EduAkcja. Magazyn edukacji elektronicznej nr 2 (12)/2016, str. 94 96 Cloudlabs laboratoria w chmurze. Analiza przypadku Robert Jezierski Action Centrum Edukacyjne robert.jezierski@action.com.pl Jarosław Sokolnicki Microsoft jaroslaw.sokolnicki@microsoft.com Tomasz Siemek Action Centrum Edukacyjne tomasz.siemiek@action.com.pl Michał Karski Action Centrum Edukacyjne michal.karski@action.com.pl 1. Wprowadzenie Szeroko pojęta edukacja przedstawicieli branży IT, ze względu na coraz większą złożoność systemów informatycznych, wymaga zarówno od uczelni, jak i od wszelkiego rodzaju ośrodków edukacyjnych zastosowania podczas zajęć złożonych środowisk laboratoryjnych. Środowiska te nierzadko składają się z kilku, a nawet kilkunastu współpracujących ze sobą komputerów. Zbudowanie tak skomplikowanego środowiska wiąże się z poniesieniem niemałych kosztów w szczególności wtedy, gdy zdecydujemy się na rozwiązania klasyczne bez wykorzystania jakiejkolwiek metody wirtualizacji. Zastosowanie wirtualizacji serwerowej ułatwia sprawę, zarówno pod kątem optymalizacji kosztów, jak i czasu przygotowania nowego laboratorium, jednak nadal wymaga osobnego serwera wirtualizującego dla każdego studenta. 2. Potrzeby i oczekiwania 2.1. Ekonomia i czas Wykształcenie informatyka wymaga poczynienia daleko idących inwestycji, których znaczną część pochłaniają środowiska laboratoryjne wykorzystywanie w toku kształcenia. Różnorodność dziedzin i technologii, z którymi musi być zaznajomiony przyszły administrator IT, jest tak wielka, że zapewnienie odpowiedniego zestawu laboratoriów to nie lada wyzwanie dla placówki edukacyjnej. Wyzwanie to dotyka zarówno aspektu ekonomicznego, jak i tego związanego z częstą aktualizacją istniejących środowisk, co w przypadku tak dynamicznie rozwijającej się dziedziny wiedzy, jaką jest informatyka, nabiera dodatkowego znaczenia. Przez placówki edukacyjne należy rozumieć tutaj szkoły średnie, jak i uczelnie wyższe oraz centra edukacyjne, które oferują intensywne kilkudniowe kursy dla pracowników branży IT, chcących podnieść, bądź rozszerzyć swoją wiedzę w zakresie konkretnej aplikacji czy systemu informatycznego. W przy-
padku tych ostatnich, oprócz kosztu przygotowania laboratorium, niezmiernie istotnym jest czas jego generowania. Środowiska takie są często powoływane na życzenie, a czas ich życia nie przekracza czasu trwania szkolenia, tj. maksymalnie kliku dni. Wiąże się z tym ogrom pracy poświęcony przezbrajaniu laboratorium na potrzeby kolejnej grupy słuchaczy. Uczelnie wyższe takie przezbrojenie wykonywały będą rzadziej, bo zapewne raz w semestrze, jednak ilość potencjalnych studentów, dla których laboratoria te są przeznaczone, stawia przed nami kolejne wyzwanie związane z problemem skali przedsięwzięcia. W jednym, jak i w drugim przypadku automatyzacja w trakcie generowania laboratoriów znacząco ułatwia i skraca proces ich powstawania. Osobnym zagadnieniem jest również możliwość optymalizacji wydajnościowej środowiska laboratoryjnego i dostosowanie jego parametrów do aktualnych potrzeb studenta oraz wymogów testowanych w ramach laboratorium aplikacji. Klasyczne rozwiązania ograniczone są w znacznym stopniu przez wydajność komputera na którym przygotowywane jest środowisko. Zastosowanie chmury prywatnej lub publicznej jako podstawy infrastrukturalnej dla środowisk laboratoryjnych pozwala w elastyczny sposób podejść do tematu wydajności. Parametry, takie jak pamięć RAM, ilość procesorów czy wielkość dysków, którymi dysponuje wirtualna maszyna umiejscowiona w środowisku chmurowym, mogą być dynamicznie zmieniane, a tym samym dostosowywane do istniejącego zapotrzebowania na ww. parametry. 