基于三平面系统架构组织接入网课程内容

张 科，马立香，雷维礼

(电子科技大学通信与信息工程学院，四川成都611731)

0 引言

接入网技术作为网络工程与通信工程专业一门重要的专业基础课程，也是与实际网络应用紧密联系的课程，在本科教学实践中被广泛推广和应用［1］。它主要讲授了接入网框架、标准、协议、应用等一系列相关知识，教学内容涉及较为广泛，各种技术存在较强的交叉性和关联度，并且接入技术更新较快［2］。实际教学过程中，通常采用传统的以知识点为主线的课程教学和内容组织实施方式，容易产生知识点的孤立性，难于对知识网络进行统整［3］。由于接入网技术课程内容繁杂的特点，该教学内容组织方式已不再适合。为此，通过多年的从教经验总结，本文基于通信网三平面系统架构观点，提出了更为清晰直观组织接入网教学内容的方法，既有利于教学体系形成构架的连续性和完整性，又有利于知识的纵横对照、线面结合和有效迁移。

1 基于知识点主线的接入网课程内容组织的不足

课程教学的实施需要课堂教学内容的有效组织与呈现。接入网技术课程通常采用经典的知识点方式进行组织与讲授，以知识点作为课程体系构建的核心思想也被称之为知识点主线，该思想强调对知识内容本身的学习。接入网技术课程内容庞大、技术复杂，包括接入网体系结构与标准、有线接入技术、无线接入技术、用户接入管理等内容。随着通信技术向IP化演进，接入网作为通信网络的重要组成部分，以光纤通信和超宽带无线通信为代表的接入网新技术、新标准、新应用不断涌现［4］。对于这样一门涉及内容广泛且飞速发展的课程，仅仅从单一的知识点主线出发，已经不能很好地支持接入网课程内容的组织，具体原因如下:

1)知识缺乏统整。由于接入网技术课程涉及内容广泛且不断更新，若按照单一知识点主线顺序编制教学内容，对所有知识点逐一进行讲授，一方面会形成大量的授课内容，难以在有限的学时内使学生掌握接入网的基本概念、协议标准、接入原理、应用案例等内容［5］;另一方面，知识点主线顺序方式会使知识点孤立化，不利于知识的记忆与迁移。

2)难以激发学生学习动机和掌握技能的积极性。单一知识点主线的教学内容编制，通常仅考虑知识由浅及深的逻辑顺序，缺乏良好的组织性与教育特色。单一知识点主线内容编制方式在教学方法上，往往采用“灌输式”，使得接入网教学过程和课程内容显得较为枯燥，忽视了学生的认知接受性与自主学习能力的培养。

3)难以实施“差异化”教学模式。高校教育需要在教学中启发学生对知识的兴趣，允许差异化发展，从而培养出多样性的人才［6］。但是单一知识点主线教学方式强调的是学生对知识点本身的掌握，而难以传授学生举一反三、独立思考和探索解决问题的能力，从而导致学生形成“等、靠、要”的依赖思想，产生教学“单一化”培养特点。

针对上述问题，本文在接入网技术课程教学中系统地对内容结构化组织问题进行了探索，通过不断实践与改进，逐步形成了一种基于三平面架构的课程内容组织方法。

2 三平面结构模型

进入21世纪以来，大量的通信网络标准引入了三平面系统架构思想，典型标准包括ITU-T G.8080和Y.2001等。3个平面分别是传送平面、管理平面和控制平面，并且是相互独立的。传送平面也称为数据平面或用户平面，在源端到宿端之间提供端用户业务承载数据的转移。管理平面主要面向网络运营者的管理需求执行系统管理功能，由系统、协议和接口组成，负责对传送平面和控制平面以及整个系统进行管理协调，包括性能管理、故障管理、配置管理、记账管理和安全管理5大功能域。控制平面是三平面架构的核心，强化了网络运营的控制特性。控制平面通过使用接口、协议及信令系统，执行呼叫控制和连接控制功能，实现连接的建立和释放。通信网络可利用三层平面功能实体的映射形成层面清晰的统一网络系统模型，为网络体系结构和相关技术的学习与研究提供了良好的基础。

