2004
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 9 - 10 grudnia 2004 Anna Baranowska
anna.baranowska@et.put.poznan.pl Janusz Kleban
janusz.kleban@et.put.poznan.pl Mariusz Żal
mariusz.zal@et.put.poznan.pl
Instytut Elektroniki i Telekomunikacji Politechnika Poznańska
KURS DYDAKTYCZNY „SIECI ATM”
Streszczenie: W referacie przedstawiono internetowy kurs dydaktyczny „Sieci ATM” przygotowywany w ramach programu Leonardo da Vinci – projekt INVOCOM. Tematem kursu jest technologia sieciowa ATM (Asynchronous Transfer Mode) i jej zastosowania.
Omówiono jego zawartość, aspekty dydaktyczne, wymagania wstępne i stosowane techniki tworzenia poszczególnych lekcji. Zwrócono również uwagę na elementy interaktywne oraz animacje, które mają ułatwiać przyswajanie treści merytorycznych.
1. WSTĘP
W ostatnich latach Internet staje się wygodnym medium do realizacji procesów dydaktycznych.
Decyduje o tym przede wszystkim jego wszechobecność, łatwość w dostępie do oferowanych usług oraz upowszechnienie technik prezentacji informacji w sieci. Z pedagogicznego punktu widzenia realizacja dydaktyki za pomocą serwerów WWW (Word Wide Web) ma jednak pewne wady. Wynika to głównie z tego, że usługa WWW nie była projektowana dla zastosowań dydaktycznych. Duża ilość informacji oraz brak komunikacji bezpośredniej, która w znacznym stopniu wspomaga proces nauczania, przyspiesza rozwiązywanie problemów i przekazywanie doświadczeń, może powodować „zagubienie w przestrzeni”. Wielodrogowość i nieliniowa struktura charakterystyczna dla dokumentów hipertekstowych wymaga większej koncentracji i umiejętności podejmowania decyzji. Są jeszcze inne istotne problemy występujące w obecnych systemach edukacyjnych bazujących na technice WWW np. ograniczona interaktywna komunikacja między nauczycielami i uczniami; w wielu rozwiązaniach stosuje się kontakt przez e-mail i listy dyskusyjne; brak mechanizmów pozwalających ocenić efekty nauczania i użyteczność systemu dydaktycznego; brak mechanizmów pozwalających zbierać dane dla analiz statystycznych itd. Sytuacja ta ulega bardzo szybko zmianie ze względu na duże zainteresowanie wprowadzeniem w życie idei edukacji przez Internet.
Interaktywne kształcenie multimedialne z wykorzystaniem zarówno kursów multimedialnych rozpowszechnianych na płytach CD, jak i z
wykorzystaniem Internetu znajduje coraz więcej zwolenników. Wymienia się dziesięć korzyści wynikających z multimedialnego kształcenia [4]:
• Skrócenie czasu uczenia się, nawet do 50%.
• Zmniejszenie kosztów. Główne koszty leżą po stronie zaprojektowania i wyprodukowania oprogramowania, a nie po stronie powielenia i dystrybucji, stąd koszt przypadający na jednego studenta jest niewielki (przy założeniu, że z programu korzysta duża liczba studentów).
• Jednakowa jakość przekazywania wiedzy niezależnie od pory dnia. Aplikacje dydaktyczne nie mają złych dni i nie wykazują zmęczenia na koniec długiego dnia pracy; wiedza przekazywana jest w ten sam sposób niezależnie od miejsca i czasu.
• Prywatność. Będąc sam na sam z komputerem student nie obawia się zadawania pytań i badania takich obszarów wiedzy, które w grupie mogłyby powodować zażenowanie np. ze względu na wykazywanie braku elementarnej wiedzy.
Aplikacje dydaktyczne nie tracą również opanowania, lecz zachęcają do zadawania pytań i powtarzania materiału, aż do osiągnięcia odpowiedniego poziomu ugruntowania wiedzy.
• Panowanie nad procesem uczenia się. Program dydaktyczny może nie pozwolić na przejście do nowego materiału aż do momentu poprawnego opanowania bieżącego materiału. Daje to dodatkowy bodziec do systematycznego uczenia się.
• Zwiększona zdolność zapamiętywania. Obsługa interaktywności aplikacji dydaktycznej powoduje wzmocnienie procesu uczenia się i zwiększa efektywność zapamiętywania informacji.
• Zwiększenie bezpieczeństwa. Systemy multimedial- ne, a zwłaszcza symulatory sprawiają, że student może zapoznawać się bez ryzyka z potencjalnie niebezpiecznymi problemami i sytuacjami.