2.2. Dostępność W dobie rozwijającego się kształcenia na odległość, placówki edukacyjne potrzebują laboratoriów dostępnych 24 godziny na dobę z każdego miejsca na świecie. Laboratoria pracujące w takiej konwencji pozwolą na przedstawienie dużo szerszej oferty edukacyjnej skierowanej do studentów zamiejscowych, którym praca czy sytuacja rodzinna nie pozwala na edukację w formie stacjonarnej. To samo dotyczy osób niepełnosprawnych oraz tych, którym stan zdrowia nie pozwala na regularne przyjazdy na uczelnię. Atutem wykorzystania chmury jest możliwość zwiększenia SLA (Service Level Agreement) środowiska laboratoryjnego jako parametru wynikającego wprost z SLA infrastruktury. Parametr ten w przypadku chmury prywatnej jest zależny od nadmiarowości zastosowanych w niej rozwiązań. Chmura publiczna ma ten parametr ściśle określony. SLA dla większości usług opartych na Microsoft Azure wynosi 99,9%. Oznacza to, że maksymalny czas niedostępności konkretnej usługi nie może przekroczyć 87 godzin w skali roku. Uzyskanie tak wysokiego SLA przy wykorzystaniu własnej serwerowni wymaga nakładów finansowych zapewniających minimalną redundancję usług, infrastruktury oraz lokalizacji centrów przetwarzania danych. Rozwiązaniem, który likwiduje te problemy, jest portal Cloudlabs, który jest oferowany jest zarówno w formie instalacji własnej klienta, jak i takiej, która wykorzystuje infrastrukturę dostawcy. Jego wersja testowa dodatkowo jest dostępna dla każdego użytkownika pod adresem http://cloudla.bs. 3. Funkcjonalność Analiza przedstawionych powyżej wymagań przełożyła się wprost na funkcjonalność rozwiązania Cloudlabs. Zapewnia on proste i szybkie powoływanie uprzednio przygotowanych środowisk laboratoryjnych dla studentów biorących udział w zajęciach, a czas życia takiego środowiska jest w pełni regulowany. Możliwe jest również przywrócenie środowiska do stanu początkowego lub innego wcześniej zadanego punktu przywracania. Administrator zarządza laboratoriami korzystając z konsoli graficznej GUI bądź też używając skryptów PowerShell. Możliwe jest również monitorowanie aktualnej kondycji środowiska oraz generowanie raportów dotyczących jego wykorzystania. Student w ramach dostępu do środowiska otrzymuje unikalny link do strony zawierającej podstawowe informacje dotyczące laboratorium, takie jak login oraz hasło. Ponadto ma możli- EduAkcja. Magazyn edukacji elektronicznej, nr 2 (12)/2016, str. 123
wość wyboru portu, po którym będzie odbywała się komunikacja do zdalnego środowiska laboratoryjnego. Ma to istotne znaczenie w przypadku restrykcyjnej konfiguracji zapory po stronie środowiska użytkownika. Student po wybraniu portu komunikuje się do zdalnej aplikacji, która daje możliwość zarządzania swoimi wirtualnymi maszynami, wchodzącymi w skład przeznaczonego dla niego środowiska laboratoryjnego. Prawa dostępu obejmują min. możliwość uruchomienia i zamknięcia maszyny skorzystania z ograniczonej liczby obrazów ISO, a ponadto wykonania bądź zaaplikowania punktu przywracania (snapshot). Dzięki tej funkcjonalności kolejne ćwiczenia mogą być wykonywane wielokrotnie, a w przypadku wykonania zmian zaburzających poprawne działanie środowiska, możliwy jest szybki powrót do stabilnego stanu początkowego. Prowadzący zajęcia dysponuje swoim zestawem