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.
|
