Применение виртуализации операционных систем для формирования профессиональных навыков у выпускников программы бакалавриата

Задача подготовки конкурентоспособных специалистов в различных сферах деятельности является актуальной для учебных заведений высшего профессионального образования, главной целью которых является подготовка бакалавров, владеющих стройной системой зна­ний, обладающих способностью к решению профессиональных задач в различных ситуаци­ях.

Для достижения этой цели особую значимость приобретает организация практической учебной деятельности будущих IT-специалистов, поскольку даже необходимый теоретический объем знаний не сможет полностью обеспечить выработку у студентов тех умений, которые были бы оценены современными работодателями.

По оценке Всероссийского центра изучения общественного мнения (ВЦИОМ) недостаток практических навыков у выпускников российских вузов признает большая часть молодых специалистов (56%), и абсолютное большинство работодателей (91%) [1]. Проведенный нами опрос восемнадцати работодателей в области информационных технологий (г. Омск) на предмет оценки практической подготовленности бакалавров подтверждает данный тезис [2].

Современные бакалавры в области информационных технологий лучше всего разбираются в различном прикладном ПО и работе с сетью Интернет. Во время обучения студентам приходится осваивать большое количество различных программ и у них вырабатывается своего рода навык, которым они успешно пользуются. Это же относится и к работе в сети Интернет, которая на сегодняшний день стала одним из важнейших источников информации и общения.

Средние результаты бакалавры демонстрируют в области программирования, а также в проектировании информационных систем, поскольку данные направления уже стали традиционными для современной высшей школы,  а программирование получило негласный статус приоритетного направления в области информационных технологий. Средний уровень подготовленности показывают также бакалавры в технической области: ремонта и модернизация персональных компьютеров (ПК) и периферийных устройств. Данные умения напрямую зависят от наличия в вузе специальной лаборатории, в которой студенты могут выполнять соответствующие виды работ.

Невысокий уровень умений имеют бакалавры в области организации локальных сетей и управления операционными системами (ОС). Для закрепления подобных практических навыков требуется специальная лаборатория,  организовать которую довольно сложно, так как подобные эксперименты могут нанести урон работоспособности программным продуктам ПК. К дисциплинам, связанным с управлением локальной сетью и коммуникационными протоколами, а также с изучением функциональных особенностей различных ОС относятся «Компьютерные сети», «Операционные системы», «Компьютерная безопасность». Именно в результате изучения подобных дисциплин у студентов наблюдается «перекос» между знаниями и умениями в пользу первых, а это и приводит к тому, что будущие IT-специалисты могут оказаться невостребованными на современном рынке труда.

Исправить ситуацию стало возможным, когда на рынке ПО появились продукты, называемые «Средства виртуализации», продвижение которых как в технологическом, так и в маркетинговом смысле наблюдается последнее десятилетие [3]. С одной стороны, пользоваться такими программными продуктами стало намного комфортнее ввиду их надежности и многофункциональности, а с другой – открылось немало возможностей их эффективного применения. В настоящее время четко обозначились следующие варианты использования продуктов виртуализации в различных сферах деятельности:

1. Виртуализация серверов. Перенос нескольких физических серверов на один, используя их виртуальные копии, работающие параллельно.

2. Разработка и отладка приложений. Возможность запуска несколько различных ОС одновременно, что позволяет разработчикам ПО тестировать их приложения на различных платформах и конфигурациях.

3. Виртуализация оборудования. Примеры: виртуальные принтеры, накопители информации, сетевое оборудование.

4. Организация портативных приложений. Обеспечение работы несовместимого ПО.

5. Использование в обучении. ВМ могут быть использованы для организации лабораторных занятий по дисциплинам информатического цикла в вузах, готовящих IT-специалистов.

В данной статье мы рассмотрим дидактический потенциал виртуальных машин, также еще называемые «виртуализация операционных систем». На современном рынке программ, эмулирующих работу ПК, представлено огромное количество. Они отличаются друг от друга назначением, характеристиками и возможностями, ориентированы на пользователей с разным уровнем подготовки, поэтому представляется необходимым выявить основные критерии выбора ВМ для наиболее эффективного применения в образовательной сфера. Результаты нашего исследования показали, что 6 критериев выбора ВМ можно считать основными [4]:

1. Тип эмуляции;
2. Системные требования и цена;
3. Эмулируемое аппаратное обеспечение;
4. Интерфейс;
5. Функциональное наполнение;
6. Производительность.

