Опыт преподавания курса «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» для специальности прикладная информатика в экономике

Благовещенский Александр Николаевич

к.т.н., доцент кафедры динамики процессов и управления

Казанский государственный технический университет,

ул. К.Маркса, 10, г. Казань, 420111, (843)236-62-83

anb@sb.tatarstan.ru

Благовещенский Павел Александрович

ассистент кафедры динамики процессов и управления,

Казанский государственный технический университет,

ул. К.Маркса, 10, г. Казань, 420111, (843)236-62-83

jetsoftware@mail.ru

Аннотация

Обсуждаются подходы к преподаванию курса «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» для студентов, обучающихся по специальности «Прикладная информатика в экономике» с квалификацией «информатик - экономист». Рассматриваются вопросы применения моделирующих структур в лабораторном практикуме по основам построения вычислительных машин, организации сетей на базе стека протоколов TCP/IP, как частного случая распределенной вычислительной системы.

Approaches to the course teaching «Computing systems, networks and telecommunications» for students trained on a speciality «Applied computer science in economy with qualification «the expert in computer science - the economist»» are discussed. The questions of application of modeling structures in a laboratory practical work on the bases of construction of computers, the organization of networks on the basis of a stack of protocols TCP/IP, as a special case of the distributed computing system are considered.

Ключевые слова

прикладная информатика, модульная структура курса, моделирующие структуры, виртуальные машины, дистанционное обучение.

Applied computer science, modular structure of the course, modeling structures, virtual machines, distant learning.

 

Введение

Как показывает практика последних лет, большую популярность, при поступлении в ВУЗ, имеет специальность «Прикладная информатика в экономике с квалификацией информатик - экономист». Действительно, выпускники с данной квалификацией позиционируются с одной стороны как IT-специалисты, а с другой стороны, они, в силу универсальности подготовки, заключающейся в приобретенных знаниях по экономическим вопросам, позиционируются как специалисты в сфере бизнеса. Это обстоятельство дает им преимущество при устройстве на работу как в IT подразделения, например, программистами, администраторами автоматизированных систем (АС), системными администраторами и т.п., так и в подразделения по соответствующему профилю деятельности предприятия (фирмы) – это инспекторы, бухгалтеры, операционные работники. В первом  случае  знания в области информационных технологий является определяющими, во втором – способствуют быстрой адаптации выпускника в бизнес-среде в условиях использования компьютерных систем. Кроме того, специалисты, имеющие квалификацию «информатик-экономист» могут быть приняты на работу в подразделения информационной и экономической безопасности, а также в службу финансового мониторинга. Следует отметить, что в настоящее время выпускники кафедры «Динамики процессов и управления» (ДПУ) успешно трудятся в банках города Казани, занимая ответственные должности как в IT-блоках, так и в бизнес-подразделениях. Учитывая вышеизложенное, вопросы преподавания дисциплин, связанных с изучением построения и эксплуатации вычислительных систем, должны быть представлены в практической плоскости с обеспечением доступности приобретения надлежащих знаний и навыков студентами экономических специальностей.

Организация преподавания дисциплины «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации»

Учебным планом подготовки по специальности «Прикладная информатика в экономике» предусматривается чтение курса «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации». Он состоит из двух циклов.  Первый цикл посвящен изучению классификации вычислительных систем различных классов, информационно-логических основ построения вычислительных машин, функциональной и структурной организации персонального компьютера, его системы команд и подсистемы прерываний. Во втором цикле рассматриваются вопросы организации компьютерных сетей на основе стека протоколов TCP/IP

Цель преподавания дисциплины - ознакомить студентов с основными понятиями, встречающимися при использовании вычислительных систем различных классов, основам построения вычислительных машин, а также организации сетей, как частного случая распределенной вычислительной системы, особое внимание уделяется изучению организации сетей, функционирующих на базе стека протоколов TCP/IP.

Задачи преподавания дисциплины - изучение типовых решений построения вычислительных систем с приобретением навыков управления компонентами системы, сетевых технологий, основ взаимодействия программных и аппаратных компонентов в условиях выполнения рекомендаций стандарта Open System Interconnection (OSI) (Взаимосвязь Открытых Систем), приобретение практических навыков при работе в сетевой среде, а также с сервисами стека протокола TCP/IP.

