Curs 2015-2016

Simulació de Xarxes i Sistemes

Titulació: Codi: Tipus:
Grau en Enginyeria Informàtica 22627 Optativa
Grau en Enginyeria Telemàtica 21733 Obligatòria 3r curs
Grau en Enginyeria en Sistemes Audiovisuals 22655 Optativa

 

Crèdits ECTS: 4 Dedicació: 100 hores Trimestre: 1r

 

Departament: Dept. de Tecnologies de la Informació i les Comunicacions
Coordinador: Dolors Sala
Professorat:

Dolors Sala

Idioma:

Teoria en anglès, seminaris i laboratori en català, materials en Anglès i Català.

Horari:
Campus: Campus de la Comunicació - Poblenou

 

Presentació de l'assignatura

Aquesta assignatura es centra en la metodologia de modelatge i simulació per tal de poder realitzar estudis d’un sistema o xarxa i aprendre sobre el seu comportament abans de construir-lo. Aquests estudis són molt utilitzats a la industria com eina d’avaluació d’un nou sistema abans d’instaurar-lo i per tant per reduir el risc i orientar les seves inversions abans de fer-les. Per això és molt important que les simulacions estiguin dissenyades amb els processos adequats per produir resultats vàlids i acurats segons necessiti el sistema a avaluar. Les simulacions poden ser programes fets a mida o utilitzant paquets de simulació pre-establerts. Les àrees on la simulació és molt comú existeixen paquets de simulació que redueix el temps d’avaluació d’un sistema perquè pot utilitzar mòduls ja dissenyats en el paquet. Però això implica la majoria de vegades anàlisis que avaluen sistemes existents i cal modificar per prestacions addicionals. Així doncs l’assignatura aborda les dues vessants de programes específics i paquets de simulació enfocats a les xarxes telemàtiques (ns2). També s’inclou l’estudi de teoria de cues que proporciona resultats teòrics a utilitzar com a referència de resultats puntuals de les simulacions i per tan poder validar almenys punts de partida de la simulació i augmentar la credibilitat dels resultats. 

 

Prerequisits

Es necessari que l’estudiant tingui coneixements de programació bàsica; compilació, execució, editar programes, etc.

L’assignatura no pressuposa coneixements sofisticats de xarxes, però la majoria d’exemples utilitzats són de xarxes. Així doncs, coneixements bàsics de xarxes, encara que no es necessari, és recomanable perquè ajudarà a tenir més fluïdesa en els exemples i saber interpretar millor els resultats. Així doncs és recomanable que l’estudiant d’aquesta assignatura hagi cursat les següents assignatures:

Els conceptes analitzats en aquesta assignatura seran d’utilitat per al raonament de problemes tant en la indústria com en els cursos posteriors de la carrera universitària.

 

Competències

Objectius d’aprenentatge

En aquesta assignatura es pretén que els estudiants entenguin la metodologia de modelatge i simulació de sistemes i la sàpiguen aplicar elaborant els seus propis programes de simulació  o fent us de paquets de simulació. Aquesta metodologia s’aprèn majoritàriament sobre casos de disseny de protocols i dimensionat de xarxes.

L’estudiant també elaborarà i utilitzarà càlculs analítics amb diferent eines que li permetran validar els resultats de les seves simulacions amb resultats teòrics.

Les competències que s’assoleixen en aquesta assignatura són:  

Competències Específiques       

C1

Saber analitzar un sistema (o xarxa) real al nivell de detall adequat per definir el model necessari per l’estudi del funcionament o eficiència d’una part concreta del sistema

C2

Conèixer els processos necessaris per la simulació de sistemes de telecomunicació

C3

Entendre el funcionament de la simulació orientada en temps i simulació orientada en events i saber aplicar-les correctament en el cas que toca

C4

Saber analitzar i utilitzar el paquet de simulació ns2 (a nivell de tcl)

C5

Entendre els processos aleatoris involucrats en un sistema i saber-los definir i implementar adequadament en una simulació

C6

Saber dissenyar programes de simulació amb llenguatges d’alt Nivell (c) i amb paquets de simulació (ns2)

C7

Saber analitzar la precisió i exactitud de les simulacions realitzades per produir resultats estadísticament correctes

C8

Saber definir una simulació per l’estudi quantitatiu i qualitatiu de les propietats del sistema que modela

C9

Conèixer les mètriques involucrades en l’estudi d’eficiència i dimensionat de protocols i xarxes i saber-les aplicar

 

Competències Transversals

Instrumentals

C10

Capacitat d’abstracció

C11

Capacitat d'anàlisi i síntesi

C12

Capacitat per aplicar els coneixements a l'anàlisi de situacions i la resolució de problemes

Interpersonal

C13

Capacitat de treballar en equip

Sistemàtica

C14

Iniciativa

 