Первый критерий является базовым для описания сущности современных процессов виртуализации. На сегодняшний день известны четыре основных способа работы с программами разных ОС на одном ПК, то есть имеется 4 вида эмулирующих программ, работающих на совершенно различных алгоритмах: эмуляция API, полная эмуляция, паравиртуализация, квазиэмуляция.

При эмуляции API можно поставить одну ОС и работать одновременно как с ее приложениями, так и с приложениями другой ОС, но при этом падает коэффициент совместимости и становится практически невозможной поддержка различных платформ. При использовании полной эмуляции осуществляется абсолютная совместимость при работе с несколькими ОС одновременно, но скорость работы гостевых приложений очень низка, так как для ее выполнения последовательно выбираются коды гостевой ОС и эмулируется поведение каждой отдельно взятой инструкции. При паравиртуализации для эмуляции требуется модификация кода гостевой ОС, поэтому во главу угла становятся вопросы с использованием свободного ПО.

Квази-эмуляция является наиболее практичным и перспективным типом эмуляции, поскольку при его использовании сохраняются довольно высокими производительность ОС и уровень интеграции с аппаратным обеспечением, что позволяет широко применять программные продукты этого направления в различных сферах деятельности. Программные продукты, созданные на базе данного алгоритма эмуляции, полностью подходят для любых целей, потому что работают с высокой, близкой к оригиналу производительностью, имеют собственное виртуальное аппаратное обеспечение и поддерживают довольно большое количество ОС и приложений.

В соответствии с указанными выше шестью критериями мы провели сравнительно-сопоставительный анализ характеристик трех наиболее популярных на сегодняшний день квазиэмуляторов, чтобы выявить тот, который наиболее отвечает предъявляемым требованиям для его применения в различных сферах. В качестве объекта тестирования нами были взяты следующие версии программных продуктов: Windows Virtual PC, VMware Workstation 12.х, Oracle VM VirtualBox 5.х. (мы намеренно не брали ВМ, испульзующиеся в сегменте виртуализации серверов).

Мы считаем, что первоначально необходимо сравнить данные программы с точки зрения цены и системных требований, предъявляемых к ПК, на котором будет устанавливаться ВМ, поскольку этот критерий является одним из основополагающих в выборе конфигурации хостовых машин, на базе которых будет осуществляться работа ВМ. Если анализировать рекомендуемые системные требования, предъявляемые к программам данного класса, то они очень схожи: процессор 32- или 64-разрядной архитектуры с минимальной частотой 1-1,3 GHz; также на ПК должно быть установлено не менее 1 Gb оперативной памяти. Требования к дисковым накопителям не являются принципиальными, но наименее «требовательным» является продукт от Microsoft; VMware же, наоборот, имеет очень объемный дистрибутив и при установке требует очень большой объем дискового пространства.

При общей схожести аппаратных показателей выявить конкретного лидера достаточно трудно. Однако мы считаем, что основными параметрами ВМ являются цена и количество ОС, которые могут быть установлены на хостовом ПК, чтобы ВМ работала. Очевидно, что для использования лицензионного ПО удобнее пользоваться бесплатными программными продуктами Microsoft и Oracle. Последний к тому же является открытым и поддерживает наибольшее количество ОС, на базе которых он может быть развернут.

Таким образом, сравнив ВМ по системным требованиям, предъявляемым к хостовой машине, мы пришли к выводу, что Oracle VM VirtualBox наиболее подходит для экономичного использования.

Вторым критерием выбора ВМ является объем эмулируемого аппаратного обеспечения гостевых ПК. Данная характеристика позволяет судить об аппаратных возможностях ВМ, которую создает пользователь. Этот параметр является одним из наиболее важных и развиваемых компаниями-производителями. Windows Virtual PC очень отстает от конкурентов по основным характеристикам: он эмулирует минимум аппаратных компонентов и поддерживает программные наработки только своей компании. Oracle VM VirtualBox, напротив, демонстрирует полную эмуляцию всего аппаратного обеспечения среднего ПК, где есть все необходимое. VMware Workstation удовлетворит самых привередливых пользователей выбором эмулированных аппаратных компонентов, оправдывая этим высокую цену.

Следовательно, для эмуляции работы среднего ПК рекомендуется использовать программу Oracle VM VirtualBox, однако по разнообразию различного эмулируемого аппаратного обеспечения нам представляется более совершенным VMware Workstation, на базе которого можно организовать виртуальный сервер любой сложности.

