1、前言

计算机网络技术的发展与广泛应用，使网络化成为计算机应用的主要工作模式，也使计算机网络深入到人类社会的各个领域，成为人类社会活动的不可缺少的生活与工作手段。按照我国1992年国标GB/T13745-1992对学科的划分^[1]，计算机网络被归入一级学科“计算机科学技术”之下的二级学科“计算机系统结构”之中作为三级学科（学科编码：520 3040）。在一级学科“电子、通信与自动控制技术”之下的二级学科“通信技术”内又设置了三级学科“通信网络技术”（学科编码：510 5030）。笔者无意批评历史，但计算机网络技术发展到今天已经成为一门相对独立的、涉及多学科技术的重要学科，用两个三级学科分别界定其内涵是否妥当，宜制定学科划分标准的专家重新审视。

通信技术之三级学科“通信网络”的研究重点是“通信子网”（Sub-network）技术，即“开放式系统互联参考模型”（OSI/RM）^[2]中由中继/中间系统（Relay/Intermediate System）组成的系统。而一级学科“计算机科学技术”之下的三级学科“计算机网络”则应当是研究如何构建完整的计算机网络的技术，因此，它既涉及通信子网技术，也涉及与端系统的技术，是一个比“通信网络”更为广泛的概念。本文讨论的题目的背景是计算机网络，而不仅仅局限于通信网络。

由于计算机网络本身涉及的技术较广，本文把计算机网络课程作为研究完整的计算机网络技术的理论（技术）基础课程和入门课程探讨它所涉及的关键技术、教学内容和教学路线；针对现有计算机网络教材的内容和教学思路提出作者的看法供同行探讨与斧正。

2、计算机网络是计算机网络课群的专业基础课

计算机网络涉及多学科和多种技术，加上某些专业对应用性和工程性内容的需要，不可能用一、两门课程包罗全部内容，因而需要针对不同专业设置不同的专业“套餐”（课群），而计算机网络课则是计算机网络套餐中的入门课。下面以我校网络工程专业为背景来探讨相关问题。

我校2002年增设了“网络工程专业”，当时也曾把专业培养目标确定为培养网络工程分析、设计和实施的工程技术人员。进一步的市场人才需求调查使我们意识到：作为重点本科的专业以建网技术为培养目标专业内容过窄，混同于职业技术教育，不利于培养学生扎实的专业技术基础，也不利于学生就业与发展。事实上，2005年国内已经开始出现“网络工程”建设人才过剩、就业率低于其他专业的情况。我校及时地调整了培养目标，在无法更改专业名称的情况下，将网络工程专业的内涵实际上拓宽为“计算机网络专业”，即通过计算机网络技术基础和技能的培养，使毕业生能够适应与计算机网络技术相关的开发工作、网络工

