tesis de maestría tecnologías para laboratorios virtuales
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Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica
Dpto. de Telecomunicaciones y Electrónica
Tecnologías para Laboratorios Virtuales Reales Remotos en las Telecomunicaciones. Aplicación
a la Teleformación en ETECSA.
Tesis presentada en opción al Título Académico de Máster en Telemática
Maestría en Telemática
Autor: Ing. Anel Bartumeu Cárdenas Tutor: Dr. Armando Sarmiento Rojas
Santa Clara
2007
Pensamiento
i
“Knowledge will forever govern ignorance; and a people who mean to be their own governors
must arm themselves with the power which knowledge gives” Jame Madison
“Si se enseña algo a un hombre, jamás lo aprenderá. Aprender es un proceso activo, aprendemos haciendo”
Bernard Shaw
“…de la contemplación viva al pensamiento abstracto y de aquí a la práctica…”
Lenin
Agradecimientos
ii
A mi familia por su preocupación y apoyo. A mi tutor Dr. Armando Sarmiento Rojas por sus valiosos conocimientos y la entrega de su escaso y preciado tiempo. A mis compañeros de trabajo por su ayuda y comprensión. A Jorge y Zulman por estar siempre ahí, en el momento que los necesité. A mi esposa Astrid Yineth y mi hija Dalila por ser mi inspiración. A todas las personas que de una forma u otra hicieron posible la realización de este trabajo.
Dedicatoria
iii
A mi esposa e hija
Resumen
iv
RESUMEN
En este trabajo se propone el diseño de una plataforma que soporta los servicios
brindados por los laboratorios virtuales reales remotos. Esta propuesta deviene
como solución a las limitantes espacio – temporales en las acciones de capacitación
que requieren la realización de actividades prácticas sobre los costosos
equipamientos dedicados a la enseñanza de las telecomunicaciones existentes en
ETECSA, que son únicos en Cuba, empleando para ello la infraestructura de
comunicaciones que conforma la red corporativa de ETECSA.
Como resultados investigativos se obtienen: la descripción y fundamentación de la
arquitectura general de la plataforma, de las tecnologías a emplear en su desarrollo,
de los Servicios Web que soporta, así como el funcionamiento que se desea de
dicho sistema. Para ello se hizo un estudio bibliográfico sobre el “estado del arte” de
las tecnologías que soportan el desarrollo de los laboratorios virtuales reales
remotos; así como la valoración y consideración de varias plataformas de soporte a
los mismos.
Con este trabajo se inicia un proceso de implantación de nuevos conceptos en la
virtualización de la formación de los recursos humanos de ETECSA; completándose
el ciclo enseñanza-aprendizaje para las acciones de formación que impliquen
actividades prácticas, y preparándose el escenario para la prestación de servicios a
los centros de educación superior en Cuba en el campo de las Telecomunicaciones.
Índice
v
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 1
CAPÍTULO I: TECNOLOGÍAS ASOCIADAS A LOS LABORATORIOS
VIRTUALES. ............................................................................................... 6
I.1 Prácticas de Laboratorios.............................................................. 6
I.1.1 Definición de Prácticas de Laboratorio: ................................... 6
I.1.2 Clasificación de las Prácticas de Laboratorio: ............................ 7
I.2 Laboratorios Virtuales.................................................................... 8
I.2.1 Clasificación de los entornos de experimentación: ................... 8
I.2.2 Definición de Laboratorios Virtuales:........................................... 10
I.2.3 Criterios de clasificación: ................................................................ 10
I.2.4 Laboratorios virtuales más frecuentes: ....................................... 14
I.2.5 Roles de los participantes en los laboratorios virtuales: ....... 15
I.3 Laboratorios Virtuales Reales Remotos..................................... 16
I.3.1 Definición de Telelaboratorio o Laboratorio Remoto sobre
Internet. ............................................................................................................. 16
I.3.2 Elementos constituyentes de un Laboratorio Remoto:........... 18
I.3.3 Flujos de Información en un Laboratorio Remoto:................... 20
I.3.4 Estados y fases de un Laboratorio Remoto: .............................. 21
I.4 Tecnologías para Laboratorios Virtuales ................................... 23
I.4.1 Tecnologías de tiempo real:............................................................ 23
I.4.2 Tecnologías de agentes: .................................................................. 25
I.4.3 Tecnologías de colaboración: ........................................................ 28
I.4.4 Tecnologías de orquestación: ........................................................ 31
I.4.5 Tecnologías de modelación / simulación:................................... 32
I.4.6 Tecnologías para la transmisión de los medios digitales: ..... 34
I.4.7 Tecnologías de Educación a Distancia:....................................... 35
I.4.8 Tecnologías para la Interoperabilidad de los sistemas de
prácticas de laboratorio distribuidos: ...................................................... 36
I.4.9 Tecnologías de seguridad de sistemas colectivos en redes: 38
Índice
vi
CAPÍTULO II: PLATAFORMAS DE SOPORTE A LOS LABORATORIOS
VIRTUALES. ............................................................................................. 42
II.1 Plataformas de soporte a los Laboratorios Virtuales................ 42
II.1.1 Definición: ........................................................................................ 42
II.1.2 Requisitos de diseño de una plataforma para los
Laboratorios Virtuales Reales Remotos:................................................. 43
II.2 Propuestas de Sistemas de Prácticas de Laboratorio .............. 46
II.2.1 Plataforma VLAB PSNC: .............................................................. 47
II.2.2 Plataforma iLab: ............................................................................. 50
II.2.3 Plataforma VITELS:........................................................................ 54
II.2.4 Plataforma CICLOPE:.................................................................... 56
II.2.5 Plataforma Lab@Future: .............................................................. 60
CAPÍTULO III: PLATAFORMA DE APLICACIÓN PARA LA
REALIZACIÓN DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO A DISTANCIA EN ETECSA.................................................................................................... 62
III.1 Entornos de apoyo a la docencia de las telecomunicaciones en
ETECSA.................................................................................................... 62
III.1.1 Entorno actual de la red corporativa de ETECSA:................ 63
III.1.2 Recursos disponibles: .................................................................. 65
III.1.3 Modelo de Aprendizaje a Distancia de ETECSA (MADE): ... 66
III.2 Propuesta de diseño de la Plataforma........................................ 67
III.2.1 Esquema de la Plataforma a Implementar: ............................. 67
III.2.2 Servicios Web que soporta la Plataforma: .............................. 70
III.2.3 Funcionamiento de la Plataforma: ............................................ 74
III.2.4 Seguridad de la Plataforma:........................................................ 76
CONCLUSIONES ..................................................................................... 78
RECOMENDACIONES ............................................................................. 80
REFERENCIAS BIBLIOGRÁGICAS ........................................................ 81
GLOSARIO ............................................................................................... 93
Índice
vii
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Clasificación de los entornos de experimentación. .................... 9
Tabla 2. Características de los flujos de información usados en las
Prácticas de Laboratorio en tiempo real............................................ 21
Tabla 3. Métodos de Compresión de Datos.............................................. 34
Tabla 4. Formatos de Compresión Multimedia......................................... 35
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Configuraciones más habituales de SBW. ............................... 15
Figura 2. El telelaboratorio como una suma de realidades y
necesidades. ........................................................................................ 18
Figura 3. Arquitectura de un entorno de teleoperación. ......................... 20
Figura 4. Arquitectura de un sistema de tres agentes............................. 26
Figura 5. Arquitectura basada en agentes propuesta en MAEVIF.......... 27
Figura 6. Arquitectura de múltiples agentes de dos niveles de MASPLANG. ......................................................................................... 28
Figura 7. Arquitectura Web Service. ......................................................... 38
Figura 8. Estructura de la arquitectura de Laboratorios Virtuales de
Poznan. ................................................................................................. 49
Figura 9. Arquitectura de 3 capas del sistema de Laboratorios Virtuales
de iLab. ................................................................................................. 51
Figura 10. Seguridad en la Arquitectura para los experimentos por lotes
............................................................................................................... 52
Figura 11. Flujo de Información en la arquitectura para los experimentos
interactivos........................................................................................... 53
Figura 12. Localización de los servidores de reserva de tiempo de los
experimentos ....................................................................................... 53
Figura 13. Funcionamiento de los Tickets................................................ 54
Figura 14. Arquitectura propuesta en VITELS.......................................... 55
Figura 15. Estructura de CICLOPE. ........................................................... 57
Índice
viii
Figura 16. Arquitectura de CICLOPE......................................................... 59
Figura 17. Arquitectura de Lab@Future.................................................... 60
Figura 18. Topología Física de la Intranet de ETECSA. ........................... 63
Figura 19. Esquema general de la arquitectura de la Plataforma
propuesta para la introducción de las tecnologías de Laboratorios
Virtuales Reales Remotos en las Telecomunicaciones.................... 67
Figura 20. Modelo de Orquestación de Servicios. ................................... 71
Figura 21. Orquestación de los servicios de la plataforma propuesta. . 71
Figura 22. Esquema UML de actividad del proceso de autoformación.. 75
Figura 23. Esquema UML de actividad del proceso de clase práctica. .. 76
Introducción
1
INTRODUCCIÓN
Justificación
Razones que motivan el estudio
La Empresa de Telecomunicaciones de Cuba ha llevado adelante un plan acelerado
de expansión y modernización tecnológica de la Red de Telecomunicaciones de
Cuba, lo cual ha demandado un proceso de formación continua, capacitación y
recalificación, en ámbitos disímiles como sistemas de telecomunicaciones digitales,
microelectrónica, informática, etc por parte de los especialistas que posteriormente
tienen la responsabilidad de operar y mantener los modernos sistemas. Todo ello
ha conllevado la creación de instalaciones especiales en ETECSA para estos fines.
Para ello se han creado varios laboratorios reales como parte de las cuantiosas
inversiones realizadas por la Empresa. Estos costosos laboratorios, en ocasiones
asociados a tecnologías específicas, constituyen elementos únicos en el país como
parte de los medios de enseñanza de las telecomunicaciones.
Tendencias actuales
Las tendencias actuales en el mundo son: cambiar la cultura en la operación de los
sistemas de comunicaciones debido a la digitalización de los procesos en las
Telecomunicaciones; transitar hacia una mayor convergencia en los sectores de la
Informática y las Telecomunicaciones demandando de mayores competencias y
habilidades del personal de operaciones; incrementar el costo y dificultar el acceso a
laboratorios, maquetas y recursos especialmente diseñados para el entrenamiento
del personal específico; incrementar la educación a distancia para eliminar las
barreras espacio-temporales y permitir el acceso a un mayor número de
estudiantes; así como la tendencia de desarrollar las tecnologías habilitadoras de
los laboratorios virtuales en todas sus variantes para el entrenamiento y la
experimentación.
Necesidades que resolvería
La aplicación de los Laboratorios Virtuales a la Teleformación en ETECSA permitiría
la periódica formación, capacitación, recalificación, así como lograr un nivel
adecuado de competencias, habilidades y conocimientos en sus recursos humanos,
Introducción
2
para operar y mantener los servicios de telecomunicaciones. Disminuiría los costos
de las acciones de capacitación. Evitaría que los especialistas se ausenten
prolongadamente de su puesto de trabajo. Permitiría la creación de entornos
virtuales de adiestramiento o remotización de los laboratorios reales, junto a la
educación a distancia y el acceso remoto a los recursos bibliográficos en la red
(Biblioteca Virtual). Completaría el proceso enseñanza-aprendizaje (LLL: Lecture,
Library, Laboratory). Incrementaría los vínculos de la Empresa con terceros. Podría
resolver necesidades de otras entidades que requieran la utilización de los recursos
y facilidades que habilitarían los Laboratorios Virtuales Reales Remotos. Por
ejemplo, en el ámbito académico de la Educación Superior, haría posible el acceso
a estos recursos por parte de los estudiantes de las especialidades de
Telecomunicaciones, Ciencias de la Computación y otras afines.
Antecedentes
En ETECSA se ha iniciado un proceso de asimilación de las TIC en apoyo a la
Educación a Distancia, ha introducido la Plataforma SEPAD (Sistema de Enseñanza
Personalizado A Distancia), ha capacitado a formadores, tutores, publicadores y
administradores. Ha enfrentado la capacitación a distancia en más de 50 cursos de
teleformación. Cuenta con el sitio web del Centro Regional de Formación de
ETECSA Villa Clara que utiliza un Manejador de Contenidos y está enfocado a la
teleformación pues el mismo incluye la posibilidad de generar cursos y contenidos,
bibliografía digital y se concibe un espacio para los Laboratorios Virtuales.
Situación Problémica
Pero en realidad en la Empresa de Telecomunicaciones de Cuba S. A. no existen
las tecnologías asociadas a los Laboratorios Virtuales, pues no se ha realizado
hasta el momento un estudio del estado de los desarrollos teóricos – conceptuales
asociados a las mismas, ni como se podrían adecuar las mismas para la
virtualización de sus laboratorios, maquetas e instrumentos, que permanecen casi
todo el tiempo sin ser utilizados; tampoco se dominan los beneficios que puede
aportar dicha virtualización a la enseñanza de las telecomunicaciones en ETECSA;
no existe una cultura de utilización de los laboratorios, reales o virtuales, a distancia;
Introducción
3
ni una evaluación del impacto de las tecnologías de los laboratorios virtuales a lo
interno de la Empresa, y en el marco de los Centros de la Educación Superior.
Objetivos
Objetivo General
Ante esta situación el presente trabajo tiene como objetivo proponer el diseño de
una plataforma que soporte los servicios brindados por los Laboratorios Virtuales
Reales Remotos como elemento de apoyo a la Teleformación en ETECSA.
Objetivos Específicos
Para lograr el mismo se estudia el estado de las tecnologías que soportan el
desarrollo de los Laboratorios Virtuales Reales Remotos, se valoran y consideran
varias plataformas existentes en el mundo, se propone y describe la arquitectura
general de la plataforma, se fundamentan las tecnologías a emplear en su
desarrollo, se proponen los Servicios Web que la conformarán, así como se
establece el funcionamiento general que se desea de la misma para apoyar las
acciones de Teleformación asociadas a las actividades prácticas en la docencia de
las Telecomunicaciones en ETECSA.
Interrogantes Científicas
En el informe se intenta dar respuesta a las siguientes interrogantes científicas:
¿Cuál es el “estado del arte” en relación con las tecnologías que soportan el
desarrollo de los Laboratorios Virtuales?
¿Existen plataformas de soporte para los Laboratorios Virtuales Reales
Remotos?
¿Cuál es el estado de implementación de las tecnologías y plataformas de los
Laboratorios Virtuales Reales Remotos en la docencia de las
Telecomunicaciones?
¿Cuál serían las tecnologías de telecomunicaciones existentes en ETECSA que
podrían recibir el primer impacto y el beneficio de los Laboratorios Virtuales
Reales Remotos?
¿Cómo podrían aplicarse los Laboratorios Virtuales Reales Remotos en la
Educación a Distancia en ETECSA?
Introducción
4
¿Podría pensarse en la prestación de servicios a entidades externas mediante la
implementación de los Laboratorios Virtuales Reales Remotos y las facilidades
tecnológicas dedicadas a la docencia en ETECSA?
¿Cómo utilizar facilidades tecnológicas internacionales como Laboratorios
Virtuales Reales Remotos en actividades docentes en interés de ETECSA
mediante Internet?
Metodología empleada
Método teórico que abarcó fundamentalmente la revisión bibliográfica y análisis de
documentos relativos a las tecnologías para el desarrollo de los laboratorios
virtuales reales remotos y al diseño de las plataformas que los soportan por parte de
Centros de Investigación y grupos de trabajo líderes en el mundo.
Método sistémico y empírico para la comprensión de las plataformas proyectadas y
tecnologías actuales.
Método inductivo - deductivo para proponer el diseño del sistema.
Estructura del trabajo
El trabajo consta de introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones,
referencias bibliográficas y glosario de términos.
El Capítulo 1 brinda los aspectos teórico - conceptuales de los Laboratorios
Virtuales centrando la atención en las últimas tecnologías que pueden impactar en
el desarrollo de los mismos.
En el Capítulo 2 se estudian varias plataformas de Laboratorios Virtuales, capaces
de soportar las actividades prácticas en tiempo real sobre laboratorios reales, se
reúnen los requisitos que deben cumplir las mismas, así como se analizan los
elementos más relevantes de cada una de ellas que pueden ser empleados en
nuestro diseño o prototipo.
Introducción
5
El Capítulo 3 aborda la propuesta del diseño de la plataforma como solución a los
problemas planteados anteriormente, así como ubica a la misma en un contexto
empresarial de amplias condiciones para su despliegue.
Además en este informe de tesis se han utilizado un conjunto de términos en idioma
inglés, sin traducirlos debido al amplio uso que tienen en el ámbito donde se
desarrolla este trabajo. Al final del cuerpo del trabajo se anexa un glosario de
términos que contiene una descripción más detallada de estos.
Capítulo I
6
CAPÍTULO I: Tecnologías asociadas a los Laboratorios Virtuales.
I.1 Prácticas de Laboratorios
La práctica de laboratorio se introduce en la educación a propuesta de John Locke,
filósofo inglés, al entender la necesidad de realización de trabajos prácticos
experimentales en la formación de los alumnos y a finales del siglo XIX ya formaba
parte integral del currículo de las ciencias en Estados Unidos, extendiéndose con
posterioridad a los sistemas educacionales del resto de los países.
Los términos “Trabajo de Laboratorio”, "Trabajo Práctico”, “Experiencias Prácticas”,
"Actividad Práctica" y “Práctica de Laboratorio” son utilizados prácticamente como
sinónimos, aunque el último es el que comúnmente se usa en los centros de
enseñanza de Cuba y Latinoamérica. [1]
I.1.1 Definición de Prácticas de Laboratorio:
La práctica de laboratorio es considerada tradicionalmente un tipo de clase dentro
de la tipología de clases para el proceso de enseñanza-aprendizaje cuando este
tiene un carácter académico, como bien se puede observar en el Reglamento del
Ministerio de la Educación Superior [2]:
Artículo 72: “La práctica de laboratorio es el tipo de clase que tiene como objetivos
instructivos fundamentales que los alumnos adquieran las habilidades propias de los
métodos de la investigación científica, amplíen, profundicen, consoliden, generalicen
y comprueben los fundamentos teóricos de la disciplina mediante la
experimentación empleando los medios de enseñanza necesarios.”
