ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мурманский государственный педагогический университет»
(МГПУ)
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
Математические основания архитектуры и топологии информационных сетей
Основная образовательная программа подготовки специалиста по специальности
050202.65 Информатика (ДС.03)
Утверждено на заседании кафедры
информатики и ОТД
физико-математического факультета
(протокол №___ от
«__»_____________ 20___ г.)
Зав. кафедрой информатики и ОТД
___________________Н.Ю.Королева
РАЗДЕЛ 1. Программа учебной дисциплины.
Авторы программы: Вакурова Ирина Николаевна, ассистент кафедры информатики и ОТД; Замятина Анна Владимировна, аспирантка МГПУ (специальность 13.00.02 – Теория и методика обучения и воспитания (информатика, профессиональный уровень)
Рецензенты: Рыжова Н.И. – доктор пед. наук, профессор кафедры информатики и ОТД
Лазарева И.М. – канд. ф.-м. наук, доцент кафедры информатики и ПО, МГТУ
Пояснительная записка:
Цель:
Сформировать представление о математических основаниях и теоретических основах телекоммуникационных и компьютерных сетей, выработать умения применять на практике эти знания для мониторинга и оптимизации работы образовательных компьютерных сетей, а также создание условий для формирования у студентов системы знаний о месте теоретических разделов теории телекоммуникационных и компьютерных сетей в теоретической информатике.
Задачи:
определение базовые понятия архитектуры телекоммуникационных и компьютерных сетей;
изучение топологии и структуры телекоммуникационных и компьютерных сетей;
изучение архитектуры телекоммуникационных и компьютерных сетей;
освоение способов организации и анализа информационных потоков в телекоммуникационных и компьютерных сетях.
Место курса в общей системе подготовки специалиста:
Данный курс имеет теоретическую направленность и предназначен для обучения студентов математическим основаниям и теоретическим основам телекоммуникационных и компьютерных сетей, а также их применению для теоретического анализа информационных процессов в сетях связи.
В данном курсе с этой деятельностью студенты знакомятся лишь в той мере, в которой теоретические знания необходимы для организации эффективной эксплуатации распределенной информационно-образовательной среды (учебной компьютерной сети).
Данный курс необходим для изучения таких курсов как «Технология проектирования, обслуживания и администрирования учебных компьютерных сетей» и «Основы информационной безопасности».
Требования к уровню освоения содержания дисциплины:
После изучения дисциплины студент должен знать:
базовые положения архитектуры телекоммуникационных и компьютерных сетей;
математические основания теории телекоммуникационных и компьютерных сетей;
основные топологии и структуры телекоммуникационных и компьютерных сетей;
организацию информационных процессов в телекоммуникационных и компьютерных сетях;
После изучения дисциплины студент должен обладать умениями и навыками:
использовать математические модели телекоммуникационных и компьютерных сетей;
применять полученные знания для анализа и оптимизации потоков в телекоммуникационных и компьютерных сетях;
применять полученные знания для управления потоками в телекоммуникационных и компьютерных сетях;
Ссылки на авторов и программы, которые использовались в подготовке:
Каракозов С.Д., Рыжова Н.И. Информационно-образовательные системы. Учебно-методический комплект. Приложение 3. - Барнаул: Изд-во БГПУ, 2005. - 50 с.
Извлечение из ГОС ВПО специальности 050202 Информатика – вузовский компонент.
Объем дисциплины и виды учебной работы (для всех специальностей, на которых читается данная дисциплина):
№ п/п
|
Шифр и наименование специальности
|
Курс
|
Се-местр
|
Виды учебной работы в часах
|
Вид итогового контроля
|
Трудоем-
кость
|
Всего ауд.
|
ЛК
|
ПР/ СЕМ
|
ЛБ
|
Сам. раб.
|
1.
|
050202.65 Информатика
|
4
|
7
|
64
|
32
|
16
|
8
|
8
|
32
|
Зачет
|
Содержание дисциплины:
1.6.1. Разделы дисциплины и виды занятий (в часах). Примерное распределение учебного времени:
№
п/п
|
Наименование раздела, темы
|
Количество часов
|
Всего
ауд.
|
ЛК
|
ПР/
СМ
|
ЛБ
|
Сам.
раб.
|
1
|
Базовые понятия архитектуры компьютерных сетей
|
16
|
4
|
2
|
2
|
8
|
2
|
Топология, структуры и потоки в информационных сетях
|
32
|
8
|
4
|
4
|
16
|
3
|
Организация информационных процессов в сетях
|
16
|
4
|
2
|
2
|
8
|
Итого:
|
64
|
16
|
8
|
8
|
32
|
1.6.2. Содержание разделов дисциплины.
