2006年度（平成18年度） | 資料集 | 大分県産業科学技術センター

(1)

Open School Platform

プロジェクト

～

～大分市

～

大分市・

大分市

・

・豊後大野市地域

・

豊後大野市地域

豊後大野市地域プロジェクト

豊後大野市地域

プロジェクト

― HTTP-FUSE KNOPPIX におけるキャッシュを利用した起動に関する検討―

後藤和弘†

北川健司‡ _江原裕幸§ _中川俊哉††

下村昭洋‡‡

†

大分県産業科学技術センター ‡

(株)アルファシステムズ §

(財)ハイパーネットワーク社会研究所 ††

(株)大分県自治体共同アウトソーシングセンター ‡‡

大分シーイーシー(株)

Open School Platform Project. - Oita, Bungo-Ohno Project -

Kazuhiro GOTO†, Kenji KITAGAWA‡, Hiroyuki EHARA§, Toshiya NAKAGAWA††, Akihiro SHIMOMURA‡‡

†

Electronics and Informatics Gr., ‡Alpha Systems Inc., §Institute for HyperNetwork Society, ††OLGO, ‡‡OITA CEC Co.,LTD

要旨

財団法人コンピュータ教育開発センターが実施した平成18年度Open School Platformプロジェクト（大分市・豊後

大野市地域プロジェクト）において，県内の高校を対象として OSS デスクトップ環境を実際の授業で実証した．ま

た，ネットワーク起動方式においてサーバへのトラフィックの集中を防ぐ起動手法を提案し，有効性を確認した．

1.はじめに

学校教育現場ではオープンソースソフトウェア（以下，OSS）の利活用が期待されているが，広く普及する

段階には至っていない．教育向けにカスタマイズされた

KNOPPIX-Edu 1) のダウンロードは大学が大半であり，

高等学校はこれからという状況にある2)_{．業務での}

OSS

利活用に関する実証 3) _では非

OSS環境への慣れによる

影響が指摘されており，教育における早い段階で OSS

を利用する機会に触れることが重要と考えられる．

OSS の普及に向けて，独立行政法人情報処理推進機

構は平成16年度に全国17校，約3800名を対象にLinux

パソコンによる実証を実施した 4)

．また，財団法人コンピュータ教育開発センター（以下，CEC）は教育現場へ

の OSSベースの IT環境の普及を目指して平成 17年度

から実証を行ない，平成 18 年度は導入のためのパッ

ケージモデルや文教市場における OSSデスクトップに

関するサポートとビジネスのあり方に関するモデルを提案して，実験後の自立的な運用を目指している．

本報告では CECが実施した平成 18年度 Open School Platformプロジェクト5) において，県内の高校を対象と

した実証の内容を紹介する．また，実証で採用したネットワーク起動方式について，サーバへのトラフィックの集中を防ぐ手法を提案し，その有効性を検証した．

2.実証の概要

2.1 Open School Platform プロジェクト

財団法人コンピュータ教育開発センターは教育現場へのOSSの普及促進を目指し，平成17年度には全国4地

域の小中学校 15校を対象として，OSSデスクトップ端

末 700台規模，約 6700名の児童生徒が参加した実証実

験を行なった 6)

．平成 18 年度はこれまでの成果を

「Open School Platform パッケージ」として公開して全

国の学校への普及促進を目指し，全国で6つのプロジェ

クトが採択され，小中高校16校が実証に参加した． 2.2 大分市・豊後大野市地域プロジェクト

大分市・豊後大野市地域プロジェクトは，大分県内の工業系高校3校を対象に，教育現場での利用実績が多い KNOPPIXを OSSデスクトップ環境とした．KNOPPIX