Constituyen en sí un proceso de enseñanza-aprendizaje en el cual se manifiesta
todos los componentes no personales del proceso: problema, objeto, objetivos,
forma, métodos, contenido, medios y evaluación.
Los autores de [1] la definen como: el “Proceso de enseñanza-aprendizaje facilitado
y regulado por el profesor, que se organiza temporal y espacialmente para ejecutar
etapas estrechamente relacionadas, en un ambiente donde los alumnos pueden
realizar acciones psicomotoras, sociales y de práctica de la ciencia, a través de la
Capítulo I
7
interacción con equipos e instrumentos de medición, el trabajo colaborativo, la
comunicación entre las diversas fuentes de información y la solución de problemas
con un enfoque Interdisciplinario-Profesional”.
En [3] “La práctica de laboratorio es la forma organizativa docente espacio/temporal
que bajo la guía del profesor dados los objetivos y contenidos, se actúa de manera
consciente sobre un objeto de estudio real o virtual, con una instrumentación real o
virtual, que posibilite al estudiante obtener, procesar y analizar información.”
I.1.2 Clasificación de las Prácticas de Laboratorio:
Las prácticas de laboratorio pueden clasificarse acorde a:
1. La finalidad:
a. Demostrativa.
b. Conceptual.
c. Procedimental.
d. Científico-Investigativa.
2. Las modalidades:
a. Relación temporal:
i. Sincrónica.
ii. Asincrónica.
b. Relación Estudiante-Estudiante:
i. Individual.
ii. Cooperativo.
iii. Colaborativo.
iv. Competitivo.
c. Relación Estudiante-Profesor:
i. Presencial.
ii. Semipresencial.
iii. No presencial.
d. Relación Estudiante-Medio Didáctico:
i. Local.
ii. Remoto.
3. El medio didáctico:
a. Reales.
Capítulo I
8
b. Con instrumentos virtuales.
c. Con procesos virtuales.
d. Simuladas.
4. La información:
a. Tipo de datos:
i. Reales.
ii. Simulados.
b. Tipo de adquisición:
i. En tiempo real.
ii. En tiempo diferido.
c. Tipo de red:
i. Local.
ii. Específica.
iii. Intranet.
iv. Internet.
d. Tipo de servidor de datos:
i. Específico.
ii. Web. [3]
I.2 Laboratorios Virtuales
I.2.1 Clasificación de los entornos de experimentación:
Actualmente, la aplicación del concepto nuevas tecnologías en la enseñanza al
ámbito de la realización de prácticas de laboratorio ha dado lugar a la aparición de
diferentes modalidades de entornos de experimentación. Desde el punto de vista del
estudiante/usuario, los criterios que permiten establecer una clasificación muy clara
de estos nuevos entornos son dos: la forma de acceder a los recursos sobre los que
se experimenta y la naturaleza del sistema sobre el que se opera. Atendiendo al
primer criterio, se puede discernir entre acceso remoto a través de una red y acceso
local, es decir, que no implica la utilización de una conexión a Internet para poder
operar con los componentes. En lo referente a la naturaleza del recurso, hay que
distinguir entre recurrir a modelos simulados o trabajar con plantas reales. De la
combinación de estos dos criterios se obtienen cuatro clases de entornos muy
diferentes, pero que abarcan todas las formas de experimentación posibles:
Capítulo I
9
• Acceso local-recurso real. Representa el laboratorio de prácticas tal y como lo
conocemos, en el que el alumno se sitúa frente a una computadora conectada a un
sistema real para proceder a la realización de la práctica correspondiente. Conocido
como Laboratorio tradicional.
• Acceso local-recurso simulado. Todo el entorno de trabajo es software y la interfaz
de experimentación opera sobre un sistema simulado, virtual e inexistente
físicamente que reside en la misma computadora que la interfaz. También se le
conoce como Micro-Laboratorio.
• Acceso remoto-recurso real. Constituye el acceso al equipamiento de un
laboratorio real a través de una red. El usuario opera y controla de forma remota
sistemas reales mediante una interfaz de experimentación que se ejecuta en una
computadora conectada a una red. Aunque puede ser cualquiera, la red que se
contempla como paradigma de conectividad es Internet que, pese a los problemas
de saturación que puede presentar, es ideal para llevar un entorno de
experimentación remota a cualquier computadora conectada a la red. Este enfoque
es lo que se denomina telelaboratorio, laboratorio real remoto o teleoperación a
través del web.
• Acceso remoto-recurso simulado. Esta forma de experimentación es similar a la
anterior en cuanto al acceso pero el sistema real se sustituye por un modelo, por lo
que el estudiante trabaja con su interfaz de experimentación sobre un sistema virtual
accesible a través de Internet. Presenta como diferencia que pueden trabajar
múltiples usuarios simultáneamente sobre el mismo sistema virtual ya que al estar
simulado se pueden crear instancias para atender a todo aquel que lo solicite.
Estamos pues ante la figura del laboratorio virtual multiusuario o simulación basada
en el web (web-based simulation). También se le conoce como Macro-Laboratorio o
Laboratorio simulado remoto.
Tabla 1. Clasificación de los entornos de experimentación.
NATURALEZA DEL RECURSO REAL SIMULADA
LOCAL Laboratorio tradicional Laboratorio virtual monousuario ACCESO AL RECURSO REMOTO Telelaboratorio o laboratorio remoto Laboratorio virtual multiusuario
Capítulo I
10
I.2.2 Definición de Laboratorios Virtuales:
De todos ellos, los Laboratorios Remotos y los Macro-Laboratorios, que no tienen
acceso local, pueden llamarse Laboratorios Virtuales [4] dado que en ambos lo que
se virtualiza es la presencia del estudiante de donde se localiza el recurso.
Asimismo, los Laboratorios Simulados (Locales o Remotos) también pueden
llamarse Laboratorios Virtuales ya que en estos lo que se virtualiza es el proceso
real a través de modelos aproximados. [5]
En la reunión de expertos sobre Laboratorios Virtuales, celebrada en la Universidad
de Iowa en Ames, Estados Unidos, en el año 1999 [6], se definió el laboratorio
virtual como “un espacio electrónico de trabajo concebido para la colaboración y la
experimentación a distancia con objeto de investigar o realizar otras actividades
creativas, y elaborar y difundir resultados mediante tecnologías extendidas de
información y comunicación”. [7]
De las dos formas de acceder a los recursos, local o remota, la que tiene mayor
demanda en la actualidad es esta última: el acceso a los recursos de
experimentación a través del WWW. Esto ha dado lugar a la aparición del término
laboratorios basados en el web (web-based laboratories) que pueden dividirse en
laboratorios simulados remotos y laboratorios reales remotos según sea el tipo de
recurso sobre el que se opera. [8]
I.2.3 Criterios de clasificación:
Pese a que la definición de laboratorio virtual puede parecer bastante intuitiva, es
necesario profundizar en ella realizando una clasificación de las diferentes formas
de diseñar un laboratorio virtual atendiendo a cuatro criterios:
La ubicación del motor matemático de cálculo.
La naturaleza del núcleo de simulación o de la interfase del recurso físico.
Las capacidades de diseño que tiene disponibles el usuario.
El grado de interactividad con la simulación o el recurso físico.
Capítulo I
11
Otro criterio a considerar relacionado con el soporte de los servicios brindados por
los Laboratorios Virtuales que se debe tener en cuenta a la hora de su diseño según
[6] es:
Las herramientas de comunicación.
Acorde con el primer criterio, la ubicación del motor de cálculo, se puede distinguir
entre local o remota. Dentro del ámbito en que nos movemos, las actividades
prácticas locales se caracterizan porque el motor de cálculo se encuentra en el
computador en el que está trabajando el usuario, de forma que la interfaz gráfica y
el núcleo numérico forman un todo que convive en el mismo entorno, es decir,
dentro del navegador. Para el desarrollo de estas prácticas de laboratorio, Java
constituye actualmente la única alternativa capaz de proporcionar total
independencia de la plataforma hardware sobre la que se esté trabajando.
Por el contrario, en las actividades prácticas remotas el núcleo numérico se ejecuta
en una computadora remota, no siendo necesariamente en aquel desde el que se
ha descargado la página HTML que alberga la interfaz gráfica, aunque lo habitual es
que sí lo sea. En cualquier caso, la interfaz gráfica y la práctica se ejecutan en
computadoras diferentes.
El segundo criterio de clasificación es la naturaleza del núcleo de simulación o de la
interfase del recurso físico con independencia de que su ubicación sea local o
remota. Este criterio considera si la simulación o la interfase en sí mismas han sido
construidas por medio de una herramienta específica orientada al modelado y la
simulación (Matlab, Simulink, ACSL, Dymola, Ecosim, etc.), o se ha recurrido a
lenguajes de alto nivel de propósito general (C, C++, Fortran, Java) mediante el
empleo de bibliotecas específicas orientadas a las mismas.
Las capacidades de diseño consideran que el cliente pueda cambiar no sólo los
parámetros numéricos del modelo a simular o de los recursos a manipular, sino que
tenga la posibilidad de modificar su arquitectura o modificar el montaje de los
recursos físicos. De esta forma, el cliente no se limita únicamente a la introducción
de parámetros para comprobar el comportamiento de las configuraciones de los
laboratorios sino que toma parte activa en la construcción de las mismas.
Capítulo I
12
La cuarta característica que distingue las diferentes aproximaciones que existen
para la realización de prácticas de laboratorios basadas en el web es el grado de
interactividad con la simulación o el recurso físico. Podemos distinguir tres casos:
1. Actividades Prácticas por Lotes (Batched or Pseudo-batched Experiments):
son aquellas en las cuales se puede especificar la ejecución parcial o total
del experimento antes de comenzar el mismo, el estudiante crea una serie
de comandos que se descargan en el dispositivo para ser ejecutados. No
hay inmediatez desde que se inicia el proceso experimental hasta que se
obtiene la respuesta en forma de datos numéricos o gráficos. El usuario
debe estar conectado en el momento de programar su experimento y en el
momento de obtener los resultados del mismo (generalmente los sistemas
deben notificar el estado de la ejecución de las tareas que se le solicitan, por
ejemplo la culminación del experimento). En algunos casos la respuesta del
sistema puede corresponder a pasos intermedios del proceso de simulación,
por lo tanto, es posible introducir ciertos parámetros y repetir alguno de los
pasos intermedios. Estos experimentos implican la realización de colas para
maximizar la eficiencia del uso de los laboratorios.
2. Actividades Prácticas Interactivas (Interactive Experiments): Son aquellas en
las cuales se monitorea y controlan uno o varios parámetros del experimento
durante su ejecución. En este caso, el proceso de experimentación avanza
de forma continua y dinámica, obteniendo el usuario en cada período de
muestreo de tiempo simulado los resultados bajo la forma de un flujo
continuo de valores numéricos o de gráficos evolucionando de forma
sostenida. Al modificar un parámetro en la interfaz, la respuesta del sistema
se espera sea inmediata (evidentemente, este comportamiento es el
deseado en los sistemas de tiempo real y casi siempre no se corresponde
con la realidad [9]). El usuario debe permanecer conectado durante la
ejecución del experimento. Si la ejecución del mismo demora más de lo
deseado, implicará que el estudiante tenga la posibilidad de programar sus
comandos (similar a las actividades prácticas por Lotes) para no desperdiciar
su tiempo.
3. Actividades Prácticas Sensoriales (Sensor Experiments): Son aquellas en las
cuales se monitorea o analizan los datos resultantes del experimento, en
Capítulo I
13
tiempo real, sin influenciar en la ejecución del mismo. El usuario solo podrá
solicitar diferentes flujos de datos, cada uno de ellos podrá incluir distintas
resoluciones o transformaciones de base de datos, también podrá solicitar la
difusión de estos datos a varios usuarios. Generalmente en estos
experimentos se recogen los datos por un período de tiempo largo para
análisis estadísticos o búsquedas de eventos de interés. [10]
En los centros o en instituciones con múltiples sucursales, diseminadas
geográficamente y destinadas a brindar servicios de Laboratorios Virtuales se
pueden utilizar distintas herramientas de comunicaciones, principalmente para:
1. Comunicación entre personas: Necesaria para la interacción humana, por
ejemplo, una conversación, una llamada telefónica, un libro, la televisión, o
una carta. Las comunicaciones análogas con soporte informático son, las
sincrónicas: la videoconferencia, la telefonía Internet, el aprovechamiento
compartido de las aplicaciones, así como las asíncronas: el WWW, el correo
electrónico, el intercambio de archivos y otras.
2. Comunicación entre personas y equipos (P2E: personas y experimentos):
Necesaria para la operación y el control de las actividades prácticas remotas:
actividades prácticas interactivas (teleoperación) y por lotes
(teleprogramación) vistas anteriormente. Este control puede ser sincrónico o
asincrónico. Permite la interacción con los sistemas transductores remotos
utilizados en los experimentos, ejemplo: los accionadores y los sensores; así
como la interacción con dispositivos, componentes o hardware que
incorporan tecnologías de internet o interfases web y la interacción con
aquellos que posean software de control independiente o interfases propias.
[11]
3. Comunicación entre personas y metamáquinas: Necesaria para el acceso a
amplios conjuntos de datos distribuidos en grandes bases de datos y al
procesamiento de los mismos en potentes y sofisticadas supercomputadoras
o redes de procesadores. Las actividades prácticas sensoriales son
beneficiadas con esta infraestructura de comunicaciones. Se debe destacar
que la comunicación entre personas y metamáquinas no supone
necesariamente la utilización de supercomputadoras, sino que más bien es
un tipo de comunicación que se produce siempre que se coordinan y
Capítulo I
14
explotan conjuntamente recursos de información, cálculo y/o equipos
mediante un interfaz inteligente o una red. Algunas técnicas relacionadas
con este tipo de comunicación, que se espera que en el futuro vayan
adquiriendo una importancia cada vez mayor, ya se están utilizando
periódicamente en computación y redes: computación servidor-cliente
(CORBA, RMI, ODBC, JDBC, Java, etc.); clientes de bases de datos a
distancia; manipulación de computadoras a distancia, basada en Telnet, X-
Windows y aprovechamiento compartido de aplicaciones (Servidor Terminal
Windows, Timbuktu, Quiz); preparación a distancia de programas para
supercomputadoras; tecnología activa, un método interesante para llevar a
cabo la tarea de escrutinio (selección rigurosa) de datos mencionada
anteriormente; minería de datos; etc.
4. Comunicación entre máquinas: Necesaria para el intercambio automático de
metadatos entre bases de datos distribuidas y metadatos y códigos de
programas entre clústeres de computadoras. [5]
I.2.4 Laboratorios virtuales más frecuentes:
Con independencia de las posibilidades de diseño y del grado de interactividad, los
laboratorios virtuales más frecuentes son tres:
• La interfaz gráfica y el motor de simulación constituyen una aplicación monolítica
que se ejecuta dentro del navegador WWW y reside en la computadora del cliente
(Figura 1.a).
• La interfaz gráfica y el motor son aplicaciones independientes que residen ambas
en el mismo computador, es decir, en el del cliente (Figura 1.b). La interfaz se
localiza dentro del navegador WWW, mientras que el motor habitualmente es un
entorno de simulación del tipo Matlab/ Simulink.
• La interfaz gráfica y el motor son aplicaciones independientes y están físicamente
separadas (Figura 1.c). Como en el caso previo, la interfaz se localiza en el
navegador WWW del cliente pero la simulación reside en el servidor remoto, y
puede estar constituida por una aplicación desarrollada para tal efecto o por
herramientas de modelado y simulación. [8]
Capítulo I
15
Figura 1. Configuraciones más habituales de SBW.
I.2.5 Roles de los participantes en los laboratorios virtuales:
En los laboratorios virtuales debe estar bien definido el papel que juega cada
participante, pues de ello dependerán las acciones que cada cual pueda ejecutar,
entre ellos se encuentran:
Desarrolladores:
Programan las estructuras de la plataforma de los Laboratorios Virtuales (módulos,
instancias, elementos, etc.) y hacen mejoras o actualizan los mismos.
Alumnos, Estudiantes, Investigadores, Experimentadores, Usuarios:
Son las personas que actúan y obtienen información del medio, del proceso sobre el
que se experimenta. [5]
Tutores, Capacitadores, Teleformadores:
Establecen los contenidos, el problema, los objetivos, las guías, orientan, aclaran
dudas. [5]
Autores, Diseñadores o Creadores:
Implementan los equipos o aparatos, o simulan el funcionamiento de los mismos a
partir de los módulos creados por los desarrolladores para conformar los
laboratorios virtuales. Confeccionan las guías de las prácticas de laboratorio,
publican los documentos técnicos, ayudas y manuales de los equipos o aparatos en
la biblioteca virtual, así como brindan consultorías online o a través de los forum de
dicussión.
Capítulo I
16
Administradores:
Crean grupos de usuarios para los distintos laboratorios, definen las políticas de uso
de los laboratorios y la lista de los derechos de los usuarios, definen las condiciones
límites, aseguran las condiciones técnicas entre los módulos de los laboratorios
virtuales creados por los diseñadores y los dispositivos.
Supervisores:
Monitorean el estado de los procesos, de las tareas programadas, de las colas
I.3 Laboratorios Virtuales Reales Remotos
I.3.1 Definición de Telelaboratorio o Laboratorio Remoto sobre Internet.
Todo lo descrito en referencia a los laboratorios virtuales se basa en el empleo de
modelos matemáticos de los objetos físicos para la realización de experiencias
prácticas desde un punto de vista docente, formativo o, incluso, con fines de
investigación. El objetivo se fundamentaba en considerar el modelado y la
simulación dinámica como las herramientas básicas para la puesta en práctica de
los conceptos teóricos adquiridos mediante la realización de actividades prácticas
sobre ciertos elementos que son de difícil acceso para los estudiantes (distancias a
los centros, horarios poco flexibles) o para los departamentos universitarios (precios
muy elevados, carencia de espacios en los laboratorios, falta de personal técnico
para su mantenimiento periódico).
