МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Факультет компьютерных наук и информационных технологий
УТВЕРЖДАЮ
___________________________
"__" __________________20__ г.
Рабочая программа дисциплины
Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей
Направление подготовки
010500 – Математическое обеспечение и администрирование
информационных систем
Профиль подготовки
Параллельное программирование
Квалификация выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов,
2011
1. Цели освоения дисциплины
Целью дисциплины «Архитектура вычислительных систем и
компьютерных сетей» является формирование общекультурных и
профессиональных компетенций в области построения и организации
вычислительных систем, комплексов и сетей. Для достижения этой цели в
процессе освоения дисциплины рассматриваются теоретические основы
взаимодействия компьютерных систем, стандарты и протоколы локальных и
глобальных сетей, сетевые технологии.
Дисциплина «Архитектура вычислительных систем и компьютерных
сетей» рассчитана на один семестр и направлена на решение следующих задач:
 освоение базовых принципов организации и функционирования
компьютерных и телекоммуникационных систем различного
назначения;
 приобретение знаний для построения, настройки и администрирования
компьютерных систем и сетей.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Данная учебная дисциплина входит в раздел «Профессиональный цикл.
Базовая часть» ФГОС-3.
Для изучения дисциплины необходимы компетенции, сформированные в
результате освоения дисциплин ООП подготовки бакалавра данного
направления «Информатика и программирование», «Дискретная математика».
Дисциплина «Архитектура вычислительных систем и компьютерных
сетей» является основой для изучения дисциплин «Технология разработки
программного обеспечения», «Теоретические основы параллельного
программирования», «Системы реального времени», «Системы искусственного
интеллекта».
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины
Данная
дисциплина
способствует
формированию
следующих
компетенций, предусмотренных ФГОС-3 по направлению подготовки ВПО
010500 – Математическое обеспечение и администрирование информационных
систем:
1) общекультурные компетенции (ОК):
 способность применять знания на практике (ОК-5);
 способность адаптироваться к новым ситуациям (ОК-8);
 способность понимать сущность и значение информации в развитии
современного информационного общества, сознавать опасности и угрозы,
возникающие в этом процессе; соблюдение основных требований
информационной безопасности, в том числе защиты государственной тайны
(ОК-11);
2
 базовые знания в различных областях (ОК-13);
2) профессиональные компетенции (ПК):
должен демонстрировать:
 определение общих форм, закономерностей, инструментальных средств для
данной дисциплины (ПК-1);
 умение понять поставленную задачу (ПК-2);
 умение формулировать результат (ПК-3);
 умение грамотно пользоваться языком предметной области (ПК-7);
 знание содержания, основных этапов и тенденции развития
программирования, математического обеспечения и информационных
технологий (ПК-21);
 знание
направления
развития
компьютеров
с
традиционной
(нетрадиционной) архитектурой; тенденции развития функций и архитектур
проблемно-ориентированных программных систем и комплексов (ПК-25);
 навыки выбора архитектуры и комплексирования современных
компьютеров, систем, комплексов и сетей, системного администрирования
(ПК-35).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
 понятие архитектуры ЭВМ;
 принципы организации многопроцессорных и многомашинных
вычислительных систем;
 направления развития компьютеров с традиционной, параллельной и
нетрадиционной архитектурой;
 принципы построения сетей передачи данных;
 понятие протокола и уровневой модели описания и реализации
протоколов;
 основные протоколы физического и канального уровня (среда
передачи, Манчестерское кодирование, методы получения доступа к
среде);
 системы адресации в сетях;
 предназначение основных протоколов транспортного и прикладного
уровня;
 тенденции развития сетевых комплексов и информационных
технологий.
Уметь:
 формулировать технические требования с
выполняемых вычислительными системами,
рациональную архитектуру;
 определять
инструментальные
средства
производительности вычислительных систем;
учетом функций,
и обосновывать
для
оценки
3
 настраивать компьютер для работы в локальной сети и сети Интернет;
 создавать адресный план компьютерной сети.