程分析与设计、网络应用系统开发与系统集成工作的需要，部分学生通过自学或深造能够成为从事本专业及相关专业的科学研究工作的人才。

在相关网络教学中，我校在课程设置上探索出一种建立“专业套餐”（专业课群）的方法，以便强化学生专业基础及专业素质与能力的培养。为了强化对学生专业基础及专业素质与能力的培养在计算机网络工程专业的专业套餐中我们分别设置了专业基础课、必修专业课、选修专业课和系列化的实验课程。“计算机网络”是我校网络专业课程群中的专业基础课，其目的在于以网络体系结构为主线索，使学生理解网络技术相关的基本概念，掌握网络基本技术，特别是网络协议的描述方法和技术，为后续的网络课程奠定坚实的基础。在该课群中设置了“网络编程”专业必修课，其目的在于强化学生的动手能力，培养学生在网络环境中的编程能力以适应未来网络软件的开发工作。我校的“网络工程”课，以笔者提出的“网络工程大、小生命周期”概念为主线索，讲授网络工程各生命周期的技术内涵、技术与管理规范，培养学生的网络工程分析、设计与实施能力。针对目前部分“信息安全”过分强调了加密技术而淡化了网络安全中其他技术的倾向，我们的“网络安全”课，把计算机网络技术作为一个独立的学科，把计算机网络作为一个整体，分别从通信子网、端系统和应用系统的角度来讲述网络安全问题，结合网络工程专业的特点，理论与实际相结合进行教学，培养学生未来从事网络安全防护与开发能力。根据2005年美国劳工部统计局关于未来10年信息学科人才需求中，网络系统分析与测试人员的增长量排名第二的预测，我们新开设了“网络系统分析、测试与评价”课，其目的在于培养学生对网络系统性能分析、测试技术和评价的能力，使学生能够适应未来网络技术开发、评价与维护的能力。在分析对比国内教学与国外教学的差异的基础上，在323等建设经费的支持下，大大加强了实验环境，我们已开设的“实验课”提供了包括创新实验在内的20多个系列实验，供专业套餐中不同课程选用。实践表明，我们对网络工程专业培养目标的调整以及对专业套餐的充实和修改，正逐步地把网络工程专业改变为计算机网络专业，有利于学生毕业后适应与计算机网络相关的各类技术工作。近两年，我校网络工程专业学生的就业率上并未受到专业名称的影响。

3、有关计算机网络教材问题的探讨

3.1 关于计算机网络的定义问题 

有关计算机网络的概念，国内外计算机网络教材和书籍中较为普遍地采用了A.S.Tanenbaum对计算机网络的定义^[3]，即“计算机网络是由多个独立自组的计算机互联而成的系统”。这一定义界定了计算机网络终端是“独立自主”的计算机系统，从而将主-从模式的工作方式的组成的计算机系统和传统计算中心的单计算机-多终端系统排除在计算机网络之外；“互联”(Interconnected)表明计算机网络涉及通信和信息交换。但是，这一定义未强调计算机网络与此前的其他网络 (如线路交换网)在技术上的根本区别在于采用了分组交换/存储转发技术。

现有的教材中在基本概念上还存在其他一些方面的问题。如教材[3]把ATM信元层当作网络层讨论，显然ATM层不具备网络层所需的寻址功能，因而不能自圆其说；把应用适配层（AAL）作为传送层讨论,然而AAL层又居于IP层和其他网络层之下。国内某计算机网络规划教材把调制定义为“将基带数字信号的频谱变化成适合在模拟信道中传输的频谱”。显然，这只是对调制技术的一种应用特例的界定，它并未反映出“调制”的全部内涵。实际上还存在模拟信号调制模拟信号（如无线广播和模拟电视节目的传输）、模拟信号调制数字信号（如脉冲幅度调制PAM）的情况。

3.2 关于计算机网络的体系结构问题

计算机网络体系结构是对计算机网络的组成、功能部件间关系以及系统运作过程的宏观描述，是学生掌握计算机网络技术的纲领性知识。目前典型的体系结构是以OSI/RM为代表的分层体系结构^[2]。OSI/RM将计算机网络描述为由具有七层结构的端系统（End-System）和多个中继/中间系统互联而成的通信子网。OSI/RM还限定中继系统最多涉及物理层、数据链路层和网络层。现有教科书对Internet体系结构的描述，除了将Internet的应用层解释为是OSI/RM端系统中的应用层、表示层和会话层功能之集合之外，沿袭了OSI/RM的结构描述。但是，路由器中实际上还涉及路由协议（如RIP、BGP）和网管协议（SNMP）等与网络控制管理相关的协议，它们可能需要传送层的TCP或UDP。换言之，路由器仅在传输用户数据是最多涉及网络层，而为了传输控制/管理信息的需要路由器中还涉及OSI/RM的应用层和传输层。遗憾的是，多数教科书都回避了这一问题，其结果是计算机网络课程中讲述的关于通信子网网络体系结构与实际网络完全脱节。从这种意义上讲，有必要反思OSI/RM和对Internet体系结构的描述。