Lo que sí parece obvio es que la experimentación in situ con una planta u objeto real
es insustituible por una simulación o por simuladores de entrenamiento, sobre todo
en lo referente a las sensaciones que percibe el usuario que se sitúa ante el
experimento. El trabajo con plantas reales conlleva la aparición de fenómenos (no
linealidades, saturaciones de los accionadores) o situaciones imprevistas
(malfuncionamientos eléctricos y/o mecánicos) que habitualmente no son
transportables a una simulación por la propia naturaleza estocástica del fenómeno o
por simplificación, pero que contribuyen a enriquecer la experiencia práctica
adquirida por el estudiante. La educación práctica necesita apoyarse en errores e
irregularidades, tal y como sucede en los sistemas mecánicos, eléctricos o químicos
Capítulo I
17
en oposición a los iconos y entornos ideales representados en el monitor de una
computadora.
Además de lo anterior, en muchas ocasiones, las percepciones visuales, auditivas y
táctiles derivadas del comportamiento del experimento real no son reproducibles por
una simulación o sí lo son, pero a un coste económico o temporal que no permite
afrontar su desarrollo por parte de un grupo de trabajo de un departamento
universitario (que son los más interesados en insertar a los alumnos en entornos
prácticos). Esto se suma a que existen multitud de situaciones en los entornos
industriales en los que los operarios realizan su acciones correctivas en función de
lo que ven y de lo que escuchan, e incluso de lo que huelen, cuando están ante el
dispositivo en cuestión. Es decir, toman decisiones operativas en base, únicamente,
a su experiencia y a las percepciones sensoriales, logrando resultados
sorprendentes y muy cercanos a como si las acciones correctoras se realizasen en
base a un examen analítico y cuantitativo de la situación.
Evidentemente en los laboratorios presenciales de prácticas estas sensaciones sí
son percibidas por los usuarios: el dispositivo está próximo y se puede ver, tocar y
escuchar qué es lo que está pasando en cada momento, qué consecuencias se
obtienen o qué situaciones imprevistas se generan. Por todo ello, no podemos
rechazar nunca la idea de que la experiencia práctica enriquece los conocimientos
del estudiante de una forma no igualable por el trabajo con simulaciones.
Pero los laboratorios de prácticas, tal y como se conciben actualmente, están
sometidos a una serie de factores que limitan su aplicación ante determinadas
situaciones, como son:
1. Elevado número de alumnos matriculados en la materia. Esta restricción
obliga al establecimiento de multitud de turnos y horarios, con el
consiguiente prejuicio para los estudiantes: carencia de tiempo en los
laboratorios para completar sus trabajos, ejecución de pocos casos
prácticos, número elevado de personas por puesto de trabajo, etc.
2. Modelos educativos basados en la enseñanza a distancia. Esta modalidad
de estudio ocasiona que los alumnos lleguen a trasladarse durante días o
semanas al lugar en el que se realizan las prácticas.
Capítulo I
18
3. Carencia de recursos económicos. En muchos casos condiciona que el
número de experimentos disponibles en el laboratorio sea limitado.
Para resolver o aliviar en cierta medida los problemas planteados es necesario
recurrir a un concepto ya estudiado desde hace algunos años, y que está accesible
al estudiante y al público en general gracias a la difusión actual de la red Internet: la
teleoperación. De forma genérica, el término teleoperación se puede definir como la
posibilidad de acceder a manipular y controlar a distancia ciertos recursos con las
mismas posibilidades que se tendría si se operara sobre ellos de forma local,
manual y directa.
Dentro del contexto en que nos movemos, acotaremos el uso del término
teleoperación al acceso a los elementos de un laboratorio de prácticas utilizando los
recursos que nos brinda la red Internet y con un nivel de presencia suficiente para
poder desarrollar las actividades prácticas con la misma validez a como si estas se
desarrollasen de la forma tradicional en las dependencias del laboratorio. Si este
término, la teleoperación, lo aplicamos al caso que nos atañe, el acceso a los
laboratorios presenciales sin restricciones espacio-temporales, surge el concepto
del laboratorio remoto basado en el WWW (ver Figura 2).
Figura 2. El telelaboratorio como una suma de realidades y necesidades.
I.3.2 Elementos constituyentes de un Laboratorio Remoto:
La arquitectura de todo laboratorio teleoperado se articula de acuerdo con el
paradigma cliente-servidor. Si bien este modelo distingue claramente entre las dos
entidades básicas (ver Figura 3), es conveniente efectuar una análisis más detallado
y preciso para sacar a la luz todos los elementos que intervienen en mayor o menor
Capítulo I
19
medida en un entorno de teleoperación. Aunque no tienen porqué estar presentes
en todos los telelaboratorios que se creen, estos elementos son:
• Cliente de experimentación. Es el software que reside en la computadora del
cliente y que se asocia a la interfaz de experimentación que posibilita el envío de los
parámetros y la visualización de los resultados.
• Servidor. Es una computadora ubicada cerca de la planta a operar y equipada con
la interfaz hardware-software necesaria para comunicarse con los sensores y
accionadores. Asimismo, cuenta con las interfaces y protocolos necesarios para su
comunicación con el mundo exterior, es decir, con los clientes.
• Servidor de comandos y consultas de planta. Es un componente software que
reside en el servidor y que permanece a la escucha de peticiones de conexión por
parte de los clientes de experimentación. Recibe los comandos y consultas de los
clientes y los remite a la planta, devolviendo como respuestas los datos extraídos a
través del hardware de instrumentación.
• Red. Es el nexo de unión entre el cliente de experimentación y el servidor de
comandos y consultas. Dada la difusión universal de Internet, los protocolos más
utilizados para el intercambio de información son los que se engloban dentro de la
familia TCP/IP.
• Planta. Es el sistema a controlar de forma remota. Está conectado directamente
con el servidor a través del hardware de instrumentación.
• Instrumentación. Agrupa a todo el hardware utilizado para la conexión de la planta
con el servidor: tarjetas de adquisición de datos, codificadores ópticos,
amplificadores, etc.
• Sistema gestor de base de datos. Contiene toda la información referente a datos
de usuarios, reserva de tiempo, definición y parametrización de experimentos,
resultados obtenidos, informes de utilización, grabaciones de vídeo, etc.
• Sistema de iluminación. Entorno complementario que permite a un usuario acceder
al sistema de forma remota las 24 horas del día con independencia de las
condiciones lumínicas. Lo idóneo es que el sistema de iluminación esté activo
durante la existencia de una conexión, permaneciendo apagado el resto del tiempo.
• Sistema de visualización remota. Complementario del anterior, permite visualizar
qué es lo que está sucediendo en la planta a medida que se realiza el experimento.
Capítulo I
20
En aquellos casos en los que se contempla, el sistema de escucha se engloba
dentro del sistema de visualización remota.
Figura 3. Arquitectura de un entorno de teleoperación.
No necesariamente un laboratorio teleoperado tiene que contar con todos los
elementos enumerados. Su inclusión o no siempre dependerá de la finalidad que se
persiga y de los medios de que se disponga, tanto humanos como materiales. Lo
que se ha pretendido con la enumeración previa es recopilar todos aquellos
elementos que se han encontrado en los trabajos expuestos en la bibliografía actual
así como incluir algunos nuevos que resultan de indudable valor añadido para un
entorno de teleoperación que debe estar diseñado como una alternativa viable a un
laboratorio presencial de prácticas a nivel universitario. [8]
I.3.3 Flujos de Información en un Laboratorio Remoto:
Entre los aspectos importantes a tener en los Sistemas de Prácticas de Laboratorio
Remotas está el tipo de Información que se intercambia, las prioridades a la hora de
Capítulo I
21
su transmisión y los requisitos de velocidad y ancho de banda que se necesita para
ello.
Existen cuatro clases de flujos de información esencialmente:
Flujo de Parámetros: Contiene la información de control que es enviada por el
usuario en el modo experto hacia el servidor de práctica de laboratorio, para
manipular directamente el equipamiento físico.
Flujo de Datos: Contiene la información de los resultados del proceso físico, que es
difundida por el servidor de práctica de laboratorio al usuario.
Flujo de Información Administrativa: Contiene la información de autenticación
(nombre de usuario, contraseña, certificados, firmas, etc.), que es enviada al
servidor de la práctica de laboratorio por el usuario estándar para adjudicarse los
derechos del modo experto.
Flujo de Audio y Video: Contiene la información de audio y video captados del
comportamiento del sistema físico al ser manipulado, que es difundida por el
servidor de la práctica de laboratorio a los usuarios. [9]
Tabla 2. Características de los flujos de información usados en las Prácticas de Laboratorio en tiempo real.
Flujo Dirección Prioridad Ancho
de Banda Tamaño Encriptación
Baja de los paquetes
Parámetros Cliente > servidor La más alta Bajo Pequeño Si No permitido
Datos Cliente < servidor Alta Alto Extenso No Permitido
Audio / Video Cliente < servidor Media Alto El más extenso No Permitido
Administrativos Cliente <> servidor La más baja Bajo El más pequeño Si No permitido
I.3.4 Estados y fases de un Laboratorio Remoto:
El Sistema de Prácticas de Laboratorio Remotas presenta varios estados y fases
que le permite afrontar las condiciones y los cambios a que son sometidos,
determinados fundamentalmente por las peticiones de los usuarios. En la medida
que se vayan desarrollando, vayan adquiriendo mayor complejidad y más se exija
de dichos sistemas, más estados y fases presentará. Ejemplos de algunos estados
y fases de un laboratorio remoto son:
Capítulo I
22
Estado de Mínima Energía: Cuando el laboratorio remoto; que incluye el costoso
equipamiento físico, luces, cámaras, etc., que se mantiene encendido las 24 horas
de los 7 días de la semana; no se está usando. Esto provoca un gasto innecesario
de energía, la exposición a eventos externos que pueden ser dañinos y la reducción
del tiempo de vida del equipamiento. Como respuesta el servidor del laboratorio
puede, si es apropiado, apagar el equipamiento o mantener los procesos reales en
un estado inerte o de ahorro de energía.
Fase de Inicio de sesión: Es el cambio que experimenta el laboratorio remoto
cuando recibe la petición de realización de una nueva práctica de laboratorio. Ante
este cambio, si el usuario tiene los permisos apropiados y el sistema no se excede
del máximo número de usuarios que permite, se le da acceso al mismo en el modo
de cliente estándar. En este modo solo se permite la observación del experimento
(solo se podrá recibir datos, audio y video desde el servidor)
Estado Concurrente: Es el estado en que se encuentra el laboratorio remoto cuando
recibe una o más peticiones de usuarios en modo experto, un modo que permite el
intercambio de comandos y la manipulación de los procesos físicos del laboratorio
remoto, después de una o más fases de inicio de sesión exitosas. La aceptación de
los comandos de varios usuarios a la vez provocaría la desestabilización del
sistema. Ante esta circunstancia en el laboratorio remoto sólo se permite el acceso
al sistema a un único usuario en modo experto. Para viabilizar la continuidad de las
operaciones de una forma justa se deben definir otras políticas de uso como:
Establecer un tiempo de práctica límite, permitir al usuario ceder las condiciones del
modo experto en cualquier tiempo inferior al tiempo límite establecido, así como
forzar la transición del modo experto hacia el modo estándar vencido dicho tiempo o
en dependencia de una lista de usuario con prioridades.
Fase de Inicio de sesión Multi-usuario: Es el cambio que experimenta el laboratorio
remoto cuando recibe la petición de realización de una clase práctica de laboratorio.
Ante este cambio, se le concede el acceso al instructor como usuario experto, si
tiene los permisos y al resto de los participantes que el mismo designe, que pueden
ser locales o remotos, se le conceden los permisos para observar la práctica de
laboratorio de forma simultánea. En cualquier momento del transcurso de la clase
Capítulo I
23
práctica el instructor decide a quien le corresponde el turno para manipular el
equipamiento.
Estado Seguro: Es al estado que pasa el laboratorio remoto, cuando en estado
concurrente, sufre una situación indeseable por varias razones, por ejemplo: una
acción del usuario, la selección de parámetros incorrectos, un problema de red o
pérdida de la conexión, etc. Como respuesta el laboratorio remoto debe ser capaz
de retornar a un estado anterior en que funcionaba correctamente o a un estado
donde los parámetros del mismo retoman los valores iniciales, a este estado se le
llama “Estado Seguro”. Además deben tomarse todas las precauciones para la
protección de los sistemas físicos, particularizando en cada uno de ellos para la no
ocurrencia de eventos indeseables.
I.4 Tecnologías para Laboratorios Virtuales
Las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC), que hoy dan soporte a
un gran número de servicios de enseñanza-aprendizaje a distancia, han
experimentado décadas de continuos y constantes cambios. A algunas de las que
se consideran intervienen o intervendrán en la construcción, operación y futuros
desarrollos de los servicios que brindan los laboratorios virtuales se referirán los
siguientes epígrafes.
I.4.1 Tecnologías de tiempo real:
Los laboratorios virtuales reales remotos se insertan en los tipos de aplicaciones
que requieren manejar de forma simultánea los atributos espaciales y temporales.
Para ello es necesario un soporte informático y una infraestructura de
comunicaciones capaz de operar con eventos en tiempo real, que permita además
elaborar una historia de dichos eventos, así como responder a varias acciones
simultáneamente (concurrencia). A continuación alguna de las tecnologías que se
han desarrollado:
Los sistemas operativos en tiempo real. Son aquellos que han sido desarrollados
para aplicaciones de tiempo real, en los cuales no tiene importancia el usuario,
sino los procesos. Por lo general, están subutilizados sus recursos con la
finalidad de prestar atención a los procesos en el momento que lo requieran. se
Capítulo I
24
utilizan en entornos donde son procesados un gran número de sucesos o
eventos. Como tal, se le exige corrección en sus respuestas bajo ciertas
restricciones de tiempo. Si no las respeta, se dirá que el sistema ha fallado. Para
garantizar el comportamiento correcto en el tiempo requerido se necesita que el
sistema sea predecible. Existen alrededor de 30 distribuciones, la mayoría para
el sistema operativo Linux y en menor medida para Windows. Entre estos se
encuentran: VxWorks, Solaris, Lyns OS, Spectra, QNX, RedHat Embedded
Linux, Windows CE, ADEOS, RTAI, RTLinux, ART-Linux, Qlinux, RED-Linux,
BlueCat-RT, RedHawk, REDICE-Linux, TimeSys Linux, Linux-SRT, entre otros.
Las distribuciones libres ADEOS y RTAI son las que están más actualizadas ya
que están planeando sacar nuevas versiones validas para el kernel estándar de
Linux. El resto ó están muy dejadas ó tardan bastante en sacar nuevas
versiones. Además las distribuciones GNU/GPL proporcionan más información.
[12-14]
Los lenguajes de programación de sistemas de tiempo real: Los lenguajes de
programación existentes en la actualidad sencillamente no son apropiados para
el desarrollo de sistemas de tiempo real. Sus limitaciones se derivan
principalmente de la incapacidad para especificar requerimientos temporales.
Los mismos deben facilitar la realización de sistemas concurrentes, fiables, con
un comportamiento temporal analizable. Entre estos se encuentran los lenguajes
ensambladores (son flexibles y eficientes, pero costosos y poco fiables), los
secuenciales (necesitan un Sistema Operativo para concurrencia y tiempo real)
como: Fortran, C, C++ y los lenguajes concurrentes (incluyen la concurrencia y
tiempo real) como: Ada, Ada 95, Ada 2005, Java, RT Java, occam2. [15-17]
Las Bases de datos de tiempo real: Son bases de datos tradicionales a las que
se le agregan la habilidad de manipular confiablemente datos temporales (datos
que conservan su valor durante un determinado tiempo), sean capaces de
establecer prioridades y realizar históricos de datos coherentes. [18]
Las comunicaciones en tiempo real o comunicaciones paralelas: Es el método
de enviar varias señales de datos, sobre un enlace de comunicación, al mismo
tiempo. Entre las técnicas más importantes, que combinadas evitan la
congestión, los cuellos de botella, la aceptación de fallos; que logran un balance
de carga y un buen aprovechamiento de los enlaces de comunicaciones, cuando
Capítulo I
25
son usados simultáneamente para el acceso de recursos comunes, se
encuentran según [19]:
• Striped file I/O (SFIO): Esta técnica consiste en segmentar los ficheros en
partes muy pequeñas y almacenarlas en una biblioteca distribuida con el
objetivo de balancear la carga que se genera en los procesos de las
aplicaciones paralelas (cluster) [20].
• Liquid Schedule: Este es un método para planificar el tráfico y el ajuste del
ancho de banda de la red o la capacidad límite superior de la misma [21-23].
• Capillary Routing: Es la solución multitrayecto entre los nodos fuente y
destino al ocurrir algún fallo, sobrecarga de tráfico o congestión entre los
mismo [24].
En los laboratorios virtuales reales remotos asociados a equipamientos de
telecomunicaciones no necesariamente tienen que estar presentes todas las
tecnologías de tiempo real, salvo en aquellas prácticas o experimentos que se
consideren desastrosos.
I.4.2 Tecnologías de agentes:
Un agente es una entidad encapsulada que es capaz de responder a los cambios
del entorno que lo rodea, actuando anticipadamente ante dichos cambios e
interactuando con otros agentes. Cuando un grupo de agentes interactúan y
coordinan sus acciones estamos en presencia de un sistema basado en múltiples
agentes [25].
Los sistemas basados en múltiples agentes podrían traer grandes beneficios a los
laboratorios virtuales, entre ellos: personalizar la información presentada al
estudiante de acuerdo al nivel de aprendizaje del mismo basándose en modelos
pedagógicos, realizar tutorías inteligentes, buscar conocimientos y soluciones
apropiadas a los problemas enunciados en las prácticas de laboratorio, gestionar los
accesos a los recursos físicos, proteger los sistemas físicos ante los
comportamientos anómalos, decidir y habilitar los ambientes de entrenamiento dado
los objetivos de las prácticas a realizar, simular total o parcialmente el
comportamiento de los sistemas físicos incluso antes de ejecutar las prácticas sobre
ellos, así como emitir criterios expertos de determinados sistemas físicos en la
Capítulo I
26
medida que los agentes vayan aprendiendo de los mismos [26]. La aplicación de las
tecnologías de agentes en los laboratorios virtuales se viene proponiendo,
diseñando y, en contados casos, experimentando en los últimos años. Ejemplos de
algunas de estas propuestas son:
Arquitectura de tres agentes: Sistema propuesto para la construcción de
laboratorios virtuales usando tres agentes: Agente Asistente Personal (PAA),
Agente Mediador (Mediator) y Agente de Recursos (RA) [27].
Figura 4. Arquitectura de un sistema de tres agentes.