Владеть:
 навыками выбора архитектуры и комплексирования современных
компьютеров, систем, комплексов и сетей;
 навыками системного администрирования.
4. Структура и содержание дисциплины (модуля)
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 часов.
4.1. Структура дисциплины
1. Основные понятия
архитектуры и
организации
вычислительных
систем.
2. Архитектурные
особенности и
организация
функционирования
вычислительных
систем различных
классов.
3. Основы построения
компьютерных
сетей.
4. Система адресации в
сетях.
5. Верхние уровни
эталонной модели
OSI.
6. Группа протоколов
TCP/IP.
Промежуточная
аттестация
ИТОГО
4
5-7
8
8
Контрольная работа №1.
4 8-12
14
8
Письменный отчет.
4 12-14
6
14 Письменный отчет.
4
2
14 Письменный отчет.
6
8
Неделя
семестра
4
Виды учебной
Формы текущего
работы, включая контроля успеваемости
самостоятельную (по неделям семестра)
работу студентов Формы промежуточной
аттестации (по
и трудоемкость (в
семестрам)
часах)
Лек. Прак. Сам.
1-4
12
8 Письменный отчет.
Семестр
№ Раздел дисциплины
п/п
14
4 15-16
Контрольная работа №2.
Зачет
4
48
60
4
4.2. Содержание дисциплины
Раздел 1. Основные понятия архитектуры и организации вычислительных
систем.
1.1. Архитектура вычислительных систем.
Понятие
архитектуры
и
организации
вычислительной
системы.
Многоуровневая организация. Понятие семантического разрыва между
уровнями. Организация аппаратных средств. Классическая структура
вычислительной системы с шинной организацией.
1.2. Архитектура системных плат.
Системные интерфейсы (ISA, EISA, VLB, PCI, PCI-Express). Сравнение и
характеристики. Базовая система ввода-вывода (BIOS).
1.3. Организация процессора.
Физическая и функциональная структура процессора Intel 80x86. Система
команд процессора, многотактное выполнение команд. Конвейер. Процессоры
CISC, RISC, VLIW.
1.4. Система прерываний.
Организация обработки прерываний. Выполнение прерываний в ЭВМ.
1.5. Организация памяти.
Иерархическая структура памяти. Организация оперативной памяти.
Согласование пропускных способностей процессора и памяти. Кэширование,
многоуровневые кэши. Когерентность, явная и неявная реализация
когерентности. Виртуальная память.
1.6. Организация системы ввода-вывода.
Назначение и основные требования к системе ввода-вывода. Архитектура
систем ввода-вывода. Способы выполнения операции передачи данных.
Особенности программно-управляемой передачи (PIO, Programmed InputOutput) и прямого доступа к памяти (DMA, Direct Memory Access).
Раздел 2. Архитектурные особенности и организация функционирования
вычислительных машин различных классов
2.1. Параллелизм. Основные понятия.
Конвейерность
и
параллелизм.
Эффективность.
Законы
Амдаля.
Классификация параллельных систем по Флинну. Основы метрической теории
вычислительных систем. Векторно-конвейерные, матричные, ассоциативные
процессоры.
2.2. Вычислительные системы класса MIMD.
Симметричные
мультипроцессорные
(SMP-системы).
Вычислительные
системы с массовой параллельной обработкой (MPP-системы). Гибридная
архитектура (NUMA). Кластерные архитектуры.
2.3. Надежность и отказоустойчивость многопроцессорных вычислительных
систем.
Понятия надежности и отказоустойчивости вычислительных систем. Методы
5
достижения устойчивой работы систем.
2.4. Производительность вычислительных систем.
Пиковая и реальная производительность. Способы измерения реальной
производительности. Методы оценки производительности.
Раздел 3. Основы построения компьютерных сетей
3.1. Типы сетей передачи информации.