笔者编写的《现代网络通信技术》一书^[4]中，在讲述计算机网络体系结构时，在介绍OSI/RM和对Internet体系结构的传统模型的同时，指出了上述模型的不足。为了合理地表达网络体系结构，我们将通信技术中利用不同“频带”来传输用户数据与控制管理数据的“带外信令”（Out-of-band Signaling）技术中“频带”的概念引伸为“平台”，重新将计算机网络中的带内/外信令传输定义为：“用户数据”与“控制管理数据”在同一/不同平台上传输。用新的“带外信令”的概念来看待Internet的通信子网，由于用户数据传输平台与控制管理信息传输平台分离，当然允许两平台的协议层次不同，因而出现了路由器的用户数据传输平台为3层结构，而控制管理平台为5层结构就。换言之，OSI/RM中将中继系统限制在最高3层结构只适用于用户数据传输平台。用上述扩展的带内/外信令控制的观点看，OSI/RM以及对Internet体系结构的传统模型由于隐含了所有数据在同一平台上传输的假设，因而无法解释两类信息传输平台协议层次的差异，有必要对之进行扩充与完善。实际上，“带外”信令概念还可以进一步引申到整个网络，用于解释诸如传送数据前访问DNS和利用ARP获取目的MAC地址之类的信控与管理平台的活动。

3.3 网络与通信技术的关系问题

计算机网络是多种技术，特别是计算机技术和通信技术支持下发展起来的技术学科，计算机网络技术的发展在很大程度上都得益于通信技术的进展。以“以太网技术”为例，近20年的发展，通信线路误码率多个数量级的降低，使检错功能存在的价值大大下降；从共享介质向独享介质工作方式的变化使以“载波侦听/冲突检测(CSMA/CD)”为代表的“以太网技术”已经失去了原意；以太网的数据链路层功能不断萎缩，退化为仅“成帧”功能的子层。事实上，物理层技术的发展才代表了以太网技术的正真发展。从10Mbps发展为10Gbps,每一次速率的提高都倾注了从事通信技术研究人员的心血，其物理层也在这一过程中发展成为以太网设备中的多子层、多功能的重要部件。而现有的计算机网络教材仍然大讲CSMA/CD，对近年以太网技术的发展，即从共享介质的半双工工作方式，转变为独享介质的全双工交换方式带来的技术变化却涉及甚少，不能不视为教材大大落后于技术的进步。

接入网技术的发展也是网络技术发展中另一个十分活跃的领域。过去接入技术被视为“最后一公里”难题，近年来被称为“第一公里”技术以示其重要性并取得了重大的进展。以基于电话用户线（Subscriber Line/Loop）的技术发展为例，xDSL和HomePNA技术的发展使用户接入问题不再是网络接入的难点，遗憾的是，现有的教材很少对相关技术进行必要的讨论。无线接入技术的发展对网络接入的重要性以及对移动IP技术的发展的重要意义也许是物理层技术对计算机网络技术发展起到重大促进作用的另一个例证，计算机网络教材不应当回避相关的问题。

上述列举的问题都在不同程度上反应现有的计算机网络教材未对通信对计算机网络技术的重要意义引起足够的重视，存在严重的重上层、轻下层的倾向，应当引起教材编写人员的重视。

3.4 网络技术现状与未来的关系问题

计算机网络，特别是Internet的成功应用，一方面给人类社会带来极大的方便和利益，另一方面也带来更大的期望，即能否利用计算机网络提供包括实时的音、视应用数据流在内的综合传输与交换业务问题，或者解决通常所说的“三网合一”问题或者说下一代网络问题。在很长一段时间内，国内外都错误地把IPv6视为NGI的代名词。美国成立了GENI协调联盟（GCC - GENI Coordinating Consortium）来组织协调有关研究与实验活动。有趣的是，在GENI网页中在介绍GENI时，公开表明了一种观点，即“有30年历史的Internet体系结构已经制约了‘应对Internet所面临的挑战’和‘抓住可能的机遇’……，应当从概念上重新构建层次清晰（Clean slate）的Internet体系结构”^[5]。这一观点与此前国际上学术界部分研究者的观点和研究路线^[6-8]不谋而合，将有助于纠正迄今为止网络界仍较为普遍的“NGI就是用IPv6取代IPv4”的错误观点。面对我国“十一.五”期间教学编写的教材，如果还是仅仅对现有技术进行介绍，对我国“十一.五”以后的网络技术研究将十分不利。