は手軽にLinuxを利用できる点やカスタマイズが容易な

点がメリットで，大分を含む 3 テーマが採用した．ま

た，非 OSS環境を残したままでのOSSデスクトップの

利用や，生徒の自宅学習にも容易に対応できる．参加校

3校のうち，2校が KNOPPIXを CDから起動する方式

を，1校がネットワークから起動する方式を実証し，各

校の対象授業に応じてメニューやアプリ等をカスタマイズした．導入システムの概要をFig.1に示す．

(2)

実証では120台のデスクトップ端末を新規導入し，教

員と生徒合わせて約 700 人規模，10 教科（約 600 時

間）の授業において OSSデスクトップ環境を利用した

学習環境の検証をおこなった．Table 1 に OSS デスク

トップ端末やサーバなど主要な機器の一覧を示す．また，各校における対象授業ならびに授業で活用した

OSSアプリケーションをTable 2～4にまとめた．

Table 1 実証における主要な機器の一覧

学校名 _端末OSS ファイル_サーバ _動サーバネット起備考情報科学

高等学校 40台 2台なし

CD

起動鶴崎工業

高等学校 40台 1台なし

CD

起動三重総合

高等学校 40台 1台 2台ネット起動合計 120 台 4台 2台

Table 2 OSSアプリを活用した授業（情報科学高校）

科目名 OSSアプリケーション

ソフトウェア技術

OpenOffice.org Base (データベース)

※) 以下，OpenOffice.orgはOOoと略記

マルチメディア応用

Kwrite（エディタ），Firefox（ブラウ

ザ）プログラミング技術

Eclipse（統合開発環境）

課題研究 Firefox（ブラウザ），Nqc（Mindstorm

の開発環境），OOo Impress（プレゼン

テーション），Blender（3DCG作成）

Table 3 OSSアプリを活用した授業（鶴崎工業高校）

工業基礎 Kwrite（エディタ），十進 Basic（開発

環境）

実習 Kwrite（エディタ），PICC（PICマイコ

ン用コンパイラ），PonyProg（PICマイ

コン用ライタ），gcc（コンパイラ）， h8write（H8マイコン用ライタ）

計測制御 Kwrite（エディタ），gcc（コンパイ

ラ），h8write（H8マイコン用ライタ）

課題研究 Kwrite（エディタ），PICC（PICマイコ

ン用コンパイラ），PonyProg（PICマイ

コン用ライタ），Firefox（ブラウ

ザ），OOo Writer（ワープロ），OOo Impress（プレゼンテーション）

Table 4 OSSアプリを活用した授業（三重総合高校）

情報A OOo Writer（ワープロ），OOo Calc

（表計算），Ooo Impress（プレゼン

テーション），Firefox（ブラウザ）

情報処理 OOo Writer（ワープロ），OOo Calc

（表計算）

2.3実施内容の評価

授業における OSSデスクトップ環境や OSS アプリ

ケーションの利用について，実証実験の前後で生徒と教員にアンケートやインタビューを行ない，システムの使いやすさや課題等について検証した．また，端末の利用状況をサーバ上に記録する仕組みを導入し，起動時間などを定量的に計測した．

アンケートでは，利用するうえでの課題や改善の要望はあるものの，約 7割の生徒が「KNOPPIXを利用した

授業は楽しかった」と回答している．また，教員の多くが「実証実験は教育的に意味があるものである」と回答されており，教員や生徒双方から寄せられた課題を解決することで，今後も普及が期待できると考えられる．以降では，アンケートにおいて課題とされた起動時間について改善策を検討する．

3.ネットワーク起動方式に関する検討

3.1 KNOPPIXの起動時間に関する課題

KNOPPIXは，CDや DVDから起動して手軽に Linux

を利用できる点がメリットであるが，物理ドライブの性能やCDメディアに記録されるデータの配置の関係で起

動時間の遅さが指摘されている．これを解決する仕組みとしてLCAT(Live CD Acceleration Tool kit) 7) が提案され

ており，本実証の起動CDでも採用されている．

一方，KNOPPIX のネットワーク起動方式は複数提案

されており，実証ではHTTP-FUSE KNOPPIX 8) _を採用した．この方式は，通常は CD や DVD に保存される 700MB近いOSイメージファイルを分割・圧縮し，数百