3 基于三平面结构的IP接入网教学内容组织

针对通信网络的IP化趋势，接入网技术课程以IP接入网为中心组织教学内容。根据ITU Y.1231建议，IP接入网功能主要包括接入网传送功能、IP接入功能、系统管理功能。其中，传送功能采用IP协议进行无连接通信，实现用户－接入网－核心网－因特网服务提供者之间的端到端全程连通。IP接入功能在用户、接入服务器和认证服务器之间采用多种认证协议协同实现用户接入行为管理。系统管理功能则是在网络运维系统与被管设备间利用SNMP或CMIP等协议实现接入网系统管理。IP接入网的3大功能存在较大的差异性，难以构建统一模型进行描述，这就对接入网技术课程教学内容体系设计带来了挑战。IP接入网作为现代通信网络的一种重要类型，非常适合利用三平面架构进行描述，因此，接入网技术课程将在以此架构构建的IP接入网系统模型基础上组织教学内容设计。

接入网技术课程讲授内容主要包括接入网总体结构与总体标准、各种宽带接入技术及其接入应用。其中，总体结构与总体标准部分讲述接入网络体系结构的基本框架，更注重对接入网宏观特性的把握，与具体接入技术和接入应用存在一定差异性，可以作为一个相对独立的部分加以讲授。

接入网技术课程所讲授的宽带接入技术包括电话铜线接入技术、以太网接入技术、光纤接入技术、HFC接入技术、无线局域接入技术、无线城域接入技术、无线广域接入技术等。接入技术内容庞杂，且各种技术涉及到的具体通信协议和设备各不相同，这在一定程度上增加了教学的难度。根据三平面结构，可以将多种不同的接入技术按照传送、控制、管理三平面进行划分，并按照3个平面顺序依次进行讲授。

1)传送平面内容组织。IP接入网传送功能位于传送平面，执行用户接入的业务承载传送功能，在网络层使用IP协议，利用IP分组承载多种业务数据，实现IP用户与IP服务者实体间的无连接端到端通信。不同IP接入技术的工作场景、传输介质、链路层协议均存在差异，但其共性是承载和传输IP分组。即在网络层之下，利用“IP over everything”特性，IP分组根据具体的接入场景与实现技术，封装在不同类型的链路层帧中实现逐跳通信。根据该共性特征，在教学内容上将各种IP接入技术的传输功能进行聚合，构建通用IP互联模型，如图1所示，统一讲授其对IP分组及上层业务的传输支撑功能。在此基础上，再根据有/无线传输环境，铜缆、光纤传输介质等特定因素对接入技术的影响，讲述IP接入网在链路层、物理层实现方案上的特点。这种既有一定重合度又逐层递进的接入网传送功能教学内容组织形式，既避免了大量的重复教学，又使学生能够快速地把握IP接入的主旨。例如，随着4G移动通信逐渐普及，学生可以根据已掌握的接入传输功能原理，分析出当4G网络作为IP接入网使用时，对上仍是承载IP分组。但其在物理层，为了在恶劣的无线通信环境中提高频谱效率和数据传输速率，采用了正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术。

2)控制平面内容组织。IP接入网接入功能位于控制平面，执行接入控制功能，主要为认证/授权/记账(Authentication/Authorization/Accounting，AAA)功能。无论IP接入功能使用集中式、分布式、集中分布式结构，采用何种典型接入技术，其参与接入控制的实体均可划分为接入申请者NAR(Network Access Requestor)、前台服务器NAS(Network Access Server)、后台服务器NAA(Network Access Authority)三者结构，其参考模型均可采用RSA(Requestor/Server/Authority)模型进行描述，如图2所示［7］。因此，在讲授IP接入网接入功能时，首先提出RSA模型架构，使学生建立特定设备接入以及集中进行认证的基本思想。在此基础上，再针对接入功能参与实体本身，讲述不同接入技术场景中的NAR、NAS、NAA的具体担当设备，执行的特定接入行为与功能。最后，提出为了使前、后台服务器协作完成对用户的接入控制，在NAR、NAS和NAA之间还需分别使用前台协议和后台协议实现接入认证通信功能。其中，需要重点讲解的两种典型前台协议分别是PPPoE和IEEE 802.1X，典型的后台协议是RADIUS协议。

图1 IP接入网传送平面内容组织结构图

图2 IP接入网接入平面内容组织结构图

3)管理平面内容组织。IP接入网系统管理功能位于管理平面，执行系统级管理，对系统总体运行状况、传送平面与控制平面的参数配置、平面间的相互协调进行监控与管理。考虑到接入网技术课程仅对系统管理功能做简单介绍，所以可在教学过程中给出IP接入网的典型管理功能参考模型——SNMP协议模型，如图3所示。模型描述了网管工作站和被管设备中的协议实体间通过SNMP协议交互实现系统管理功能。由于大多数IP接入设备均支持SNMP协议，故通过该模型及其相关技术的学习，可以有效掌握IP接入网系统管理基本方式，有利于对后续扩展系统管理技术的学习。

