基于三平面系統(tǒng)架構(gòu)組織接入網(wǎng)課程內(nèi)容

張 科，馬立香，雷維禮

(電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，四川成都611731)

0 引言

接入網(wǎng)技術(shù)作為網(wǎng)絡(luò)工程與通信工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用緊密聯(lián)系的課程，在本科教學(xué)實(shí)踐中被廣泛推廣和應(yīng)用［1］。它主要講授了接入網(wǎng)框架、標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議、應(yīng)用等一系列相關(guān)知識(shí)，教學(xué)內(nèi)容涉及較為廣泛，各種技術(shù)存在較強(qiáng)的交叉性和關(guān)聯(lián)度，并且接入技術(shù)更新較快［2］。實(shí)際教學(xué)過程中，通常采用傳統(tǒng)的以知識(shí)點(diǎn)為主線的課程教學(xué)和內(nèi)容組織實(shí)施方式，容易產(chǎn)生知識(shí)點(diǎn)的孤立性，難于對(duì)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)整［3］。由于接入網(wǎng)技術(shù)課程內(nèi)容繁雜的特點(diǎn)，該教學(xué)內(nèi)容組織方式已不再適合。為此，通過多年的從教經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，本文基于通信網(wǎng)三平面系統(tǒng)架構(gòu)觀點(diǎn)，提出了更為清晰直觀組織接入網(wǎng)教學(xué)內(nèi)容的方法，既有利于教學(xué)體系形成構(gòu)架的連續(xù)性和完整性，又有利于知識(shí)的縱橫對(duì)照、線面結(jié)合和有效遷移。

1 基于知識(shí)點(diǎn)主線的接入網(wǎng)課程內(nèi)容組織的不足

課程教學(xué)的實(shí)施需要課堂教學(xué)內(nèi)容的有效組織與呈現(xiàn)。接入網(wǎng)技術(shù)課程通常采用經(jīng)典的知識(shí)點(diǎn)方式進(jìn)行組織與講授，以知識(shí)點(diǎn)作為課程體系構(gòu)建的核心思想也被稱之為知識(shí)點(diǎn)主線，該思想強(qiáng)調(diào)對(duì)知識(shí)內(nèi)容本身的學(xué)習(xí)。接入網(wǎng)技術(shù)課程內(nèi)容龐大、技術(shù)復(fù)雜，包括接入網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)、有線接入技術(shù)、無線接入技術(shù)、用戶接入管理等內(nèi)容。隨著通信技術(shù)向IP化演進(jìn)，接入網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)、新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)［4］。對(duì)于這樣一門涉及內(nèi)容廣泛且飛速發(fā)展的課程，僅僅從單一的知識(shí)點(diǎn)主線出發(fā)，已經(jīng)不能很好地支持接入網(wǎng)課程內(nèi)容的組織，具體原因如下:

1)知識(shí)缺乏統(tǒng)整。由于接入網(wǎng)技術(shù)課程涉及內(nèi)容廣泛且不斷更新，若按照單一知識(shí)點(diǎn)主線順序編制教學(xué)內(nèi)容，對(duì)所有知識(shí)點(diǎn)逐一進(jìn)行講授，一方面會(huì)形成大量的授課內(nèi)容，難以在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)使學(xué)生掌握接入網(wǎng)的基本概念、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、接入原理、應(yīng)用案例等內(nèi)容［5］;另一方面，知識(shí)點(diǎn)主線順序方式會(huì)使知識(shí)點(diǎn)孤立化，不利于知識(shí)的記憶與遷移。

2)難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和掌握技能的積極性。單一知識(shí)點(diǎn)主線的教學(xué)內(nèi)容編制，通常僅考慮知識(shí)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(shí)點(diǎn)主線內(nèi)容編制方式在教學(xué)方法上，往往采用“灌輸式”，使得接入網(wǎng)教學(xué)過程和課程內(nèi)容顯得較為枯燥，忽視了學(xué)生的認(rèn)知接受性與自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