El proyecto MAEVIF (Model for the Application of Intelligent Virtual Environments
to Education): Este proyecto propone un subsistema y una arquitectura de
software basada en agentes inteligentes para el desarrollo de Ambientes
Inteligentes Virtuales para Actividades Prácticas (IVETs). En él intervienen cinco
tipos de agentes: Agente de Comunicaciones, Agente de Modelaje Escolar,
Agente de Entorno, Agente Experto y Agente de Enseñanza [28, 29].
Capítulo I
27
Figura 5. Arquitectura basada en agentes propuesta en MAEVIF [30]
MASPLANG: arquitectura de múltiples agentes para soportar la navegación por
la información y la presentación de la misma de forma personalizada en un
sistema educativo hipermedia, empleado para la educación a distancia utilizando
las tecnologías de Internet. La misma está conformada por agentes de
información y agentes asistentes como se muestran en la figura [31].
Capítulo I
28
Figura 6. Arquitectura de múltiples agentes de dos niveles de MASPLANG.
I.4.3 Tecnologías de colaboración:
Las tecnologías de colaboración que existen en Internet pueden ser de gran utilidad
para los laboratorios virtuales. Con ellas se puede compartir y acceder a incontables
recursos físicos habilitados por laboratorios virtuales, a bancos de resultados
experimentales, información científica, contenidos académicos sobre las prácticas,
know how del equipamiento físico, etc; se puede participar en proyectos de
laboratorios, contribuir al desarrollo de sus módulos, trabajar en grupos para lograr
un fin común, etc. Entre las tecnologías y herramientas de colaboración más
utilizadas están [32]:
La plataforma BOINC: Es una plataforma que permite donar el tiempo libre de
una computadora para proyectos científicos. Cualquiera con una computadora
puede participar instalando el programa gratuito BOINC. Una vez instalado, el
usuario puede conectarse a tantos proyectos como desee. Se utilizan las
computadoras de millones de personas, prestadas desinteresadamente, para
procesar información que requiere grandes cantidades de cómputo. La
Capítulo I
29
participación llega a tal punto que la capacidad de proceso es superior a la del
mayor supercomputador que existe hoy en día. [33]
Las tecnologías, formas de colaboración y herramientas asociadas a la Web 2.0,
la web de lectura-escritura:
• Los Blogs: También conocidos como weblogs o bitácoras, son sitios web que
recopilan cronológicamente textos y artículos de uno o varios autores
actualizándose periódicamente. Un aspecto importante es su interactividad,
los lectores pueden responder a los artículos, los blogs funcionan en muchas
ocasiones como herramientas sociales, para conocer a personas que se
dedican a temas similares. En muchas ocasiones llegan a ser considerados
como una Comunidad.
Las herramientas para crearlos son: Sitios gratuitos de alojamientos de Blogs
como Wordpress [34] y Blogger [35], entre los más populares, limitados a lo
que ofrezca el proveedor del servicio; así como los Sistemas de Gestión de
Contenidos (CMS) o manejadores de contenido, que son instalados en
servidores y permiten el control y la administración total de los blogs. Una
lista de estos software se puede encontrar en [36]
• Los Wiki: Son sitios web colaborativos donde los usuarios editan, crean y
borran el contenido de una página web. Lo hacen de forma interactiva, fácil y
rápida. Cualquier persona puede editar sus contenidos, aunque haya sido
creada por otra. Ejemplos: la Wikipedia [37], la Wikibook [38], la Wikiversidad
[39], otros pueden encontrarse en [40].
MediaWiki es el software que da soporte a los Wiki y se distribuye bajo la
licencia GPL.
• Las redes sociales: Es una estructura social que se puede representar en
forma de uno o varios grafos en el cual los nodos representan individuos (a
veces denominados actores) y las aristas relaciones entre ellos. Las redes
sociales abarcan tres ámbitos (denominados 3C): Comunicación (ayudan a
poner en común conocimientos), Comunidad (ayudan a encontrar e integrar
comunidades) y Cooperación (ayudan a hacer cosas juntos).
Algunos ejemplos de software social son los sistemas de filtrado, como los
basados en la reputación (Menéame.net) , los sistemas de contactos
profesionales (Linkedin) [41], sistemas de publicación colectiva (blogs y
Capítulo I
30
wikis), sistemas de contactos personales (Match.com) y sistemas de edición
colectiva de documentación.
• Tecnologías de la Web 2.0: Son AJAX, DHTML, XML y SOAP. Sin duda
AJAX y XML (RSS) son las más extendidas.
El término AJAX (JavaScript y XML asíncronos) surgió en 2005. No se trata
de una tecnología, sino que es un término que se utiliza para englobar a un
grupo de tecnologías. Es una técnica de desarrollo de aplicaciones web
interactivas. Esta Incluye: Presentación basada en estándares usando
XHTML y CSS, exhibición e interacción dinámicas usando el Document
Object Model (DOM), intercambio y manipulación de datos usando XML y
XSLT, recuperación de datos asincrónicamente mediante XMLHttpRequest y
JavaScript para enlazarlo todo [42].
RSS, es un XML para presentar resúmenes de contenidos y publicar
metadatos sobre los contenidos de un sitio web. No sólo se utiliza para
enviar avisos de las nuevas entradas de un blog, sino además para todo tipo
de actualizaciones. Es muy útil para acceder a los contenidos más
novedosos de un sitio web, sin necesidad de navegar. La afiliación a sitios
de interés con RSS implica que el navegador no sea sólo el único medio
para ver un sitio web. Han aparecido diferentes tipos de lectores de RSS:
aplicaciones web como Bloglines, clientes de escritorio como Liferea para
GNOME y Akregator para KDE, e incluso como un servicio del propio
navegador como Firefox Live Bookmarks [43, 44].
La Iniciativa de los Archivos Abiertos: Son propuestas para la creación de un
sistema universal para el registro automático de los trabajos científicos. Las
mismas promueven y desarrollan estándares de interoperabilidad que aspiran a
facilitar la diseminación de contenidos científicos y académicos [45]. Entre ellas
están, la Iniciativa de Acceso Abierto de Budapest (BOAI) [46] y la Declaración
de Berlín [47], que favorecen la publicación libre en Internet de la producción
científica. Algunos de los desarrollos que han resultado de estas iniciativas son:
• Plataforma OAI-PMH (Open Archives Initiative Protocol for Metadata
Harvesting): Plataforma para la recolección, diseminación, intercambio y
acceso a colecciones de documentos científicos y académicos. Basada en
los modelos de base de datos centralizada y sistemas informáticos
distribuidos [48].
Capítulo I
31
• Iniciativa de Metadatos Dublin Core (DCMI): Es el formato estándar de
metadatos más reducido que existe. Este es el que se emplea en la
plataforma OAI-PMH [49].
• Los BitTorrents: Es un protocolo de comunicación peer-to-peer (P2P) para el
intercambio de archivos usando un programa cliente [50]. Los clientes de
BitTorrent se pueden encontrar de dos tipos distintos:
De múltiples descargas simultáneas como Azureus, BitComet, KTorrent y
µTorrent.
De descarga única (solo descarga un archivo .torrent, pero se pueden tener
varios abiertos simultáneamente), como BitTornado.
Los laboratorios virtuales reales remotos, además de poder beneficiarse con estas
tecnologías, pueden convertirse en tecnologías de colaboración.
I.4.4 Tecnologías de orquestación:
La orquestación describe un orden, una coordinación automatizada de sistemas
computarizados complejos, de sistemas distribuidos, de componentes de
programas, de servicios o de procesos [51, 52]. Con las tecnologías de orquestación
se puede lograr un uso eficiente y productivo de los recursos físicos de los
laboratorios virtuales reales remotos; pues se pueden conocer, organizar, controlar y
ejecutar la mayor cantidad de procesos generados por las actividades prácticas
interactivas, por lotes y sensoriales demandadas por los estudiantes. Otros
beneficios que pueden aportar estas tecnologías pueden encontrarse en [53].
Algunos ejemplos de estas tecnologías son:
Oracle BPEL Process Manager: Una plataforma de diseño, despliegue,
monitoreo y administración de procesos. Esta plataforma es la solución de
orquestación de servicios que brinda Oracle's SOA Suite. [54]
Intervoice Media Exchange: Contiene un motor de orquestación que ha sido
diseñado para iniciar y gestionar los medios de comunicación multimedia. [55]
TIBCO BusinessWorks: Es una herramienta de orquestación, transformación e
integración muy funcional. [56]
Microsoft BizTalk Server: Contiene un motor de orquestación que se utiliza a
menudo para la Gestión de Procesos de Negocios (BPM), que permite a los
Capítulo I
32
desarrolladores rápidamente orquestar complejos procesos de negocios con
múltiples sistemas dispares. [57]
NetBeans Enterprise Pack: Es una herramienta SOA de software libre que
contiene un diseñador visual BPEL y un ejecutable que permite orquestar
fácilmente servicios web. [58]
BEA WebLogic Integrator: Contiene un motor de orquestación que se utiliza para
la Gestión de los Procesos de Negocios y la integración de las aplicaciones
empresariales. [59]
I.4.5 Tecnologías de modelación / simulación:
Según R.E. Shannon, "La simulación es el proceso de diseñar un modelo de un
sistema real y llevar a término experiencias con el mismo, con la finalidad de
comprender el comportamiento del sistema o evaluar nuevas estrategias -dentro de
los limites impuestos por un cierto criterio o un conjunto de ellos - para el
funcionamiento del sistema". [60, 61]
La modelación y simulación del comportamiento de los equipos de
telecomunicaciones a través de las tecnologías asociadas a Internet, que son la
esencia de los laboratorios virtuales simulados remotos, pueden introducirse a los
laboratorios virtuales reales remotos con el objetivo de: predecir, analizar, mejorar el
desarrollo del experimento antes de ejecutarlo físicamente; para estimar los riesgos,
evitar las catástrofes que puedan causar las acciones a realizar sobre los recursos
físicos y considerar los aspectos de seguridad para contrarrestarlos; así como
potenciar el proceso de enseñanza aprendizaje comprobando, comparando y
evaluando los modelos teóricos y la práctica. Algunas de las tecnologías que se
pueden usar con el fin de modelar y simular los fenómenos, los procesos, los
comportamientos, los funcionamientos de los laboratorios reales son:
Matlab Simulink: es un ambiente para la modelación y simulación de sistemas
dinámicos incrustados. El mismo brinda un ambiente gráfico interactivo y un set
personalizado de bibliotecas que permiten diseñar, simular, implementar y
probar varios sistemas variables en el tiempo, entre los que se incluyen: los de
comunicaciones, de control, de procesamiento de señales, procesamiento de
imágenes y video [62, 63].
Capítulo I
33
Labview Simulation Module: Es un ambiente basado en diagramas de bloque
para la simulación de sistemas dinámicos discretos y continuos en el tiempo,
sistemas lineales y no lineales. Dispone de muchos algoritmos de simulación,
por ejemplo: métodos numéricos para resolver las ecuaciones diferenciales,
varios métodos de Runge-Kutta. Permite realizar simulaciones en tiempo real si
los medios de cómputo lo admiten, posibilitando que el usuario interactúe con el
proceso simulado [63, 64].
Modelica: Es un lenguaje de modelación específico orientado a objeto que
permite la modelación de sistemas complejos orientada a componentes,
ejemplo, los sistemas que contienen componentes mecánicos, eléctricos,
electrónicos, hidráulicos, térmicos, de control, de energía eléctrica o sistemas
orientados a procesos. Es un lenguaje libre, con herramientas de simulación y
bibliotecas de libre acceso. [65, 66]
VisSim y VisSim/Comm: VisSim es un lenguaje de diagramas de bloque para
modelar sistemas dinámicos complejos no lineales. Ofrece una serie de
productos acompañantes para el modelado de sistemas de comunicaciones, del
procesamiento digital de señales y de sistemas incrustados, así como la
simulación de redes neuronales, entre ellos VisSim/Comm es un programa para
modelar y simular los sistemas de comunicaciones punto a punto a nivel físico,
incluye una interfase de modelación y una biblioteca que contiene una serie de
bloques comunes de soporte para los modelos de los sistemas más complejos:
RF, UWB, Bluetooth, 802.x, Turbo Codes, BPSK, QPSK, DQPSK, QAM, BER,
Eye Diagram, Viterbi, Reed-Solomon. [67, 68]
ExtendSim: Es una familia de herramientas de modelación y simulación; entre
las de mayor interés se encuentran ExtendSim CP para modelar procesos
continuos y ExtendSim OR para simular el proceso o el funcionamiento de
cualquier sistema. [69]
Scilab/Scicos: es un modelador gráfico de sistemas dinámicos con un conjunto
de herramientas de simulación para simular los sistemas de comunicaciones, de
procesamiento de señales, de control, sistemas de colas, electromecánicos,
físicos y biológicos. [70-72]
La selección de una u otra tecnología para la simulación, se hará de acuerdo a las
características de los dispositivos y procesos presentes en los laboratorios; a las
Capítulo I
34
aproximaciones, modelos o prototipos existentes en las bibliotecas de dichos
productos; así como a la disponibilidad de estos en el mercado. También es
importante considerar que en una misma práctica de laboratorio se podrán
modelar/simular parte de las funciones de los equipos y parte de los procesos con
un único o distintos modeladores/simuladores a la vez.
I.4.6 Tecnologías para la transmisión de los medios digitales:
En los laboratorios virtuales reales remotos existe un intercambio considerable de
medios digitales: cualquier tipo de información en formato digital (texto, imágenes,
sonido, video, etc.), producto de la transmisión de los resultados experimentales y la
realimentación visual en la interacción con los recursos físicos.
Las normas de diseño de un laboratorio virtual están definidas por tres factores
decisivos: los servicios deseados, los parámetros y formatos de los medios digitales,
y la capacidad de las redes [6]. Algunas tecnologías para cumplir con la calidad de
los servicios brindados por distintas aplicaciones de comunicación de Laboratorios
Virtuales cumpliendo los parámetros y los formatos de los medios digitales sobre
redes con distintos anchos de banda son, entre otras:
Los métodos de compresión de datos: Son utilizados para codificar la
información utilizando la menor cantidad de bits. En la siguiente tabla se
muestran los más importantes:
Tabla 3. Métodos de Compresión de Datos. [73]
Capítulo I
35
Los formatos de compresión multimedia: Son el tamaño, la forma, el conjunto de
reglas o especificaciones en que se dispone u organiza la información
multimedia para luego acceder a esta con los interpretes multimedia. En la
siguiente tabla se muestran los más importantes:
Tabla 4. Formatos de Compresión Multimedia. [74]
Los sistemas media streaming: Son desarrollos tecnológicos para comprimir y
transferir datos de audio y video entre computadoras que se transmiten vía
Internet. Estos se seccionan en pequeños paquetes y pueden ser vistos a partir
de la escena deseada mientras se descargan completamente. Algunos ejemplos
de estas plataformas son: la Plataforma Global de IPTV de EdgeStream [75], la
plataforma de software libre “VLC media player” del proyecto VideoLan [76],
entre las más populares según [77] que dominan el mercado están:
RealNetworks [78, 79], Windows Media de Microsoft [80, 81], y QuickTime de
Apple [82, 83], entre muchísimas más. Más información sobre este amplio
campo puede encontrarse en [84-86]
I.4.7 Tecnologías de Educación a Distancia:
Antes que el estudiante sea capaz de cumplir los objetivos propuestos en una
práctica de laboratorio a distancia, debe armarse con todo el andamiaje teórico que
existe detrás de la misma, ya sea por sí solo, con el apoyo de un profesor o tutor o
con el intercambio de experiencias con otros estudiantes. Para ello los sistemas de
prácticas de laboratorio virtuales se apoyan con las tecnologías de colaboración,
Capítulo I
36
como vimos anteriormente y con las tecnologías de educación a distancia. Entre
ellas:
Las plataformas de Educación a Distancia: Entre las tantas que existen se
encuentran: WebCT, que es una de las más conocidas y completas, Claroline y
Moodle, que son gratuitas y SEPAD, que fue desarrollada por la UCLV y es la
plataforma de educación a distancia que utiliza ETECSA [87].
I.4.8 Tecnologías para la Interoperabilidad de los sistemas de prácticas de
laboratorio distribuidos:
La interoperabilidad es la habilidad de comunicarse e intercambiar información de
una forma efectiva, práctica y comprensible entre los diversos tipos de
computadoras, sistemas operativos, redes, plataformas de software y aplicaciones
[88], que poseen distintos escenarios lógicos, especificaciones, formatos de datos,
modos de intercambio, protocolos y niveles de calidad de servicios.
Para que los flujos de información de las aplicaciones de los Laboratorios Virtuales
Reales Remotos, tratados en epígrafes anteriores, se establezcan correctamente se
necesitan mecanismos o tecnologías encargados de resolver los problemas de
interoperabilidad e incompatibilidad en los sistemas de prácticas de laboratorio
distribuidos. Entre las tecnologías más conocidas para solucionar tales dificultades,
según [89], se encuentran:
Sockets: queda definido por una dirección IP, un protocolo y un número de
puerto. A través de estos dos programas (posiblemente situados en
computadoras distintas) pueden intercambiarse cualquier flujo de datos,
generalmente de manera fiable y ordenada. Los sockets permiten implementar
una arquitectura cliente-servidor. La comunicación ha de ser iniciada por uno de
los programas que se denomina programa cliente. El segundo programa espera
a que otro inicie la comunicación, por este motivo se denomina programa
servidor. También se adicionaron extensiones de sockets especiales a las
infraestructuras de comunicaciones IPX/SPX y ATM [90].
HTTP junto a CGI: son importantes tecnologías de la World Wide Web que
permiten a un cliente (explorador web) solicitar datos de un programa ejecutado
Capítulo I
37
en un servidor web. CGI especifica un estándar para transferir datos entre el
cliente y el programa. Es un mecanismo de comunicación entre el servidor web y
una aplicación externa cuyo resultado final de la ejecución son objetos MIME.
Las aplicaciones que se ejecutan en el servidor reciben el nombre de CGIs [91].
Servlets: un servlet es un programa de aplicación que se ejecuta en un servidor,
similar al applet. Aparecieron con el primer servidor Web de Java introducido por
Javasoft. El uso más común de los servlets es generar páginas web de forma
dinámica a partir de los parámetros de la petición que envíe el navegador web.
El servidor carga dinámicamente un servlet, el cual a su vez proporciona las
clases específicas y módulos capaces de modelar el protocolo CGI y coexistir
con el protocolo HTTP [92].