Avaluació

L’avaluació d’aquesta assignatura es farà continuada durant el transcurs del trimestre i també es farà una avaluació final de l’assignatura. Els mecanismes d’avaluació seran:

La nota final del curs es calcula de la següent forma:

Avaluació

 

 

M: Prova escrita de  mig trimestre

10%

No recuperable

F: Prova escrita final de trimestre (cal >= 4.0 per fer mitja)

35%

Recuperable al juliol

SP: Memòries seminari+pràctiques (5 memòries, totes valen igual i cada una per separat >= 4 ) (1)

55%

No recuperable

(1) Cal haver fet l’entrega del seminari abans de la corresponent sessió de pràctiques per poder comptar la nota de la pràctica. Cal que cada una de les 5 notes siguin més gran de 4 per fer mitja. Si les entregues son fora de termini es modela la nota segons càlcul indicat anteriorment.

 

 

Així la nota final es calcula: Nota final = 0.55 * SP + 0.1 * M + 0.35 * F on SP i F han de ser almenys 4.

IMPORTANT: El plagi de qualsevol contingut a les pràctiques o seminaris és motiu de suspens de l’assignatura i accions disciplinaries addicionals.

NOTA Avaluació extraordinària: Consisteix en una prova escrita al juliol. La màxima nota final que es pot assolir és un 6.5. Aquesta prova només pot recuperar la nota de la prova final del trimestre, fent mitja amb les altres notes com indica la taula sempre i quan aquesta sigui superior a 4.0.

Així la nota final de recuperació es calcula:

            Nota final = MIN( 6.5, 0.55 * SP + 0.1 * M + 0.35 * R) on R és la nota de la recuperació i SP i R han de ser almenys 4.

 

Continguts

Aquesta assignatura consta de 8 temes que es divideixen en 4 blocs de continguts:

Bloc de contingut 1. Principis de simulació de sistemes

Tema 1: Principis i conceptes de simulació discreta

Tema 2: Models bàsics de cues

Tema 3: Generadors de números aleatoris

Tema 4: Càrrega de sistema i funcions de distribució

Bloc de contingut 2. El simulador de xarxes Network Simulator 2 (ns-2)

Tema 5: Introducció al simulador de xarxes ns-2

Bloc de contingut 3. Principis de validació i interpretació de la simulació

Tema 6: Tècniques per la generació de resultats estadísticament correctes

Tema 7: Eines per la validació i explotació de la simulació

Bloc de contingut 4. Casos de simulació de sistemes de telefonia i de xarxes telemàtiques

Tema 8: Casos d’estudi: Simulació de xarxes

El primer bloc inclou la metodologia per construir models i simulacions que proporcionin resultats estadísticament correctes per tal de poder deduir conclusions sobre el seu comportament. Això inclou els models de simulació orientat a temps i a events, els conceptes teòrics de cues per obtenir aproximacions de resultats per validar la simulació, l’anàlisi del generador de números aleatoris, i la generació de funcions de distribució per construir els generadors de paquets i sèries temporals estocàstiques necessàries dins la simulació.

 

El segon bloc inclou l’aprenentatge del simulador de xarxes ns-2 que es fa servir com a eina de software subministrat per simulacions específiques en l’assignatura i es combina amb les simulacions específiques que construïm en c. Per tant aquest bloc té una sessió de descripció del paquet i la resta està integrat en els exemples i exposicions d’altres continguts.

 

El tercer bloc inclou els processos d’execució per obtenir resultats estadísticament correctes i els principis de validació i interpretació de resultats proporcionant tècniques de disseny de simulació que ajuden a la validació i credibilitat dels resultats. També inclou bones pràctiques de l’organització i presentació de resultats per ser interpretats.

 

El quart bloc inclou el contingut específic de xarxes de l’assignatura els quals estan integrats en part dels exemples dels blocs anteriors i es dedica un exemple final que aplica tots els continguts de l’assignatura amb un estudi complert d’una funcionalitat concreta de xarxes amb diferents possibles alternatives a valorar i la presa de decisions i presentació dels resultats que ho justifiquen.