• Zwiększenie motywacji. Programy dydaktyczne powodują powstanie pewnego sprzężenia zwrotnego i indywidualnego zaangażowania, co jest czynnikiem bardzo motywującym zarówno w www.pwt.et.put.poznan.pl
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004 1
procesie indywidualnej nauki, jak i w grupie.
Systemy multimedialne przyciągają uwagę i w konsekwencji prowadzą do zachowania spokoju na zajęciach.
• Zwiększenie dostępu do wykwalifikowanej dydaktyki. Multimedialne systemy dydaktyczne powodują zwiększony i równy dostęp do edukacji realizowanej na wysokim poziomie. Systemy tego typu mogą być wykorzystywane w tych szkołach lub zakładach pracy, gdzie liczba słuchaczy jest zbyt mała, aby można było zatrudnić wykwalifikowanego nauczyciela - specjalistę z danej dziedziny Programy tego typu mogą być stosowane do symulowania sprzętu laboratoryjne- go, który jest zbyt drogi by udostępnić go studentom.
• Słuchacze lubią interaktywne uczenie się. Programy dydaktyczne pozwalają słuchaczom utrzymywać kontrolę i jednocześnie ponosić całkowitą odpowiedzialność za proces własnego uczenia się.
Gdy odkrywają oni nowe obszary zainteresowań stają się poszukiwaczami wiedzy, a nie tylko biernymi odbiorcami.
Zwolennicy kształcenia z wykorzystaniem sieci Internet na pierwszy plan wysuwają następujące korzyści: brak ograniczeń czasowych w dostępie do materiałów dydaktycznych, możliwość obsługiwania wielu studentów po relatywnie niskim koszcie oraz jednolity i przyjazny interfejs użytkownika.
2. TEMATYKA KURSU „SIECI ATM”
Kurs „Sieci ATM” opracowany w ramach programu Leonardo da Vinci może znaleźć zastosowanie w kształceniu studentów kierunków technicznych takich jak np. informatyka i telekomunikacja. Może być również wykorzystywany podczas kursów specjalistycznych organizowanych dla pracowników różnych przedsiębiorstw, którzy chcą zapoznać się lub pogłębić wiedzę na temat sieci szerokopasmowych opartych na technice ATM. W szczególności chodzi tutaj o pracowników operatorów sieci telekomunikacyjnych stacjonarnych i komórkowych oraz administratorów sieci miejskich i rozległych, a także lokalnych, jak również pracowników firm świadczących usługi internetowe – ISP (Internet Service Provider).
W ramach kursu dość szeroko wyjaśniono różne zagadnienia związane z techniką ATM i sieciami, w których technika ta znalazła zastosowanie [1, 2, 3].
Całość problematyki podzielono na dziesięć lekcji uporządkowanych zgodnie z zasadą od ogółu do szczegółu. Pierwsze lekcje zawierają podstawowe wiadomości tłumaczące samą ideę ATM, natomiast dalsze - omawiają coraz bardziej zaawansowane problemy np. budowę komutatorów ATM, sygnalizację w sieci, emulację sieci LAN, realizację innych protokołów w sieci ATM itd. Treść omawianego kursu jest tak dobrana, iż mogą z niego korzystać zarówno osoby, które w ogóle nie znają techniki ATM, jak i osoby chcące poszerzyć swoją wiedzę w tym zakresie.
Poszczególne lekcje oprócz tekstu i rysunków zawierają również animacje, które w bardzo łatwy i przystępny sposób wyjaśniają problemy ATMu. Wszystkie lekcje można umownie podzielić na dwie części. Pierwsza część – dotycząca podstaw ATM i wybranych rozwiązań szczegółowych, zawiera sześć lekcji, natomiast druga - obejmująca zagadnienia z zakresu wykorzystania techniki ATM w połączeniu z istniejącymi już technikami sieciowymi, składa się z pozostałych czterech lekcji.
Pierwszych sześć lekcji obejmuje następujące tematy:
• Wprowadzenie i podstawowe koncepcje ATM. Lekcja odpowiada na pytanie: dlaczego technika ATM jest techniką lepszą od innych? Przedstawione są jej zalety, różnice między transmisją synchroniczną i asynchroniczną oraz sposób integracji usług szerokopasmowych przez sieć ATM. Zawiera ona również omówienie budowy poszczególnych pól nagłówka komórki ATM.