RMI: las interfaces de programación RMI o API no es más que la integración de
modelos de objetos distribuidos que pueden ser manipulados localmente o a
distancia usando maquinas virtuales de Java [93].
CORBA: es un estándar que establece una plataforma de desarrollo de sistemas
distribuidos facilitando la invocación de métodos remotos bajo un paradigma
orientado a objetos. Sus especificaciones son establecidas por el Grupo de
Proveedores de programas orientado a objetos (OMG). En un sentido general
CORBA "envuelve" el código escrito en otro lenguaje en un paquete que
contiene información adicional sobre las capacidades del código que contiene, y
sobre cómo llamar a sus métodos. Los objetos que resultan pueden entonces
ser invocados desde otro programa (u objeto CORBA) desde la red. En este
sentido CORBA se puede considerar como un formato de documentación legible
por la máquina, similar a un archivo de cabeceras pero con más información
[94].
DCOM: es una tecnología propietaria de Microsoft para desarrollar componentes
software u objetos distribuidos sobre varios ordenadores y que se comunican
entre sí. Extiende el modelo COM de Microsoft para el soporte de la
comunicación entre dichos objetos. Esta ha sido abandonada en favor del
framework .NET [95, 96].
.Net Remoting: es una API de Microsoft para la interconexión de procesos, en
aplicaciones de multiples clientes/multiples servidores, distribuidas en
computadoras dispersas por todo el mundo [97, 98]
Capítulo I
38
Windows Communication Foundation (WCF): es un modelo de programación
unificado de Microsoft para desarrollar aplicaciones orientadas a servicios [99]
Web service: es un sistema de software diseñado para soportar la
interoperabilidad de las interacciones entre computadoras dispersas en una red.
Está generalmente conformado por APIs web que pueden ser accedidas a
través de las redes, como Internet y ejecutadas en aquellos sistemas remotos
que encuestan los servicios. El mismo incluye el estándar SOAP y un lenguaje
de descripción de servicios web (WSDL) [100].
Figura 7. Arquitectura Web Service.
Algunas de las Plataformas o Servidores de Aplicación para servicios Web son:
IBM Lotus Domino, Axis y el servidor Jakarta Tomcat (de Apache), ColdFusion
MX de Macromedia, Java Web Services Development Pack (JWSDP) de Sun
Microsystems (basado en Jakarta Tomcat), JOnAS (parte de ObjectWeb una
iniciativa de código abierto), Microsoft .NET, Novell exteNd (basado en la
plataforma J2EE), WebLogic, WebSphere, Zope es un servidor de aplicaciones
Web orientado a objetos desarrollado en el lenguaje de programación Python,
VERASTREAM de AttachmateWRQ para modernizar o integrar aplicaciones
host IBM y VT, Proyecto Mono [101].
I.4.9 Tecnologías de seguridad de sistemas colectivos en redes:
Los sistemas de laboratorios virtuales deben estar provistos de cierto nivel de
seguridad que proteja aquella información privada, valiosa que puede ser
comprometedora para el buen funcionamiento y uso adecuado de los mismos; que
Capítulo I
39
conceda el control de los recursos a los estudiantes indicados, así como su
evaluación, que no permita fraudes y le proporcione a los sistemas de determinado
grado de auditabilidad que permita chequear el comportamiento de los usuarios.
Para ello pueden utilizarse las tecnologías de seguridad de los sistemas colectivos
en redes y sistemas distribuidos de prácticas de laboratorio, que según el estudio
realizado en [102] y en [103] las más útiles y efectivas pueden ser:
Las tecnologías de autentificación:
• Infraestructura de clave Pública (PKI): Es un sistema de certificados digitales
y autoridades certificadoras para la validación de las partes implicadas.
• Autentificación con Kerberos: es un protocolo de autentificación de redes
diseñado para proporcionar una robusta autentificación para aplicaciones
cliente/Servidor empleando criptografía de clave secreta o clave simétrica,
que sirve lo mismo para encriptar que desencriptar los datos.
Las tecnologías para el transporte de datos seguros:
• Seguridad con el protocolo de Internet (IPSec): es una tecnología para
asegurar el transporte de los datos entre los servidores y entre servidores y
usuarios en Internet a nivel IP. Las mismas introducen elementos de
seguridad en los encabezamientos y payloads de cada paquete IP como: los
protocolos Authentication Header (AH), Encapsulating Security Payload
(ESP) e Internet Key Exchange (IKE), así como las estructura de gestión
Security Associations (SA) usadas para implementar las políticas de
seguridad en los ambientes IPSec. Las Redes Virtuales Privadas (VPN)
están soportadas por esta tecnología.
• Seguridad de la Capa de Sockets y la Capa de Transporte (SSL/TLS): Son
protocolos diseñados para asegurar la integridad de los datos y la
comunicación entre dos aplicaciones. Los mismos emplean la criptografía
RSA, DSS, DES, 3DES o RC4 e incluye una suma chequeo de los datos
utilizando un código de autentificación de los mensajes (MAC) que es
calculado con el uso de funciones hash como SHA y MD5. SSL/TLS
necesitan un protocolo de transporte confiable como TCP para el transporte
de datos. Los túneles y HTTPS son tecnologías soportadas por estos
protocolos.
Capítulo I
40
• Secure Shell (SSH): es empleada para acceder remotamente a una
computadora, brinda todas las funcionalidades de Telnet y proporciona
seguridad al inicio de sesión, al intercambio de fichero y a la conexión
TCP/IP en redes públicas inseguras como Internet
Las infraestructuras de autenticación y autorización (AAI):
• LDAP: es un protocolo cliente/servidor para acceder a los servidores de
directorios X.500 ya existentes, así como a los servidores de directorio
standalone. Es usado para funciones administrativas de usuarios y
dispositivos. Brinda la posibilidad de operar los servidores de laboratorios
virtuales distribuidos, los servidores de contenidos, así como soporta la
autentificación y autorización de estudiantes, tutores, administradores, entre
otros. Permite acoplar varios directorios conformando una estructura
jerárquica de infraestructuras raíces y subordinadas.
• Shibboleth: es una infraestructura de autentificación y autorización para
servicios basados en las tecnologías de la web. Shibboleth es un proyecto
común de Internet2 y del MACE.
• PAPI: es un sistema para proporcionar control de acceso a los recursos de
información disponibles a través de las tecnologías de Internet. Es usado
principalmente por bibliotecas españolas. Sus mecanismos de autentificación
permiten a las instituciones sedes mantener sus propios esquemas de
autentificación. Emplea un servidor de autentificación y puntos de acceso a
la información.
• Autentificación Remota a través de los servicios de accesos conmutados
(RADIUS): es un sistema para autentificar y autorizar los usuarios en las
redes de acceso, como la PSTN y las redes celulares, brinda el protocolo
Punto a Punto (PPP), accesos terminal server, así como ofrece cuentas de
usuarios. El mismo se basa en el modelo cliente/servidor, su tráfico se
encripta con secretos compartidos que nunca se envían por la red.
• Diameter: es un desarrollo superior de RADIUS con nuevas funcionalidades
debido a la introducción de nuevas tecnologías de acceso como DSL, Mobile
IP y Ethernet.
• UPnP Security: es un sistema para proporcionar un control estricto y al
mismo tiempo flexible sobre los recursos en las redes UPnP, redes con
conectividad punto a punto, con dispositivos inalámbricos y artefactos
Capítulo I
41
inteligentes que se descubren, identifican, conectan y desconectan
automáticamente. Este está conformado por un punto de control que ejecuta
acciones sobre los dispositivos, la consola de seguridad que gestiona los
permisos y los dispositivos que se aseguran. Utiliza la infraestructura de
clave pública para la autenticación y encriptación.
• Web Service Security (WSS): Es un protocolo de comunicaciones empleado
para asegurar los Servicios Web. El mismo contiene especificaciones de
cómo implementar la integridad y confidencialidad de los mensajes de los
Servicios Web y emplea los protocolos SAML, Kerberos y el formato de
certificados X.509. Además incorpora elementos de seguridad en el
encabezamiento de los mensajes SOAP a nivel de la capa de aplicaciones.
De esta forma WSS proporciona seguridad extremo a extremo [104].
• Liberty Alliance/Liberty Federation: Liberty Alliance es una asociación que se
formó en el 2001 por aproximadamente 30 organizaciones (actualmente
cuenta con más de 150 miembros, entre los que se incluyen America Online,
France Telecom, Novell, Sun Microsystems, Ericsson, Intel, Oracle
Corporation, Fidelity Investments, Hewlett Packard, NTT, entre otros
reconocidos), para establecer estándares abiertos, las mejores prácticas y
una directiva para la gestión de la autenticación de los usuarios en múltiples
sistemas informáticos y de comunicaciones, así como entre organizaciones
(administración de la identidad). La misma desarrolló el estándar industrial
Liberty Federation que permite la firma y autenticación de los clientes a los
servicios basados en las tecnologías de Internet y aplicaciones de comercio
electrónico, desde cualquier dispositivo. El usuario no requiere autentificarse
más de una vez y puede seleccionar las opciones para la privacidad
soportadas por el estándar.[105, 106]
Capítulo II
42
CAPÍTULO II: Plataformas de soporte a los Laboratorios Virtuales.
Como en este trabajo de tesis se propone como objetivo específico: seleccionar,
fundamentar la tecnología existente para la introducción de los Laboratorios
Virtuales Reales Remotos en ETECSA, seguidamente se tratarán las plataformas
tecnológicas que dan soporte a los mismos.
II.1 Plataformas de soporte a los Laboratorios Virtuales
II.1.1 Definición:
En el desarrollo de software, una plataforma es una estructura de soporte definida
en la cual otro proyecto de software puede ser organizado y desarrollado.
Típicamente, una plataforma puede incluir hardware o software [107]: soporte de
programas, bibliotecas y un lenguaje de scripting entre otros software para ayudar a
desarrollar y unir los diferentes componentes de un proyecto. Una plataforma
representa una arquitectura de software que modela las relaciones generales de las
entidades del dominio. Provee una estructura y una metodología de trabajo la cual
extiende o utiliza las aplicaciones de dicho dominio. Fuera de las aplicaciones en la
informática, una plataforma puede ser considerada como el conjunto de procesos y
tecnologías usadas para resolver un problema complejo [108].
Consecuentemente una arquitectura de Software de un programa o un sistema
informático según [109] es la estructura o estructuras del sistema, que contienen los
elementos de software y sus propiedades visibles externamente por otros
elementos, así como las relaciones entre dichos elementos.
Se puede definir una plataforma para los laboratorios virtuales según [110], como el
conjunto de hardware y software destinado al soporte de los mismos y no
compatible con otras plataformas (esto no quiere decir que no sea accesible por
otras plataformas).
Teniendo en cuenta que la arquitectura de una plataforma o un sistema informático
constituye uno de los aspectos más importantes y necesarios para su diseño o
concepción, fundamentalmente para comprenderlo, organizar su desarrollo,
fomentar su reutilización y hacerlo evolucionar; además, aseverando que la
Capítulo II
43
complejidad de este sistema la determina las actividades prácticas remotas en
tiempo real; seguidamente se tratarán los aspectos relacionados con la arquitectura
de una plataforma para los Laboratorios Virtuales Reales Remotos.
II.1.2 Requisitos de diseño de una plataforma para los Laboratorios Virtuales
Reales Remotos:
Muchos autores coinciden en que los requisitos que tiene que cumplir la arquitectura
de una buena plataforma de soporte a las prácticas de laboratorios virtuales reales
remotos sobre las redes de computadoras en Internet, son los siguientes:
Requisitos del equipo de desarrollo:
1. Para la implementación de una plataforma de laboratorios virtuales se
requiere un equipo multidisciplinario formado por expertos de:
Ciencias Pedagógicas.
Ciencias de la Computación.
Control Automático. [111]
Requisitos Funcionales:
1. Debe posibilitar la ejecución de experimentos reales y simulados.
2. Debe permitir el uso e intercambio de diferentes escenarios de laboratorios
con distintos objetivos pedagógicos en dispositivos similares (idénticos en
términos de características y funcionalidades, pero posiblemente distintos
fabricantes) [112]
3. Debe ser capaz de incorporar la realización de estudios de simulación de los
procesos físicos reales. Esto le permite al usuario evaluar diferentes
escenarios operacionales antes de intentar la experimentación real. Esto
puede ser dificultoso en algunos sistemas complejos, pero a la vez de gran
valor. [9]
4. Debe compartir los resultados experimentales.
5. Debe posibilitar la comparación de los resultados de los experimentos reales
y simulados.
6. Debe presentar una biblioteca especializada. Libros, reportes, artículos, etc.
de temas específicos. [113, 114]
Capítulo II
44
Requisitos de la Arquitectura de Software:
1. Debe presentar alta modularidad. Esto permite que el mismo software sea
reconfigurado de forma rápida con otras finalidades sin cometer errores en el
mismo. [9]
2. Debe usar componentes de código abierto para futuros desarrollos o
actualizaciones de sus módulos y lograr mayor autonomía sobre el sistema.
Sin embargo debe ser posible integrar componentes de software comercial.
3. Debe presentar un diseño ligero.
4. Debe incluir un sistema de administración de recursos para llevar el control
de las cuentas de usuario. La arquitectura debe prever varios roles de
usuario y cada uno de ellos representa distintos estados de autorización.
Este sistema de administración debe ser capaz, a un nivel superior, de
integrar otros sistemas que administren cuentas de usuario.
5. Debe incluir un sistema de reservación de los laboratorios para lograr un uso
organizado de los recursos que se ponen a disposición, que son costosos y
cada uno debe ser manipulado por una persona a la vez. Además este
puede predecir al usuario de los tiempos y sesiones programados para evitar
que se formen cuellos de botellas en el recurso a causa de las peticiones de
los clientes. [103]
Requisitos de su Infraestructura de Comunicaciones:
1. Debe estar hecha sobre la infraestructura de Internet, o sea que debe utilizar
las redes, protocolos y especificaciones de Internet.
2. La respuesta de reacción del Sistema debe ser rápida, que es lo deseado en
todos los sistemas de control remoto en tiempo real (instantáneamente es
ideal, pero imposible), de 2 a 5 segundos es un valor adecuado para los
experimentos en Internet.
3. Debe presentar la capacidad de ejecutarse en enlaces de pequeños anchos
de banda. Con ellos se garantizaría que todos puedan visitar los recursos,
desde usuarios con módems de líneas analógicas hasta aquellos que viven
en países menos desarrollados.
4. Debe realizar un balance de la carga. Ejemplo: los experimentos pueden ser
ejecutados en aquellos sitios menos cargados.
Capítulo II
45
5. Los servidores de contenidos y recursos deben distribuirse en distintas
ubicaciones. De esta forma existirá un grupo de especialistas
responsabilizados con el funcionamiento de cada laboratorio de
equipamiento físico que se implemente, así como con el tributo de la
información técnica relacionada con los mismos en los servidores de
contenidos.
6. Debe presentar una vía de comunicación con los especialistas encargados
de los laboratorios.
7. Debe presentar una vía de comunicación con otras personas que trabajan en
los mismos problemas.
Requisitos para la Interacción con otras Plataformas:
1. Los componentes que conforman la arquitectura deben ejecutarse en la
mayoría de los sistemas operativos. Pues nadie debe estar obligado a
cambiar de sistema operativo para realizar una práctica de laboratorio, ni a
todas las computadoras involucradas en una práctica de laboratorio se le
impondrán que presenten un mismo sistema operativo.
2. Debe ejecutarse en la mayoría de los navegadores Web. Estudiantes y
profesores deben ser capaces de acceder a los recursos con el navegador
Web que más cómodo le sea o más conozcan. Esta debe ser la única
aplicación necesaria en el lado del cliente para acceder a las prácticas de
laboratorio, trabajar sobre los contenidos educativos y efectuar la
experimentación.
3. Debe prescindir de instalaciones del lado del cliente. Con excepción de
aquellos plugins que se adicionan al navegador, por ejemplo como el de
Flash de Macromedia o el de Java. Con ello se eliminan las operaciones de
provisión y mantenimiento de los paquetes de software de varias versiones y
para distintos sistemas operativos. Además este requisito no traería
problemas a aquellas instituciones donde la instalación de nuevos software
son violaciones a las políticas de seguridad informática.
4. Debe ser capaz de brindar entrenamientos a sus usuarios utilizando
equipamiento de laboratorios de terceros u otros proveedores, o sea, debe
permitir la integración de recursos ajenos.
Capítulo II
46
5. Debe integrar a los laboratorios Virtuales reales o simulados en las
plataformas de educación a distancia existentes (LMS).
6. Debe permitir a los usuarios habituales de las plataformas de educación a
distancia acceder a las prácticas de laboratorio a través de sus propias
sesiones dentro de la plataforma o a través de enlaces distribuidos en cursos
online o aulas virtuales.
Del análisis de los requisitos anteriores surgen muchas de las propuestas de diseño
de plataformas de sistemas de prácticas de laboratorio virtuales reales y simuladas
a distancia con sus especificaciones y componentes. Se tomaron, a consideración
del autor y por la bibliografía consultada, algunas de las propuestas más completas,
que surgen de distintos proyectos de investigación y desarrollo.
II.2 Propuestas de Sistemas de Prácticas de Laboratorio
Las propuestas seleccionadas para ser evaluadas son las siguientes:
1. La propuesta de diseño del proyecto de investigación de Laboratorios
Virtuales desarrollado en el Centro de Sistemas de Redes e Informática de
Poznań, Polonia (en lo adelante lo llamaremos VLAB PSNC), con la
colaboración del Instituto de Química Bioorgánica y el Departamento de
Radioastronomía, ambos de la Universidad Nicolaus Copernicus. Desde
principios del año 2002. Los detalles pueden encontrarse en la información
general del proyecto en [115].
2. La propuesta de diseño del proyecto iLab: Remote Online Laboratories,
desarrollado por el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Estados
Unidos, desde el año 2000. Más detalles en [116].
3. La propuesta de diseño del proyecto VITELS (Virtual Internet and
Telecommunications Laboratory of Switzerland), Suiza (en lo adelante lo
llamaremos VITELS). Más detalles en [117, 118].
4. La propuesta de diseño del proyecto CICLOPE, desarrollado por la Facultad
de Informática de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Desde el año
2001 [119].