Понятие канала связи. Передача данных по каналам связи, модемы. Типы сетей
передачи информации: сети с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов.
Классификация сетей: по размеру — локальные, муниципальные и
корпоративные, всемирные; по типу передачи — с коммутацией каналов и с
передачей пакетов; по роли отдельных узлов сети — одно-ранговые сети и сети
типа клиент-сервер.
3.2. Понятие протокола.
Протокол как систематизированное описание соглашений о взаимодействиях.
Уровневое описание протоколов. Семиуровневая эталонная модель
взаимодействия открытых систем (модель OSI). Функции каждого из уровней
эталонной модели OSI. Взаимодействие между уровнями.
3.3. Физический и канальный уровни.
Основные протоколы физического и канального уровней. Кодирование битов и
байтов электрическими, радио и оптическими сигналами. Среды передачи
данных, разновидности (коаксиальный кабель и витая пара, волоконнооптический кабель и т. п.).
3.4. Синхронная и асинхронная передача.
Понятие несущей частоты и теорема Котельникова. Манчестерское
кодирование как пример синхронной передачи с автоподстройкой частоты.
3.5. Методы доступа к среде передачи в протоколах канального уровня.
Протоколы со случайным и детерминированным доступом. Примеры
детерминированных протоколов: маркерное кольцо и шина (Token Ring и Token
Bus), двойная шина с распределенной очередью (DQDB — Distributed Queue
Dual Bus), FDDI (Fiber Optic Distributed Dual Interface). Протокол со случайным
доступом: Ethernet (CSMA/CD Carrier — Sense Multiple Access/Collision
Detection). MAC – адреса. Сетевые адаптеры.
3.6. Сетевые устройства.
Способы подключения узлов и топология сетей Ethernet. Физические
ограничения по размеру сети. Способы соединения сегментов сети:
повторители (Repeater), концентраторы (Hub), коммутаторы (Switch), шлюзы
(Gateway). Функционирование локальных вычислительных сетей (ЛВС). Поток
данных в локальной сети, использующей стандарты Ethernet. Общие задачи
глобальных сетей. Сетевые устройства, работающие на физическом, канальном
и сетевом уровнях модели OSI.
3.7. Топологии.
Определение понятия топология. Шинная топология, ее преимущества и
6
недостатки. Топология «звезда», ее преимущества и недостатки. Внешние
терминаторы, активные и пассивные концентраторы. Характеристики
топологии «расширенная звезда».
Раздел 4. Система адресации
4.1. Основы IP-адресации.
Понятие IP – адреса, его отличие от MAC – адреса. Присвоение каждой сети в
Интернет уникального адреса. Две составные части IP-адреса. Понятие классов
сетевых адресов. Зарезервированные сетевые IP-адреса. Понятие подсети и
адреса подсети.
4.2. Отображение физических адресов на IP-адреса.
Протокол преобразования адреса (Address Resolution Protocol, ARP) и
протокола обратного преобразования адреса (Revers Address Resolution Protocol,
RARP). ARP-запросы, ARP-таблицы, ARP-ответы и кадры ARP-запросов.
Обновление ARP-таблиц. RARP-серверы, RARP-запросы и кадры RARPответов.
4.3. Доменная система имен.
Иерархическая система доменных имен, области. Сервер имен. Понятие зоны
ответственности сервера, первичные и вторичные серверы имен. Отображение
символических имен на IP-адреса.
Раздел 5. Верхние уровни эталонной модели OSI
5.1. Уровень приложений, представлений, сеансовый и транспортный уровни
Уровень приложений. Уровень представлений. Сеансовый уровень.
Транспортный уровень. Применение управления потоком: соединение,
передача данных, разъединение. Процесс установления соединения с
одноранговой системой, метод скользящих окон для упреждающей передачи и
исправления ошибок, повтор передачи искаженных пакетов.