 

Amb aquests continguts s’assoleixen els següents coneixements:

 

Conceptes

Simulació per temps i simulació per events

Assumptions document

 

 

Models de cues MM1, MD1, MMC

Fases d’una simulació (transitori i estable)

Llei dels grans nombres

Llei de little

Generador de números aleatoris i llavor

Interval de confiança

Mètriques d’anàlisi d’un sistema

Tipus de càrrega d’una simulació

Traces

Monitors

Histograma i corba de resultat

Scripts de simulació

Anàlisis de sensitivitat

Simulador NS2 (Llibreria i intèrpret de simulació, script, animació, mòduls de xarxa)

 

Procediments

Gestió d’events d’una simulació basada en events

Gestió del temps en una simulació basada en temps

Càlculs teòrics de teoria de cues i la seva comprovació mitjançant simulacions

Aproximació de conceptes de teoria de cues a sistemes de telefonia i dimensionament de xarxes

Generació de paquets seguint una funció de distribució

Terminació d’una simulació

Test d’hipòtesis

Mètode d’acceptació o rebuig

Establiment de procediments genèrics per a realitzar simulacions en ns2 usant mòduls proporcionats

Valoració de resultats mitjançant comparació

Generació de traces per la validació i estudi de la simulació

Generació de gràfiques per representar les mesures obtingudes de la simulació i interpretar resultats

Reproducció de resultats per la seva verificació

 

Actituds

Capacitat d’observació i abstracció de la realitat per modelar el rellevant i descartar els detalls innecessaris

Interès per la precisió i paciència per obtenir-la

Iniciativa per generar el propi software per fer les confirmacions que calgui

Decisió per aprendre un nou software que aporta les prestacions necessàries per modelar i simular sistemes, o manipular dades per generar corbes de resultats o per generar scripts per execucions massives

Organització i estructuració de repliques massives de dades similars

Iniciativa i creativitat per establir bons mecanismes de validació

Capacitat d’encadenar execució de diferents processos per aconseguir automatització de tots els processos involucrats en una simulació fins obtenir resultats interpretables

 

Metodologia

L’assignatura té com objectiu entendre i saber aplicar la metodologia de simulació de sistemes en general i aplicant-ho als casos de xarxes telemàtiques com a casos d’ús. L’objectiu és assolir un bon coneixement dels conceptes teòrics i saber-los aplicar a la pràctica. Per tant l’assignatura enfoca els seminaris i pràctiques a exemples pràctics dels conceptes teòrics amb la programació de programes fets a mida o utilitzant paquets de simulació de xarxes (ns2), i computació o visualització (matlab/octave, excel, ....).

Les activitats d’aprenentatge que integren la metodologia per al curs de Simulació de Xarxes i Sistemes són les següents:

Classes Magistrals de Teoria

En aquestes classes s’aborden els conceptes teòrics dels blocs de contingut de l’assignatura. Les classes magistrals consisteixen en sessions de dues hores de durada amb tots els estudiants en un únic grup de teoria T1.

El docent portarà a terme les explicacions dels continguts teòrics de l’assignatura, per a això es disposarà d’ordinador, projector i pissarra com material suport. S’empraran transparències adaptades a l’explicació dels continguts i que serviran de material de suport d’estudi per als estudiants juntament amb els apunts presos a classe i la bibliografia recomanada. Les transparències soles no es poden considerar el material d’estudi per l’assignatura.

Els conceptes analitzats en aquest tipus de sessions seran utilitzats a l’altre tipus d’activitats d’aprenentatge de l’assignatura, les sessions de pràctiques i seminaris.

 Sessions de Seminaris i Pràctiques

En aquestes sessions es posen a la pràctica els conceptes teòrics explicats a les sessions de teoria.

L’únic grup de teoria T1 defineix l’únic grup de pràctiques P11. El grup de pràctiques es divideix en subgrups preferentment de dues o tres persones per a la realització de les pràctiques. Els seminaris es divideixen en dos subgrups S111 i S112, i serviran per reforçar els coneixements teòrics i introduir les pràctiques i eines de simulació. Tan les sessions de seminaris com de pràctiques es fan al laboratori i tenen una durada de dos hores.

Les sessions de seminaris abordaran activitats prèvies de disseny o que requereixin d’un detall més fi i més interactivitat de l’estudiant al ser grups més reduïts. Les sessions de pràctiques abordaran tasques més intenses de programació i de treball més independent. Les dues sessions estaran guiades per enunciats que dirigeixen les activitats i aprenentatge de la sessió i que concreten els resultats de l’aprenentatge amb preguntes o entregues concretes que es tradueix en una entrega en cada sessió. Els enunciats poden ser separats o el mateix enunciat que serveix per les dues sessions. Les entregues de seminaris poden ser més conceptuals de comprensió mentre que les entregues de pràctiques poden ser més programes i resultats de programació. S’haurà d’entregar l’informe del seminari abans de la pràctica corresponent per assegurar que l’estudi previ s’hagi fet abans d’iniciar la pràctica. Els informes del seminari i de la corresponent pràctica s’avaluaran conjuntament (encara que siguin enunciats diferents) ja que formen una unitat d’aprenentatge. La puntuació de cada part s’indica ens els enunciats corresponents.

L’estructura dels continguts posats a la pràctica són:

 

Recursos

Bibliografia bàsica

Bibliografia complementària 

Material addicionals