3)難以實(shí)施“差異化”教學(xué)模式。高校教育需要在教學(xué)中啟發(fā)學(xué)生對(duì)知識(shí)的興趣，允許差異化發(fā)展，從而培養(yǎng)出多樣性的人才［6］。但是單一知識(shí)點(diǎn)主線教學(xué)方式強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)本身的掌握，而難以傳授學(xué)生舉一反三、獨(dú)立思考和探索解決問題的能力，從而導(dǎo)致學(xué)生形成“等、靠、要”的依賴思想，產(chǎn)生教學(xué)“單一化”培養(yǎng)特點(diǎn)。

針對(duì)上述問題，本文在接入網(wǎng)技術(shù)課程教學(xué)中系統(tǒng)地對(duì)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化組織問題進(jìn)行了探索，通過不斷實(shí)踐與改進(jìn)，逐步形成了一種基于三平面架構(gòu)的課程內(nèi)容組織方法。

2 三平面結(jié)構(gòu)模型

進(jìn)入21世紀(jì)以來，大量的通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)引入了三平面系統(tǒng)架構(gòu)思想，典型標(biāo)準(zhǔn)包括ITU-T G.8080和Y.2001等。3個(gè)平面分別是傳送平面、管理平面和控制平面，并且是相互獨(dú)立的。傳送平面也稱為數(shù)據(jù)平面或用戶平面，在源端到宿端之間提供端用戶業(yè)務(wù)承載數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。管理平面主要面向網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者的管理需求執(zhí)行系統(tǒng)管理功能，由系統(tǒng)、協(xié)議和接口組成，負(fù)責(zé)對(duì)傳送平面和控制平面以及整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理協(xié)調(diào)，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。控制平面是三平面架構(gòu)的核心，強(qiáng)化了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的控制特性?？刂破矫嫱ㄟ^使用接口、協(xié)議及信令系統(tǒng)，執(zhí)行呼叫控制和連接控制功能，實(shí)現(xiàn)連接的建立和釋放。通信網(wǎng)絡(luò)可利用三層平面功能實(shí)體的映射形成層面清晰的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，為網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和相關(guān)技術(shù)的學(xué)習(xí)與研究提供了良好的基礎(chǔ)。

3 基于三平面結(jié)構(gòu)的IP接入網(wǎng)教學(xué)內(nèi)容組織

針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的IP化趨勢(shì)，接入網(wǎng)技術(shù)課程以IP接入網(wǎng)為中心組織教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)ITU Y.1231建議，IP接入網(wǎng)功能主要包括接入網(wǎng)傳送功能、IP接入功能、系統(tǒng)管理功能。其中，傳送功能采用IP協(xié)議進(jìn)行無連接通信，實(shí)現(xiàn)用戶－接入網(wǎng)－核心網(wǎng)－因特網(wǎng)服務(wù)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(wù)器和認(rèn)證服務(wù)器之間采用多種認(rèn)證協(xié)議協(xié)同實(shí)現(xiàn)用戶接入行為管理。系統(tǒng)管理功能則是在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維系統(tǒng)與被管設(shè)備間利用SNMP或CMIP等協(xié)議實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)系統(tǒng)管理。IP接入網(wǎng)的3大功能存在較大的差異性，難以構(gòu)建統(tǒng)一模型進(jìn)行描述，這就對(duì)接入網(wǎng)技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容體系設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。IP接入網(wǎng)作為現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的一種重要類型，非常適合利用三平面架構(gòu)進(jìn)行描述，因此，接入網(wǎng)技術(shù)課程將在以此架構(gòu)構(gòu)建的IP接入網(wǎng)系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上組織教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)。