5. La propuesta de diseño del proyecto Lab@Future, que tiene como nombre:
“La Escuela Laboratorio anticipando las necesidades futuras de los jóvenes
Capítulo II
47
europeos", desarrollado por la Unión Europea (UE) como parte del programa
de Tecnologías de la Sociedad de la Información (IST) desde el año 2002
[120].
Las mismas se valoran y consideran a continuación:
II.2.1 Plataforma VLAB PSNC:
Cada parte del sistema tiene una construcción modular. Todos los módulos pueden
ser divididos en módulos generales y módulos específicos. Los módulos generales
pueden usarse en cualquier tipo de laboratorio, mientras los módulos específicos
sólo para aquellos que los necesitan. Gracias a esta solución esta plataforma puede
ser adaptada a cualquier tipo de laboratorio que se desee implementar cambiando
solamente el o los módulos específicos. [121]
En la arquitectura general, conformada por los módulos generales, de la plataforma
VLAB PSNC se distinguen cuatro capas: La capa de acceso, la capa de red, la capa
de supervisión y la capa de los recursos. [122]
La capa de acceso brinda todas las herramientas que permiten el acceso a los
recursos de los laboratorios virtuales, así como las que facilitan la presentación de
los datos almacenados que resultan de los experimentos. Los módulos más
importantes que incluye son:
El módulo de los escenarios de mediciones dinámicos, que aseguran el control y
la ejecución de la cadena de experimentos que propone el usuario.
El módulo de la administración de los laboratorios y los usuarios, que brinda las
herramientas para la creación de nuevos perfiles de laboratorios, nuevas
cuentas de usuarios, para la administración de los derechos de acceso a los
dispositivos, de la biblioteca digital y los medios de comunicación.
El módulo de las herramientas de presentación de los datos, que es responsable
de presentar los datos resultantes de los experimentos con la ayuda de un
sistema de gestión de datos, de brindar las herramientas de visualización
interactivas y los formularios para los usuarios.
El módulo de las herramientas de comunicación entre usuarios, que permite el
intercambio entre los usuarios y entre los usuarios y los técnicos de laboratorio.
Capítulo II
48
En la capa de red es donde están los servicios llamados generales que son
requeridos en la mayoría de los laboratorios. También de esta capa se realizan las
conexiones con otros servicios de red que están fuera de la misma. Los módulos
más importantes que incluye son:
El módulo centro de autorización, que garantiza el acceso o no a los distintos
recursos de los laboratorios virtuales, así como realiza la gestión de los
certificados.
El módulo planificación global, que es responsable de la selección de los
dispositivos de laboratorio apropiados, así como de la distribución de cargas
cuando sea posible.
El módulo biblioteca digital, que se encarga de almacenar los resultados
experimentales y las publicaciones electrónicas.
El módulo de transporte de los datos, que se responsabiliza con la carga y
descarga de los datos desde y hacia la máquina destino.
El módulo pasarela de red, que garantiza la comunicación entre la red del
sistema de los laboratorios virtuales y la red de acceso de los usuarios (Internet,
intranets, etc.)
En la capa de supervisión se congregan servicios específicos, los cuales tienen que
ser implementados teniendo en consideración el tipo de dispositivo y sus
especificaciones. Los módulos más importantes que incluye son:
El módulo planificación local, que se encarga de programar las tareas en cada
dispositivo teniendo en consideración los parámetros y las prioridades.
El módulo para monitorear recursos, que permite el control del uso de los
recursos, así como el control del estado de las tareas en curso.
El módulo para las estadísticas de los usuarios, que recopila la información
relacionada con el uso de los recursos.
La capa de los recursos contiene los dispositivos de los laboratorios donde se
ejecutan los experimentos, así como el software que se necesita para ellos. Los
módulos más importantes que incluye son:
Capítulo II
49
El módulo de los dispositivos de laboratorios, que incluye los aparatos de
laboratorio y el software para la ejecución de los experimentos.
El módulo de los servidores computacionales, que incluye el software para el pre
y pos procesamiento de cómputo.
El módulo de los servidores de visualización, que incluye el software para la
visualización.
Figura 8. Estructura de la arquitectura de Laboratorios Virtuales de Poznan [114].
Desde el punto de vista conectivo la plataforma puede ser dividida en tres niveles de
acuerdo a la estructura cliente – agente – servidor: interfase cliente, servidor de
aplicaciones y servidor del dispositivo. [114]
En el nivel Interfase de Cliente el usuario tiene la posibilidad de ordenar una tarea
utilizando una interfase disponible (ej. Una página Web). Algunas partes del
contenido de la interfase deben ser específicas para dispositivos particulares, en las
que se tiene en cuenta sus parámetros distintivos para el tipo de experimento dado.
En el nivel Servidor de Aplicaciones se deben congregar la mayoría de los servicios.
Ello permite satisfacer las necesidades para los laboratorios específicos y disminuir
Capítulo II
50
la carga de otros servidores que están diseñados para ejecutar otras tareas.
Además permite un ajuste rápido de la plataforma a nuevos dispositivos debido a
que la mayoría de los módulos quedan instalados en el servidor de aplicaciones y
los cambios necesarios pueden ser realizados por el administrador del servidor de
laboratorios virtuales. En este servidor pueden ejecutarse los procesos de
planificación avanzados de los laboratorios y pueden estar corriendo los módulos de
autorización, de monitoreo y de estadísticas.
El nivel Servidor del Dispositivo es responsable de recibir las tareas desde el
servidor de aplicaciones, las órdenes de trabajo, recibir los resultados de las tareas
ejecutadas después del experimento y transportarlos al servidor de aplicaciones. El
módulo que controla el servidor de dispositivo debe conocer sus especificidades.
Este nivel utiliza las funciones de dispositivos API para ordenar las tareas y controlar
al dispositivo.
Esta plataforma implementa un sistema de seguridad de múltiples niveles. A cada
nivel podrán tener acceso determinados usuarios específicos con derechos
apropiados. Son varias las zonas de acceso que presenta el sistema y a las que
puede acceder el personal administrativo y el personal que utiliza los dispositivos de
los laboratorios: el administrador del servidor de aplicaciones, el administrador del
laboratorio, el administrador del dispositivo físico, el administrador de los sistemas
computacionales y los usuarios.
El desarrollo de los niveles de seguridad está hecho acorde a las recomendaciones
del Grupo Global de Seguridad del Foro de Red, específicamente en el rango de los
protocolos de comunicación. [121]
II.2.2 Plataforma iLab:
En este proyecto se propuso una arquitectura para cada categoría de experimentos
sobre Internet, que por sus características resultaron ser tres: experimentos por
lotes, experimentos interactivos y experimentos censados. Cada uno de ellos
requiere de un grupo de servicios compartidos diferentes. Hasta la fecha se han
desarrollado las arquitecturas para los experimentos por lotes y los interactivos.
Capítulo II
51
Arquitectura para los experimentos por lotes:
En la experimentación por lotes el estudiante programa los parámetros que se
envían para la experimentación y luego visualiza los resultados, el tiempo de
duración del experimento no se tiene en cuenta. Cada experimento tiene una
duración de decenas de segundos y los mismos se realizan de forma automática
siguiendo el orden y la prioridad de una cola determinada, de esta forma se hace un
uso más eficiente del equipamiento de los laboratorios.
La Arquitectura para la realización de estos experimentos es similar a la típica
arquitectura de negocios Web de tres capas.
La primera capa: Aplicaciones Clientes de los estudiantes, donde se ejecutan los
applets o programas que se descargan en la estación de trabajo de los
estudiantes.
La capa intermedia: llamada Service Broker (SB), brinda los servicios
compartidos comunes. La misma es respalda por una base de datos relacional
estándar como SQL Server o Oracle. A ella se conectan los estudiantes para
especificar los parámetros de los experimentos, los cuales retransmite a la
tercera y última capa. El Agente mediador de los servicios normalmente residirá
en un servidor de una institución escolar.
La tercera capa: Servidores de Laboratorios, es conde se ejecutan los
experimentos especificados y se notifica al Agente mediador de los Servicios
cuando los resultados están listos para ser devueltos. [10]
Figura 9. Arquitectura de 3 capas del sistema de Laboratorios Virtuales de iLab. [123]
Capítulo II
52
En esta arquitectura el cliente y el servidor de laboratorio se comunican a través del
SB solamente. En el mismo se conserva una copia fiel de los resultados
experimentales.
Para los usuarios se utilizan los mecanismos de autentificación estándares para
web, las cookies; mientras que para las conexiones entre el SB y los servidores de
laboratorios se utilizan una clave permanente y los mecanismos de SSL.
Figura 10. Seguridad en la Arquitectura para los experimentos por lotes. [124]
Arquitectura para los experimentos interactivos:
La experimentación interactiva permite que el estudiante observe el progreso del
experimento y sea capaz de modificar la ejecución del mismo en tiempo real. La
misma puede tener una duración de una o más horas y como requisito fundamental,
que en dicho tiempo, solo un grupo o un estudiante tenga el control del
equipamiento del laboratorio. Para solventar dicha concurrencia es necesaria la
existencia de un sistema de accesos programados.
En la arquitectura para los experimentos interactivos los clientes se comunican
directamente con el servidor de las prácticas de laboratorio. Por esta razón no se
tiene la total seguridad que todos los datos de los experimentos, las trazas y los
registros de los usuarios se almacenen en el ISB (Interactive Service Broker). Para
Capítulo II
53
resolver este problema aparece un nuevo servicio web, Experiment Storage Service
(ESS), para recopilar toda la información relacionada con los experimentos.
Figura 11. Flujo de Información en la arquitectura para los experimentos interactivos.
[124]
En esta arquitectura se utilizan dos servidores de reserva de tiempo de los
experimentos, uno del lado de los laboratorios (LSS) y otro del lado de los usuarios
(USS). El primero, del cual se encargan los administradores de los laboratorios,
permite coordinar las reservaciones para múltiples dominios, dividiendo el tiempo
disponible entre ellos. Por cada servidor de laboratorio debe existir un LSS. El
segundo, del cual se encargan los administradores de dominio, permite la
programación de los accesos de los estudiantes del dominio a los laboratorios y las
políticas que debe regir este proceso. Por cada dominio o campo universitario debe
existir un USS. Entre el LSS y el USS debe existir una estrecha comunicación.
Figura 12. Localización de los servidores de reserva de tiempo de los experimentos. [124]
Capítulo II
54
La autentificación de los estudiantes y administradores se realiza sobre el ISB,
generalmente a través de nombre de usuario y contraseña, aunque también pueden
utilizarse los certificados u otros mecanismos estándares. Mientras en el proceso de
autorización el ISB envía una credencial al cliente, con distintos niveles de
privilegios, que será reconocida en el servidor de la práctica de laboratorio
solicitada. Estos procesos donde intervienen las credenciales interactivas propias de
iLab; que se realizan sobre conexiones seguras, que son independientes de los
sistemas operativos y los proveedores de los dispositivos y que abarcan los
dominios de Internet, así como comunidades académicas; se basan en un
mecanismo desarrollado en el proyecto iLab llamado general ticketing. En la medida
que en los estándares de seguridad de los servicios web se vayan incorporando las
implementaciones de los distintos proveedores se irá reemplazando los tickets por
los estándares centrados en los WS-Security. [125]
Figura 13. Funcionamiento de los Tickets. [124]
II.2.3 Plataforma VITELS:
En la plataforma que se propone en el proyecto VITELS es posible conectar
múltiples recursos de laboratorios distribuidos geográficamente. Esta se conforma
por una estructura modular con componentes de código abierto, que se pueden
acceder e intercambiar libremente. En la misma todas las conexiones están
Capítulo II
55
codificadas, las conexiones entre servidores usan tecnologías de IP Security,
mientras las conexiones entre servidores y usuarios TLS/SSL/SSH. También, para
el acceso de los usuarios a la plataforma, así como para la autorización de
realización de prácticas, se puede utilizar la infraestructura de clave pública (PKI) si
es necesario. Incluye un sistema de reservación o planificación del laboratorio
basado en el protocolo LDAP. Igualmente este protocolo es usado para la
administración de los usuarios y los datos. Los principales elementos y conexiones
de su arquitectura se muestran a continuación:
Figura 14. Arquitectura propuesta en VITELS. [126]
Servidor de la Plataforma de Educación a Distancia: Es en donde se alojan los
contenidos (teorías, lecciones, ejercicios académicos, etc) en diversos tipos de
formatos digitales, así como las herramientas de comunicación entre sus usuarios
(estudiantes, profesores, tutores y administradores). En VITELS se propone la
plataforma e-learning WebCT.
Capítulo II
56
Servidor de directorio LDAP: Para integrar los directorios LDAP existentes en los
institutos educacionales involucrados en la realización de las prácticas de
laboratorios, que almacenan los datos de los estudiantes y las prácticas. Con estos
servidores se logra un nivel de administración superior para el control de los grupos
de estudiantes y prácticas de varios establecimientos.
Servidor del Portal de los laboratorios: Es el punto de acceso a los sitios y módulos
de los laboratorios, que se encuentran distribuidos, cada uno de ellos en una PC
diferente. Es el que brinda la información de autorización y autentificación a los
servidores de directorio LDAP.
II.2.4 Plataforma CICLOPE:
Tanto Ciclope como lo utilizado para su desarrollo es únicamente software libre, lo
que implica que todo su código fuente sea fácilmente accesible. Para garantizar
todo ello el código de Ciclope se distribuye bajo la licencia GPL (GNU General
Public License para hacer código libre) y toda su documentación bajo la licencia
FDL (GNU Free Documentation License, para hacer documentación libre).
Presenta una arquitectura modular y flexible para que los componentes y su
integración puedan adaptarse a diferentes configuraciones de hardware y red. Esta
estructura consta del núcleo, módulo en torno al cual giran el resto, los cuales son
independientes los unos de los otros. De este modo cada usuario se puede instalar
el núcleo junto con los módulos que necesite creándose así una configuración
personalizada.
Proporciona soporte para múltiples idiomas en la aplicación Web.
Ciclope utiliza el protocolo HTTPS para establecer una comunicación segura.
Únicamente se ha tenido en cuenta a la hora de enviar datos importantes, como por
ejemplo, el login y la contraseña en la autenticación del usuario. Las páginas que no
contienen información importante usan el protocolo HTTP ya que sino el retardo
sería mucho mayor. Por otro lado, existe cierta seguridad de acceso a las páginas
con el fin de evitar efectos indeseados, es decir, un usuario que entre al sistema
sólo podrá acceder a las páginas que estén definidas en su entorno. Esto se
consigue gracias a que se han creado grupos a los que pertenecen los usuarios,
Capítulo II
57
consiguiendo unificar características comunes como pueden ser los permisos
otorgados, servicio de acceso a noticias, a banners y envío de emails. [127]
CICLOPE está estructurado de la manera siguiente:
Figura 15. Estructura de CICLOPE. [128]
Core:
Es el módulo central, al cual se conectan e integran el resto de los módulos
desarrollados:
Administración: Trata la gestión de usuarios. Se ocupa de las altas y bajas tanto de
usuarios como de grupos. Permite asignar roles a éstos para configurar a qué
páginas y recursos pueden acceder. Existe una utilidad de creación automática de
usuarios a partir de un fichero de actas, estándar a todas las universidades.
Webcal: Se dedica a la gestión de citas y eventos, a modo de agenda, para la
planificación del tiempo de los usuarios. Incluye soporte para la gestión de reservas
de horarios y recursos de cara a la realización de prácticas.
Polyglot: Se ocupa del soporte para múltiples idiomas de toda la aplicación.
Laboratorios:
Son escenarios remotos que permiten teleoperar con un laboratorio físico.
Capítulo II
58
Astro: Proporciona una serie de herramientas para experimentos astronómicos,
creación de escenarios de este tipo y control de herramientas tales como
telescopios y cámaras.
Chemical: Proporciona un espectrógrafo remoto que interactúa con otro real, situado
en la UNED.
Display: Consiste en la creación de un dispositivo hardware para la realización de
prácticas de Sistemas de Tiempo Real sobre él o como complemento en otros
proyectos de mayor envergadura. El dispositivo es un Display Electrónico Lineal y
Monocolor formado por matrices de leds.
Haptic: Su objetivo es seleccionar un joystick con force feedback e instalarlo en una
máquina con un Sistema Operativo de Tiempo Real. Es la primera pieza de lo que
en un futuro será un sistema de control teleoperado mediante tecnología del tacto.
Peltier: Se basa en el control de una planta sencilla que regula la temperatura de un
habitáculo determinado en tiempo real empleando una célula Peltier (dispositivo de
enfriamiento que trabaja de acuerdo al efecto Peltier), mediante teoría de control
clásico.
Robot: Destinado a la enseñanza de Sistemas Operativos de Tiempo Real, permite
acceder a un sistema físico para el control de un brazo robot industrial.
Herramientas:
Son utilidades varias, algunas de las cuales son comunes a diversos laboratorios y
otras se pueden utilizar de forma independiente al sistema Ciclope:
Blackboard: Applet Java que ofrece una pizarra-chat que permite la comunicación e
interacción entre usuarios a través de mensajes de texto y de una superficie de
dibujo.
Camera: Applet Java que permite visualizar y controlar una cámara de vigilancia
Axis 2400 mediante peticiones HTTP. Actualmente se utiliza para vigilar el
laboratorio de trabajo.
CCD: Herramienta que permite manejar de manera remota una cámara conectada a
un telescopio.
PHP DocWriter: Conjunto de clases escritas en PHP capaz de generar documentos
en formato OpenOffice.org XML, es decir, documentos StarOffice/OpenOffice.org.
Capítulo II
59
Planetario: Es un planetario virtual que representa el cielo desde cualquier lugar y a
cualquier hora. Hay que destacar que para su implementación se ha utilizado la API
Google Maps.
Titere: Herramienta para la transformación de imágenes digitales. El usuario puede
aplicar a una imagen los algoritmos de transformación que desee visualizando en
cada paso la evolución de la imagen. El laboratorio físico se encuentra en la ETSII
de la UPM.
Polyglot: Desarrollo de una herramienta de ayuda a la traducción a múltiples idiomas
de los contenidos de un portal web realizado con el gestor de contenidos Typo3.
Documentación:
Trabajos o estudios de investigación relacionados de algún modo con CICLOPE:
MVC: Manual sobre la arquitectura Modelo Vista Controlador.
RTOS: Documentación sobre Sistemas Operativos de Tiempo Real libre (RTOS).
