Вычислительные системы и компьютерные сети

Бакалавриат 2020/2021

Статус: Курс обязательный (Информатика и вычислительная техника)

Направление: 09.03.01. Информатика и вычислительная техника

Кто читает: Департамент компьютерной инженерии

Где читается: Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Когда читается: 3-й курс, 1, 2 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Зунин Владимир Викторович, Иванова Елена Михайловна, Козлов Александр Борисович, Некрасов Глеб Александрович, Сорокин Игорь Михайлович

Язык: русский

Кредиты: 4

Контактные часы: 76

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Настоящая дисциплина состоит из двух частей, изучаемых последовательно в двух модулях. Часть «Вычислительные системы» знакомит с принципами построения и функционирования основных архитектурных блоков компьютера. На примере решения практических задач различной вычислительной сложности вы научитесь анализировать модели многоуровневой архитектуры компьютера и выбирать оптимальную конфигурацию. Навыки профессиональной оценки современных тенденций построения ПК/ноутбуков/планшетов/смартфонов помогут спроектировать собственную вычислительную систему с применением технологий повышения производительности на программном и аппаратном уровне. Выполнение индивидуальных заданий даст вам возможность на собственном опыте выявить отличия процессорных ядер (CPU/GPU), оценить их достоинства и недостатки, что будет полезно при создании собственных программно-аппаратных проектов любой сложности. В части «Компьютерные сети» рассматриваются основные понятия и принципы функционирования компьютерных сетей, а также работа основных протоколов стека TCP/IP. Рассматриваемый материал является основой для глубокого погружения в вопросы, связанные с организацией сетевых взаимодействий в информационных системах, проектированием и администрированием компьютерных сетей предприятий.

Цель освоения дисциплины

Дать студентам представление о принципах построения, функционирования и использования современных вычислительных систем и сетей.
Привить студентам навыки исследовательской работы, предполагающей самостоятельное изучение рабочей документации, специфических инструментов и программных средств,позволяющих смоделировать работу процессора или его частей.
Формирование у студентов понимания важности применения и развития компьютерных сетей в современных технологиях как объективной закономерности информационного общества, а также дать студентам базовые знания для дальнейшего изучения сетевых технологий и ознакомить студентов с основными принципами функционирования сетей и систем телекоммуникаций.

Планируемые результаты обучения

Сравнивает две любые ВС по их технико-эксплуатационным характеристикам, анализирует тип архитектуры процессора, может рассчитать пиковую производительность ЦП/ВС.
Анализирует различия архитектуры ВС и процессоров на примере CISC и RISC.
Оценивает особенности организации ВС на микроархитектурном уровне и порядок выполнения вычислений процессором
Знает основные понятия, связанные с моделью взаимодействия систем по сети и связи между ними
Знает какие среды передачи данных используются в современных сетях и их характеристики. Умеет обжимать кабель витая пара категории 5е.
Владеет знаниями о технологиях семейства Ethernet. Умеет анализировать структуру и содержимое кадров технологии Ethernet
Владеет знаниями о протоколах сетевого уровня модели OSI.Умеет рассчитывать IP-адреса узлов и сетей. Умеет работать с таблицей маршрутизации.
Владеет знаниями о протоколах транспортного уровня модели OSI.Умеет работать с таблицей соединений/сокетов
Владеет знаниями о протоколах прикладного уровня модели OSI. Владеет базовыми умениями по настройке основных сетевых сервисов
Владеет знаниями о технологии NAT, знает названия и функции организаций, связанных с управлением в Интернет. Знает разницу между LAN, MAN и WAN сетями.

