Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Факультет «Информационной технологии и вычислительной техники»
Программа дисциплины «Моделирование компьютерных сетей и телекоммуникационных систем»
для направления/специальности 230100.68 «Информатика и вычислительная техника» подготовки магистров для специализации «Сети ЭВМ и телекоммуникации»
Автор программы:
Сафонова И.Е., профессор, д.т.н., isafonova@hse.ru
Москва, 2012 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Цели и задачи изучения дисциплины «Моделирование компьютерных сетей и телекоммуникационных систем» определяются характеристикой области и объектов профессиональной деятельности магистранта специализации «Сети ЭВМ и телекоммуникации» направления подготовки «Информатика и вычислительная техника».
Цель изучения дисциплины состоит в освоении студентами методов и средств моделирования, необходимых для разработки, исследования и эксплуатации вычислительных систем и сетей.
В результате изучения дисциплины студенты должны владеть базовыми основами методологии моделирования компьютерных сетей и телекоммуникационных систем.
Задачи дисциплины:
изучение типовых математических схем моделирования компьютерных сетей и телекоммуникационных систем;
рассмотрение вопросов формализации и алгоритмизации информационных процессов;
изучение современных способов моделирования сложных компьютерных сетей и телекоммуникационных систем.
2. МЕСТО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО
Дисциплина «Моделирование вычислительных систем» относится к базовой части общенаучного учебного цикла М1.Б2. Профессиональный ФГОС ВПО.
При освоении дисциплины необходимы базовые знания по теории алгоритмов, организации вычислительных систем и сетей, сетям и телекоммуникациям, основам математического и системного анализа, дискретной математики, программированию.
Дисциплина основывается на дисциплинах «Теория вероятностей и мат.статистика», «Основы системного анализа». Знания, умения и навыки, формируемые дисциплиной необходимы при изучении последующих дисциплин учебного плана.
3. КОМПЕТЕНЦИИ СТУДЕНТА, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ / ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАЗОВАНИЯ И КОМПЕНТЕНЦИИ СТУДЕНТА ПО ЗАВЕРШЕНИИ ОСВОЕНИЯ ПРОГРАММЫ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
№
п/п
| Код и название
Компетенции
| Ожидаемые результаты
| 1
| 2
| 3
| 1
| ОК-1. Способность совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень.
| Знать модели представления знаний.
| Уметь разрабатывать математические модели объектов и процессов.
| Владеть методами научного поиска.
| 2
| ОК-2. Способность к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности.
| Знать методы обработки знаний.
| Уметь проводить сравнительный анализ математических моделей процессов и объектов, а также методов их исследования.
| Владеть методами управления знаниями и навыками самостоятельной научно-исследовательской деятельности.
| 3
| ПК-1. Применять перспективные методы исследования и решения профессиональных задач на основе знания мировых тенденций развития вычислительной техники и информационных технологий.
| Знать: современное состояние проблемы моделирования компьютерных сетей и телекоммуникационных систем; подходы к их моделированию; методы моделирования; требования, предъявляемые к моделям; способы представления моделей.
| Уметь применять наиболее перспективные методы моделирования компьютерных сетей и телекоммуникационных систем.
| Владеть навыками планирования и проведения научных исследований.
| 4
| ПК-5. Выбирать методы и разрабатывать алгоритмы решения задач управления и проектирования объектов автоматизации.
| Знать методы, используемые при моделировании компьютерных сетей и телекоммуникационных систем; методы оптимизации и принятия технических решений.
| Уметь проводить анализ и интерпретацию результатов моделирования.
| Владеть навыками разработки и алгоритмизации математических моделей систем, сетей и их элементов.
| 5
| ПК-6. Проектно-технологическая деятельность: применять современные технологии разработки программных комплексов с использованием CASE-средств, контролировать качество разрабатываемых программных продуктов.
| Знать технологии моделирования, математические методы моделирования информационных процессов в компьютерных сетях и телекоммуникационных системах. | Уметь эксплуатировать программно-аппаратные средства моделирования и разработки компьютерных сетей и телекоммуникационных систем.
| Владеть навыками работы с современными системами моделирования/проектирования компьютерных сетей и телекоммуникационных систем.
|
Таким образом, в результате изучения дисциплины студент должен:
знать:
методы и принципы моделирования, классификацию способов представления моделей компьютерных сетей и телекоммуникационных систем;
приемы, методы, способы формализации объектов, процессов, явлений и реализации их на компьютере;
достоинства и недостатки различных способов представления моделей компьютерных сетей и телекоммуникационных систем.
уметь:
использовать типовые программные продукты, ориентированные на решение научных, проектных и технологических задач;
представить модель в математическом и алгоритмическом виде;
оценить качество модели;
моделировать телекоммуникационные системы и компьютерные сети.
