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Aula 1 - Apresentao e Introduo

BC0506 - Comunicao e Redes

Elaborado inicialmente pelo Prof. Jess P.Mena-Chalco

Adaptado para o 1Q-2016 por Lucia Franco

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Apresentao

Professora:Lucia Franco (CMCC)

Formao:

- Engenheira Eletricista.- Mestre UNIFEIUniversidade Federal de Itajub/MG- Doutora em Engenharia da Automao Industrial/Eltrica pela Escola Politcnica da USP.

reas de pesquisa:- Automao, Redes de Automao (Fieldbus) e- Metodologias Educacionais.

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Roteiro da aula

I. Apresentao da disciplinaObjetivos e EmentaAvaliao e CronogramaBibliografia

II. IntroduoSistemas complexosRedes complexas

Classificaes de redes

III. Ferramentas computacionais (se houver tempo)R-project (caracterizao)

Gephi (visualizao) entre outras

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I. Apresentao da disciplina


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Objetivo Geral

Abordar Redes Complexasde maneira interdisciplinar,envolvendo:

- Conceitos,

- Aplicaes,- Relacionamentos,- Mtodos, e- Ferramentas.

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Objetivos especficos

Compreender os conceitos fundamentais de RedesComplexas, uma rea interdisciplinar que envolvedisciplinas como fsica, matemtica, engenharia,computao, biologia e sociologia.

Conhecer a teora dos grafos.

Conhecer os principais modelos de redes.

Conhecer aplicaes dos conceitos em redesdo mundoreal.

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Ementa

A) Conceitos:- Introduo.- Teoria dos grafos.

B) Modelos:- Grafos aleatrios.- Redes de mundo pequeno (small world).- Redes sem escala (scale-free).

C) Aplicaes:- Redes tecnolgicas e de informao: Internet e web.- Redes sociais e biolgicas.

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Avaliao

Atividades virtuais prazo at tera s 23:55hNota total se dentro do prazo

50% da nota se at uma semana de atraso.

Se problemas duradouros com rede da UFABC aprorrogao ser feita por tantos dias quanto a durao do problema.

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Avaliao

Presencial:20/04 !51 %Prova Substitutiva: 27/04 (s com justificativa legal)AtividadesVirtuais !49 %

Atribuio de conceitos:A:nota "8,5B:7 #nota < 8,5

C:5,5 #nota < 7D:5,0 #nota < 5,5F:nota < 5,0

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Cronograma de aulas (preliminar)

Modelos de redes Sistemas complexos

Redes Complexas

Redes no mundo realContedoRedes deComputadores

Princpios de comunicao dedados

Roteamento e o funcionamento daInternet

Algoritmos deroteamento

Tipos de algoritmos de roteamentoe clculos

Teoria dos grafos e

Algoritmos de busca

Conceitos e definies bsicas

Problema das pontes de

Knigsberg

Representao de grafos

Algoritmos de busca: largura,profundidade

Menor caminho

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Cronograma de aulas (preliminar)

Modelos de redes Distribuies de probabilidade

Grafos aleatrios6 graus de separaoRedes de mundo pequeno

Redes sem escala

Leis de Potncia

Redes Complexas

InternetWeb

Redes Complexas

Redes sociais

Redes biolgicas

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Bibliografia bsica

Redes complexas:

A. L. Barabasi.Linked: The New Science of Networks.Perseus Publishing. 2002.PT: Linked: A Nova Cincia dos networks:Como tudo est conectado a tudo e o que isso significa para os negciosrelaes sociais e cincia - 2009.

Grafos e algoritmos:T. H. Comen, C. E. Leiserson, R. L. Rivest, C. Stein.Introduction to Algorithms. The MIT Press. 3rd Edition. 2009.

PT: Introduo a algoritmos - 2009.

Redes de computadoresJ. F. Kurose, K. W. Ross. Computer Networking:A Top-Down Approach. Addison-Wesley. 5th Edition. 2010.PT: Redes de computadores e a internet 2010.

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II. Introduo


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Redes no mundo real

Existem diferentes formas de classificao (taxonomia).

Uma delas classifica as redes em 4 categorias:

Redes sociais

Redes de informao Redes tecnolgicas Redes biolgicas

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1) Redes sociais

Uma rede social um conjunto de pessoas ou grupos depessoas com algum padro de contato ou interao entreeles.

Exemplos:AmizadeProfissional

Relacionamentos comerciais entre empresasEtc.

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1) Redes sociais

Redes sociais online

Bastante popular atualmente.

Facebook

LinkedIn Twitter Whatsapp

Relaes explicitamente escolhidas e/ou aprovadas pelosparticipantes.

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2) Redes de informao

Redes de informao so tambm chamadas deredes de conhecimento porque uma informaofaz referncia outra, possibilitando navegar

entre as informaes.

Exemplo:Redes de citao de artigos (bibliografia).