图3 IP接入网管理平面内容组织结构图

4 三平面结构教学内容组织实施成效

有效教学的前提是合理组织与呈现课堂教学内容，通过在接入网技术课程中提出并贯彻以三平面结构为主线的课程内容组织思路，对课程开展产生如下一些积极的影响:

1)将多种接入技术化难为易、化繁为简。在教学内容上，通过将多种接入技术按照三平面的方式进行逻辑划分与有效整合，改变了原有按照孤立、线性的知识点结构进行的教学方式，更加强调相关知识的整合与聚类效应，形成了既有一定重合度又逐层递进的多个知识面。在授课实践中，利用对接入技术教学的聚类设计，在每类知识点中挑选较简单的典型技术进行引导讲解。例如在讲授IP接入网传送功能部分，从以太网技术着手，通过这种大家日常生活中随处可见的接入方式，讲述以太网在IP接入传输过程中的原理与作用。然后，再引申至电话线ADSL接入、HFC接入、光纤接入等。按照从特殊到一般、由点及面的课程内容设计思路，将复杂问题模型化、简单化，有效降低了学生理解难度。通过课后与学生交流，学生普遍反馈三平面的教学内容组织方式使人更容易掌握整个教学内容的脉络，知识点也更直观、易想象、易理解。

2)有效激发学生探究兴趣。教学内容的良好组织能激发学生探究相关领域知识的动机和掌握技能的积极性。学生掌握了三平面分析方法和相关接入技术，以后接触新的类似网络技术时，就有了尝试把它与已有的认知结构进行类比学习的动力与信心。这种利用通用结构和模型组织教学内容的方法，使学生在认知能力上产生滚雪球式的效应，并且随着课程内容的深入、新知识固着点的增多、认知结构的增长和完善，都将会提升学生的自主探究兴趣。该兴趣的作用点不仅局限于教材和课堂，还可以延伸到相关或跨学科知识领域。为了验证三平面架构教学组织方式对学习兴趣的提升度，在接入网技术授课过程中，引入了接入新技术研究小课题作为选作任务，教学班中90%以上同学主动申请完成该项任务。

3)提升知识迁移能力，有助于人才多元化培养。由于位于同一平面结构中的接入技术具有较强的联结性，通过介绍多种具有相似特征的典型技术，可以提升学生的总结、联想和类比能力，从而对新知识的学习有固着点并产生“似曾相识”的认同感。从认知心理学的角度看，这种利用内容交叉点合理融合形成相应知识与技能面的能力，已不再是机械地被动接受知识，而是一种有意义的自发学习，将极大地提高学生的认知结构，使其更易于同化或顺应新的知识。在教学过程中，将“HFC接入技术”设置为自学章节，并提出了两级自学考核方式，一种是通过对应练习，考核对HFC技术基本原理及典型应用的掌握情况;另一种则是在第一种的基础上，增加对以太网同轴传输(Ethernet over Coax，EoC)技术的课外学习，并撰写相应技术报告。从学生完成的技术报告上看，大部分同学都能使用三平面结构分析思路，结合已有的Ethernet接入技术和HFC接入技术基础，完成对课外新技术的自学。

5 结束语

基于三平面架构的接入网课程内容组织方式，改变了原有按孤立知识点主线向学生传递知识的组织原则，通过对接入技术的有效整合，促进了课程内容向模型化、简单化、可拓展化方向发展。教学实践表明，这种多层面聚类的课程内容设计思路，不仅降低了接入网技术课程的学习难度，激发了学生对相关技术的探究兴趣，还极大的提升了学生的专业素养和知识迁移能力。

［1］李新颖，杨桂芹.接入网技术网络教学平台的设计与实现［J］.信息技术，2011，(1):103－105.

［2］张科，马立香，雷维礼，等.《接入网技术》实验教学研究与探索［J］.实验科学与技术，2011，9(5):227－229.

［3］钟柏昌，李艺.信息技术课程内容组织的三层架构［J］.电化教育研究，2012，(5):17－21.

［4］唐泉.浅谈“接入网技术”课程教学［J］.科技创新导报，2011，(9):151－152.

［5］徐志京.接入网技术课程教学改革初探［J］.科教文汇，2012，(9):54－55.

［6］颜凯，杨宁，段景山.基于“回归实践”的网络系统工程课程教学改革［J］.计算机教育，2013，(14):118－121.

［7］雷维礼，马立香.接入网技术［M］.北京:清华大学出版社，2006∶268－272.