虛擬機技術在一體化教學中的應用

唐超 楊建清

(廣州白云工商高級技工學校，廣東廣州510450)

1.引言

2004年起，我校開始進行一體化教學的試點工作，首先我們從計算機網(wǎng)絡專業(yè)入手，改善了理論與實習脫節(jié)的情況，取得了較好的效果。所謂一體化教學，是指以"能力本位"為指導理論，將理論教學與實習訓練有機結合在一起的一種教學模式。在教學方法上，是由師生雙方共同在實習實訓教室，圍繞課題模塊邊教、邊學、邊做來完成。經(jīng)過幾年的實踐，由于得到學生及家長的歡迎，越來越多的同學選擇報讀網(wǎng)絡工程專業(yè)，而計算機實驗設備和實驗場地不能及時得到擴充，使得計算機網(wǎng)絡設備的教學實驗資源非常緊張，同時設備的過度使用和得不到應有的維護，更加重了這一惡性循環(huán)。如何利用有限的設備，完成更多的教學實驗，并確保實驗質(zhì)量，成為我們面臨的重要課題。通過多方調(diào)研及實驗探索，合理利用"虛擬機"可在很大程度上解決上述難題。

2.虛擬機技術簡介

虛擬機技術是用軟件模擬計算機硬件環(huán)境，在現(xiàn)有的操作系統(tǒng)上虛擬出一個新的子系統(tǒng)。在虛擬機軟件上運行的虛擬計算機稱為客戶機，虛擬機軟件可以模擬出常見的硬件設備，如CPU、內(nèi)存、顯卡、硬盤、光驅(qū)、網(wǎng)卡等?？蛻魴C可以直接使用主機的鍵盤、鼠標、串/并口、USB接口、網(wǎng)卡、光驅(qū)、軟驅(qū)等設備完成與外部環(huán)境的交互通訊。虛擬計算機的體系結構如圖1所示，虛擬機軟件是安裝在物理計算機(主機)上的，與主機的應用程序在同一層次上，所以虛擬機軟件可以像應用程序一樣操作，在虛擬機的操作系統(tǒng)之上還可以安裝虛擬機應用程序。由于虛擬機軟件可以模擬計算機所需要的硬件設備，使得操作系統(tǒng)分辨不出是運行在真實計算機環(huán)境中還是虛擬計算機環(huán)境中，所以在虛擬機平臺上可以運行多種操作系統(tǒng)，如Windows系列、Linux等。

VMware Workstation是美國VMware公司一款虛擬機軟件，VMware支持所有Windows系列操作系統(tǒng)以及Linux、FreeBSD、NetWare、Solaris等，該軟件能在一臺物理計算機上虛擬并運行多個操作系統(tǒng)，這些虛擬出的機器各自擁有獨立的硬件，能夠?qū)崿F(xiàn)單機內(nèi)虛擬出的計算機組建局域網(wǎng)?；赩Mware的虛擬計算機具有安裝快捷、克隆簡便的特點，VMware虛擬出來的虛擬機硬件是固定的型號與物理計算機無關。將這款軟件應用于計算機實驗教學，可以在現(xiàn)有條件下提高教學效率，節(jié)約教學成本。

圖1 虛擬計算機體系結構圖

3.基于VMware虛擬機技術開展的實驗教學設計

3.1 計算機組裝和維護實驗

計算機組裝與維護是一門應用性和實用性非常強的課程，要求學生能夠獨立動手完成安裝操作系統(tǒng)及應用軟件。課程開設中要求學生利用計算機進行相關的軟硬件實驗?；谔摂M機技術的計算機組裝和維修實驗主要包括硬盤的分區(qū)、低級和高級格式化，數(shù)據(jù)的備份與恢復，實現(xiàn)磁盤陣列，操作系統(tǒng)和應用軟件的安裝等幾個部分。實驗時需新建一臺虛擬機，并在硬件配置編輯器中為其添加虛擬硬盤，配置好系統(tǒng)維護所需的其它硬件。學生做實驗時只要打開虛擬機，在虛擬機BIOS中修改虛擬機的啟動順序，設置為光驅(qū)啟動優(yōu)先，然后在光驅(qū)中加載實驗所需的軟件光盤或者是光盤鏡像文件，并根據(jù)運行的軟件進行相應的操作，就可以在虛擬實驗環(huán)境下完成實驗。

3.2 操作系統(tǒng)實驗

目前我們學校開設了Linux、Unix等操作系統(tǒng)課程，而我們的電腦有部分設備在此類操作系統(tǒng)中無法驅(qū)動，并且機房中的保護卡無法保護和還原Linux、Unix文件系統(tǒng)。這給學生學習和機房管理帶來很大的不便。利用虛擬機軟件，可以將Linux、Unix等操作系統(tǒng)移植到虛擬機中，并且在虛擬機里安裝操作系統(tǒng)可以做到"工作"和"安裝"兩不誤，即在虛擬機里安裝操作系統(tǒng)時，可以在本臺主機上繼續(xù)其它的工作，只要在主機和虛擬機之間切換就可以實現(xiàn)，虛擬機的"掛起"功能可以方便地保留當前狀態(tài)，以便下一次繼續(xù)實驗。在虛擬機環(huán)境下，多個操作系統(tǒng)可以同時運行，人們可以像對待標準的Windows應用程序那樣在多個操作系統(tǒng)之間切換，而不需要重新啟動機器。