接入網(wǎng)技術(shù)課程講授內(nèi)容主要包括接入網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)與總體標(biāo)準(zhǔn)、各種寬帶接入技術(shù)及其接入應(yīng)用。其中，總體結(jié)構(gòu)與總體標(biāo)準(zhǔn)部分講述接入網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本框架，更注重對(duì)接入網(wǎng)宏觀特性的把握，與具體接入技術(shù)和接入應(yīng)用存在一定差異性，可以作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分加以講授。

接入網(wǎng)技術(shù)課程所講授的寬帶接入技術(shù)包括電話銅線接入技術(shù)、以太網(wǎng)接入技術(shù)、光纖接入技術(shù)、HFC接入技術(shù)、無線局域接入技術(shù)、無線城域接入技術(shù)、無線廣域接入技術(shù)等。接入技術(shù)內(nèi)容龐雜，且各種技術(shù)涉及到的具體通信協(xié)議和設(shè)備各不相同，這在一定程度上增加了教學(xué)的難度。根據(jù)三平面結(jié)構(gòu)，可以將多種不同的接入技術(shù)按照傳送、控制、管理三平面進(jìn)行劃分，并按照3個(gè)平面順序依次進(jìn)行講授。

1)傳送平面內(nèi)容組織。IP接入網(wǎng)傳送功能位于傳送平面，執(zhí)行用戶接入的業(yè)務(wù)承載傳送功能，在網(wǎng)絡(luò)層使用IP協(xié)議，利用IP分組承載多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)IP用戶與IP服務(wù)者實(shí)體間的無連接端到端通信。不同IP接入技術(shù)的工作場(chǎng)景、傳輸介質(zhì)、鏈路層協(xié)議均存在差異，但其共性是承載和傳輸IP分組。即在網(wǎng)絡(luò)層之下，利用“IP over everything”特性，IP分組根據(jù)具體的接入場(chǎng)景與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，封裝在不同類型的鏈路層幀中實(shí)現(xiàn)逐跳通信。根據(jù)該共性特征，在教學(xué)內(nèi)容上將各種IP接入技術(shù)的傳輸功能進(jìn)行聚合，構(gòu)建通用IP互聯(lián)模型，如圖1所示，統(tǒng)一講授其對(duì)IP分組及上層業(yè)務(wù)的傳輸支撐功能。在此基礎(chǔ)上，再根據(jù)有/無線傳輸環(huán)境，銅纜、光纖傳輸介質(zhì)等特定因素對(duì)接入技術(shù)的影響，講述IP接入網(wǎng)在鏈路層、物理層實(shí)現(xiàn)方案上的特點(diǎn)。這種既有一定重合度又逐層遞進(jìn)的接入網(wǎng)傳送功能教學(xué)內(nèi)容組織形式，既避免了大量的重復(fù)教學(xué)，又使學(xué)生能夠快速地把握IP接入的主旨。例如，隨著4G移動(dòng)通信逐漸普及，學(xué)生可以根據(jù)已掌握的接入傳輸功能原理，分析出當(dāng)4G網(wǎng)絡(luò)作為IP接入網(wǎng)使用時(shí)，對(duì)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(huán)境中提高頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率，采用了正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術(shù)。

2)控制平面內(nèi)容組織。IP接入網(wǎng)接入功能位于控制平面，執(zhí)行接入控制功能，主要為認(rèn)證/授權(quán)/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(jié)構(gòu)，采用何種典型接入技術(shù)，其參與接入控制的實(shí)體均可劃分為接入申請(qǐng)者NAR(Network Access Requestor)、前臺(tái)服務(wù)器NAS(Network Access Server)、后臺(tái)服務(wù)器NAA(Network Access Authority)三者結(jié)構(gòu)，其參考模型均可采用RSA(Requestor/Server/Authority)模型進(jìn)行描述，如圖2所示［7］。因此，在講授IP接入網(wǎng)接入功能時(shí)，首先提出RSA模型架構(gòu)，使學(xué)生建立特定設(shè)備接入以及集中進(jìn)行認(rèn)證的基本思想。在此基礎(chǔ)上，再針對(duì)接入功能參與實(shí)體本身，講述不同接入技術(shù)場(chǎng)景中的NAR、NAS、NAA的具體擔(dān)當(dāng)設(shè)備，執(zhí)行的特定接入行為與功能。最后，提出為了使前、后臺(tái)服務(wù)器協(xié)作完成對(duì)用戶的接入控制，在NAR、NAS和NAA之間還需分別使用前臺(tái)協(xié)議和后臺(tái)協(xié)議實(shí)現(xiàn)接入認(rèn)證通信功能。其中，需要重點(diǎn)講解的兩種典型前臺(tái)協(xié)議分別是PPPoE和IEEE 802.1X，典型的后臺(tái)協(xié)議是RADIUS協(xié)議。

