基于三平面系統架構組織接入網課程內容

張 科，馬立香，雷維禮

(電子科技大學通信與信息工程學院，四川成都611731)

0 引言

接入網技術作為網絡工程與通信工程專業一門重要的專業基礎課程，也是與實際網絡應用緊密聯系的課程，在本科教學實踐中被廣泛推廣和應用［1］。它主要講授了接入網框架、標準、協議、應用等一系列相關知識，教學內容涉及較為廣泛，各種技術存在較強的交叉性和關聯度，并且接入技術更新較快［2］。實際教學過程中，通常采用傳統的以知識點為主線的課程教學和內容組織實施方式，容易產生知識點的孤立性，難于對知識網絡進行統整［3］。由于接入網技術課程內容繁雜的特點，該教學內容組織方式已不再適合。為此，通過多年的從教經驗總結，本文基于通信網三平面系統架構觀點，提出了更為清晰直觀組織接入網教學內容的方法，既有利于教學體系形成構架的連續性和完整性，又有利于知識的縱橫對照、線面結合和有效遷移。

1 基于知識點主線的接入網課程內容組織的不足

課程教學的實施需要課堂教學內容的有效組織與呈現。接入網技術課程通常采用經典的知識點方式進行組織與講授，以知識點作為課程體系構建的核心思想也被稱之為知識點主線，該思想強調對知識內容本身的學習。接入網技術課程內容龐大、技術復雜，包括接入網體系結構與標準、有線接入技術、無線接入技術、用戶接入管理等內容。隨著通信技術向IP化演進，接入網作為通信網絡的重要組成部分，以光纖通信和超寬帶無線通信為代表的接入網新技術、新標準、新應用不斷涌現［4］。對于這樣一門涉及內容廣泛且飛速發展的課程，僅僅從單一的知識點主線出發，已經不能很好地支持接入網課程內容的組織，具體原因如下:

1)知識缺乏統整。由于接入網技術課程涉及內容廣泛且不斷更新，若按照單一知識點主線順序編制教學內容，對所有知識點逐一進行講授，一方面會形成大量的授課內容，難以在有限的學時內使學生掌握接入網的基本概念、協議標準、接入原理、應用案例等內容［5］;另一方面，知識點主線順序方式會使知識點孤立化，不利于知識的記憶與遷移。

2)難以激發學生學習動機和掌握技能的積極性。單一知識點主線的教學內容編制，通常僅考慮知識由淺及深的邏輯順序，缺乏良好的組織性與教育特色。單一知識點主線內容編制方式在教學方法上，往往采用“灌輸式”，使得接入網教學過程和課程內容顯得較為枯燥，忽視了學生的認知接受性與自主學習能力的培養。

3)難以實施“差異化”教學模式。高校教育需要在教學中啟發學生對知識的興趣，允許差異化發展，從而培養出多樣性的人才［6］。但是單一知識點主線教學方式強調的是學生對知識點本身的掌握，而難以傳授學生舉一反三、獨立思考和探索解決問題的能力，從而導致學生形成“等、靠、要”的依賴思想，產生教學“單一化”培養特點。

針對上述問題，本文在接入網技術課程教學中系統地對內容結構化組織問題進行了探索，通過不斷實踐與改進，逐步形成了一種基于三平面架構的課程內容組織方法。

2 三平面結構模型

進入21世紀以來，大量的通信網絡標準引入了三平面系統架構思想，典型標準包括ITU-T G.8080和Y.2001等。3個平面分別是傳送平面、管理平面和控制平面，并且是相互獨立的。傳送平面也稱為數據平面或用戶平面，在源端到宿端之間提供端用戶業務承載數據的轉移。管理平面主要面向網絡運營者的管理需求執行系統管理功能，由系統、協議和接口組成，負責對傳送平面和控制平面以及整個系統進行管理協調，包括性能管理、故障管理、配置管理、記賬管理和安全管理5大功能域?？刂破矫媸侨矫婕軜嫷暮诵?，強化了網絡運營的控制特性?？刂破矫嫱ㄟ^使用接口、協議及信令系統，執行呼叫控制和連接控制功能，實現連接的建立和釋放。通信網絡可利用三層平面功能實體的映射形成層面清晰的統一網絡系統模型，為網絡體系結構和相關技術的學習與研究提供了良好的基礎。