владеть:
технологией моделирования;
навыками самостоятельной научно-исследовательской и научно-педагогической деятельности, методиками сбора, переработки и представления научно-технических материалов по результатам исследований к опубликованию в печати, а также в виде обзоров, рефератов, отчетов, докладов и лекций.
СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1 Общая трудоемкость дисциплины составляет: - 3 зачетных единицы,
- 93 академических часа.
4.2 Объем дисциплины
Вид учебной работы
| Количество часов
|
| Всего
по учебному плану
| Курс 1, Модуль 3
| Курс 1, Модуль 4
| Аудиторные занятия (всего):
| 70
| 35
| 35
| В том числе:
|
|
|
| лекции (Л)
| 30
| 17
| 13
| практические (ПЗ) и семинарские (С) занятия
| 40
| 20
| 20
| лабораторные работы (ЛР)/ лабораторный практикум (ЛП)
| -
| -
| -
| Контроль самостоятельной работы (КСР)
| -
| -
| -
| Самостоятельная работа (всего):
| -
| -
| -
| Общая трудоемкость
| Часы
| 93
| 48
| 45
|
| Зач. Единицы
| 3
| 2
| 1
| Текущий контроль (количество и вид контроля)
| Контрольные работы №1 и №2.
| Контрольная работа 1
| Контрольная работа 2
| Виды промежуточного контроля (экзамен, зачет)
| Зачет
| Зачет
| Зачет
|
4.3 Разделы учебной дисциплины
№
п/п
| Раздел учебной дисциплины
| Краткое содержание раздела
| 1
| 2
| 3
| 1
| Раздел 1.
Введение в дисциплину.
| Моделирование как познавательный процесс. Основные понятия теории моделирования.
Современное состояние, общая характеристика и формальное описание проблемы моделирования компьютерных сетей и телекоммуникационных систем.
| 2
| Раздел 2. Подходы к моделированию компьютерных сетей и телекоммуникационных систем.
| Особенности моделирования компьютерных сетей и телекоммуникационных систем. Компьютерная сеть – как часть телекоммуникационной системы. Существующие отечественные и зарубежные стандарты разработки сетей и систем.
Виды моделирования. Применение моделирования при исследовании и проектировании компьютерных сетей и телекоммуникационных систем.
Классический, многоуровневый и системный подходы к моделированию. Использование принципов системного подхода при моделировании систем и сетей.
| 3
| Раздел 3.
Виды моделей компьютерных сетей и телекоммуникационных систем, их особенности, преимущества и недостатки.
| Классификация моделей. Требования, предъявляемые к моделям сетей и систем. Способы представления моделей. Оценка входных и выходных параметров моделей. Единицы измерения параметров моделей.
Математические модели компьютерных сетей и телекоммуникационных систем. Аналитические. Алгоритмические. Имитационные модели. Структурные и функциональные математические модели. Теоретические. Эмпирические. Детерминированные и вероятностные. Системы и сети массового обслуживания. Стохастические методы и модели. Тензорные модели. Синергетики. Искусственные нейронные сети.
Математико-физические модели компьютерных сетей и телекоммуникационных систем.
Физические модели сетей и систем.
| 4
| Раздел 4.
Общая технология моделирования.
| Подготовка исходных данных. Выбор уровня детализации компьютерных сетей и телекоммуникационных систем. Разработка концептуальных моделей. Выбор метода и средств моделирования. Проверка адекватности и корректировка модели. Планирование экспериментов с моделью и анализ результатов.
Современные системы моделирования компьютерных сетей и телекоммуникационных систем. Возможности и эффективность автоматизированного проектирования и моделирования систем и сетей.
| 5
| Раздел 5. Математические методы моделирования информационных процессов в сетях.
| Структура моделей информационно-вычислительных процессов. Линейные и нелинейные системы, регрессионные модели. Динамические системы. Численные методы интегрирования дифференциальных уравнений. Структурно-перестраиваемые модели. Детерминированные и недетерминированные модели. Прибор обслуживания заявок как элементарный блок в моделировании информационно-вычислительных процессов. Потоки заявок в ВС. Характеристики ВС как СМО и СеМО. Очереди. Накопители. Гистограммы. Задание длин очередей.
Сетевые модели. Марковские модели. Графовые модели. Синхронизация событий в сетевых моделях.
Характеристики сетей как стохастических систем. Методы приближенной оценки характеристик компьютерных сетей и телекоммуникационных систем. Моделирование сетей и систем с распределенными параметрами.
|
| 6
| Раздел 6. Имитационное моделирование компьютерных сетей и телекоммуникационных систем.
| Особенности имитационного моделирования. Язык моделирования GPSS. Процедура имитационного моделирования. Принципы имитационного моделирования.
Обобщенные алгоритмы имитационного моделирования. Принципы построения моделирующих алгоритмов.