maszyn wirtualnych, a ponadto może świadczyć studentowi zdalną pomoc dzięki aplikacji instalowanej na jego stacji. Może on również dystrybuować dodatkowe oprogramowanie dla studentów w postaci obrazów ISO. Administrator z kolei korzystając z narzędzi administracyjnych może powoływać pojedyncze maszyny bądź całe środowiska i zarządzać nimi. W jego gestii jest wykonywanie zaawansowanych zadań, do których ani student, ani prowadzący zajęcia trener nie mają uprawnień. Należą do nich zwiększenie wydajności poprzez dodanie zasobów bądź migrowanie maszyny na inny węzeł w klastrze. 4. Architektura Cloudlabs może być wdrożony w dwóch formach. W pierwszym przypadku podstawą jest chmura prywatna, czyli własna infrastruktura klienta zlokalizowana w centrum przetwarzania danych w pełni przez niego zarządzanym. Drugą formą implementacji jest możliwość korzystania z aplikacji jako SaaS (Software as a Service) opartej na chmurze hostowanej zarządzanej przez dostawcę usługi. W przygotowaniu jest również model opierający się w pełni na chmurze publicznej Microsoft Azure. 4.1. Cloudlabs w chmurze prywatnej Wykorzystanie chmury prywatnej (model On-Premise) wymaga od ośrodka edukacyjnego, który chce wykorzystać Cloudlabs, zadbania o każdy aspekt środowiska, w którym ma funkcjonować. Począwszy od infrastruktury, na którą będą składały się takie elementy, jak przestrzeń dyskowa (macierze współdzielone), serwery wirtualizujące (Microsoft Windows Server 2012R2 z funkcją HyperV) oraz infrastruktura sieciowa, poprzez systemy operacyjne maszyn zarządzających infrastrukturą, a skończywszy na Cloudlabs oraz serwisach wspomagających jego działanie. W tej sytuacji na koszty wdrożenia i utrzymania serwisu składają się nie tylko koszty sprzętu i licencji, ale również te związane z zatrudnieniem odpowiedniej liczby specjalistów z różnych dziedzin IT. Wydajność środowiska musi być z góry założona, aby podołać potencjalnemu wzrostowi popytu na usługi Cloudlabs. Klient, który ma na uwadze wysoką dostępność rozwiązania, sam musi o nią zadbać, projektując rozproszone geograficznie centra przetwarzania danych, powielając usługi, a tym samym zwiększając początkowe koszty wdrożenia. Funkcjonalność, którą uzyskuje klient w ramach dzierżawy SaaS, jest tożsama z funkcjonalnością w modelu On-Premise, z tą różnicą, że niewymagane jest od klienta posiadanie jakiejkolwiek infrastruktury. W modelu SaaS odpowiedzialność za środowisko scedowana jest na dostawcę. Wybór modelu zależy od możliwości technicznych, administracyjnych i finansowych klienta. W Cloudlabs należy wyróżnić następujące komponenty: aplikacja administracyjna; usługa frontend; aplikacja dostępu do maszyn wirtualnych; baza danych; EduAkcja. Magazyn edukacji elektronicznej, nr 2 (12)/2016, str. 124
usługa zarządzająca czasem życia środowiska; aplikacja trenerska. 4.1.1. Aplikacja administracyjna Aplikacja administracyjna to aplikacja webowa, która pozwala na powoływanie nowych środowisk laboratoryjnych definiowanie trenerów i studentów oraz zarządzania nimi. Rysunek 1. Widok aplikacji administracyjnej Z poziomu tej aplikacji możemy nadawać uprawnienia do Cloudlabs w ramach wykupionej subskrypcji oraz sprawdzić stan naszego konta. Aplikacja ta daje nam możliwość kreowania laboratoriów, planowania ich dostępności dla nazwanych zdefiniowanych wcześniej studentów. Pozwala ona również wskazać trenera prowadzącego konkretne zajęcia dla sprecyzowanej grupy, generując tym samy środowisko laboratoryjne przeznaczone wyłącznie dla niego. 4.1.2. Aplikacja frontend Aplikacja frontend to również aplikacja webowa zapewniająca studentowi dostęp do przygotowanego wcześniej środowiska laboratoryjnego. Rysunek 2. Widok aplikacji frontend EduAkcja. Magazyn edukacji elektronicznej, nr 2 (12)/2016, str. 125