バイトから数百キロバイトのサイズにしたファイル（以下，ブロックファイル）をサーバ上に配置する．クライアントは，必要に応じてブロックファイルをダウンロードしながらデスクトップ環境を起動する．教室など 40

台のクライアントを一斉に起動する場合には短時間にサーバにアクセスが集中するため，サーバの NIC やス

イッチングハブがボトルネックとなって，クライアントの起動時間に影響を与えてしまう．実証ではダウンロードするファイルのトータルサイズを抑えることで起動時間を短縮することができているが，本稿では異なるアプローチについて検討する．

3.2 キャッシュを利用した起動手法の提案

HTTP-FUSE KNOPPIX では，クライアントはダウン

ロードしたブロックファイルを RAMや USB メモリ等

(3)

ければサーバへブロックファイルを要求することになる．そこで，クライアントにキャッシュされたブロックファイルを利用して，他のクライアントを起動する手法について提案する．

クライアントでは，キャッシュしたブロックファイルを他のクライアントから利用できるよう，Web サーバ

を起動する．そして，Web サーバのコンテンツとし

て，キャッシュしたブロックファイルを設定する．以降，このクライアントを「代替サーバ」と呼ぶ．一方，サーバにはブロックファイルを要求してきたクライアントのアドレスをデータベースに記録する処理を導入する．クライアントから要求があった場合にはデータベースを検索し，クライアントへブロックファイルを送信するか，代替サーバのアドレスを通知するかを決定する．１つのブロックファイルに対して複数の代替サーバを対応づけるとともに，クライアントからの要求に対してランダムに代替サーバを選択することで，特定の代替サーバへトラフィックが集中することを防ぐ．提案手法でブロックファイルを取得する仕組みをFig.2に示す．

Fig.2 提案手法によるブロックファイルの取得

2 台のクライアントを起動する場合について，ブロッ

クファイルを取得する手順を示す．ブロックファイルのファイル名は通常 32文字からなる英数字であるが，以

下では説明上，ファイル名をαと略記する．

① どのクライアントもブロックファイルをダウンロードしていない状況で，クライアント Aが初めてサー

バへブロックファイルαを要求する．

② サーバはクライアント Aのアドレスとファイル名α

を対応づけてデータベースへ記憶するとともに，クライアント Aにブロックファイルを送信する．クラ

イアントAはこれ以降に代替サーバとなる．

③ つづいてクライアント Bがサーバへブロックファイ

ルαを要求する．

④ サーバはデータベースを検索し，ファイルαは代替サーバ Aがダウンロードしていることから，クライ

アントBにはファイルではなく，代替サーバAのア

ドレスを通知する．

⑤ サーバからの情報をもとに，クライアント Bは代替

サーバAへブロックファイルαを要求する．

⑥ 代替サーバ Aはブロックファイルαをクライアント Bに送信する．

なお，ここでは 1つのブロックファイルにつき，1

台の代替サーバを登録する場合について説明しているが，実際の教室などで運用する場合にはクライアントの台数やネットワーク機器など利用環境に応じて代替サーバの設定数を検討する必要がある．

4.提案手法の評価

4.1 評価項目について

提案手法では，サーバにおいてデータベースの検索やクライアントへの送信内容を判断する処理を組み込んでおり，これらの処理がクライアントからのアクセスに与える影響について検証する必要がある．そこで，導入したデータベースの検索処理性能を計測するとともに，各処理を組み込んだ状態でクライアントからサーバへアクセスした場合のアクセス性能を計測・評価する．さらに，複数台のクライアント端末を一斉に起動した場合におけるサーバへのトラフィックを計測し，本手法の効果を検証する．サーバはCPU Opteron 3.0GHz，RAM 2GB