4、关于计算机网络课程教学的探索

我国古代思想家韩愈有关教师的一句名言“师者，传道、授业、解惑也！”，他首先强调的是“传道”。对于技术学科而言，传道应当是学习之道、思想方法和研究方法之道。我们的教学工作不仅需要告诉学生现有的技术，更重要的是应当培养学生的良好的学习方法（特别是自学方法）、思考和分析问题的方法和今后的工作方法。因此，我们的教材和课程不但要告诉同学们，现在的技术如何，更应当引导学生学会如何思考和分析问题，以便面对未来科学技术的发展。

计算机网络课程是计算机网络技术系列课程中的专业基础课和入门课，因此，我们把该课程的任务与培养目标定位于：使学生能够较牢固地掌握计算机网络技术的基本概念；了解计算机网络与通信技术相互依存和相互促进的关系，初步掌握与计算机网络密切相关的通信技术；能够较深刻地理解和掌握计算机网络的分层思想、体系结构和基本工作原理；能够较深刻理解通信技术中的“带外信令”概念在计算机网络中的扩展对于解释和简化通信子网的体系结构重要意义并用于分析和研究通信子网技术；通过典型网络协议的学习基本掌握计算机网络协议的基本技术、工作原理和协议描述技术。

经过多年的实践，我们探索出了一套以“基、通、体、带、协”为核心的计算机网络课程教学思想和教学内容的组织方式。其内涵是：

基——狠抓基本概念，廓清包括教材中的不完整或错误的概念。针对技术学科基本概念往往不够准确或缺乏公认的定义的现状，为了尽量给学生以更为准确的、更现代化的定义，在基本概念的引入上，在现有教材和参考资料的基础上，充分利用网络优势，广泛收集网络联机专业百科全书和专业字典（如Wikipedia、Webpedia、Whatis.com、computerhope.com等）的定义，更正教材中的不完整或错误的概念。

通——重视通信技术与计算机网络的依存关系，在计算机网络课程中强化相关通信技术。

计算机网络技术与通信技术紧密相关，现代通信技术的发展促进了计算机网络技术的发展，也给网络技术提出了新的挑战。但是，OSI/RM部分地把通信技术排斥在外，传统的网络教材和教学对通信技术强调不够，部分教材中对通信概念的介绍还存在不完整或错误的概念。在本课程的教学中，我们强调了网络与通信技术的依存关系和相互促进的关系，强化了与网络关系密切的部分通信的内容。例如，典型的以太网技术从10Mbps发展为10Gbps，其中传输数据率每提高一个数量级，都直接与物理通信技术进展与探索密切相关，物理层内部结构的变化（子层的增多）、物理介质的变化和性能的提高、传输技术的改进、波形与编码的变化等等。而现有的教材涉及甚少。

体——狠抓体系结构，为学生建立计算机网络总体概念。计算机网络体系结构是界定网络组成及描述其工作原理和过程的总框架，只有深刻理解网络体系结构才可能全面理解网络和今后进一步研究和发展网络技术。但是，国内外的计算机网教材和书籍对计算机网络体系结构的讲述几乎都毫无例外地采用简单讲述分层原则后，再简单地介绍各层功能的方式。这就造成学生学完计算机网络课程后最多记得OSI/RM和Internet层次数量，对其内涵记得的甚少。因此，本课程在讲授体系结构时，采用了启发式、从历史通信条件和应用需求背景出发，以不同的信息交换需求为基础，逐步引入OSI/RM各层功能，导出了OSI/RM和Internet体系结构。在教学中，我们注意处处以体系结构为背景讨论各层功能，进一步从网络发展实例引导学生理解该体系结构并非一成不变，告知学生已有的变化和今后可能的发展。事实上，美国Stanford大学就结合该校对未来Internet体系结构的研究为本科开设了“层次清晰的Internet”(Clean Slate Internet)的课程。可见国外已有的大学注意到在学生培养上不但要注意现有的技术，还需要重视技术的发展方向。