Курс имеет модульную структуру. Каждый модуль включает следующие компоненты:

1. Лекция; 2. Самостоятельное изучение материала студентами по лекционному материалу и/или методическому пособию; 3. Контроль знаний теоретического материала; 4. Получение студентами задания на выполнение практической части; 5. Лабораторный практикум (выполнение практической части и защита отчета).

Документальное оснащение модуля включает следующие материалы:

1. Методическое или справочное пособие; 2. Перечень контрольных вопросов, 3. Текст вариантов индивидуальных заданий, 4. Пример выполнения.

Первый цикл курса

Особенностью первого цикла курса является построение лабораторного практикума по изучению типовых решений построения вычислительных машин на основе моделирующих структур с использованием программного эмулятора микропроцессорной системы (на основе микропроцессора Intel 8086), функционирующего в операционной среде персонального компьютера

Инструментальной основой выполнения практических занятий в модулях первого цикла является применение табличного процессора Excel для моделирования типовых преобразований информации при изучении информационно-логических основ построения вычислительных машин и эмулятора микропроцессорной системы (ЭМПС), предназначенного для изучения типовых решений построения вычислительных систем и приобретения навыков управления компонентами системы.

Реализация лабораторного практикума первого цикла курса

Состав лабораторного практикума первого цикла:

1. Информационно-логические основы построения вычислительных машин [1, стр.63];

2. Функциональная и структурная организация персонального компьютера [1, стр.82];

3. Команды управления программой и организации подпрограмм в персональном компьютере [1, 2];

4. Организация прерываний в персональном компьютере [2].

 

Лабораторная работа №1 включает изучение теоретического материала по темам:

Практическая реализация заданий осуществляется в среде табличного процессора Excel путем  моделирования:

Рис.1

Рис.2

Лабораторная работа №2 включает изучение теоретического материала по темам:

Рис.3

Задание включает пункты по составлению линейной программы с использованием команд пересылки данных и практической отладки в среде ЭМПС (EMU8086) (Рис.4).

Рис.4

Лабораторная работа №3 включает изучение теоретического материала по теме:

Команды управления программой и организации подпрограмм в персональном компьютере: механизм выборки из программной памяти кодов команд линейной программы; команды безусловных (Рис.5) (и условных) переходов; команды организации подпрограмм;

Рис.5

Задание предусматривает разработку алгоритма и программы с использованием команд передачи управления (ветвлений), с оформлением повторяющихся процедур в виде подпрограммы.  Проверка работоспособности программы осуществляется  в среде ЭМПС (EMU8086).

Лабораторная работа №4 направлена на изучение организации прерываний в персональном компьютере (Рис.6).

Рис.6

По заданию студенты должны  разработать алгоритм и программу управления светофорами на перекрестке. Функционирование системы проверяется в среде ЭМПС (EMU8086) с использованием дополнительного программного модуля, эмулирующего обстановку на перекрестке (Рис.7).

Рис.7

Результаты лабораторного практикума первого цикла курса

В ходе лабораторного практикума первого цикла студенты приобретают знания и навыки низкоуровневого управления компонентами вычислительной системы, обеспечивающие более глубокое понимание процессов, положенных в основу построения сложных систем и, как частного случая, компьютерных сетей

Второй цикл курса

С ростом масштабов внедрения Интернет-технологий во все отрасли народного хозяйства возрастает потребность в квалифицированных кадрах, способных разрабатывать и эксплуатировать распределенные вычислительные системы и сложные программно-технические комплексы на основе сетевых решений.

Основные подходы при организации второго цикла курса

В настоящей работе представлен подход, включающий комплекс организационно-технологических и методических разработок, позволяющих студентам в относительно короткий срок овладеть основами TCP/IP с целью использования этих знаний в своей практической деятельности. Особенностью курса является построение лабораторного практикума по изучению сетевых технологий на основе моделирующих структур с использованием виртуальных машин (ВМ) [7] и программных средств моделирования локальных и глобальных сетей (ПСМЛиГС), функционирующих в операционной среде персонального компьютера.

Типовая модель сети, реализованная в среде ВМ (Рис.8). Рабочие станции реализованы на клонах XP1, XP2 и XP4. Функцию маршрутизатора выполняет клон XP3. Сегменты Ethernet-сетей LAN1 и LAN2 реализованы на виртуальных концентраторах.

Рис.8

На компьютерах учебного класса,  в среде ВМ, развернуты ЛВС. Организация учебного класса представлена на рисунке 9.