Na stronie dostępne są takie informacje jak: czas pozostały do zakończenia dzierżawy laboratorium oraz przycisk generujący plik RDP, za pośrednictwem którego następuje przekierowanie do środowiska laboratoryjnego. Rysunek 3. Widok wersji trenerskiej Wersja trenerska tej samej aplikacji zawiera dodatkowe możliwości pozwalające na pobranie aplikacji trenerskiej oraz dostępu do laboratoriów studenckich. W obu wersjach oferowana jest możliwość uruchomienia chatu pozwalającego na kontakt z administratorem po stronie dostawcy. 4.1.3. Aplikacja dostępu do maszyn wirtualnych Z poziomu aplikacji frontend zarówno student, jak i trener, mają możliwość zainicjowania połączenia do środowiska laboratoryjnego. Po uwierzytelnieniu loginem i hasłem podanym na stronie komunikujemy się protokołem RDP do aplikacji zarządczej środowiskiem laboratoryjnym, dzięki której użytkownik ma możliwość uruchomienia i zatrzymania każdej wirtualnej maszyny z osobna. Jest również w stanie monitorować aktualne wykorzystanie pamięci RAM czy też zarządzać punktami przywracania (snapshot). Po użyciu przycisku connect otrzymuje dostęp do konsoli maszyny wirtualnej, z której może korzystać tak, jak w przypadku bezpośredniego połączenia protokołem RDP. Rysunek 4. Aplikacji zarządzająca środowiskiem laboratoryjnym EduAkcja. Magazyn edukacji elektronicznej, nr 2 (12)/2016, str. 126
Rysunek 5. Monitorowanie wykorzystania pamięci RAM i punkty przywracania (snapshot) 4.1.4. Baza danych Baza danych zawiera informacje o powołanych środowiskach laboratoryjnych oraz mapowaniu ich do konkretnych studentów. To tutaj znajdziemy zestawienie wszystkich loginów i linków wysyłanych do uczestników laboratorium. Dostęp do bazy oferowany jest tylko dla administratora trener i student nie mają uprawnień pozwalających na bezpośrednią komunikację do bazy. Baza danych może być zlokalizowana zarówno po stronie infrastruktury lokalnej klienta, jak i po stronie Microsoft Azure. 4.1.5. Usługa zarządzająca czasem życia środowiska Usługa ta odpowiedzialna jest za powoływanie środowiska laboratoryjnego dla zdefiniowanych uprzednio uczestników laboratorium. Wysyła maile z informacjami niezbędnymi do zrealizowania dostępu i dba o wyczyszczenie środowiska po upływie czasu życia. 4.1.6. Aplikacja trenerska Prowadzący zajęcia ma do dyspozycji aplikację, która służy do dostarczania studentom dodatkowego oprogramowania w postaci publikacji plików ISO. Za pomocą niej może również świadczyć zdalną pomoc czy też monitorować podłączonych studentów. Powyższe funkcjonalności dostępne są po uprzednim uwierzytelnieniu się z uprawnieniami trenera. Funkcjonują tutaj te same hasła, za pomocą których trener dostaje się do dedykowanego dla niego środowiska laboratoryjnego. EduAkcja. Magazyn edukacji elektronicznej, nr 2 (12)/2016, str. 127