Методы определения характеристик компьютерных сетей и телекоммуникационных систем. Метод повторных экспериментов. Методы генерации случайных величин и последовательностей. Упрощение моделей.
| 7
| Раздел 7. Многоуровневый подход к моделированию систем и сетей.
| Многоуровневое представление сети в процессе моделирования. Взаимозависимость критериев оценки качества при многоуровневом представлении сети. Отображение задач моделирования на многоуровневую сетевую архитектуру. Декомпозиция событийных моделей и гибридное моделирование.
Модели сетей и их элементов. Модели расчета основных параметров и характеристик вычислительных сетей. Модели оценки аппаратной надежности. Алгоритмы синтеза топологической структуры сети. Моделирование каналов связи. Модели анализа очередей в сетях. Модель сети в условиях высокой нагрузки.
Алгоритмизация моделей. Принципы построения моделирующих алгоритмов. Преобразование алгоритмов.
|
| 8
| Раздел 8.
Методы оптимизации и принятия решений в процессе многовариантного моделирования систем и сетей.
| Условия оптимизации и принятия технических решений. Оптимизация и принятие решений на уровне частных задач (оптимальное распределение ресурсов сети, оценка производительности каналов связи сети, выбор СУБД и т.д.). Критериев оценки альтернатив.
Методы принятия решений в условиях определенности и в условиях неопределенности исходной информации о сети.
Методы формирование множества рациональных вариантов. Этапы решения задачи выбора базового проектного решения.
| 9
| Раздел 9. Анализ и интерпретация результатов моделирования.
| Методы и алгоритмы обработки результатов моделирования ВС. Несмещенность, эффективность и состоятельность оценки. Назначение корреляционного анализа. Область применения регрессионного анализа. Дисперсионный анализ результатов моделирования.
Калибровка моделей. Проверка адекватности математических моделей. Оценка точности и достоверности результатов моделирования. Перспективы развития теоретических основ моделирования систем и сетей.
| 10
| Заключение | Перспективы развития теоретических основ моделирования компьютерных сетей и телекоммуникационных систем.
|
4.4 Практические работы
№
п/п
| № модуля
| Раздел
учебной дисциплины
| Наименование практических работ
| Всего часов
| 1
| 2
| 3
| 4
| 5
| 1.
| 3
| Раздел 4
| № 1 «Синтез топологической структуры сети».
| 5
| 2.
| 3
| Раздел 5 | № 2 «Оценка вероятностно-временных характеристик компьютерных сетей и телекоммуникационных систем».
| 10
| 3.
| 3
| Раздел 5 | № 3 «Анализ очередей в открытых моделях сетей в условиях большой нагрузки».
| 5
| 4.
| 4
| Раздел 6
| № 4 «Моделирование беспроводной локальной сети в условиях высокой нагрузки (оценка пропускной способности)».
| 5
| 5.
| 4
| Раздел 7 | № 5 «Разработка графовой модели корпоративной компьютерной сети и алгоритма анализа графовой модели».
| 5
| 6.
| 4
| Раздел 8
| № 6 «Оптимизация распределения ресурсов корпоративной сети».
| 4
| 7.
| 4
| Раздел 8
| № 7 «Принятие концептуальных технических решений при моделировании корпоративных компьютерных сетей».
| 4
| 8.
| 4
| Раздел 9
| №8 «Анализ результатов моделирования. Калибровка моделей»
| 2
|
4.5 Примерная тематика курсовых проектов
Курсовой проект/работа не предусмотрены учебным планом.
5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Активные и интерактивные формы проведения ряда занятий с целью формирования и развития профессиональных навыков.
Интерактивные формы проведения лабораторных занятий составляют не менее 25%.
Использование обучающих программ.
Тематика контрольных работ:
1. Требования, предъявляемые к современным компьютерным сетям и телекоммуникационным системам. Критерии оценки качества.
2. Анализ современных подходов к моделированию компьютерных сетей и телекоммуникационных систем. Виды моделирования.
3. Классификация моделей систем и сетей.
4. Разработка концептуальных моделей компьютерных сетей и телекоммуникационных сетей.
5. Матрично-мультипликативное представление стационарного распределения очереди.
6. Разработка алгоритма моделирования трафика.
7. Модели сетевых элементов при многоуровневом подходе к моделированию сетей.
8. Критерии выбора альтернативных проектных вариантов сети в процессе моделирования.
9. Алгоритмы оценки точности и достоверности результатов моделирования. Примеры контрольных вопросов и заданий для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации:
- Анализ современных систем моделирования и разработки компьютерных сетей и телекоммуникационных систем. Возможности, преимущества и недостатки.
- Расчет задержки сообщений на межсетевом экране.
- Разработка модели рабочей нагрузки системы.