Redes de pginas Web (hyperlinks).Redes de compartilhamento de arquivos (P2P).Etc.

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2) Redes de informao

Rede de citaes Web

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3) Redes tecnolgicas

Redes tecnolgicas foram construdas pelo ser humanopara a distribuio de algum servio, como eletricidadeou transmisso de dados.

Exemplos:InternetRedes de energia eltrica

Rede de telefoniaRede de distribuio postal (correios)Sistema de aeroportos

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Exemplo: Rede eltrica.Interconexo entre subsistemas de transmisso.Propagao de falhas podem causar apages.

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!

!

!

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AS

roteador

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!

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AS

roteador

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4) Redes biolgicas

Uma caracterstica principal envolver seres vivos, emespecial a dinmica dos organismos, desde a escalamolecular at a interao entre eles.

Exemplos:Redes de caminhos metablicosInteraes entre protenas

Regulao genticaRedes de neurniosRedes vascularesTeias alimentares

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4) Redes biolgicas

Caminhos metablicos:

Osvrtices so substnciasqumicas presentes nos

seres vivos.

Arestas indicam reaesqumicas entre as substncias.

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4) Redes biolgicas

Teias alimentares:

Vrtices representam espciesem um ecossistema.

Arestas direcionadas da espcieApara a espcie Bpodemindicar que a energia flui de

A para B(da presa para o predador).

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III. Ferramentas Computacionais

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Ferramentas computacionais

Existem vrias ferramentas computacionais disponveis livrementena internet.

Usaremos para algumas atividades as seguintes ferramentas:

R-project: O R uma linguagem e um ambientepara computao estatstica (http://cran.fiocruz.br/)

Gephi: uma ferramenta de visualizao interativa para redes

de sistemas complexos (https://gephi.org/)

Instale as duas ferramentas no seu computador!

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R-project: Usaremos o pacote igraph. Para instal-loexecute no R: install.packages("igraph")

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Gephi: 'Like Photoshop for graphs'

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Sistemas complexos

O que um sistema complexo?Existem vrias definies.

A maioria destaca:

- Tamanho, e- Complexidade.

Aparentemente no existe uma definio consensual

sobre o que so sistemas complexos, mas existemalgumas caractersticas comunsapresentadaspor tais sistemas, que a maioria dos pesquisadoresconcorda.

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Sistemas complexos

Destaque para o tamanhoe as interdependncias:

Um sistema composto de um grandenmero deentidades, processos ou agentes que interagementre si,

cuja compreenso necessita do desenvolvimento denovas tcnicas, como modelos no lineares esimulao computacional.[Advances in Complex Systems Journal]

Um sistema que pode ser analisado atravs de seusmuitos componentes interrelacionados, onde ocomportamento de cada um depende do comportamento

dos outros.

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Sistemas complexos

Destaque para complexidade:

Um sistema que envolve um grande nmero de agentesque interagem, cujo comportamento agregado

no linear, (ou seja,no pode ser derivado da soma doscomportamentos dos componentes individuais.)

Um sistema composto de partes interconectadas quecomo um todoapresenta uma ou mais propriedades(comportamentos) que no so bviasa partir daspropriedades das partes individuais.

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Sistemas complexos

At aqui, vimos que:

Um nmero grande de entidades (na ordem demilhes ou at de bilhes de elementos)

Elementos interagem entre si, criando relaesdedependncia entre eles.

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Sistemas complexos

Exemplos:

Colnias de formigas,Estruturas sociais,

Economias humanas,Infraestruturas de energia e comunicaes,Sistemas nervosos,Clulas e seres vivos em geral

Rede de computadoresInternet

Muitos sistemas que interessam aos seres humanos

so sistemas complexos.

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Sistemas complexos: Algumas caractersticas

Redes dinmicas:- Podem surgir novos elementos e novas relaes.- Elementos e relaes tambm podemdesaparecer.

-

O dinamismo das ligaes dos componentes deum sistema complexo importante.

Hierarquia:

Os sistemas complexos podem ser aninhados- Uma economia feita de organizaes, queso feitas de pessoas, que so feitas de clulas(todos complexos).

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Sistemas complexos: Algumas caractersticas

Produo de fenmenos emergentes

- Algumas propriedades podem ser compreendidassomente em um nvel mais alto, como resultado dasinteraes dos agentes.- Exemplo: colnias de formigas ou cupins.

Os relacionamentos podem ser no lineares:- O efeito pode no ser proporcional causa.-

Uma pequena perturbao pode causar um grandeefeito, um efeito proporcional ou nenhum efeito.

Relacionamentos com retroalimentao (feedback loops-

O efeito de um elemento colocado de volta comoentrada para o sistema.

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Sistemas complexos

Para estud-los devemos adotar um tipo derepresentao.

Uma maneira natural de representar um sistema

complexo atravs de uma rede.