圖1 IP接入網(wǎng)傳送平面內(nèi)容組織結(jié)構(gòu)圖

圖2 IP接入網(wǎng)接入平面內(nèi)容組織結(jié)構(gòu)圖

3)管理平面內(nèi)容組織。IP接入網(wǎng)系統(tǒng)管理功能位于管理平面，執(zhí)行系統(tǒng)級(jí)管理，對(duì)系統(tǒng)總體運(yùn)行狀況、傳送平面與控制平面的參數(shù)配置、平面間的相互協(xié)調(diào)進(jìn)行監(jiān)控與管理。考慮到接入網(wǎng)技術(shù)課程僅對(duì)系統(tǒng)管理功能做簡單介紹，所以可在教學(xué)過程中給出IP接入網(wǎng)的典型管理功能參考模型——SNMP協(xié)議模型，如圖3所示。模型描述了網(wǎng)管工作站和被管設(shè)備中的協(xié)議實(shí)體間通過SNMP協(xié)議交互實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理功能。由于大多數(shù)IP接入設(shè)備均支持SNMP協(xié)議，故通過該模型及其相關(guān)技術(shù)的學(xué)習(xí)，可以有效掌握IP接入網(wǎng)系統(tǒng)管理基本方式，有利于對(duì)后續(xù)擴(kuò)展系統(tǒng)管理技術(shù)的學(xué)習(xí)。

圖3 IP接入網(wǎng)管理平面內(nèi)容組織結(jié)構(gòu)圖

4 三平面結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容組織實(shí)施成效

有效教學(xué)的前提是合理組織與呈現(xiàn)課堂教學(xué)內(nèi)容，通過在接入網(wǎng)技術(shù)課程中提出并貫徹以三平面結(jié)構(gòu)為主線的課程內(nèi)容組織思路，對(duì)課程開展產(chǎn)生如下一些積極的影響:

1)將多種接入技術(shù)化難為易、化繁為簡。在教學(xué)內(nèi)容上，通過將多種接入技術(shù)按照三平面的方式進(jìn)行邏輯劃分與有效整合，改變了原有按照孤立、線性的知識(shí)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的教學(xué)方式，更加強(qiáng)調(diào)相關(guān)知識(shí)的整合與聚類效應(yīng)，形成了既有一定重合度又逐層遞進(jìn)的多個(gè)知識(shí)面。在授課實(shí)踐中，利用對(duì)接入技術(shù)教學(xué)的聚類設(shè)計(jì)，在每類知識(shí)點(diǎn)中挑選較簡單的典型技術(shù)進(jìn)行引導(dǎo)講解。例如在講授IP接入網(wǎng)傳送功能部分，從以太網(wǎng)技術(shù)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(wǎng)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(diǎn)及面的課程內(nèi)容設(shè)計(jì)思路，將復(fù)雜問題模型化、簡單化，有效降低了學(xué)生理解難度。通過課后與學(xué)生交流，學(xué)生普遍反饋三平面的教學(xué)內(nèi)容組織方式使人更容易掌握整個(gè)教學(xué)內(nèi)容的脈絡(luò)，知識(shí)點(diǎn)也更直觀、易想象、易理解。