3 基于三平面結構的IP接入網教學內容組織

針對通信網絡的IP化趨勢，接入網技術課程以IP接入網為中心組織教學內容。根據ITU Y.1231建議，IP接入網功能主要包括接入網傳送功能、IP接入功能、系統管理功能。其中，傳送功能采用IP協議進行無連接通信，實現用戶－接入網－核心網－因特網服務提供者之間的端到端全程連通。IP接入功能在用戶、接入服務器和認證服務器之間采用多種認證協議協同實現用戶接入行為管理。系統管理功能則是在網絡運維系統與被管設備間利用SNMP或CMIP等協議實現接入網系統管理。IP接入網的3大功能存在較大的差異性，難以構建統一模型進行描述，這就對接入網技術課程教學內容體系設計帶來了挑戰。IP接入網作為現代通信網絡的一種重要類型，非常適合利用三平面架構進行描述，因此，接入網技術課程將在以此架構構建的IP接入網系統模型基礎上組織教學內容設計。

接入網技術課程講授內容主要包括接入網總體結構與總體標準、各種寬帶接入技術及其接入應用。其中，總體結構與總體標準部分講述接入網絡體系結構的基本框架，更注重對接入網宏觀特性的把握，與具體接入技術和接入應用存在一定差異性，可以作為一個相對獨立的部分加以講授。

接入網技術課程所講授的寬帶接入技術包括電話銅線接入技術、以太網接入技術、光纖接入技術、HFC接入技術、無線局域接入技術、無線城域接入技術、無線廣域接入技術等。接入技術內容龐雜，且各種技術涉及到的具體通信協議和設備各不相同，這在一定程度上增加了教學的難度。根據三平面結構，可以將多種不同的接入技術按照傳送、控制、管理三平面進行劃分，并按照3個平面順序依次進行講授。

1)傳送平面內容組織。IP接入網傳送功能位于傳送平面，執行用戶接入的業務承載傳送功能，在網絡層使用IP協議，利用IP分組承載多種業務數據，實現IP用戶與IP服務者實體間的無連接端到端通信。不同IP接入技術的工作場景、傳輸介質、鏈路層協議均存在差異，但其共性是承載和傳輸IP分組。即在網絡層之下，利用“IP over everything”特性，IP分組根據具體的接入場景與實現技術，封裝在不同類型的鏈路層幀中實現逐跳通信。根據該共性特征，在教學內容上將各種IP接入技術的傳輸功能進行聚合，構建通用IP互聯模型，如圖1所示，統一講授其對IP分組及上層業務的傳輸支撐功能。在此基礎上，再根據有/無線傳輸環境，銅纜、光纖傳輸介質等特定因素對接入技術的影響，講述IP接入網在鏈路層、物理層實現方案上的特點。這種既有一定重合度又逐層遞進的接入網傳送功能教學內容組織形式，既避免了大量的重復教學，又使學生能夠快速地把握IP接入的主旨。例如，隨著4G移動通信逐漸普及，學生可以根據已掌握的接入傳輸功能原理，分析出當4G網絡作為IP接入網使用時，對上仍是承載IP分組。但其在物理層，為了在惡劣的無線通信環境中提高頻譜效率和數據傳輸速率，采用了正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術。

2)控制平面內容組織。IP接入網接入功能位于控制平面，執行接入控制功能，主要為認證/授權/記賬(Authentication/Authorization/Accounting，AAA)功能。無論IP接入功能使用集中式、分布式、集中分布式結構，采用何種典型接入技術，其參與接入控制的實體均可劃分為接入申請者NAR(Network Access Requestor)、前臺服務器NAS(Network Access Server)、后臺服務器NAA(Network Access Authority)三者結構，其參考模型均可采用RSA(Requestor/Server/Authority)模型進行描述，如圖2所示［7］。因此，在講授IP接入網接入功能時，首先提出RSA模型架構，使學生建立特定設備接入以及集中進行認證的基本思想。在此基礎上，再針對接入功能參與實體本身，講述不同接入技術場景中的NAR、NAS、NAA的具體擔當設備，執行的特定接入行為與功能。最后，提出為了使前、后臺服務器協作完成對用戶的接入控制，在NAR、NAS和NAA之間還需分別使用前臺協議和后臺協議實現接入認證通信功能。其中，需要重點講解的兩種典型前臺協議分別是PPPoE和IEEE 802.1X，典型的后臺協議是RADIUS協議。

圖1 IP接入網傳送平面內容組織結構圖

圖2 IP接入網接入平面內容組織結構圖

3)管理平面內容組織。IP接入網系統管理功能位于管理平面，執行系統級管理，對系統總體運行狀況、傳送平面與控制平面的參數配置、平面間的相互協調進行監控與管理。考慮到接入網技術課程僅對系統管理功能做簡單介紹，所以可在教學過程中給出IP接入網的典型管理功能參考模型——SNMP協議模型，如圖3所示。模型描述了網管工作站和被管設備中的協議實體間通過SNMP協議交互實現系統管理功能。由于大多數IP接入設備均支持SNMP協議，故通過該模型及其相關技術的學習，可以有效掌握IP接入網系統管理基本方式，有利于對后續擴展系統管理技術的學習。