TYPO3: Manual para construir un sitio web utilizando el CMS o gestor de contenidos
TYPO3. El caso práctico se ha realizado sobre el sitio de ASTROCAM y se va a
utilizar para el nuevo portal de Ciclope. [128]
Arquitectura
Presenta una arquitectura cliente-servidor a través de Internet:
Figura 16. Arquitectura de CICLOPE. [129]
Capítulo II
60
Utiliza las tecnologías GPL:
Servidor Web: Apache
Programación Servidor: PHP
Base de Datos: MySQL [130]
II.2.5 Plataforma Lab@Future:
Esta plataforma soporta las tres mejores teorías pedagógicas: la teoría de la
actividad, la teoría del aprendizaje expansivo y el contructivismo social.
La plataforma Lab@Future permite el acceso de los estudiantes a sesiones
sincrónicas y asincrónicas, bajo un grupo de políticas establecidas por los
administradores. Además considera los accesos de los usuarios de las redes
móviles 802.11 y GPRS a través de sus laptops y PDAs.
En la arquitectura de la plataforma intervienen cuatro tipos de servidores tal como se
muestra a continuación.
Figura 17. Arquitectura de Lab@Future [131].
Capítulo II
61
El servidor Lab@Future: Es el punto de acceso a la plataforma, provee las
interfaces web comunes para soportar las interacciones de los administradores y los
estudiantes. Soporta el acceso a páginas y aplicaciones web, a escenas VRML
(Lenguaje de Modelado de Realidad Virtual), así como a aplicaciones específicas de
las prácticas de laboratorio y a las herramientas de comunicación para la
colaboración. Para ello en el navegador del estudiante se requieren de los plugins
necesarios (como el plugins VRML de Cortona de Graficos Paralelos para
interactuar con una escena virtual)
El Servidor de Comunicaciones y de Colaboración Genérico (GCCS): Contiene y
opera todos los servicios requeridos para las comunicaciones informales entre los
estudiantes durante las fases de sesión sincrónica:
• Comunicaciones entre usuarios a través de una videoconferencia (configurada
para la difusión) y Chat.
• Intercambio de documentos a través de una pizarra electrónica y navegadores
colaborativos.
• Intercambio de información visual a través de aplicaciones compartidas y video
streaming.
Las herramientas para la habilitación de estos servicios son parte del ambiente del
prototipo PLATINE desarrollado por LAAS-CNRS.
El servidor de realidad virtual multiusuario (MUS): Es el encargado de monitorear y
sincronizar los eventos simultáneos de uno o más estudiantes en una misma escena
virtual. El mismo transmite los cambios secuenciales de las escenas virtuales al
resto de los participantes. Para ello se utilizan los sistemas multiusuarios de
Gráficos Paralelos que permiten compartir mundos virtuales (a través de escenas
VRML en tercera dimensión) entre diferentes usuarios en una red IP.
El servidor específico del experimento (ESS): Es donde se almacenan los datos y
aplicaciones de cada experimento particular. A través de estos servidores se
integran cada uno de los experimentos a la plataforma Lab@Future.
Capítulo III
62
CAPÍTULO III: Plataforma de aplicación para la realización de Prácticas
de Laboratorio a Distancia en ETECSA.
III.1 Entornos de apoyo a la docencia de las telecomunicaciones en
ETECSA.
En la Empresa de Telecomunicaciones de Cuba S.A ya están creados partes de los
requisitos iniciales, ambientes de trabajo, recursos y medios necesarios para la
introducción de las tecnologías de laboratorios virtuales reales remotos que sirvan
de soporte a la enseñanza de las telecomunicaciones.
Puede mencionarse que la empresa cuenta con una infraestructura de
comunicaciones que interconecta todas sus sedes o locales, primordial para
conectar los equipamientos y recursos físicos, así como habilitar los servicios de
laboratorios virtuales para todos los trabajadores que se desean capacitar, formar o
entrenar. También dispone de tres Centros de Formación, un Centro de Información,
aulas laboratorios, aulas anexas, maquetas y equipos de tecnologías específicas
destinados a la enseñanza. Posee un claustro de profesores y un movimiento de
Instructores Adjuntos (IA) entre sus Recursos Humanos, con preparación
pedagógica para la enseñanza de las Telecomunicaciones de forma presencial y a
distancia. Además, su Dirección de Organización, Sistemas de Información y
Recursos Humanos ha decidido potenciar la modalidad de aprendizaje a distancia
para que cada trabajador tenga la posibilidad de participar en más de una acción de
capacitación al año y para disminuir los costos anuales de capacitación que oscilan
entre los 95.00 USD per cápita para alrededor de 17000 trabajadores existentes en
su plantilla. Para ello se creó una Unidad de Teleformación a cargo de las
actividades de formación a distancia que sigue un modelo de
enseñanza/aprendizaje personalizado para la Empresa: Modelo de Aprendizaje a
Distancia de ETECSA (MADE) [132] y utiliza el Sistema de Enseñanza
Personalizado A Distancia (SEPAD) como Plataforma de Educación a Distancia,
que fue elaborada por la Universidad Central de Las Villas.
Capítulo III
63
III.1.1 Entorno actual de la red corporativa de ETECSA:
Este subepígrafe tiene el objetivo de evaluar el estado actual de la infraestructura de
comunicaciones y el sistema informático actual que conforma la red corporativa de
ETECSA para la introducción de las tecnologías de los laboratorios virtuales reales
remotos.
La Topología física actual del sistema de modo general se muestra en la figura:
Figura 18. Topología Física de la Intranet de ETECSA.
Presenta 4 nodos principales (Pr) que están conectados a los centros colectores
principales de Buena Vista (BV) y de Águila y Dragones (AG) a través de enlaces
Ethernet a 15 Mbps y los nodos pequeños (Pq), representantes de las entidades
territoriales se conectan a la red mediante puertas Frame Relay a 2Mbps, 512 Kbps
y 256 Kbps. Entre los centros colectores se encuentra un enlace de alta velocidad
que constituye el elemento principal de cierre del anillo de redundancia de todo el
sistema.
El dimensionamiento de este sistema se ha realizado gradualmente en la medida
que se instalan nuevas redes locales, servicios y aplicaciones que demandan
mayores anchos de banda. De forma general no se realizaron estudios de tráfico
para el planeamiento de la red que hoy existe, que está sobredimensionada, sin
Capítulo III
64
embargo ya se va ganando en conciencia para futuras proyecciones de la misma y
para ello se han desplegado modernos métodos de medición de tráfico IP y se
monitorea el uso global de los enlaces con diferenciación por servicios.
Todo el equipamiento que conforma el backbone del sistema se compone de
Routers Cisco de la serie 3600, específicamente 3640/3640A y 3660. Esta serie
conforma una familia de plataformas de acceso multiservicio para grandes y
medianas instalaciones y pequeños proveedores de servicios Internet. Con más de
70 opciones en interfaces modulares esta familia provee soluciones para datos, voz,
video, acceso de discado híbrido, redes privadas virtuales (VPNs) y enrutamiento de
datos multiprotocolo. Esta arquitectura modular de alto desempeño resulta
altamente ventajosa para las inversiones en equipamiento de redes una vez que
integra funciones propias de varios dispositivos en un solo equipo.
Otro escenario en la Intranet Corporativa de ETECSA, es la existencia de
conexiones a través de las redes de acceso conmutado, empleando interfaces
modems.
De forma general el diseño de todas las redes locales consiste en un backbone de
conmutadores a los cuales se conectan las estaciones de trabajo y los servidores.
Estos equipos trabajan a velocidades de 10 y 100Mbps, incluyen interfaces AUI para
enlaces por coaxial y posibilidades para la conexión de dispositivos ópticos para la
transmisión por fibra óptica. Conviven tecnologías de diversos fabricantes, siendo
los más comunes los equipos Cabletron serie FN y ELS, Accton y Enterasys
Network serie VH. Este equipamiento cuenta con amplias posibilidades tales como:
• • Algoritmos de autoconfiguración (spanning tree)
• • Administración remota
• • Software de administración (Spectrum)
• • Trabajo con redes virtuales
Desde el punto de vista lógico, observamos una estructura jerárquica de árbol que
tiene como nodo padre principal al Centro Informático Nacional de Buenavista en
Ciudad de La Habana. Este centro cuenta con un equipamiento de redes de última
Capítulo III
65
generación que garantiza el flujo de datos a través de toda la intranet y su conexión
con los demás sistemas del país y el acceso a Internet.
Respecto al equipamiento de red con que cuentan las dependencias territoriales de
la empresa a lo largo del país, se podría calificar el mismo como de última
generación, ya que todos los territorios cuentan con al menos tres servidores
profesionales con las siguientes características:
• • Discos ultrawide SCSI con sistemas redundantes
• • Memoria RAM superior a los 512 Mb
• • Arquitectura Multiprocesador P3 y P4
• • Fuentes Eléctricas Redundantes
• • Redes Locales a no menos de 100 Mbps
• • Respaldo eléctrico seguro a través de back-ups de altas prestaciones y
plantas de emergencia
La mayoría de estos equipos son de la marca Compaq y de tecnología Proliant, lo
que resulta una garantía tanto para el funcionamiento de las subredes locales como
para la seguridad, integridad y disponibilidad de los datos. [133]
Toda esta topología física y tecnológica convierte a la Intranet de ETECSA en el
sistema informático nacional más rápido y confiable del país a la vez que nos
garantiza el soporte físico para la instalación de nuestro nuevo sistema de prácticas
de laboratorio.
III.1.2 Recursos disponibles:
Algunos de los laboratorios con que cuenta la Empresa para la capacitación de sus
trabajadores, para las pruebas y la experimentación son los siguientes: Maquetas
completas de Centrales de Conmutación de la serie 1000E10 de tecnología de
Alcatel y la serie HJD04DM de tecnología de Gran Dragón, pizarras telefónicas de
las series OXO y 4400 de tecnologías de Alcatel; sx200 y sx2000 de tecnología
Mitel y td500, tda100, tda200, kxtd1232, kxta616 y kxta308 de tecnología
Panasonic, además la maqueta de un anillo SDH.
Capítulo III
66
Los mismos pueden servir de apoyo y complemento a diversas acciones de
capacitación que tienen como objetivo adquirir habilidades prácticas, en su
instalación, configuración, administración, gestión, operación, establecimiento y
mantenimiento de los servicios que soportan, ejecución de estudios de tráfico, entre
otros, de forma general.
Es razonable enunciar que aquellas acciones que requieren del traslado,
movimiento de los equipos y la intervención de un agente externo no pueden ser
realizadas a distancia.
III.1.3 Modelo de Aprendizaje a Distancia de ETECSA (MADE):
Este modelo de aprendizaje se ajusta a las características de la Empresa de
Telecomunicaciones de Cuba S:A, tiene como objetivo facilitar la ejecución de la
capacitación a distancia y se basa en una metodología de muy bajo costo, referida
al diseño y elaboración de cursos que aplican esta modalidad de capacitación
empresarial.
Esta herramienta pedagógica se pone a disposición de los teleformadores para que
sean ellos mismos los que preparen sus cursos a distancia. Centra su atención en el
diseño y la elaboración de los contenidos y materiales de los cursos, así como la
calidad de impartición de los mismos por encima de las tecnologías que soportan la
educación a distancia. Para ello brinda los principios para el diseño y la elaboración
de los cursos, el modelo comunicacional a seguir, la orientación de las tareas y la
recepción de las respuestas, la enseñanza colaborativa y aprendizaje autorregulado,
las técnicas participativas, así como el proceso evaluativo y la utilización de
herramientas para facilitar el trabajo del teleformador.
Otro de sus objetivos estratégicos es enseñar al estudiante a aprender a aprender,
aprender a ser, aprender a pensar, aprender a valorar y a valorarse, aprender con
otros, de otros y con el medio. [132]
A pesar que MADE no tiene en cuenta la modalidad de entrenamiento y
experimentación a distancia, ni incluye los sistemas de prácticas de laboratorio
dentro de su modelo tecnológico, ni brinda los principios para el diseño y la
elaboración de los laboratorios virtuales, así como tampoco enseña al estudiante a
Capítulo III
67
aprender a experimentar; este modelo presenta un carácter flexible, adaptable a la
disponibilidad tecnológica, que le permite desarrollarse, alcanzar un grado de
madurez superior siguiendo los preceptos de la pedagogía moderna.
III.2 Propuesta de diseño de la Plataforma.
III.2.1 Esquema de la Plataforma a Implementar:
En el esquema general de la arquitectura que se muestra en la siguiente figura, se
ilustran los elementos básicos que están presentes del lado de los usuarios, en la
administración de las prácticas y del lado de los sistemas físicos o Laboratorios
Reales (maquetas de Telecomunicaciones):
Figura 19. Esquema general de la arquitectura de la Plataforma propuesta para la introducción de las tecnologías de Laboratorios Virtuales Reales Remotos en las
Telecomunicaciones.[134]
Capítulo III
68
Elementos del lado de los Usuarios:
• Equipos de los Usuarios de las Prácticas de Laboratorio: Computadoras, PDAs
con conexión a la Red Corporativa de ETECSA.
• Navegadores Web: Capaces de ejecutar clientes HTTP. Son las herramientas
más utilizada por los usuarios de Internet, la que con más dinamismo desarrollan
facilidades, estándares y protocolos y las que no necesitan de instalaciones
adicionales para la interacción con el usuario de una aplicación. Además posee
uno de los lenguajes gráficos más ricos (HTML).
Elementos en la Administración de las Prácticas:
• Manejador de Contenidos Web: Permitirá el acceso a los cursos que requieran
de prácticas de laboratorio, a los distintos servicios web habilitados por los
laboratorios virtuales reales remotos, así como a las bibliotecas virtuales que
contienen la información necesaria para cumplir los objetivos de las prácticas.
• Servidor de Reservación: Aloja el servicio web que permite a los estudiantes
reservar los tiempos de laboratorio en que desean realizar sus prácticas o sus
experimentos.
• Servidor de los Escenarios Dinámicos de Mediciones: Aloja el servicio web que
permite a los estudiantes conformar una lista de comandos organizada de forma
lógica, para una interacción asincrónica con los Laboratorios Virtuales Reales
Remotos.
• Servidor de Video: Tendrá disponible a los internautas los distintos experimentos
típicos realizados, todos aquellos que resultaron fatales para no volver a cometer
errores iguales y otros que requirieron de una configuración atípica del sistema.
Todo ello supone de un sincronismo con las acciones que realizó el usuario.
• Sistemas de Media Streaming: Para transmitir dichos resultados por la red IP de
forma eficiente
• Servidor de la Plataforma e-learning: Para soportar los cursos que incluyen
prácticas de laboratorios, el mismo incluye herramientas de Autentificación, una
Secretaría Virtual y herramientas para tutorar las prácticas de laboratorio. La
plataforma E-learning que utiliza ETECSA es el SEPAD.
• Servidores de Bases de Datos de tiempo real: Estos almacenarán todos aquellos
datos temporales relacionados con las prácticas remotas, entre ellos el estado y
Capítulo III
69
configuración de las mismas, sus resultados experimentales incluyendo la
retroalimentación visual.
• Servidor de directorio LDAP: Para lograr un acceso seguro de los usuarios a los
sistemas de prácticas de laboratorio. Para almacenar y relacionar los datos de
los estudiantes y las prácticas e integrar los directorios activos o directorios
LDAP existentes en las direcciones territoriales de ETECSA en cada provincia
del país o cualquier otra institución que desee utilizar dichos sistemas.
Elementos del lado de los Laboratorios Reales:
• Los Sistemas Físicos a Controlar: Que pueden ser maquetas, equipos, redes de
telecomunicaciones, Instrumentos de medición, etc. Entre ellos se encuentran
los dispositivos y recursos con que cuenta la Empresa, vistos anteriormente.
• Sistemas de Adquisición de Datos: Driver, tarjetas e interfases de gestión
propias de los equipos de telecomunicaciones.
• Sistemas de Gestión: Estaciones para la gestión de las maquetas, dispositivos o
recursos de telecomunicaciones.
• Simuladores de los Sistemas Físicos a Controlar: Desarrollos a partir de las
tecnologías de modelación/simulación que permiten predecir, analizar, mejorar el
desarrollo del experimento antes de ejecutarlo físicamente; para estimar los
riesgos, evitar las catástrofes que puedan causar las acciones a realizar sobre
los recursos físicos y considerar los aspectos de seguridad para contrarrestarlos;
así como potenciar el proceso de enseñanza aprendizaje comprobando,
comparando y evaluando los modelos teóricos y la práctica.
• Sistemas de Captación de Imágenes: Cámaras de Video, webcam.
• Sistemas de Iluminación: Para acceder al sistema de forma remota las 24 horas
del día con independencia de las condiciones lumínicas.
• Compresores de Datos: para codificar y compactar los resultados
experimentales, incluidos los datos multimedia para la visualización del
experimento, en formatos de datos de fácil transmisión a través de las redes IP.
Para minimizar los costos y el tiempo de implementación de la Plataforma propuesta
se hace necesario el uso de las tecnologías ya existentes en la Empresa, siempre y
cuando su empleo no afecte ni comprometa el buen funcionamiento de los servicios
brindados por los Laboratorios Virtuales Reales Remotos. En este caso se
Capítulo III
70
encuentran la plataforma de educación a distancia SEPAD, el manejador de
contenidos “OLA.Web.ContentManagement” desarrollado por el trabajador, Lic.
Juan Carlos Olamendy Turruellas [135], el servidor media streaming de Microsoft
que brinda soporte a los servicios de difusión de video streaming en el Centro de
Formación Regional de ETECSA en Villa Clara, así como los directorios de las
infraestructuras de Autentificación, Autorización existentes en cada Dirección
Territorial o subred de la red corporativa de ETECSA, que son de gran utilidad para
logra un nivel superior de administración de los grupos de estudiantes, sesiones y
prácticas empleando LDAP.
El beneficio de utilizar LDAP por encima de las herramientas de gestión de
contraseñas presentes en la plataforma SEPAD es que LDAP agrupa las políticas
de seguridad de contraseñas, soporta las mismas en los sistemas operativos UNIX y
Windows, simplifica la creación y supresión de usuarios, puede emplearse una única
contraseña para el sistema operativo y para la aplicación y sus directorios pueden
contenerse uno dentro de otro y formar jerarquías.