• Architektura sieci ATM. W lekcji tej przedstawiono ogólną architekturę sieci ATM oraz komponenty sieciowe. Zwrócono uwagę na istnienie komutatorów szkieletowych i brzegowych oraz na możliwości łączenia sieci ATM z innymi sieciami np. Ethernet i IP. Istotną rolę w każdej architekturze sieciowej odgrywają interfejsy. W sieci ATM wykorzystywane są interfejsy UNI (User Network Interface) i NNI (Netwok to Network Interface). Zakres tematyczny omawianej lekcji obejmuje również przedstawienie wspomnianych interfejsów zarówno publicznych, jak i prywatnych.
• Model odniesienia protokołów ATM. Kolejna lekcja dotyczy podstaw ATM, czyli odwołuje się do:
modelu odniesienia protokołów B-ISDN. Omówiono zarówno poszczególne warstwy modelu, jak i płaszczyzny poświęcając więcej miejsca wyjaśnieniu działania warstwy adaptacyjnej AAL (ATM Adaptation Layer). Oprócz formatów jednostek SAR PDU w zależności od typu AAL, przedstawiono także typy usług (CBR, VBR, UBR, ABR) oferowanych w sieci ATM.
• Systemy komutacyjne ATM. Lekcję możemy podzielić na dwie części. Pierwsza jest wprowadzeniem do tematyki pakietowych pól komutacyjnych stosowanych w ATM. Animacje umieszczone w tej części obrazują podstawowe zjawiska w nich występujące np. komutacja bez kolizji i komutacja z kolizją. Druga część obejmuje szczegółowy opis działania algorytmów planowania przepływu pakietów w polach komutacyjnych ATM oraz interaktywną prezentację ich realizacji.
Początkowe strony w tej części pokazują specyficzne cechy każdego z algorytmów, ukazują ich wady i zalety. Grupa omówionych algorytmów to tzw.
algorytmy iteracyjne, które używają niezależnych arbitrów dla każdego z wejść i wyjść.
Zaprezentowano schemat działania wszystkich algorytmów przy tym samym zestawie pakietów wejściowych, dzięki czemu mamy możliwość porównania ich skuteczności po wykonaniu kilku iteracji. Interaktywne zapoznanie się z działaniem www.pwt.et.put.poznan.pl
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004 2
algorytmów ułatwiają przyciski sterowania, które umożliwiają zatrzymanie obrazu i analizę poszczególnych kroków działania prezentowanego algorytmu.
• Sterowanie zestawianiem połączeń w ATM. Lekcja dotyczy protokołów sygnalizacyjnych stosowanych w sieciach ATM w procesie obsługi połączeń, a w szczególności ich zestawiania i rozłączania.
Omówiona została sygnalizacja dla połączeń punkt - punkt i punkt – grupa oraz system adresowania w ATM.
• Zarządzanie ruchem w sieciach ATM. Sieci ATM podobnie jak inne sieci pakietowe mają ograniczone zasoby np. są projektowane z wykorzystaniem buforów o ograniczonej pojemności oraz łączy o ograniczonym paśmie. Zapewnienie sprawnego funkcjonowania sieci oraz realizacji wymagań QoS (Quality of Service) implikuje konieczność stosowania mechanizmów zarządzania ruchem. W niniejszej lekcji wyjaśniono pojęcie kontraktów ruchowych oraz omówiono mechanizmy zapewniające żądaną jakość obsługi oraz sposoby przeciwdziałania przeciążeniom w sieciach ATM.
Producenci sieciowi oraz operatorzy podkreślają następujące zalety techniki ATM: duża szybkość, zdolność dostosowywania się sieci do zmieniających się warunków, możliwość tworzenia wirtualnych sieci LAN, oferowanie QoS, czy też zdolność do przenoszenia różnego rodzaju ruchu. Cały czas pozostaje jednak aktualny problem: jak połączyć sieć ATM z istniejącymi sieciami bazującymi na różnorodnych pakietach i protokołach, a w szczególności na popularnym protokole IP (Internet Protocol). ATM jest techniką zorientowaną połączeniowo, a protokół IP jest zorientowany bezpołączeniowo, więc głównym problemem jest użycie dużej szybkości i dużej pojemności jaką oferuje sprzęt ATM bez ograniczania elastyczności, jaką z kolei oferuje bezpołączeniowa technika IP [1, 2].
W ostatnich latach ogromnie wzrosło znaczenie IP, jako globalnego protokołu sieciowego. Jednakże posiada on pewne znaczące ograniczenia: nie potrafi obsłużyć aplikacji multimedialnych ani aplikacji opartych na czasie rzeczywistym ze względu na duże opóźnienia.