のマシンに，OpenSUSE 10.1，Apache 2.2.0 をインス

トールしている．また，クライアントは Pentium4 2.66GHz，RAM 512MBのマシンを利用した．

4.2 データベースの処理性能

データベースには，キーと値を対応づけて管理する

QDBM を採用した．このようなデータベースは，他に

も gdbmや ndbm，Berkley DBなどが提案されており， Sendmail や OpenLDAP，Postfix といったソフトウェア

でも活用されている．

データベースに登録されたクライアント（代替サーバ）の台数による影響を検証するため，登録台数が 1， 2，5，10 台の場合についてキーの検索や，値の取得，

登録，削除等の操作を行ない，それぞれの処理時間を計測した．HTTP-FUSE KNOPPIX におけるクライアント

は，起動時に約 2000 個のブロックファイルをダウン

ロードするため，検証では登録 1台あたり 2000個の情

報をデータベースに格納した．例えば，クライアントを

10台登録した条件では，データベースには 20000 個の

(4)

(a) キーの検索および値の取得 (b) 値の登録および削除

Fig.3 データベースの操作における処理時間

各処理における計測結果を Fig.3 に示す．Fig.3(a)は

キーの検索，およびキーに対応する値の取得を10000回

実行した場合の処理時間である．登録台数が増えるにしたがって処理時間も増加しているが，各操作1回あたり

の処理時間は100マイクロ秒程度となり，今回の検証の

範囲では登録台数による差は小さいと考えられる．一方，Fig.3(b)はデータベースへの情報の登録，そして削

除における処理時間である．1台のクライアントをデー

タベースに登録（または削除）する場面を想定し，それぞれ 2000 個のキーと値を登録（または削除）してい

る．検索と比べて処理時間は長いが，これらの操作は代替サーバのみが該当するため，教室など 40 台規模で考

えると処理時間全体に占める割合は少ない．

4.3 HTTPサーバへのアクセス性能

サーバへのアクセス性能を計測するため，Apache HTTP server benchmarking tool を利用して，3つの異なる

ファイルを対象としてデータベースの検索，およびブロックファイルのダウンロードにかかる処理時間を計測した．Fig.4 に計測結果を示す．

(a) データベースの検索

(b) ファイルのダウンロード

Fig.4 クライアントの要求に対する処理時間

対象とするファイルは，クライアントの起動時に初めに要求するインデックスファイル，そして，ダウンロードする約 2000 個のブロックファイルのうちでファイル

サイズが最大のファイルと，最小のファイルとした． Fig.4(a)はクライアントからの要求に対して，指定さ

れたブロックファイルをデータベースから検索するときの処理時間である．データベースへ登録されたクライアント（代替サーバ）の台数が1，2，5，10台の場合につ

いて処理時間を計測・評価した．図から，登録台数によって処理時間に若干の差があるものの，台数との明確な相関関係は見られない．また，検索処理ではファイルサイズは関係しないため，各ファイルにおける処理時間はほぼ同じ数値となっていることがわかる．これに対して，ファイルをダウンロードする場合には Fig.4(b)のよ

うにファイルサイズによって処理時間に明確な差が見られる．ブロックファイルを提供するサーバ（図中「主サーバ」）において，従来手法では要求されたファイルを送信するのみであるのに対して，提案手法ではデータベースの検索などの処理を行なうにもかかわらず処理時間はほぼ同じであった．このことは，データベースの検索等の処理はアクセス性能に影響を与えていないと考えられる．さらに，主サーバと代替サーバではハードウェア性能が大きく異なるものの，代替サーバからファイルをダウンロードする場合でも，主サーバと同等のダウンロード性能であることを確認した．