Базовые понятия архитектуры компьютерных сетей. Типология компьютерных сетей и их многоуровневая архитектура. Сквозные услуги в сети. Принципы организации, технологии и протоколы. Уровень представления информации (формирование, измерение, преобразование, хранение, обработка и передача информации в компьютерной сети).
Топология, структуры и потоки в информационных сетях. Графы, гиперграфы, алгоритмы на графах и гиперграфах. Обходы и поиск по сети. Поиск кратчайших путей. Определение остовных деревьев. Алгоритмы маршрутизации: алгоритмы «кратчайшего пути» Дейкстры, Беллмана-Форда, «связующее дерево»; маршрутизация при групповой адресации. Передача информации. Сбор и распределение информации. Анализ протокола множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов. Контроль ошибок. Коды для контроля ошибок. Математические основы криптографии и принципов сжатия информации.
Организация информационных процессов в сетях. Системы управления потоками в информационных сетях. Мониторинг и анализ информационных сетей. Борьба с перегрузками и управление потоком в сети; метод коррекции окна при задержке, метод коррекции окна по потерям, эффективность протоколов при наличии ошибок. Модели и анализ информационной сети, построенной на базе очередей: виды очередей (с дисциплиной FIFO, с перерывами и др.), имитационное моделирование.
1.6.3. Темы для самостоятельного изучения.
№ п/п
|
Наименование раздела дисциплины
|
Тема
|
Кол-во часов
|
Форма самостоят. работы
|
Форма контроля выполнения самостоятельной работы
|
1
|
Базовые понятия архитектуры компьютерных сетей
|
Типология компьютерных сетей и их многоуровневая архитектура. Сквозные услуги в сети
|
2
|
вопросы для самостоятельного изучения
|
ответы на вопросы на зачете
|
2
|
Принципы организации, технологии и протоколы
|
2
|
3
|
Уровень представления информации
|
4
|
4
|
Топология, структуры и потоки в информационных сетях
|
Графы, гиперграфы, алгоритмы на графах и гиперграфах
|
2
|
вопросы для самостоятельного изучения
|
ответы на вопросы на зачете
|
5
|
Обходы и поиск по сети. Поиск кратчайших путей. Определение остовных деревьев
|
2
|
6
|
7
|
Алгоритмы маршрутизации: алгоритмы «кратчайшего пути» Дейкстры, Беллмана-Форда, «связующее дерево»; маршрутизация при групповой адресации.
|
4
|
8
|
9
|
Передача информации. Сбор и распределение информации.
|
2
|
Анализ протокола множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов. Контроль ошибок. Коды для контроля ошибок.
|
2
|
Математические основы криптографии и принципов сжатия информации.
|
4
|
10
|
Организация информационных процессов в сетях.
|
Системы управления потоками в информационных сетях. Мониторинг и анализ информационных сетей
|
2
|
вопросы для самостоятельного изучения
|
ответы на вопросы на зачете
|
11
|
Борьба с перегрузками и управление потоком в сети; метод коррекции окна при задержке, метод коррекции окна по потерям, эффективность протоколов при наличии ошибок.
|
4
|
12
|
Модели и анализ информационной сети, построенной на базе очередей: виды очередей (с дисциплиной FIFO, с перерывами и др.), имитационное моделирование.
|
2
|
Методические рекомендации по организации изучения дисциплины.
Тематика и планы аудиторной работы студентов по изученному материалу (планы последовательного проведения занятий: ПР, СМ, ЛБ).
Семинар №1. Каналы передачи данных в сетях
План:
Проводные и беспроводные каналы связи. Носители сигналов и их характеристики.
Аналоговые каналы передачи данных. Спектр сигналов. Виды модуляции.
Цифровые каналы передачи данных.
Спутниковые каналы передачи данных.
Семинар №2. Криптография
План:
Основные задачи криптографии.
Модель криптографической системы.
Формальная модель криптографической системы и классификация шифров.
Симметричные системы шифрования.
Ассиметричные криптографические системы.
Способы увеличения стойкости шифров.
Семинар №3. Организация информационных процессов в сетях.
План:
Классификация информационных процессов.
Технические и программные средства реализации информационных процессов.
Организация цикличных информационных процессов.
Имитационное моделирование информационных процессов в сетях.
Математическое моделирование информационных процессов в сетях.
Практическое занятие №1. Симметричные системы шифрования и ассиметричные криптографические системы
План:
Шифры перестановки.