Рис.9

К дополнительным возможностям можно  отнести:

Реализация лабораторного практикума второго цикла курса

Инструментальной основой выполнения практических занятий в лабораторном практикуме второго цикла является применение технологии виртуальных машин (ВМ) в сочетании с применением программных анализаторов сетевых протоколов (АСП), а также ПО моделирования сетей (ПСМЛиГС).

Задача курса - изучение основ взаимодействия уровней модели OSI 

В состав второго цикла курса  входят следующие лабораторные работы (ЛР):

Рис.10

Инструментальной основой выполнения практических занятий в ЛР1, ЛР2, ЛР3, ЛР5, ЛР8 является применения технологии ВМ в сочетании с применением программных анализаторов сетевых протоколов (АСП). Возможность создания на единственном компьютере вполне работоспособной сети – это одно из важнейших достоинств технологии ВМ. В хостовой ОС устанавливаются гостевые ОС (клоны), которые объединяются в локальную вычислительную сеть (ЛВС). Причем связь с хост-системой по сетевым интерфейсам не устанавливается из соображений безопасности.

Каждый компьютер-клон является рабочей станцией, он снабжен сетевой картой с установленной поддержкой TCP/IP. Рабочие станции идентифицируются в сети с помощью MAC-адрес (на канальном уровне) и IP-адреса (на сетевом уровне). На одном из компьютеров устанавливаются две сетевых карты, каждая из которых подключена к соответствующему Ethernet-сегменту, кроме того, на нем активизируется служба «Маршрутизация». Таким образом, этот компьютер способен выполнять функции маршрутизатора при продвижении пакетов в составной сети.

Исследования в ЛР1 и ЛР2 осуществляются с применением стандартных приложений Ping и Tracert (Traceroute для UNIX), входящих в состав большинства ОС. Для анализа структур сегментов, пакетов и кадров на каждом компьютере запускается программный АСП. При этом обучаемые имеют возможность исследовать структуры IP-пакета и Ethernet-кадра на примере передачи ICMP-сообщений, произвести анализ процесса инкапсуляции сообщения в пакет, а пакета в кадр. Изучать функционирование протокола ARP, исследовать структуру ARP-запроса (ответа). Работать с диагностическими программами ping и tracert, исследовать структуру ICMP-сообщений.

 

Рис.11

Для проведения исследований в ЛР3 на компьютерах первой сети устанавливаются стандартные приложения Интернет, такие как TFTP (Trivial File Transfer Protocol) и FTP (File Transfer Protocol) соответственно. Обучаемые получают задания на исследование структуры сегментов UDP и TCP на примере передачи данных c использованием сервисов TFTP и FTP и анализ процесса инкапсуляции файлов в сегменты, сегментов в пакеты, пакетов в кадры, анализ работы протокола UDP, исследование режимов работы протокола TCP: трехэтапного установления связи, управление потоком, прерывания связи.

Рис.12

В ЛР5 при исследовании DNS на компьютере-маршрутизаторе разворачивается DNS-сервер, а на компьютере второй сети устанавливается стандартное приложение WWW-HTTP. Студенты получают задание на исследование структуры, компонентов и функционирования DNS. При этом эксперименты, выполняемые в ЛР1 – ЛР3, повторяются с использованием в запросах доменных имен ресурсов.

Рис.13

В ЛР8, при решении комплексной задачи, студенты имеют возможность смоделировать сетевой запрос в соответствии с вариантом задания и, с помощью программных АСП, получить детальную картину выполнения его составляющих на каждом интерфейсе любого узла сети.

Рис.14

Применение технологии ВМ для проведения экспериментов в ЛР4, ЛР6 и ЛР7 весьма затруднительно, так как задачи, решаемые в этих модулях, связаны с проектированием подсетей, анализом протоколов маршрутизации, решением вопросов снижения дефицита IP-адресов в Интернет. Это обстоятельство, в свою очередь, предъявляет высокие требования к ресурсам лабораторного оборудования (объем ОЗУ, быстродействие процессора и т.п.). Реализация одного клона ОС требует объема ОЗУ примерно 300 Мбайт. Для исследования протокола маршрутизации RIP, минимальная сеть должна состоять из 4 подсетей, в каждой из которых минимум по одной рабочей станции и одному шлюзу (типовая схема), потребует создания 12 клонов. Учитывая, что для функционирования самой хостовой ОС и программного обеспечения ВМ требуется около 0,5 Гбайт, общий объем ОЗУ будет превышать 4 Гбайта, что в большинстве случаев бывает экономически неприемлемо. Кроме того, работая на пределе объема ОЗУ, в ВМ включается автоматически режим создание копий фрагментов ОЗУ клонов на жестком диске (свопинг), что существенно снижает быстродействие системы в целом и создает дискомфорт в работе.