4.4 複数クライアントの起動

提案手法の有効性を検証するため，Fig.5 に示す実験

環境を構成した．代替サーバを2台と設定して端末を一

斉に起動し，サーバからクライアントへ転送されるパケットをtcpdumpコマンドでキャプチャして解析した．

また，クライアントは PXEブートに対応させているた

めに起動 CD 等を使わずに電源投入後にサーバから TFTPで minirt.gzをダウンロードする．クライアントが

起動するKNOPPIXのバージョンは v4.0.2である．

(5)

(a) 従来手法（ファイルのダウンロード）

(b) 提案手法（ファイルのダウンロード）

(c) 提案手法（クライアント情報の取得）

Fig.6スループットの計測結果

サーバからクライアントへ転送されたパケットについてスループットを解析した結果を Fig.6 に示す．従来手

法では5台のクライアントすべてがサーバからブロック

ファイルをダウンロードするため，Fig.6(a)のように最

大値が 400Mbps 以上になっている．これに対して，提

案手法ではサーバからダウンロードするクライアントは

2台のみであるため，スループットは最大で250Mbps程

度（Fig.6(b)）であった．また，代替サーバの情報を取

得するクライアントでは，トラフィックは Fig.6(c)のよ

うに最大でも 4Mbps 程度であり，最も低いクライアン

トでは 1Mbps 以下であった．これらのクライアント

は，サーバから取得した情報をもとに代替サーバへブロックファイルを要求しており，提案手法によってサーバへのトラフィックを軽減できることを確認した．

5.まとめ

学校教育現場における OSSの活用促進を図るため，

県内の工業系高校3 校を対象として実際の授業において OSS デスクトップ環境を利用した実証実験を行なっ

た．アンケートやヒアリング，定量的なデータ計測など

を通じて普及に向けての課題の抽出ならびに，解決策について検討した．今後の普及に向けてはこれらの課題を解決するとともに，OSS の技術面やコスト面での優位

性だけでなく，実際の授業でどのように活用できるか，どのように生徒に役立つか，といった視点を現場に示すことも重要であると感じる．実証を通じて，県高教研工業部会工業クラブ主催の「第 13回生徒研究成果発表大

会」において，KNOPPIX を利用したテーマが優秀賞に

選ばれたことは有効性を示した実例と言える．

また，OSSデスクトップ環境をネットワークから起

動する方式については，サーバへトラフィックが集中する課題を解決するため，クライアントにキャッシュされたファイルを利用する起動手法を提案し，その有効性を確認した．今後は 40台規模のクライアントで検証が必

要であるとともに，利用環境に応じて代替サーバの登録数を設定する基準や，地域 IXや WAN環境等への展開

についても検討していきたい．

謝辞

本報告は，経済産業省の委託を受け（財）コンピュータ教育開発センターが実施している平成 18 年度 Open School Platformプロジェクト（大分市・豊後大野市地域

プロジェクト）における実施内容について紹介した．

参考文献

1) KNOPPIX-Edu，http://www.knoppix-edu.org/.

2) 千葉大作，中川俊哉，下村昭洋，江原裕幸，後藤和

弘，志子田有光，早川栄一，“中川高等学校における OSS活用実践とコミュニティ連環モデルの提案

―Open School Platform Project大分プロジェクトの取

り組み ― ” ，電子情報通信学会技術研究報告，

Vol.106, No.507, pp.31-36, 2007.

3) 2005 年度「自治体におけるオープンソースソフト

ウェア活用に向けての導入実証」成果，

http://www.ipa.go.jp/software/open/2005/stc/report/index.html

4) 2004年度「学校教育現場におけるオープンソース

ソフトウェア活用に向けての実証実験」成果，

http://www.ipa.go.jp/software/open/2004/stc/eduseika.html

5) OSPポータルサイト， http://e2e.cec.or.jp/osp/

6) 「Open School Platform」プロジェクト，

http://www.cec.or.jp/e2e/osp/index.html

7) LCAT (Live CD Acceleration Tool kit)， http://sourceforge.jp/projects/lcat/

8) HTTP-FUSE KNOPPIX,