圖3 IP接入網管理平面內容組織結構圖

4 三平面結構教學內容組織實施成效

有效教學的前提是合理組織與呈現課堂教學內容，通過在接入網技術課程中提出并貫徹以三平面結構為主線的課程內容組織思路，對課程開展產生如下一些積極的影響:

1)將多種接入技術化難為易、化繁為簡。在教學內容上，通過將多種接入技術按照三平面的方式進行邏輯劃分與有效整合，改變了原有按照孤立、線性的知識點結構進行的教學方式，更加強調相關知識的整合與聚類效應，形成了既有一定重合度又逐層遞進的多個知識面。在授課實踐中，利用對接入技術教學的聚類設計，在每類知識點中挑選較簡單的典型技術進行引導講解。例如在講授IP接入網傳送功能部分，從以太網技術著手，通過這種大家日常生活中隨處可見的接入方式，講述以太網在IP接入傳輸過程中的原理與作用。然后，再引申至電話線ADSL接入、HFC接入、光纖接入等。按照從特殊到一般、由點及面的課程內容設計思路，將復雜問題模型化、簡單化，有效降低了學生理解難度。通過課后與學生交流，學生普遍反饋三平面的教學內容組織方式使人更容易掌握整個教學內容的脈絡，知識點也更直觀、易想象、易理解。

2)有效激發學生探究興趣。教學內容的良好組織能激發學生探究相關領域知識的動機和掌握技能的積極性。學生掌握了三平面分析方法和相關接入技術，以后接觸新的類似網絡技術時，就有了嘗試把它與已有的認知結構進行類比學習的動力與信心。這種利用通用結構和模型組織教學內容的方法，使學生在認知能力上產生滾雪球式的效應，并且隨著課程內容的深入、新知識固著點的增多、認知結構的增長和完善，都將會提升學生的自主探究興趣。該興趣的作用點不僅局限于教材和課堂，還可以延伸到相關或跨學科知識領域。為了驗證三平面架構教學組織方式對學習興趣的提升度，在接入網技術授課過程中，引入了接入新技術研究小課題作為選作任務，教學班中90%以上同學主動申請完成該項任務。

3)提升知識遷移能力，有助于人才多元化培養。由于位于同一平面結構中的接入技術具有較強的聯結性，通過介紹多種具有相似特征的典型技術，可以提升學生的總結、聯想和類比能力，從而對新知識的學習有固著點并產生“似曾相識”的認同感。從認知心理學的角度看，這種利用內容交叉點合理融合形成相應知識與技能面的能力，已不再是機械地被動接受知識，而是一種有意義的自發學習，將極大地提高學生的認知結構，使其更易于同化或順應新的知識。在教學過程中，將“HFC接入技術”設置為自學章節，并提出了兩級自學考核方式，一種是通過對應練習，考核對HFC技術基本原理及典型應用的掌握情況;另一種則是在第一種的基礎上，增加對以太網同軸傳輸(Ethernet over Coax，EoC)技術的課外學習，并撰寫相應技術報告。從學生完成的技術報告上看，大部分同學都能使用三平面結構分析思路，結合已有的Ethernet接入技術和HFC接入技術基礎，完成對課外新技術的自學。

5 結束語

基于三平面架構的接入網課程內容組織方式，改變了原有按孤立知識點主線向學生傳遞知識的組織原則，通過對接入技術的有效整合，促進了課程內容向模型化、簡單化、可拓展化方向發展。教學實踐表明，這種多層面聚類的課程內容設計思路，不僅降低了接入網技術課程的學習難度，激發了學生對相關技術的探究興趣，還極大的提升了學生的專業素養和知識遷移能力。

［1］李新穎，楊桂芹.接入網技術網絡教學平臺的設計與實現［J］.信息技術，2011，(1):103－105.

［2］張科，馬立香，雷維禮，等.《接入網技術》實驗教學研究與探索［J］.實驗科學與技術，2011，9(5):227－229.

［3］鐘柏昌，李藝.信息技術課程內容組織的三層架構［J］.電化教育研究，2012，(5):17－21.

［4］唐泉.淺談“接入網技術”課程教學［J］.科技創新導報，2011，(9):151－152.

［5］徐志京.接入網技術課程教學改革初探［J］.科教文匯，2012，(9):54－55.

［6］顏凱，楊寧，段景山.基于“回歸實踐”的網絡系統工程課程教學改革［J］.計算機教育，2013，(14):118－121.

［7］雷維禮，馬立香.接入網技術［M］.北京:清華大學出版社，2006∶268－272.