Rysunek 6. Dostarczanie plików ISO w aplikacji trenerskiej 5. Modelowanie biznesowe Zastosowanie Cloudlabs jako środowiska do zarządzania laboratoriami w trakcie kursów edukacyjnych zwiększa przewagę konkurencyjną na rynku szkoleń. Przewaga ta wynika z następujących czynników: Koszty związane z przygotowaniem środowiska Autoryzowane szkolenia prowadzone są z użyciem standardowego i powtarzalnego zestawu maszyn wirtualnych. Zatem wytworzenie środowiska dla kolejnych studentów wiąże się z powieleniem istniejących wzorców w obrębie istniejącego klastra Hyper-V. Klasycznie stosowane rozwiązania wymagają przeznaczenia oddzielnego serwera wirtualizującego Hyper V dla każdego ze studentów. Cloudlabs konsoliduje środowiska, w związku z tym dodanie kolejnego studenta w ostatniej chwili, tuż przed rozpoczęciem zajęć, nie stanowi żadnego problemu. Czas generowania środowiska studenckiego liczy się w minutach i nie wymaga on żadnej pracy fizycznej związanej z dostarczeniem sprzętu, jakim jest serwer. Istotny wpływ na ograniczenie kosztu ma również zastosowanie stacji roboczej studenta. Funkcjonuje ona jako terminal i nie wymaga dużego naddatku mocy obliczeniowej. Zdalny dostęp do laboratoriów Dzięki zdalnemu dostępowi do laboratoriów z powodzeniem realizowane są szkolenia na odległość, w których studenci mogą uczestniczyć w szkoleniu online z każdego miejsca w kraju i na świecie, oraz szkolenia hybrydowe, w których część grupy szkoleniowej uczestniczy w szkoleniu w sposób klasyczny, a reszta uczestników komunikuje się zdalnie. Oferowanie możliwości zdalnego szkolenia pozwala na ograniczenie kosztów klienta poprzez oszczędzanie na wydatkach związanych z wyjazdem pracownika do innego miasta, w którym odbywa się szkolenie. Ponadto część firm nie może pozwolić sobie na 5-dniową nieobecność pracownika związaną ze szkoleniem. Dla takich klientów oferowane są szkolenia elastyczne, dostosowujące liczbę godzin spotkań online na dzień, oraz oferujących wykonywanie laboratoriów w ramach prac domowych. EduAkcja. Magazyn edukacji elektronicznej, nr 2 (12)/2016, str. 128
Możliwość wydłużenia dostępności środowiska laboratoryjnego po szkoleniu W większości konkurencyjnych ośrodków edukacyjnych dostęp do środowiska laboratoryjnego kończy się wraz z zakończeniem kursu. W przypadku Cloudlabs czas ten jest rozszerzony o kolejne 2 tygodnie po szkoleniu. W związku z tym student, nie ponosząc żadnych dodatkowych opłat, może jeszcze raz wykonać wszystkie ćwiczenia, z którymi zetknął się w ramach szkolenia. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby wykorzystał środowisko laboratoryjne do testowania przygotowanych przez siebie scenariuszy wykraczających poza ramy programowe kursu. Dynamicznie rozwijający się rynek szkoleń determinuje elastyczność ośrodków edukacyjnych pod kątem oferowanej przez nich oferty. Zastosowanie takich rozwiązań, jak Cloudlabs, pozwala na jej poszerzenie poprzez urozmaicenie szeroko pojętej edukacji na odległość. Ponadto stosowanie tego rozwiązania pozwala na bardziej efektywny sposób reagowania na zapotrzebowanie studentów. Nie istnieją ograniczenia wynikające z przygotowania kolejnego stanowiska laboratoryjnego czy mocy obliczeniowej potrzebnej do jego obsłużenia. Mnogość sposobów, w których Cloudlabs jest oferowany, począwszy od instalacji w swojej serwerowni, a skończywszy na dogodnych warunkach dzierżawy w formie SaaS, pozwala na dobranie modelu licencjonowania dogodnego dla każdego rodzaju klienta, niezależnie od tego, czy jest nim wiodąca uczelnia wyższa, czy niewielki ośrodek edukacyjny dysponujący specyficzną ofertą edukacyjną. Cloudlabs pozwala zarówno na istotne ułatwienie budowania nowych laboratoriów, jak i dostarczania istniejących przy znacznym obniżeniu kosztów. EduAkcja. Magazyn edukacji elektronicznej, nr 2 (12)/2016, str. 129