带——以带外信令（Out-of-band Signaling）为主线索组织课程内容的讲述。带外信令的概念始于通信技术，在计算机网络中广为应用并影响着网络技术，特别是网络体系结构。但是，尽管在某些计算机网络书籍与教材中对之有所提及，但对其内涵却未予以界定。本课程将计算机网络中的带外信令定义为：如果通信子网中，网络控制信息和/或管理信息的传输和交换与用户数据传输与交换所使用的网络协议层次即平台（Platform)不同，这一通信子网便称为使用“带外信令传输与交换技术”；否则称为使用“带内信令传输与交换技术”。这一定义的意义在于能够以此解释现有包括Internet在内容的通信子网的节点（路由器、交换机）中为什么与传统教材和书籍中所讲的最多三层而实际涉及包括应用层在内的多层的矛盾现象；也能够用以解释包括B-ISDN、MPLS在内的已有的网络体系结构的简化以及潜在的对用户传输平台的进一步简化。事实上，我们用带外信令的观点去分析现有Internet的运作过程，例如将发送数据前可能需要访问域名服务器，或利用地址解析协议（ARP）获得目的MAC地址的过程解释为信控管理平台的行为，整个运作过程的解释就更加顺理成章。

协——以典型协议为基础讲授协议基本内涵与基本技术。协议是通信与网络中实现数据与信息交换最基本的技术，但网络协议数量大并处于不断变化之中（IETF中相关文本达4000多个），不可能面面俱到。作为理论与技术基础的网络课程必须强烈灌输协议概念、基本工作原理与核心技术，并通过教材中的典型协议的介绍强化协议描述与定义的思想和技术。例如，在数据链路层协议的讲授上，我们以体系结构中界定的数据链路层功能为背景，以HDLC为基础讨论基本工作原理及其派生出的多种协议；在流量控制技术的介绍上以滑动窗口为基础讨论其基本技术，而不像现有教材那样从最早的“停-等协议”讲起，只是把该协议当作窗口为“1”的特例。在协议描述技术方面，我们从物理层开始就逐步引入协议状态变迁描述技术，使学生能够通过多次反复，基本掌握相关技术。

5、感谢

    本文的内容及观点得益于笔者本人及部分同事的科研和计算机网络相关课程的本科和研究生课程教学实践，笔者再次对相关同事表示感谢。笔者特别感谢西南交通大学在申报四川省“计算机科学与技术”特色专业和四川省、西南交大“计算机网络”精品课程过程中所给予的包括经费在内的各种支持。本文的部分内容还得益于清华大学出版社的支持，该社与本校签订的关于“计算机网络课程群建设及与相关专业的关系研究”合同促进了笔者及其同事对国内外计算机网络课程的全面调研，在此一并感谢。

参考文献

[1] GB/T13745-1992 -《学科分类与代码》

[2] ISO/IS 7498, Open System Interconnection/Reference Model (OSI/RM), 1980.

[3] Andrew S Tanenbaum, Computer Networks (3rd ed.), [s.l.]: Prentice-Hall，Inc., 1996

[4]曾华燊，《现代网络通信技术》[M]D，西南交通大学出版社， 2004.1

[5]  Frequently Asked Questions, http://www.geni.org, 2006.

[6] D. Clark, K. Sollins, J. Wroclawski, et al. Addressing reality: An architectural response to real-world demands on the evolving Internet. ACM SIGCOMM Computer Communication Review [J], 2003, 33(4): 247～257

[7] Huaxin Zeng, Jun Dou & Dengyuan Xu, "On Three-Dimension Ethernet MAN (3D-EMAN) architecture," in: Proceedings of PACAT03[C], IEEE press, PP. 535-540, Aug (2003)

[8]曾家智, 徐洁, 吴跃等. 服务元网络体系结构和微通信元系统构架, 电子学报[J], 2004,32(5),745-749

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