Aktualnie podejmuje się wiele prób rozwiązania problemu zwiększenia szybkości za pomocą przesyłania protokołu IP przez sieć ATM, oraz próbuje się standaryzować istniejące już rozwiązania. Wiele rozwiązań bazujących na przesyłaniu protokołu IP przez sieć ATM zaproponowano w literaturze technicznej oraz standardach, między innymi: „LAN Emulation”
opracowany przez ATM Forum w styczniu 1995 roku,
„Classical IP over ATM” opracowany przez IPATM - grupę roboczą IETF w styczniu 1994 r., NARP i NHRP (Next Hope Resolution Protocol) opracowane przez ROLC - grupę roboczą IETF oraz „Multiprotocol Over ATM” (MPOA) opracowany przez ATM Forum.
Ostatnio także powstała nowa, bardzo ciekawa koncepcja połączenia techniki ATM z protokołem IP znana pod nazwą MPLS.
Następne lekcje kursu „Sieci ATM” dotyczą różnych rozwiązań, opracowywanych przez ATM Forum i inne instytucje, w zakresie przesyłania protokołów bezpołączeniowych przez sieć ATM. Każda z czterech lekcji przedstawia inną koncepcję łączenia sieci ATM z innymi rozwiązaniami sieciowymi w szczególności z bardzo popularnym dzisiaj protokołem IP. Są to:
• Emulacja sieci LAN w ATM. Lekcja przedstawiająca koncepcję opracowaną przez ATM Forum pod nazwą: „LAN emulation”. Na jej stronach umieszczono zagadnienia związane z emulacją sieci LAN: komponenty LANE, rodzaje połączeń w LANE. Za pomocą kilku animacji przedstawiono wzajemną współpracę poszczególnych komponentów LANE.
• Przesyłanie datagramów IP przez sieć ATM (IP over ATM). Jest to rozwiązanie opracowane przez IETF i przeznaczone dla protokołu IP. Podobnie jak w poprzedniej lekcji działanie zostało przedstawione w postaci animacji. Lekcja ta uwidacznia wady i zalety tego rozwiązania. Przedstawiono również protokół NHRP (Next Hop Resolution Protocol), który jest bezpośrednio związany z omawianym zagadnieniem.
W lekcji przedstawiono też funkcjonowanie serwerów MARS (Multicast Address Resolution Protocol) oraz MCS (Multicast Server) realizujących połączenia rozgłoszeniowe w sieci ATM.
• Multiprotocol over ATM. Lekcja obejmuje rozwiązanie opracowane przez ATM Forum znane pod nazwą MPOA. Obecnie nie wiadomo jak będzie wyglądał końcowy standard MPOA, natomiast w lekcji przedstawiono różne, brane pod uwagę koncepcje oraz ogólnie wskazano jakie problemy powinien ten standard rozwiązać.
• MPLS w ATM. MPLS (MultiProtocol Label Switching) jest techniką opracowaną do współpracy z różnymi protokołami warstwy łącza danych i z założenia ma upraszczać działanie węzłów sieci pakietowych poprzez umożliwienie szybkiego przełączania zamiast skomplikowanego routingu.
Urządzenia wewnątrz sieci stosując mechanizm zamiany etykiet, przełączają pakiet w warstwie drugiej, a dopiero router końcowy przywraca jemu pierwotną postać po czym kieruje go do portu docelowego. W omawianej lekcji przedstawiono technikę MPLS oraz komponenty sieciowe pozwalające na jej realizację. Wspomniano również o technikach poprzedzających wprowadzenie MPLS.
3. OBSŁUGA PROGRAMU
Kurs ATM został przygotowany w formie stron WWW, których format został wspólnie przyjęty dla wszystkich kursów w ramach projektu INVOCOM.
Treści poszczególnych lekcji zapisane są w plikach tekstowych, pozwalających na łatwą zmianę ich zawartości oraz sterowanie sposobem wyświetlania.
Treść poszczególnych lekcji została wzbogacona o animacje wykonane przy wykorzystaniu programu ilustracyjnego Flash MX. Teksty pojawiające się w www.pwt.et.put.poznan.pl
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004 3
animacjach pobierane są z plików tekstowych, co ułatwia dostosowanie ich do innych wersji językowych.
Kurs „Sieci ATM” z założenia ma być dostępny przez sieć Internet, ale oczywiście możliwe jest również korzystanie z wersji nagranej na płycie CD ROM.