- Оценка объема вычислительных работ пользователей корпоративной сети и выбор состава технических средств. - Расчет основных характеристик каналов связи - максимальной скорости передачи, добротности канала связи.
- Оценка надежности сетевых элементов.
- Расчёт характеристик сетей, построенных на основе технологии VPN.
- Оценка параметров и основных характеристик виртуальных локальных сетей (VLAN)
- Расчет производительности канала связи сети.
- Расчет основных характеристик каналов связи - задержки сигнала, производительности сети.
- Модели анализа задержки сообщений и выбора пропускных способностей каналов связи.
- Определение показателей производительности сетей большой размерности. - Вычисление характеристик замкнутой сети с однотипными заявками с помощью алгоритма свертки.
- Пропускная способность узла коммутации и среднее значение числа заявок в узле.
- Вычисления характеристик замкнутой сети с изменяющимися типами заявок при помощи свертки.
- Анализ буферной памяти узла коммутации. - Расчет времени обработки запросов пользователей.
- Расчет вероятности передачи сообщений.
- Модели синтеза состава модулей специальных прикладных программных систем. - Модели расчета вероятности безотказной работы устройств компьютерной сети.
- Модели резервирования элементов телекоммуникационной системы.
- Оценка задержка передачи сообщений в компьютерных сетях, вариации задержки. - Модель сети с заявками различных типов. 6. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ 6.1. Основная литература
№ п/п
| Наименование
| Автор(ы)
| Год и место
издания
| Используется при изучении разделов
| Модуль
| 1
| 2
| 3
| 4
| 5
| 6
| 1
| Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы.
4-е изд.
| В.Олифер, Н.Олифер.
| СПб.: Питер,
2009
| Разделы 1, 2
| 3
| 2
| Моделирование систем. 7-е изд.
| Б.Я.Советов, С.А.Яковлев
| Юрайт,
2012
| Разделы 1, 3, 5
| 3
| 3
| Вычислительные системы, сети и телекоммуникации.
| А.П.Пятибратов.Л.П.Гудыно, А.А.Кириченко
| СПб.: Питер,
2009
| Разделы 1 – 4
| 3
| 4
| Моделирование сетей (учебное пособие).
| О.М.Замятина
| ФГБОУ ВПО НИ ТПУ,
2012
| Разделы
2 – 5, 9
| 3, 4
| 5
| Моделирование и синтез оптимальной структуры сети Ethernet.
| А.Н.Пылькин , А.В.Благодаров, Д.М.Скуднев
| Горячая линия-Телеком,
2011
| Раздел 8
| 3, 4
| 6
| Моделирование телекоммуникационных сетей
| И.Е.Сафонова
| электронный
носитель,
2012
| Разделы
2 - 3, 6 – 9
| 3, 4
|
6.2. Дополнительная литература
| № п/п
| Наименование
| Автор(ы)
| Год и место
издания
| Используется при изучении разделов
| Модуль
| 1
| 2
| 3
| 4
| 5
| 6
| 1
| Методы и модели оценки основных характеристик корпоративных функционально-ориентированных сетей в САПР.
| И.Е.Сафонова
| М.: МИЭМ, 2007
| Разделы 4, 6, 8
| 3, 4
| 2
| Принятие решений при зависимостях и обратных связях.
| Т.Л.Саати
| М.: Книжный дом «Либроком»,
2009
| Разделы 8
| 4
| 3
| Изучение характеристик и диагностика коммуникационного оборудования корпоративных сетей.
| И.Е.Сафонова
В.В.Иванов
| электронный
носитель,
2012
| Раздел 7
| 4
| 4
| Принятие концептуальных технических решений при моделировании корпоративных сетей.
| И.Е.Сафонова
| электронный
носитель,
2012
| Раздел 8, 10
| 3, 4
|
6.3. Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы Интернет-университет информационных технологий http://www.intuit.ru/
Поисковые системы Яндекс, Google, Rambler.
7. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
7.1 Требования к аудиториям для проведения занятий
Перечень технических средств обучения, используемых в учебном процессе для освоения дисциплины:
- мультимедийное оборудование лекционной аудитории,
- персональные компьютеры вычислительного класса.
7.2. Требования к программному обеспечению при прохождении учебной дисциплины
Интегрированные программные средства Microsoft office.
Операционная система: Microsoft Windows 2000/XP.
Симулятор Cisco Packet Tracer 5.3.1.
NetWizard - ресурс в сети «Тауэр-Сети» [сайт «Тауэр-Сети»]: http:///www.tower.ru.
Visio Professional [Электронный ресурс]: www.expertsoft.com.ua.
«Система многоуровневого моделирования корпоративных телекоммуникационных сетей» - программа для ЭВМ. В.В.Иванов, Д.Ю.Проферансов, И.Е.Сафонова. // Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2011617165 от 14.09.2011. – Москва. – Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
|