Шифры замены.
Гаммирование.
Криптосистема RSA.
Лабораторная работа №1.
План:
Работа с учебной локальной вычислительной сетью МГПУ и сетью Интернет.
Определение конфигурации сети.
Решение задач (на нахождение времени, затрачиваемого на передачу информации между двумя рабочими станциями; на нахождение максимального времени, требуемого на передачу кадра и т.п.) с использованием табличного процессора.
Лабораторная работа №2.
План:
Решение задач (на построение различных форм представления графов, построение остовов и базис-циклов неорентированных графов и т.п.) с использованием текстового/табличного процессора и специализированных (расчетно-)графических приложений.
Лабораторная работа №3.
План:
Решение задач (на нахождение обратного и дополнительного кодов чисел, на исправление ошибки в передаваемой информации, на определение кода Хемминга для кодовой комбинации, на определение контрольных кодов чисел и т.п.) с использованием текстового/табличного процессора.
Работа с программами-архиваторами и определение оптимального метода сжатия для различных видов информации.
Лабораторная работа №4.
План:
Решение задач по расчету временных параметров сетевого графика.
Построение сетевого графика и распределение ресурсов.
Минимизация сети.
Задания для самостоятельной работы:
Продемонстрировать работу различных алгоритмов маршрутизации на предложенных моделях компьютерной сети.
Оценить необходимую память для организации хранения иерархической системы имен Интернет.
Продемонстрировать на примерах работу кодов контроля ошибок: циклический код.
Продемонстрировать на примерах работу кодов контроля ошибок: сверточный код.
Написать собственные программы реализации изученных алгоритмов на графах: обходы и поиск по сети.
Написать собственные программы реализации изученных алгоритмов на графах: поиск кратчайших путей.
Написать собственные программы реализации изученных алгоритмов на графах: определение остовных деревьев.
Привести примеры криптографических алгоритмов, включая их компьютерную реализацию.
Привести примеры алгоритмов сжатия данных, включая их компьютерную реализацию.
Привести математические модели борьбы с перегрузками и управления потоком в сетях.
Учебно-методическое обеспечение дисциплины.
Рекомендуемая литература:
Анкудинов Г.И., Стрижаченко А.И. Сети ЭВМ и телекоммуникации. Архитектура и протоколы: Учебное пособие. - СПб.: СЗТУ, 2001. - 92 c.
Анкудинов Г.И., Стрижаченко А.И. Сети ЭВМ и телекоммуникации. Архитектура и сетевые технологии: Учебное пособие. - СПб.: Изд-во СЗТУ, 2006. - 180 с.
Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. - Питер, 2002. – 688 с.
Гайсина Л.Ф. Сети ЭВМ и телекоммуникации: Учебное пособие. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. - 160 с.
Лидский Э.А. Задачи трафика в сетях связи: Учебное пособие. - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. - 202 с.
Математические основы безопасности компьютерных сетей. Программа дисциплины. - М.: МГУ, 2004.
Месарович М., Такахара Я. Общая теория систем: математические основы. – М.: Мир, 1978.
Погонин В.А., Путин С.Б., Третьяков А.А., Шиганцов В.А. Сети и системы телекоммуникаций: Учебное пособие. - Москва. Издательство "Машиностроение", 2005. - 172 с.
Уолрэнд Д. Телекоммуникационные и компьютерные сети. Учебник. - Москва, 2001. – 476 с.
Халбери С. Принципы маршрутизации в Internet: 2-е изд. - Диалектика, 2001. – 448 с.
Харитонова Е.В. Графы и сети: Учебное пособие. - Ульяновск: УлГТУ, 2006. - 92 с.
Шиндер Д. Основы компьютерных сетей. - Диалектика, 2002. – 304 с.
Березин С. Интернет у вас дома: 2-е изд. - СПб.: BHV-СПб, 2000. – 735 с.
Биячуев Т.А. Безопасность корпоративных сетей. Учебное пособие / под ред. Л.Г.Осовецкого - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2004. - 161 с.
Громов Ю.Ю., Земской Н.А., Иванова О.Г., Лагутин А.В., Тютюнник В.М. Фрактальный анализ и процессы в компьютерных сетях. Учебное пособие. - Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2004. - 108 с.
Игнатов В.А. Теория информации и передачи сигналов: Учебник для вузов. – М.: Сов. Радио, 1979.
Колмогоров А.Н. Теория информации и теория алгоритмов. – М.: Наука, 1987.
Крылов Ю.Д. Вычислительные сети: Учебное пособие. - СПб.: ГУАП, 2006. - 124 с.