Рис.15

Исходя из вышеизложенного, было принято решение в качестве инструментальной основы выполнения практикума в ЛР4, ЛР6 и ЛР7 использовать средства моделирования сетей (ПСМЛиГС). Задача, решаемая в ЛР4, посвящена проектированию составной сети, состоящей из определенного количества подсетей с заданным количеством рабочих станций (хостов). Результат проектирования должен быть апробирован в среде моделирования и доказана работоспособность сети.

В ЛР6 решается задача исследования протокола маршрутизации RIP: производится анализ хода построения таблиц маршрутизации и процесса адаптации RIP-маршрутизаторов к изменениям состояния сети.

В ЛР7 исследуются две технологии: трансляция сетевых адресов (NAT) и динамическая конфигурация настроек хоста (DHCP). В результате настройки NAT студентам наглядно демонстрируется замена в IP-пакетах адресов, немаршрутизируемых в сети Интернет, адресом внешнего интерфейса пограничного маршрутизатора с отражением в таблице NAT входящих и исходящих пакетов. При настойке режима динамической установки IP-адресов на рабочих станциях и активизации сервера DHCP в сегменте сети, студенты могут убедиться в том, что IP адреса установлены и сеть работоспособна.

На рисунке 17, на примере изучения понятия «инкапсуляции», иллюстрируется связь между теоретическим материалом, изучаемым студентами и результатами исследований, проводимыми ими в лабораторном практикуме и отраженных в отчете.

Рис.17

Результаты лабораторного практикума второго цикла курса

Как следует из вышеизложенного, лабораторный практикум по TCP/IP охватывает основные технологии, используемые в сети Интернет, и создает базу для дальнейшего совершенствования знаний в сфере сетевых технологий, с использованием предложенных методик и изученного инструментария. Знания и навыки, полученные в ходе изучения настоящего курса, позволят студентам проводить самостоятельно экспериментов в сетях, что существенно повышает прочность знаний.

Выводы: второй цикл курса, включающий практикум по TCP/IP, охватывает основные технологии, используемые в сети Интернет, создает базу для дальнейшего совершенствования знаний в сфере сетевых технологий, в том числе для успешного освоения курса «Информационная безопасность», в части понимания процессов защиты сетевой инфраструктуры организации.

Методологические и технологические подходы по изучению взаимодействия компонентов вычислительных систем и функционирования сетей, освоенные в данном курсе, позволят выпускникам применять их в практической деятельности, строить дальнейший познавательный процесс, активно используя моделирующие структуры.

Заключение

Настоящий курс разработан на основе учебного плана при преподавании предмета «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» для студентов, обучаемых по специальности «Прикладная информатика в экономике» в Казанском государственном техническом университете им. Туполева А.Н. (КАИ). Материалы курса использованы при проведении занятий по повышению квалификации преподавателей и сотрудников университета, а также нашли применение при подготовки сотрудников служб информационной безопасности ряда организаций Республики Татарстан.

Литература

1.       Вычислительные системы, сети и телекоммуникации/ В.Л. Бройдо - СПб.: Питер, 2003. - 688 с.: ил.

2.       Григорьев В.Л. Программирование однокристальных микропроцессоров. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 288с.: ил.

3.       Райс Л. Эксперименты с локальными сетями микроЭВМ: Пер. с  англ. - М: МИР, 1990 - 286 с., ил.

4.       В.Г. Олифер, Н.А. Олифер Компьютерные сети: Принципы, технологии, протоколы. СПб.: Питер, 201, - 672 с.: ил.

5.       М. Ногл TCP/IP. Иллюстрированный учебник - М.: ДМК Пресс, 2001 - 480 с.: ил.

6.       Кульгин М. Практика построения компьютерных сетей. Для профессионалов. - СПб.: Питер, 2001. - 320с.: ил.

7.       Гультяев А.К. Виртуальные машины: несколько компьютеров в одном – СПб.: Питер, 2006. – 224 с.: ил.