Раздел 6. Группа протоколов TCP/IP
6.1. Модель протокола TCP/IP.
Четыре уровня модели TCP/IP, их подобие уровням модели OSI. Обеспечение
обмена данными через произвольное количество взаимосвязанных сетей.
Номера портов. Открытое TCP-соединение с трехсторонним квитированием
(рукопожатием). Подтверждение и работа с окнами в протоколе TCP.
6.2. Сетевой уровень и маршрутизация.
Маршрутизация с использованием IP-адресов. Статические и динамические
маршруты. Маршрутизация с использованием метода вектора расстояния.
Маршрутизация с учетом состояния канала связи. Гибридная маршрутизация.
Сравнение процессов, используемых маршрутизаторами для актуализации
таблиц маршрутизации, проблем и их решений при обновлении информации в
маршрутизаторах после изменений в топологии сети.
6.3. Протоколы прикладных уровней.
Наиболее важные протоколы прикладных уровней сети Интернет, построенные
над протоколом TCP как базовым: передача файлов FTP (порт 21), электронная
7
почта SMTP (25), протокол работы с удаленным почтовым ящиком POP3 (110),
протокол удаленного терминала Telnet (23), протокол удаленного терминала с
защитой данных SSH (22), протокол передачи гипертекста HTTP (80).
5. Образовательные технологии
В учебном процессе при реализации компетентностного подхода
используются активные и интерактивные формы проведения занятий: сбор и
анализ информации, представление полученных результатов в форме отчетов,
использование мультимедийных презентаций, организация дискуссий и
обсуждений спорных вопросов.
В рамках курса предусмотрены встречи с представителями компаний,
специализирующихся на разработке программного обеспечения (в рамках
договора сотрудничества с факультетом КНиИТ).
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
1. Степанов А.Н. Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей.
— М. ; СПб. [и др.] : Питер, 2007.
2. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии,
протоколы. — М. ; СПб. [и др.] : Питер, 2008.
3. Гельбух С.С. Подготовка администраторов сегментов информационной
компьютерной сети Саратовского государственного университета. —
Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2007.
б) дополнительная литература:
1. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. — М. ;
СПб. [и др.] : Питер, 2008.
2. Таненбаум Э.С. Архитектура компьютера. — М. ; СПб. [и др.] : Питер, 2010.
3. Таненбаум Э.С. Компьютерные сети. — М. ; СПб. [и др.] : Питер, 2007.
4. Столлингс В. Компьютерные сети, протоколы и технологии Интернета. —
СПб. : БХВ-Петербург, 2005.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
1. Программа Dr Hardware 2009 или выше.
2. Программа Performance Test 7.0 или выше.
3. Ершова Н.Ю., Соловьев А.В. Организация вычислительных систем.
Интернет-Университет Информационных Технологий. — 2006.
http://www.intuit.ru/department/hardware/csorg/.
4. Богданов А.В., Станкова Е.Н., Мареев В.В., Корхов В.В. Архитектуры и
топологии многопроцессорных вычислительных систем. ИнтернетУниверситет Информационных Технологий. — 2004.
http://www.intuit.ru/department/hardware/atmcs/.
5. Веб-сайты Центра Информационных Технологий. — 2011.
http://citforum.ru/hardware/arch/, http://citforum.ru/nets/.
8
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Компьютерное и проекционное оборудование для чтения лекций с
использованием слайд – демонстраций.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с
учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению «010500
Математическое обеспечение и администрирование информационных систем»
и профилю подготовки «Параллельное программирование».
Автор:
доцент кафедры
информатики и программирования
___________ К. П. Вахлаева
Программа одобрена на заседании кафедры информатики и программирования
от «14» февраля 2011 года, протокол № 9.
Заведующий кафедрой
информатики и программирования,
доцент
___________ А. Г. Федорова
Декан факультета КНиИТ,
доцент
___________ А. Г. Федорова
9