Вместе с электронной коммерцией трансфер высоких технологий позволит Украине выйти на мировую арену равноправным партнером.

Использование сетевых технологий
в образовательных целях

Непосредственное применение компьютерных сетей в сфере образования связано с разработкой новейших образовательных и учебных программ, применением Интернет-технологий в учебном процессе, созданием электронных библиотек, справочно-информационных систем, систем менеджмента в образовании, автоматизацией и информационным сопровождением документов об образовании (система «Образование»), использованием специализированных банков данных и знаний, дистанционным обучением.

Одной из наиболее характерных образовательных технологий с точки зрения необходимости применения информационных сетей является дистанционное обучение.

Основные характеристики дистанционного обучения:

— дистанционная форма обучения — не альтернативная, а дополняет традиционные;

— дистанционное обучение не знает географических и политических границ;

— эта форма обучения является массовой и одновременно индивидуальной, то есть каждый учащийся овладевает знаниями, необходимыми именно ему, со скоростью, на которую он способен;

— эта форма обучения имеет исключительно мотивационную основу, то есть она эффективна для людей, заинтересованных приобрести знания как «товар» с целью дальнейшей их реализации для обеспечения профессиональной карьеры.

С точки зрения развития экономики и мирового распределения труда эта технология обучения привлекательная тем, что:

— является высокодинамичной по отношению к быстро изменяющимся потребностям рынка труда;

— эта форма значительно превосходит традиционную по возможности получения неограниченных объемов знаний из мировых баз данных и баз знаний;

— дистанционная форма обучения имеет непревзойденную скорость обновления знаний.

На национальном уровне в систему дистанционного обучения входят: координирующие и обеспечивающие организации, центры дистанционного обучения и профессиональной ориентации, учебные заведения и научные учреждения, разработчики и слушатели этой системы, инфраструктура информационной сети URAN, единые каталоги, банки данных и знаний, информационные ресурсы.

Системная методология дистанционного обучения строится на принципах оболочек. Такие оболочки представляют собой систему со своей внутренней структурой и связями. В оболочке изменяется только содержательная часть — информационное наполнение и организационная информация. Прочие общесистемные модули оболочки остаются без изменений.

Интерактивное общение студента с преподавателем происходит в двух режимах:

1) синхронном (on-line) в форме дискуссии, семинара, конференции;

2) асинхронном (of-line) в форме электронной переписки (e-mail) или путем проведения форумов.

При этом студент может находиться дома, на рабочем месте или в компьютерном классе, получая лекционный материал, проходя тестирование, общаясь с преподавателями через телекоммуникационную сеть. Очными элементами остаются лишь лабораторные сессии (для отдельных учебных программ); экзаменационные сессии (экзамены, зачеты) и защита дипломных проектов.

С целью координации работ по созданию системы дистанционного обучения в Украине и поэтапного внедрения ее элементов в системе Министерства образования и науки Украины на базе Национального технического университета Украины «КПИ» создан Украинский центр дистанционного образования. Центр разрабатывает документы, касающиеся дистанционного обучения; адаптирует наиболее эффективные информационно-учебные программные средства; разрабатывает дистанционные курсы; готовит кадры для этой формы обучения: преподавателей, методистов, менеджеров, программистов, системных администраторов; создает, апробирует и распространяет дистанционные технологии обучения. Следует отметить, что создание дистанционного курса связано с выполнением сложной, творческой и нетривиальной с методической точки зрения работы. Поэтому на мировом рынке стоимость разработки одного такого курса колеблется от 15 до 30 тысяч американских долларов. Работа центра, который, привлекая специалистов из учебных заведений Украины, уже создал 50 курсов по разным дисциплинам, заслуживает высокой оценки.

Внедрение дистанционного обучения предполагает соответствующую технологическую оснащенность, что связано с требованиями к телекоммуникационным сетям обмена информацией, которые должны обеспечивать скорость передачи данных не менее 1 Мбит/с для использования мультимедийных средств дистанционного обучения. Эту функцию для украинского сегмента дистанционного обучения может в полном объеме взять на себя сеть URAN.

Проблемы и перспективы развития информационных сетей в науке и образовании

1. Самой главной проблемой является отсутствие комплексной государственной программы развития научно-образовательной сети. Поэтому отсутствует постоянная финансовая и организационная поддержка этих разработок со стороны государства и, как следствие, сеть URAN еще не охватывает все регионы Украины. Между тем мировой опыт развития научно-образовательных компьютерных сетей достаточно богат. Самыми известными являются сети DFN, B-WIN в Германии, SUPER JANET в Великобритании, SURFNET в Голландии, RENATER-2 во Франции, CANET-2 в Канаде и т.д. Даже Россия, еще не относящаяся к странам с развитой информационной инфраструктурой, имеет несколько мощных научно-образовательных национальных и региональных сетей (RBNET, RUNET, RELARN, RSSI, MSUNET, FREENET, PAH/ORC) и опережает Украину более чем на порядок по количеству главных серверов. Это объясняется тем, что в России обеспечивается государственная поддержка в пределах Межведомственной программы, финансируемой Миннауки, Минобразования Российской Федерации, Российской академией наук.

2. Следующей проблемой является отсутствие каких-либо шагов на уровне государства с целью включения Украинского научно-образовательного информационного сегмента в Европейское и мировое информационное пространство. Хотя объединение национальных научно-образовательных сетей является общемировой тенденцией. Так, в Европе функционировала транснациональная сеть TEN-155 (скорость передачи данных 155 Мбит/с), трансформировавшаяся в научно-образовательную сеть GEANT, которая уже переходит на использование оптоволоконных каналов передачи данных со скоростью до 1 Тбит/с. Быстро развивается еще одна информационная научная сеть стран Южной и Восточной Европы — SINSEE.

О некоторых перспективах

1. К важным перспективам развития системы URAN на ближайшие годы (с соответствующими капиталовложениями) можно отнести:

— развитие опорной сети (бекбона) во всех регионах Украины, наращивание мощностей узлов и магистральных каналов передачи данных (характеристики некоторых каналов приведены в таблице);

— создание информационных ресурсов URAN и развитие региональных сегментов сети и областных узлов;

— создание собственных спутниковых внешних и наземных каналов передачи данных, разрешение проблемы «последней мили» путем подключения конечных пользователей с использованием микроволновых информационных технологий.

Это позволит обеспечить потребности в скоростях каналов передачи данных для учреждений науки и образования в сети URAN до 4 Мбит/с в 2002 г. и более 10 Мбит/с в 2003 г.

2. Важной задачей является интеграция сети URAN, уже признанной международными организациями в качестве национальной научно-образовательной сети Украины, в трансъевропейские научные сети передачи данных GEANT и SINSEE.

3. Следующим шагом должно стать создание украинского сегмента Интернет и развитие магистральных оптоволоконных каналов передачи данных. В этом сегменте сеть URAN является одним из важнейших элементов. В общем возрастает суммарная пропускная способность внешних каналов Украинского сегмента Интернета. Так, мы имели 80 Мбит/с в середине 2000 г., свыше 100 Мбит/с в 2001 г. Но сегодня этот показатель нельзя считать удовлетворительным.

Эти проблемы могут быть разрешены только при условии интеграции усилий Национальной академии наук Украины, Министерства образования и науки Украины, Госкомсвязи, Укртелекома и других учреждений и ведомств.

Таким образом, в условиях ограниченных ресурсов государства разработка и внедрение Национальной телекоммуникационной сети учреждений науки и образования позволит существенно ускорить развитие этих стратегически важных сфер нашего общества и упростить вхождение Украины в мировое научное и образовательное пространство.