Uma rede constituda de:- Um conjunto de vrtices (ou ns)

-

Um conjunto de arestas(ou retas), conectando paresde vrtices.

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Redes

Flexibilidade de representao:-

Os vrtices podem representar diferentes entidades.- As arestas podem representar diferentes

relacionamentos (concreto ou abstrato).

Em matemtica, chamamos uma rede de Grafo.

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Redes

Exemplos:

Redes de distribuio: vasos sanguneos e rotas postais Internet e World Wide Web (WWW)

Redes sociais de amizade ou profissional

Redes de relacionamentos entre empresas Redes celulares Teias alimentares

Redes neurais do crebro

Redes metablicas

Redes de citaes entre artigos Redes de colaborao de pesquisadores, etc.

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Exemplo: Rede de cientistas

Em uma rede pequena possvel obter umainterpretao visual.

(Exemplo pequeno decolaborao entrecientistas.)

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Exemplo: Rede de cientistas

Entretanto para redes grandes...

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Exemplo: teia alimentar

Presa-predador

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Exemplo

$ fundamental usar recursos computacionais.

Internet Pesquisadores de Cincias Exatas

R d

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Redes

Nos estudos de redes de grande porte, impossvel

realizar uma interpretao visual.

Neste caso, fundamental criar ferramentascomputacionais.

Idia: Extrair informaes para caracterizaraestruturada rede.

R d

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Redes

A estrutura de uma rede (forma ou topologia)serestudada nesta disciplina.

Modelar a estrutura fundamental para entender o

funcionamentoe prever o comportamento de um sistema.

http://www.vision.ime.usp.br/~jmena/projects/bbcn/

I d b G f

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Introduo sobre Grafos

Grafo (do grego grafos: desenho, imagem):Um grafo um conjunto de objetos chamados vrticesouns, ligados por retas, chamadas arestas.

Representao:- Pontos (Vrtices ou ns)- Linhas (Arestas ou ligaes entre ns)

I t d b G f

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Grafo (do grego grafos: desenho, imagem):Um grafo um conjunto de objetos chamados vrticesouns, ligados por retas, chamadas arestas.

Representao:- Pontos (Vrtices ou ns)- Linhas (Arestas ou ligaes entre ns)

Introduo sobre Grafos

A t

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Apresentao

Os grafosso uma ferramentamuito til...

$pois permitem estudar as inter-relaes entre atoresque interatuamentre si.

- Pessoas

- Animais

- Objetos(computadores, images, filmes, etc)

A t

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Apresentao

Os grafosso uma ferramentamuito til...

$pois permitem estudar as interrelaes entre atoresque interatuamentre si.

- Grupos de Pessoas

- Grupos deAnimais

- Grupos de Objetos(computadores, images, filmes, etc)

G f

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Grafos

A teora dos grafos importante para o estudo de redescomplexas, e utilizada para:

- Desenvolver ferramentas computacionais.

- Extrair informaes ou propriedades estatsticas.- Caracterizar a estrutura ou topologia da rede.

Simplificao tratamento de problemas.

verstil: existem diferentes tipos de grafos.

G f

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Grafos

!Tipos mais simples e no orientado.!Tipos diferentes (vrtices e arestas)

!Grafo orientado ou direcionad!Pesos variados nas arestas e nos vrtices.

Modelos

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Modelos

Inicialmente, o estudo de redes se baseou em grafos aleatrios eestruturas regulares.

reticulado ouestrutura regular

grafo aleatrio

Modelos

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Modelos

Entretanto, no mundo real:- As conexes entre os vrtices dificilmente ocorremde maneira aleatria.- Em geral, as redes possuem caractersticas

topolgicas no triviais.

Desenvolvimento de modelos mais sofisticados.- Quais as leis que poderiam explicar as propriedades

observadas?

O que a rea de redes estuda?

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[1] Propriedades estatsticas das redes:

- Encontrar propriedades estatsticas (ex. Tamanhosde caminhos e distribuies grau), que caracterizemsua estrutura e seu comportamento.

- Encontrar maneiras de medir essas propriedades.


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[2] Modelos de redes

Criar modelos de redes para compreender o

significado das suas propriedades.

Como as redes so do jeito que so e como aspropriedades interagem entre si.


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[2] Modelos de redes

Trs modelos representativos de redes complexas:

Redes de Grafos Aleatrios[Erds-Rnyi:1960]

Redes de Mundo Pequeno (Small World)

[Watts-Strogatz:1998]Redes sem Escala (Scale Free)[Barabasi-Albert:1999]


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[3] Predio de comportamento dos sistemas

Prever qual comportamento os sistemas tero combase nas propriedades estruturais medidas nas

regras locais que governam os vrtices individuais.

Exemplos: Como a estrutura da rede afeta?- O trfego na internet?

- O desempenho de um mecanismo de busca na web?- A dinmica de sistemas sociais ou biolgicos?

Esse terceiro passo o mais importante e o menoscompreendido at agora

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