Można go uruchomić na każdym komputerze wyposażonym w przeglądarkę internetową. Uczestnicy kursu powinni posiadać podstawową wiedzę z zakresu sieci komputerowych i technik sieciowych. Ze względu na to, że kurs obejmuje zarówno wiadomości podstawowe, jak i zaawansowane żadna specjalistyczna wiedza z zakresu techniki ATM nie jest potrzebna. Na końcu każdej lekcji umieszczono pytania testowe sprawdzające stopień opanowania materiału przedstawionego w danej lekcji. Test zawierający pytania z zakresu całego kursu umiejscowiono na końcu, po wszystkich lekcjach. Pytania, na które musi odpowiedzieć student prezentowane są w obiekcie Flash umieszczonym na stronie. Treści pytań oraz właściwe odpowiedzi pobierane są przez obiekt z pliku tekstowego. Plik ten zawiera również informacje konfigurujące obiekt, pozwalając na zmianę formy testu oraz wybór języka. W lekcji dotyczącej systemów komutacyjnych ATM sprawdzenie wiedzy odbywa się interakcyjne poprzez określenie parametrów realizacji następnego kroku algorytmu, przy czym początkowe fazy są realizowane przez oprogramowanie.
Obsługa kursu jest bardzo prosta i odbywa się za pomocą myszy. Dzięki przejrzystemu i prostemu w obsłudze interfejsowi graficznemu korzystanie z poszczególnych opcji programu nie sprawia żadnych problemów.
Do szybkiego dokonania wyboru i uruchomienia jednej z 10 lekcji służy menu główne programu.
Pozwala ono na szybki dostęp do poszczególnych lekcji, słownika oraz do testu kończącego kurs.
Po uruchomieniu lekcji możemy przystąpić do zapoznania się z jej treścią. Pojedyncza lekcja składa się z kilku stron (okien), na których wyjaśnione są problemy dotyczące tematu lekcji. Do zmiany strony służą przyciski umieszczone na dole strony. Pozwalają one na przejście do następnej i poprzedniej strony oraz na wybór dowolnej strony z danej lekcji. Możliwe jest również korzystanie z przycisków umieszczonych w nagłówku strony umożliwiających również przejście do strony następnej lub poprzedniej oraz wybór poszczególnych lekcji, przejście do pytań testowych i słownika.
Niektóre strony zawierają animacje obrazujące działanie wybranych elementów systemu. Wszystkie animacje wyposażone są w przyciski, zazwyczaj umieszczone blisko animacji, służące do sterowania nimi. Przyciski te spełniają różne funkcje, takie jak:
uruchomienie, zatrzymanie oraz kontynuacja zatrzymanej animacji, a także przejście do przodu i do tyłu.
4. UWAGI KOŃCOWE
Kurs „Sieci ATM” z założenia przedstawia rozwiązania technologiczne oraz mechanizmy charakterystyczne dla sieci ATM. Po zakończeniu fazy testów i oceny będzie udostępniony dla szerszego grona użytkowników, a stopień zainteresowania kursem będzie najlepszym miernikiem jakości wykonanego zadania.
Miejmy nadzieję, że kurs ten stanie się elementem kształcenia na odległość.
Edukacja przez Internet zacznie odgrywać bardzo dużą rolę wówczas, gdy aplikacja dydaktyczna umieszczona na serwerze WWW, będzie działała tak samo sprawnie jak aplikacja działająca lokalnie na komputerze. Najbardziej uciążliwy jest w tym przypadku długi czas odpowiedzi sieci. Aplikacje dydaktyczne ze swej natury zawierają dużo elementów graficznych: zdjęć, animacji, filmów itd. co nakłada odpowiednie wymagania na przepustowość sieci.
Doświadczenia zdobyte przy tworzeniu oprogramowania dydaktycznego działającego na serwerach WWW zostaną wkrótce wykorzystane w sieciach szerokopasmowych. W momencie upowszechnienia się sieci szerokopasmowych zagadnienia zdalnej edukacji uzyskają nowy wymiar i należy przypuszczać, że wtedy korzystanie z niej będzie dużą przyjemnością.
SPIS LITERATURY
[1] Ahmad K.: Sourcebook of ATM and IP Internetworking, IEEE Press, 2003.
[2] Ginsburg D.: ATM Solutions for Enterprise Interetworking, Addison-Wesley, 1999.
[3] Karim M.R.: ATM Technology and Services Delivery, Prentice Hall, 2000.
[4] Kleban J.: Programy dydaktyczne w Internecie, Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne’97, Poznań, 10-11 grudnia 1997.
www.pwt.et.put.poznan.pl
PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004 4