Третий и четвертый критерии выбора нельзя считать основополагающими, но тем не менее они важны для комфортного пользования ВМ. Это функциональное наполнение и интерфейс. Программа VMware Workstation является безусловным лидером по различным настройкам, дополнительным возможностям и утилитам, усовершенствующим работу с ВМ. И хотя они в полном объеме могут и не понадобиться всем пользователям, но IT-специалисты с благодарностью принимают те нововведения, которые включает для них компания-производитель. Закономерно, что такой полнофункциональный продукт является платным. Windows Virtual PC, до недавнего времени довольно успешно соревновался с продуктом компании VMware, но сегодня данная программа из дополнительных возможностей представляет только базовый минимум, достаточный для работы. Продукт Oracle VM VirtualBox активно развивается, поэтому с каждой новой версией виден прогресс: количество новых функций у программы возрастает (отдельного упоминания заслуживает русскоязычный интерфейс, который повышает удобство работы с программой).

Последним и самым важным, на наш взгляд, критерием выбора ВМ является их производительность. Для сравнения ВМ по данному критерию нами был разработан ряд тестов, которые проводились на ПК со следующей конфигурацией: Intel Core 2 Duo 2,13Ghz/3,5Gb/nVidia GeForce7800GTX/250Gb, в результате чего нами были созданы 3 ВМ с одинаковой конфигурацией (RAM – 1Gb, HDD – 10 Gb).  Целью эксперимента было выяснить, какой программный продукт быстрее выполняет различные задачи. Результаты тестирования показали, что по производительности самые лучшие показатели имеет программный продукт компании VMware: он демонстрирует наибольшую скорость в большинстве тестов на разном ПО. Virtual PC является лидером по производительности только при работе с ОС Microsoft, остальные же ОС она не поддерживает, что связано, в первую очередь, с конкурентной борьбой с производителями Open Source и маркетинговой политикой, которую ведет компания для популяризации своих продуктов. Oracle VM VirtualBox демонстрирует среднюю производительность.

Мы систематизировали результаты сравнительно-сопоставитель­ного анализа в итоговой таблице (таблица 1), где представлены характеристики различных ВМ по шести критериям, что позволяет сделать комплексную оценку их возможностей.

Таблица 1

Сравнительная характеристика возможностей ВМ

Итак, VMware Workstation является профессиональным комплексом, ориентированным на решение серьезных задач в рамках крупных организаций. Данный программный комплекс является самым производительным и содержит огромное количество дополнительных утилит, повышающих комфорт в работе с ней. VMware Workstation – платный программный продукт, ориентированный на профессионалов.  Windows Virtual PC, к сожалению, на сегодняшний день уже считается морально устаревшим, так как современные интерфейсы им не поддерживаются. Еще одним минусом является его ориентация исключительно на продукты Microsoft, что сужает область его применения. Но тем не менее для работы с ОС Windows он подходит лучше всего, так как демонстрирует самую высокую производительность.  Компания  Microsoft уже разработала новый программный продукт  Microsoft Hyper-V, который сейчас доступен только как компонент ОС Microsoft Windows 8, 10.

Анализ показал, что для использования ВМ наиболее подходящей из распространенных и доступных на сегодняшний день является Oracle VM VirtualBox, которая, имея в своем арсенале все современные интерфейсы и поддерживая огромный список хостовых и гостевых ОС, является русскоязычной и полностью бесплатной.

Таким образом, применяя представленные нами шесть критериев в основе сравнения современных ВМ, можно из множества их вариантов выбрать те, которые будут наиболее успешно справляться с разнообразными задачами в различных областях.

Нами был разработан и внедрен комплекс лабораторно-практических работ с применением ВМ по ряду дисциплин информатического цикла для будущих специалистов данного направления.

Лабораторная работа для студентов, специализирующихся в области информационных технологий, – это вид учебно-познавательной деятельности, при выполнении которой идет прямое нацеливание на будущую профессию. Здесь перед студентами ставятся проблемные вопросы, решение которых требует хорошей теоретической и практической их подготовленности. Именно поэтому лабораторная работа становится приоритетной формой проведения практических занятий, где для решения широкого круга образовательных задач по специальным дисциплинам используются эффективные средства обучения.

Таким образом, дидактическое применение ВМ огромно, и возможности их использования при выполнении лабораторных работ практически безграничны, поэтому мы считаем данный класс ПО наиболее перспективным и эффективным средством в обучении информатике конкурентоспособных специалистов 21 века. Используя ВМ в лаборатории, студенты приобретают умения, которые впоследствии помогают им самостоятельно выполнять аналогичные операции в будущей профессиональной деятельности.