III.2.2 Servicios Web que soporta la Plataforma:
La razón principal por la que se propone el uso de servicios web en la Plataforma
para los Laboratorios Virtuales Reales Remotos es que se basan en HTTP sobre
TCP en el puerto 80. Dado que las organizaciones protegen sus redes mediante
firewalls, que filtran y bloquean gran parte del tráfico de Internet, cierran casi todos
los puertos TCP salvo el 80, que es, precisamente, el que usan los navegadores.
Los servicios Web se enrutan por este puerto, por la simple razón de que no
resultan bloqueados. Otra razón es que, antes de que existiera SOAP, no había
buenas interfaces para acceder a las funcionalidades de otros ordenadores en red.
Las que había eran ad hoc y poco conocidas, tales como EDI (Electronic Data
Interchange), RPC u otras APIs. Una tercera razón es que pueden aportar gran
independencia entre la aplicación que usa el servicio Web y el propio servicio. De
esta forma, los cambios a lo largo del tiempo en uno no deben afectar al otro. De
hecho, la tendencia a construir grandes aplicaciones a partir de componentes
distribuidos más pequeños es cada día mayor. Y la cuarta razón es que aplicados
junto con WSS le imprimen una seguridad extremo a extremo a las interacciones
con los mismos.
Capítulo III
71
De forma general, en la siguiente figura se conciben los servicios web manejados
por un orquestador de servicios.
Figura 20. Modelo de Orquestación de Servicios [136].
Particularizando para el caso de la propuesta que se propone:
Figura 21. Orquestación de los servicios de la plataforma propuesta.
Capítulo III
72
Incluiría los Servicios Web siguientes:
• Servicio Web de Presentación de Datos (SW-PD), empleando el Manejador de
Contenidos Ole.Web.Contenmanagement. En él se habilitará el acceso a los
listados de laboratorios virtuales que se desarrollarán.
• Servicio Web Cursos de Teleformación (SW-SEPAD), empleando SEPAD.
• Servicio Web Biblioteca Virtual (SW-BV). Bases de datos del Manejador de
Contenidos Ole.Web.Contenmanagement
• Servicio Web Wiki Laboratorio (SW-WL). Para la realización conjunta de sitios
web colaborativos sobre los fundamentos teóricos de cada laboratorio, con el
objetivo de que los especialistas de la empresa aporten sus conocimientos sobre
la tecnología objeto de estudio en la práctica de laboratorio.
• Servicio Web Autenticación y Autorización (SW-AAI). Empleando LDAP y las
tecnologías de directorio activo.
• Servicio Web Cuentas de grupos y usuarios (SW-CGU). Este se encarga de
recopilar toda la información asociada a las labores de los usuarios. Entre la que
se encuentra: los log, las trazas en el sistema, las configuraciones propias
empleadas durante los experimentos, etc.
• Servicio Web Escenarios de Medición (SW-EM). En el mismo se programan las
acciones a realizar, en forma de paquetes de comandos o comandos en lote, en
los equipamientos físicos de forma asincrónica, esta es una variante muy útil
para aquellos laboratorios que son muy demandados.
• Servicio Web Administración de los Usuarios y los Laboratorios (SW-ALGU).
Emplea a su vez los servicios web “Supervisión” y “cuentas de usuario”, las
tecnologías LDAP y los directorios activos para tener un control adecuado sobre
los medios y actuadotes en el sistema.
• Servicio Web Planificación Horaria (SW-PH). Para la reservación de los tiempos
de experimentación.
• Servicio Web Laboratorio Real (SW-LR). Servicio que habilita el dispositivo como
tal, el más importante en la plataforma que permite lograr las habilidades
prácticas de los estudiantes en los equipamientos específicos.
• Servicio Web Simulador de telecomunicaciones (SW-SIM). Servicio
complementario con el objetivo de: predecir, analizar, mejorar el desarrollo del
experimento antes de ejecutarlo físicamente; para estimar los riesgos, evitar las
Capítulo III
73
catástrofes que puedan causar las acciones a realizar sobre los recursos físicos
y considerar los aspectos de seguridad para contrarrestarlos; así como potenciar
el proceso de enseñanza aprendizaje comprobando, comparando y evaluando
los modelos teóricos y la práctica. Se propone la tecnología Matlab/Simulink,
pues Matlab y Simulink constituyen una plataforma fiable, conocida y con amplio
soporte técnico. Segundo, el tiempo de prototipado y desarrollo es bastante
inferior al que presentan otras herramientas y plataformas (programación directa
en un lenguaje de programación, etc.). Tercero, dicha plataforma suministra
tanto herramientas para la ejecución remota de programas, como para la
ejecución en tiempo real sobre un sistema físico, a través de un sistema de
adquisición de datos, de un algoritmo de control determinado.
• Servicio Web Transportación de Datos (SW-TD). Implementa en la plataforma
los aspectos de seguridad de la capa de transporte e IP y se utilizan para hacer
efectiva la transmisión de los flujos de datos presentes en las prácticas de
laboratorio en tiempo real utilizando también los métodos para hacer efectiva las
comunicaciones paralelas.
• Servicio Web Supervisión (SW-SUP). Chequea constantemente la ocupación y
los estados de los laboratorios reales con el fin de informar a otros servicios,
como el de los escenarios de medición que puede ejecutar parte de sus
comandos programados, como al de la planificación que hubo un time slot que
no se utilizó.
• Servicio Web Visualización (SW-VIS). El mismo presentará los resultados
experimentales (videos, imágenes, audio, textos) alojados en varios servidores
de datos distribuidos por la intranet.
Así como el orquestador de servicios Biztalk de Microsoft. Este ordena los mismos
sincronizadamente para llevar a cabo una experimentación exitosa y lograr la mayor
cantidad de prácticas de laboratorio posibles. Se escogió este motor de
orquestación por su infraestructura para conectar las aplicaciones ya existentes con
las nuevas, maximizando su inversión y minimizando los costes; por su
compatibilidad inmediata con protocolos de transporte y una integración de alto nivel
con aplicaciones específicas; por tener un precio aceptable y la garantía de un
soporte técnico.
Capítulo III
74
III.2.3 Funcionamiento de la Plataforma:
Para acceder a la Plataforma de los Laboratorios Virtuales Reales Remotos, los
usuarios tienen varias opciones: cursar una acción de capacitación que requiera de
actividades prácticas, acceder directamente a una lista de servicios de laboratorios
virtuales, acceder a las bases de datos de experimentación o a los sitios de
colaboración, así como a la administración del sistema si tiene los derechos para
administrar. En el sistema se tendrán que orquestar varios procesos generales para
garantizar dichas funciones entre los que se encuentran: el proceso de clase
práctica y el proceso de autoformación como los más importantes, así como el
proceso de colaboración y de administración. Todos ellos se podrán dividir en
subprocesos básicos para garantizar una reutilización de los mismos a medida que
el sistema vaya adquiriendo mayores funcionalidades, así por ejemplo el proceso
autoformación podrá dividirse en el subproceso experimentación real y el
subproceso experimentación simulada. En cada proceso el motor de orquestación
irá invocando las interfases de los servicios web relacionados anteriormente.
Para tener una idea en los esquemas que siguen se muestra la actividad
procedimental de la autoformación y la clase práctica.
Para acceder a las bondades del sistema es necesario, primeramente, autenticarse
y adquirir los permisos correspondientes, para ello el orquestador invoca la interfase
del servicio web “autenticación y autorización”.
Luego, los estudiantes pueden reservarse o planificarse el tiempo en que desean
utilizar los laboratorios reales, siempre que estén disponibles, a través de la
interfase del servicio web “planificación horaria” invocada por el orquestador que va
siguiendo el curso del proceso. En el caso de los cursos planificados por la
secretaría docente de la Unidad de Teleformación, este paso no es necesario y el
administrador de la plataforma previamente inhabilita se reserven los laboratorios,
en el horario acordado, para otros usuarios que no fuesen los del curso.
Todas las configuraciones utilizadas en la experimentación, las trazas, las bitácoras,
horarios planificados, así como la información que se desee auditar, que son
generadas por las actividades realizadas por los estudiantes o los grupos de
Capítulo III
75
estudiantes van almacenándose en cuentas de usuarios o grupos que se crean al
acceder al sistema. De esto se encarga el SW-CGU.
Figura 22. Esquema UML de actividad del proceso de autoformación.
Capítulo III
76
Figura 23. Esquema UML de actividad del proceso de clase práctica.
El servicio “web supervisión” estará chequeando constantemente la ocupación de
los recursos e informará a otros servicios, como el de los “escenarios de medición”
que puede ejecutar parte de sus comandos programados, o como al de la
planificación que hubo un time slot que no se utilizó y quedó vacante y pueda ser
aprovechado por cualquier usuario dentro del sistema. Finalmente a la hora
reservada está enteramente disponible el servicio del “laboratorio real” y el
orquestador brinda al grupo de estudiantes o la persona indicada la interfase
correspondiente, a partir de ese momento el usuario hace sus peticiones y recibe
Capítulo III
77
los resultados directamente de los servidores de aplicación del lado de los
laboratorios.
Después de haber accedido a la plataforma, utilizar los servicios web “Simuladores
de Telecomunicaciones” es cuestión de invocarlos solamente, pues son instancias
que se van multiplicando o cerrando en los servidores de aplicación, con
procesamiento distribuido, de acuerdo a la demanda existente en cada momento.
En la etapa final del proceso se presentan los resultados de experimentación al
estudiante y para ello se activa la interfaces del servicio web “Visualización”,
mientras el de “Transportación de Datos” colecta la información del servidor de las
prácticas y las almacena en las bases de datos distribuidas con todos los
mecanismos de seguridad necesarios para la integridad de la información.
En los casos de las clases demostrativas y evaluativas se conjugan los servicios de
planificación horaria, de cuentas de grupo y de administración para lograr una sub-
planificación dentro del rango horario planificado para la clase práctica que permita
al profesor mantener, ceder o retirar el control para la ejecución de la práctica.
III.2.4 Seguridad de la Plataforma:
Se proponen las tecnologías de Web Service Security para asegurar los Servicios
Web, introducir LDAP como infraestructura de Autentificación y Autorización, así
como IPSec, para la comunicación entre los servidores incluidos en el Sistema.
Conclusiones
78
CONCLUSIONES
Los Laboratorios Virtuales Reales Remotos son una alternativa a las limitantes
espacio – temporales en las acciones de capacitación que requieren la
realización de actividades prácticas, en la educación a distancia, sobre los
equipamientos dedicados a la enseñanza existentes en ETECSA.
Los servicios de los Laboratorios Virtuales Reales Remotos pueden ser
brindados y soportados por las tecnologías y los servicios web que se tuvieron
en cuenta en el diseño de la plataforma propuesta, así como el funcionamiento
de la misma será el indicado para apoyar las acciones de teleformación
asociadas a las actividades prácticas en la docencia de las Telecomunicaciones
en ETECSA.
Para la implementación de dicha plataforma bastan los recursos y condiciones
con que cuenta la empresa, por ejemplo los equipamientos que conforman los
laboratorios reales existentes la gran mayoría en la Habana, la red corporativa
de la Empresa, los servidores con que cuenta dicha red (muchos con
rendimientos por debajo de la mitad de su capacidad de procesamiento), así
como los recursos humanos y el capital intelectual para desarrollar los distintos
módulos de programación que forman este sistema de prácticas de laboratorio.
Es por ello que la propuesta de implementar la misma es una alternativa viable
que permitirá utilizar eficientemente los recursos ya existentes en función de
nuevas metas y objetivos contribuyendo con la economía y las políticas de
ahorro del país.
A partir de la propuesta de diseño, en el presente trabajo, se está en condiciones
de pasar a la fase de implementación de dicho prototipo para una primera
prueba de campo.
A través de las tecnologías y servicios de Laboratorios Virtuales Reales
Remotos ETECSA podría utilizar muchos de los equipamientos, habilitados a
distancia, que están disponibles en Internet. Los requisitos técnicos necesarios
están disponibles en nuestra Empresa. No obstante habría que pagar altos
costos por el acceso a los mismos.
Conclusiones
79
Con la implementación de un primer prototipo de Laboratorio Virtual Real
Remoto, a partir de la plataforma propuesta, ETECSA estará en condiciones de
prestar servicios a entidades externas que necesiten las facilidades tecnológicas
dedicadas a la docencia de las Telecomunicaciones.
Recomendaciones
80
RECOMENDACIONES
Para llegar a alcanzar las metas que motivaron el desarrollo de este trabajo como
fase inicial de un proyecto más abarcador es importante señalar algunas
recomendaciones:
1. Introducir las tecnologías asociadas a los laboratorios virtuales
paulatinamente, utilizando en una primera versión de la plataforma
propuesta aquellas tecnologías, herramientas y servicios web ya
existentes en la Empresa.
2. Tomar los elementos del modelo MADE enriqueciéndolo con la
modalidad de entrenamiento y experimentación a distancia, incluir los
sistemas de prácticas de laboratorio en su modelo tecnológico,
brindar los principios para el diseño y la elaboración de los
laboratorios virtuales, así como enseñar al estudiante a aprender a
experimentar.
3. Conformar grupos de trabajos por cada uno de los Laboratorios
Virtuales Reales Remotos que se desean integrar al Sistema en
donde participen especialistas del equipamiento a virtualizar,
teleformadores y programadores-diseñadores.
4. Paso seguido al desarrollo de la Plataforma, capacitar a los grupos
de trabajo de cada Laboratorio Virtual con el objetivo que conozcan y
dominen todos los detalles y bondades del sistema.
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Glosario
93
GLOSARIO
3DES Triple DES. A triple strength version of the DES.
AAI Authentication and Authorization Infrastructure.
ACSL Advanced Continuous Simulation Language.
ADEOS
Adaptive Domain Environment for Operating Systems. Es un
nanokernel que opera entre la capa abstracta de hardware de la
computadora y su sistema operativo.
AH Authentication Header.
AJAX Asynchronous JavaScript and XML.
API Application Programming Interface.
ATM Asynchronous Transfer Mode.
BER Bit Error Ratio.
BOAI Iniciativa de Acceso Abierto de Budapest.
BOINC Berkeley Open Infrastructure for Network Computing.
BPEL Business Process Execution Language.
BPM Gestión de Procesos de Negocios.
BPSK Binary Phase Shift Keying.
CCD
Charge Coupled Device. Sensor de imágenes usado en cámaras
digitales.
CGI Common Gateway Interface.
CMS Sistemas de Gestión de Contenidos.
COM Component Object Model
CORBA Common Object Request Broker Architecture.
CSS
Cascading Style Sheets. Es un estándar para especificar la
apariencia de los textos y otros elementos en las páginas web.
DCMI Iniciativa de Metadatos Dublin Core.
DCOM Distributed Component Object Model.
DES Data Encryption Standard.
DHTML Dynamic HTML.
DOM Document Object Model.
DQPSK Differential Quadrature Phase Shift Keying.
DSL Digital Subscriber Line.
DSS Digital Signature Standard.
Glosario
94
ESP Encapsulating Security Payload.
ESS Experiment Storage Service.
ETECSA Empresa de Telecomunicaciones de Cuba S.A.
ETSII Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales.
GCCS Servidor de Comunicaciones y de Colaboración Genérico.
GNU GNU's Not Unix.
GPL General Public License.
HTML Hypertext Markup Language.
HTTP Hypertext Transfer Protocol.
HTTPS HTTP Over SSL.
IA Instructores Adjuntos.
IKE Internet Key Exchange.
IPSec IP Security.
IPTV Internet Protocol Televisión.
IPX Internet Packet Exchange.
ISB Interactive Service Broker.
IST Tecnologías de la Sociedad de la Información.
IVET Ambiente Inteligente Virtual para Actividades Prácticas.
JDBC Java Database Connectivity.
LDAP Lightweight Directory Access Protocol.
LMS Learning Management System.
LSS Servidor de reserva del lado de los laboratorios.
MAC Message Authentication Code.
MACE Middleware Architecture Committee for Education.
MADE Modelo de Aprendizaje a Distancia de ETECSA.
MAEVIF
Model for the Application of Intelligent Virtual Environments to
Education.
MD5 Message-Digest algorithm 5.
MIME Multipurpose Internet Mail Extensions.
MIT Instituto Tecnológico de Massachussets.
MUS servidor de realidad virtual multiusuario.
ODBC Open Database Connectivity.
OMG Object Management Group.
PAA Agente Asistente Personal.
Glosario
95
PAPI Point of Access to Providers of Information.
PDA Personal Digital Assistant.
PHP Hypertext Preprocessor.
PKI Public Key Infrastructure.
PSNC Centro de Sistemas de Redes e Informática de Poznan, Polonia.
QAM Quadrature Amplitude Modulation.
QNX
Es un sistema operativo de tiempo real principalmente para los
sistemas empotrados.
QPSK Quadrature Phase Shift Keying.
RA Agente de Recursos.
RC4 An encryption algorithm developed by RSA.
RC5 An encryption algorithm developed by RSA.
RMI Remote Method Invocation.
RSS Really Simple Syndication o Rich Site Summary.
RTAI RealTime Application Interface.
RTOS Sistemas Operativos de Tiempo Real libre.
SA Security Associations.
SAML Security Assertion Markup Language
SB Service Broker.
SBW Simulación basada en la Web.
SEPAD Sistema de Enseñanza Personalizado A Distancia.
SFIO Striped File Input/Output.
SHA Secure Hash Algorithm.
SLD Sistema de Laboratorios a Distancia.
SOA Service-oriented Architecture.
SOAP
Simple Object Access Protocol o Service Oriented Architecture
Protocol.
SPX Sequenced Packet Exchange.
SQL Structured Query Language.
SSH
Secure Shell. Es una vía segura de transmitir la información en una
red de computadoras.
SSL Secure Sockets Layer.
TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol.
TIC Tecnologías de la Información y la Comunicación.
Glosario
96
TLS Transport Layer Security.
UE Unión Europea.
UNED Universidad Nacional de Educación a Distancia. España.
UPM Universidad Politécnica de Madrid.
UPnP Universal Plug and Play.
USS Servidor de reserva del lado de los usuarios.
VITELS Virtual Internet and Telecommunications Laboratory of Switzerland.
VLAB Virtual Laboratorios.
VPN Virtual Private Network.
WSS Web Service Security
WWW World Wide Web.
XHTML Extensible Hypertext Mark-up Language.
XML Extensible Markup Language.