Содержание учебной дисциплины

Введение
План аудиторных и самостоятельных занятий на 1 и 2 модуль изучения дисциплины, темы лекций, семинаров, распределение заданий на практические работы, порядок проведения текущего и итогового контроля, особенности оценивания выполненных заданий, краткий обзор литературы, порядок работы с сайтом дисциплины в LMS, способ связи с преподавателями.
Понятие ВС, технико-эксплуатационные характеристики ВС
Определение понятия вычислительной системы (ВС), сравнение понятий ЭВМ/компьютер и ВС, исторические предпосылки создания ВС, основные технические параметры вычислительной системы (производительность, отношение производительности к стоимости, ёмкость памяти и др.), единицы измерения этих характеристик и особенности таких измерений для сложных ВС по сравнению с более простыми ЭВМ.
Понятие архитектуры ВС и КС и его составляющих
История возникновения термина «архитектура», определение понятия «архитектура», функциональная и структурная организация ВС, многоуровневая архитектура ВС и КС, классы архитектур ВС, особенности архитектуры компьютера на каждом уровне: физическом, логическом, микроархитектуры, системы команд, программного обеспечения, порядок работы ВС; порядок взаимодействия задач в многоядерной/многопроцессорной архитектуре через общую ОП с применением механизма Кэш-согласования.
Организация ВС на микроархитектурном уровне
Особенности организации и функционирования микросхем памяти, процессора, УВВ, принципы взаимодействия устройств ВС, распараллеливания вычислений, технологии повышения эффективности отдельных устройств и ВС в целом.
Введение. Основы сетевых взаимодействий
Понятие компьютерной сети; назначение компьютерной сети; компьютерная сеть как граф; система связи; модель OSI; интерфейс и протокол; стек протоколов TCP/IP.
Физические аспекты передачи данных
Физические среды передачи данных, их основные свойства и характеристики; основные модуляции сигналов; физические и логические топологии компьютерных сетей.
Основы коммутации
Типы вещания в сетях; коммутация каналов и коммутация пакетов; общие сведения о семействе технологий Ethernet; принцип работы мостов и коммутаторов Ethernet.
Основы маршрутизации
Протоколы сетевого уровня модели OSI и их назначение; протокол IP; формат и основные поля пакета IPv4, формат и основные поля пакета IPv6; маршрутизация, принципы маршрутизации в IP, обнаружение соседей в IPv4 и IPv6.
Основы транспортного уровня OSI
Процесс работы приложения с сетью; понятие сокета; протокол TCP, его свойства; структура заголовка сегмента TCP; установление и окончание TCP-соединения; протокол UDP, его свойства; структура заголовка сегмента UDP.
Основы прикладного уровня OSI
Основные протоколы прикладного уровня и решаемые ими задачи; протокол DNS; протокол DHCP; протоколы Telnet и SSH, протокол HTTP, протокол FTP, протоколы SMTP, POP, IMAP.
Интернет
Исчерпание адресов IPv4; NAT; port-forwarding; LAN, MAN, WAN; Интернет и его сервисы; устройство Интернет и контролирующие организации.
Основы безопасности сетей и передачи данных
Основные понятия информационной безопасности; руководящие принципы защиты сетевого оборудования; руководящие принципы защиты сетей; основные средства сетевой защиты.

Элементы контроля

Ответы на семинаре
Устный ответ на вопрос, сформулированный преподавателем, по материалам лекций/учебных пособий/основной и дополнительной литературы. Оценивается в присутствии студента по десятибалльной шкале.
Защита практических работ по разделу "Вычислительные системы"
Написание отчёта о проделанной работе по шаблону оговоренному в методических пособиях. Устная беседа с преподавателем с ответом на вопросы из методических пособий. Оценивается в присутствии студента по десятибалльной шкале.
Выполнение тестов по разделу "Вычислительные системы"
Проверка внимательности на лекциях, знания изученного материала. Оценивается заочно по десятибалльной шкале.
Экзамен
Письменный экзамен 4 ак.часа (по 2 ак.часа = 1 пара - на каждую часть дисциплины").

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (2 модуль)
0.15 * Выполнение тестов по разделу "Вычислительные системы" + 0.25 * Защита практических работ по разделу "Вычислительные системы" + 0.1 * Ответы на семинаре + 0.5 * Экзамен

Программа дисциплины