3.3 網(wǎng)絡組建實驗

計算機網(wǎng)絡實驗需要多臺計算機以及多種網(wǎng)絡互聯(lián)設備，而利用虛擬機只需要一臺電腦便能虛擬出多臺虛擬機，還可以虛擬出交換機、網(wǎng)卡等設備，以滿足網(wǎng)絡組建的需要。網(wǎng)絡組建與維護實驗主要包括Windows網(wǎng)絡(域和工作組)的組建、Linux/Unix網(wǎng)絡的組建，軟路由實驗以及多系統(tǒng)組網(wǎng)實驗。進行實驗時，每個虛擬機都要配置虛擬網(wǎng)卡，連接網(wǎng)絡時要為網(wǎng)卡選擇合適的連接類型，使其能夠與主機、其它虛擬機或主機所在網(wǎng)絡上的其它計算機進行通信。實驗過程中需注意，選擇不同的網(wǎng)卡類型也就是選擇了不同的網(wǎng)絡連接方式。

3.4 服務器配置與管理實驗

在虛擬網(wǎng)絡里，將某些虛擬機配置為服務器，某些虛擬機設為客戶端，讓學生從中學習服務器的配置與管理?？稍赩Mware進行Web、DNS、FTP、Mail、DHCP服務器以及流媒體服務器等服務器的配置實驗。服務器配置與管理實驗建議使用虛擬機分組來完成，通過使用的分組（Teams）功能管理網(wǎng)絡連接虛擬機可以在單臺機器上運行多層企業(yè)應用程序。在分組中可顯示所有連接的虛擬機的活動縮略圖，使用戶能夠方便地識別與小組相關的虛擬機并在各虛擬機之間進行切換。使用分組功能還可以使用同一分組內(nèi)虛擬機共享內(nèi)存而減少對物理內(nèi)存的需求。

3.5 網(wǎng)絡安全實驗

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與普及使得病毒的傳播和破壞方式也越來越網(wǎng)絡化，計算機網(wǎng)絡安全課程也就顯得越來越重要。受客觀教學條件的限制，教師在講解計算機病毒時只能停留在講解的層面上，很難進行實驗演示。利用虛擬機可以改變這一狀況，我們可以在虛擬機系統(tǒng)上植入病毒文件進行系統(tǒng)攻擊實驗，以及實現(xiàn)安全防御等操作，讓學生更加直觀地了解系統(tǒng)的安全及防御技術，以達到知識鞏固及提高的目的。

4.虛擬機網(wǎng)絡環(huán)境應用的優(yōu)點及其缺陷

4.1 虛擬機技術應用的優(yōu)勢

利用虛擬機環(huán)境，無論是在教學中還是學生實驗中都有其相當大的優(yōu)勢，可簡單歸納以下幾點：（1）在一臺實體機上組建的一個虛擬機局域網(wǎng)環(huán)境，這個網(wǎng)絡的行為與真實的網(wǎng)絡完全一致，而且不用擔心虛擬網(wǎng)卡和虛擬交換機會損壞。（2）每一臺虛擬機，在宿主機上就是一個獨立的子系統(tǒng)，可以獨立地安裝幾乎所有的主流操作系統(tǒng)，可以模擬真實網(wǎng)絡中客戶機上的操作系統(tǒng)的多樣性。（3）每臺虛擬機，在宿主機上是一個文件或文件夾。這樣就具有可攜帶性和可遷移性。（4）每一臺虛擬機歸根到底是宿主機上的一個軟件系統(tǒng)，這樣，在學生實驗時，可以減少設備的損壞、降低設備的投資、減輕設備維護的工作量。

4.2 虛擬機技術應用的不足

利用虛擬機網(wǎng)絡環(huán)境應當充分考慮到：（1）虛擬網(wǎng)絡的行為與真實的網(wǎng)絡完全一致，對于課堂的教學演示必須事先進行統(tǒng)籌的安排，以利于節(jié)約時間提高效率。（2）如果啟動的虛擬機較多，則需要實體機內(nèi)存要大且屏幕也要大，且啟動也時間較長，由此，教師在上課前必須預先啟動演示所需的虛擬機。（3）在學生實驗時，缺乏對實際網(wǎng)絡的感觀理解，也無法體會到實際網(wǎng)絡中如掉線、客戶機或交換機電源未開等情況引起的網(wǎng)絡故障。

5.結束語

基于虛擬機技術的一體化教學模式很大程度上緩解了學校內(nèi)因網(wǎng)絡設備不足和場地限制所造成的網(wǎng)絡課程實踐困難的問題，而VMware Workstation虛擬機軟件為虛擬網(wǎng)絡架構的實現(xiàn)提供了很好的支持。學生不僅能用它組建對等網(wǎng)、客戶機/服務器網(wǎng)，組建具有路由功能的網(wǎng)絡，還能用它建立可能危及電腦系統(tǒng)的操作的網(wǎng)絡實驗。在交換機和路由器的模擬方面，如能將GNS3等網(wǎng)絡模擬器加以補充應用，虛擬機網(wǎng)絡架構將更加完善。

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