2)有效激發(fā)學(xué)生探究興趣。教學(xué)內(nèi)容的良好組織能激發(fā)學(xué)生探究相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的動(dòng)機(jī)和掌握技能的積極性。學(xué)生掌握了三平面分析方法和相關(guān)接入技術(shù)，以后接觸新的類似網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時(shí)，就有了嘗試把它與已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)進(jìn)行類比學(xué)習(xí)的動(dòng)力與信心。這種利用通用結(jié)構(gòu)和模型組織教學(xué)內(nèi)容的方法，使學(xué)生在認(rèn)知能力上產(chǎn)生滾雪球式的效應(yīng)，并且隨著課程內(nèi)容的深入、新知識(shí)固著點(diǎn)的增多、認(rèn)知結(jié)構(gòu)的增長和完善，都將會(huì)提升學(xué)生的自主探究興趣。該興趣的作用點(diǎn)不僅局限于教材和課堂，還可以延伸到相關(guān)或跨學(xué)科知識(shí)領(lǐng)域。為了驗(yàn)證三平面架構(gòu)教學(xué)組織方式對(duì)學(xué)習(xí)興趣的提升度，在接入網(wǎng)技術(shù)授課過程中，引入了接入新技術(shù)研究小課題作為選作任務(wù)，教學(xué)班中90%以上同學(xué)主動(dòng)申請(qǐng)完成該項(xiàng)任務(wù)。

3)提升知識(shí)遷移能力，有助于人才多元化培養(yǎng)。由于位于同一平面結(jié)構(gòu)中的接入技術(shù)具有較強(qiáng)的聯(lián)結(jié)性，通過介紹多種具有相似特征的典型技術(shù)，可以提升學(xué)生的總結(jié)、聯(lián)想和類比能力，從而對(duì)新知識(shí)的學(xué)習(xí)有固著點(diǎn)并產(chǎn)生“似曾相識(shí)”的認(rèn)同感。從認(rèn)知心理學(xué)的角度看，這種利用內(nèi)容交叉點(diǎn)合理融合形成相應(yīng)知識(shí)與技能面的能力，已不再是機(jī)械地被動(dòng)接受知識(shí)，而是一種有意義的自發(fā)學(xué)習(xí)，將極大地提高學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，使其更易于同化或順應(yīng)新的知識(shí)。在教學(xué)過程中，將“HFC接入技術(shù)”設(shè)置為自學(xué)章節(jié)，并提出了兩級(jí)自學(xué)考核方式，一種是通過對(duì)應(yīng)練習(xí)，考核對(duì)HFC技術(shù)基本原理及典型應(yīng)用的掌握情況;另一種則是在第一種的基礎(chǔ)上，增加對(duì)以太網(wǎng)同軸傳輸(Ethernet over Coax，EoC)技術(shù)的課外學(xué)習(xí)，并撰寫相應(yīng)技術(shù)報(bào)告。從學(xué)生完成的技術(shù)報(bào)告上看，大部分同學(xué)都能使用三平面結(jié)構(gòu)分析思路，結(jié)合已有的Ethernet接入技術(shù)和HFC接入技術(shù)基礎(chǔ)，完成對(duì)課外新技術(shù)的自學(xué)。

5 結(jié)束語

基于三平面架構(gòu)的接入網(wǎng)課程內(nèi)容組織方式，改變了原有按孤立知識(shí)點(diǎn)主線向?qū)W生傳遞知識(shí)的組織原則，通過對(duì)接入技術(shù)的有效整合，促進(jìn)了課程內(nèi)容向模型化、簡單化、可拓展化方向發(fā)展。教學(xué)實(shí)踐表明，這種多層面聚類的課程內(nèi)容設(shè)計(jì)思路，不僅降低了接入網(wǎng)技術(shù)課程的學(xué)習(xí)難度，激發(fā)了學(xué)生對(duì)相關(guān)技術(shù)的探究興趣，還極大的提升了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和知識(shí)遷移能力。

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