Ляш О. И., Королева Н. Ю. Сетевые технологии: основы построения: учеб.-метод. пособие : Ч. 1 - Федер. агентство по образованию, Мурм. гос. пед. ун-т. - Мурманск: МГПУ, 2010
Мак-Квери С. Передача голосовых данных по сетям Cisco Frame Relay, ATM и IP. – Диалектика, 2002. – 512 с.
Олифер В.Г. Новые технологии и оборудование IP-сетей. – СПб.: BHV-СПб, 2001. – 512 с.
Олифер Н.А. Сетевые операционные системы. Учебник. – СПб.: Питер, 2001. – 544 с.
Пасечников И.И. Методология анализа и синтеза предельно нагруженных информационных сетей. - М.: Изд-во "Машиностроение", 2004. - 216 с.
Рудалев В.Г., Артемова Л.Ф. Разработка Internet-приложений: Учебно-методическое пособие. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 2003. - 31 с.
Финогеев А.Г., Бождай А.С. Сетевые технологии. 3 часть. Углубленный уровень подготовки: Учебное пособие. - Пенза: Пенз. гос. ун-т, 2003. - 114 с.
ЭБС "Университетская библиотека on-line"
Ибе О. Компьютерные сети и службы удаленного доступа - М.: ДМК Пресс, 2007
Василенко О.Н. Теоретико-числовые алгоритмы в криптографии (2-е издание, дополненное) – М.: МЦНМО, 2006
Виро О. Я. Элементарная топология – М.: МЦНМО, 2010
Максим М. Безопасность беспроводных сетей – М.: ДМК Пресс, 2008
Математические вопросы кибернетики. Сборник статей. Том 12 – М.: Физматлит, 2011
Салимов Р.В. Математика для инженеров и технологов – М.: Физматлит, 2009
Страшун Ю.П. Основы сетевых технологий для автоматизации и управления. Учебное пособие – М: Московский государственный горный университет, 2003
Сычев Ю. Н. Основы информационной безопасности: учебно-практическое пособие - М.: Евразийский открытый институт, 2010
Хохлова Н. М. Информационные технологии. Телекоммуникации. Конспект лекций. Учебное пособие – М.: А-Приор, 2009
Чекмарев Ю. В. Локальные вычислительные сети 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ДМК Пресс, 2009
Щербаков А. Современная компьютерная безопасность. Теоретические основы. Практические аспекты: учебное пособие – М.: Книжный мир, 2009
Олифер В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы : учебнное пособие – СПб. : Питер, 2011
Таненбаум Э. С. Компьютерные сети. 4-е изд. — СПб.: Питер, 2010
Материально-техническое обеспечение дисциплины
Перечень используемых технических средств: компьютерные классы, персональные компьютеры IBM PC, различные технические и аудивизуальные средства обучения, офисные приложения, специализированные бесплатные расчетнографические программы, интегрированные программированные среды.
Перечень используемых пособий — нет.
Перечень видео- и аудиоматериалов программного обеспечения — нет.
Примерные зачетные тестовые задания – нет.
Примерный перечень вопросов к зачету:
Типология компьютерных сетей и их многоуровневая архитектура.
Принципы организации, технологии и протоколы.
Уровень представления информации (формирование, измерение, преобразование, хранение, обработка и передача информации в сети).
Графы, гиперграфы, алгоритмы на графах и гиперграфах.
Обходы и поиск по сети.
Поиск кратчайших путей.
Определение остовных деревьев.
Алгоритмы маршрутизации: маршрутизация при групповой адресации.
Передача информации. Сбор и распределение информации.
Анализ протокола множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов.
Контроль ошибок. Коды для контроля ошибок.
Математические основы криптографии и принципов сжатия информации.
Системы управления потоками в информационных сетях. Мониторинг и анализ информационных сетей.
Борьба с перегрузками и управление потоком в сети: метод коррекции окна по задержке, метод коррекции окна по потерям, эффективность протоколов при наличии ошибок.
Модели и анализ информационной сети, построенной на базе очередей: виды очередей (с дисциплиной FIFO, с прерываниями и др.), имитационное моделирование.
Комплект экзаменационных билетов (утвержденный зав. кафедрой до начала сессии) – не предусмотрено.
Примерная тематика рефератов – нет.
Примерная тематика курсовых работ – нет.
Примерная тематика квалификационных (дипломных) работ – нет.
Методика(и) исследования (если есть) – нет.
Бально-рейтинговая система, используемая преподавателем для оценивания знаний студентов по данной дисциплине – нет.
|
