虛擬技術(shù)在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

袁建波

（新疆天山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆烏魯木齊830017）

0 引言

虛擬化是一種從邏輯角度對(duì)物理資源進(jìn)行分配的方法，是物理實(shí)際上的邏輯抽象。就虛擬技術(shù)目前的發(fā)展程度來(lái)說(shuō)，它能夠?qū)④浖陀布蛛x開來(lái)，而且虛擬技術(shù)的應(yīng)用從剛開始的服務(wù)器延伸到了桌面。根據(jù)其應(yīng)用功能來(lái)推測(cè)，虛擬技術(shù)未來(lái)必將應(yīng)用于計(jì)算機(jī)教學(xué)。

1 虛擬技術(shù)

虛擬技術(shù)對(duì)很多人來(lái)說(shuō)也許是一個(gè)陌生的名詞，但是人們對(duì)它的應(yīng)用并不陌生。隨著該技術(shù)的逐漸成熟與應(yīng)用普及，相信人們會(huì)越來(lái)越多地了解它、關(guān)注它。

1.1 虛擬技術(shù)的定義和類型

查閱資料，可以將虛擬技術(shù)的定義總結(jié)為：在計(jì)算機(jī)這門學(xué)科中，虛擬化是一種從邏輯角度對(duì)物理資源進(jìn)行配置的方法。拒絕從物理角度來(lái)看待問(wèn)題，僅僅從邏輯角度看待問(wèn)題，角度較為單一。打個(gè)比方來(lái)說(shuō)，眼前只有一臺(tái)電腦，但是通過(guò)應(yīng)用虛擬技術(shù)，就能夠讓用戶感受到多臺(tái)電腦。每一臺(tái)電腦都有自己的內(nèi)存、CPU、硬盤等硬件。如果應(yīng)用虛擬技術(shù)，一臺(tái)設(shè)備上可以有多個(gè)操作系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，不僅如此，每個(gè)系統(tǒng)還可以有多個(gè)程序運(yùn)行。多個(gè)系統(tǒng)和多個(gè)程序都是應(yīng)用同一套硬件資源。然而系統(tǒng)與系統(tǒng)之間，程序與程序之間都是互不影響，相互獨(dú)立的。虛擬技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了硬件資源和軟件資源的分離，大大提高了計(jì)算機(jī)硬件資源的利用率。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，不需要考慮這種功能是如何實(shí)現(xiàn)的，只要能夠充分利用資源就可以。

虛擬技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，為建設(shè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)云架構(gòu)提供了可能和堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。不僅如此，其應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了計(jì)算機(jī)行業(yè)的各個(gè)層面。

虛擬技術(shù)總會(huì)把IT資源物理的硬件資源虛擬構(gòu)成計(jì)算機(jī)資源池。根據(jù)計(jì)算機(jī)資源的不同，可以將虛擬技術(shù)分為多種類型。

1.1.1 虛擬化中的基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)

基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)主要可以分為網(wǎng)絡(luò)虛擬化和存儲(chǔ)虛擬化。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化指的是整合部署在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的硬軟件資源，并且能夠讓用戶終端連接虛擬網(wǎng)絡(luò)的一種技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)虛擬化可以分為虛擬專用網(wǎng)和虛擬局域網(wǎng)。虛擬局域網(wǎng)就是將一個(gè)物理的局域網(wǎng)分成多個(gè)虛擬的局域網(wǎng)，把多個(gè)物理的局域網(wǎng)里的節(jié)點(diǎn)劃分到同一虛擬局域網(wǎng)，這樣的方法令虛擬的局域網(wǎng)的信息交換類似于物理的局域網(wǎng)，這種技術(shù)帶來(lái)的不適感較少，用戶不易察覺(jué)。

存儲(chǔ)虛擬化是指對(duì)物理存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行抽象化的表現(xiàn)，形成抽象的邏輯視圖，而用戶可以通過(guò)視圖中統(tǒng)一的邏輯接口訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)，使用其中整合儲(chǔ)存的資源。存儲(chǔ)虛擬化可以分為網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)虛擬和物理硬件設(shè)備的存儲(chǔ)虛擬兩種形式。而網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)存虛擬作為一種較為經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)存方式，收到大眾的歡迎。能夠代表網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)虛擬的是存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)區(qū)域存儲(chǔ)。

1.1.2 虛擬化中的系統(tǒng)虛擬化

虛擬技術(shù)中大眾接受最廣泛且認(rèn)識(shí)最全面的就是系統(tǒng)虛擬化。它是在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上使用特定的虛擬化軟件，然后在此物理機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)運(yùn)行軟件程序虛擬出多臺(tái)計(jì)算機(jī)，提高計(jì)算機(jī)硬件資源的利用率。系統(tǒng)虛擬化實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)的分離，能夠在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行多個(gè)系統(tǒng)和程序。

系統(tǒng)虛擬化又可以分為服務(wù)器虛擬化和桌面虛擬化。服務(wù)器虛擬化就是將系統(tǒng)虛擬技術(shù)應(yīng)用于服務(wù)器上，能夠把一臺(tái)服務(wù)器虛擬為多個(gè)服務(wù)器。桌面虛擬化是指用戶將自己的桌面環(huán)境作為托管服務(wù)進(jìn)行交付，擺脫傳統(tǒng)的使用終端設(shè)備的捆綁，將每個(gè)用戶的個(gè)性桌面儲(chǔ)存在網(wǎng)絡(luò)上，用戶在使用不同的設(shè)備時(shí)，就能夠使用自己的專屬桌面。

1.2 虛擬技術(shù)的解決方案

隨著科技的發(fā)展，虛擬技術(shù)也越來(lái)越成熟。而虛擬化市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈，不斷有廠商加入其中。因而產(chǎn)生了多種虛擬化解決方案，以下簡(jiǎn)單列舉幾種典型方案：

1.2.1 Vmware

Vmware是世界上虛擬行業(yè)最大的廠商，該公司的虛擬機(jī)部署分為基于主機(jī)操作系統(tǒng)的虛擬化和獨(dú)立虛擬化兩種。基于主機(jī)操作系統(tǒng)的虛擬化中的虛擬機(jī)管理器是在主機(jī)操作系統(tǒng)上運(yùn)行的，管理器的一切運(yùn)行動(dòng)作都得依靠主機(jī)的硬件資源來(lái)完成。獨(dú)立虛擬化是一種不需要主機(jī)操作系統(tǒng)，虛擬機(jī)管理器直接在硬件上運(yùn)行的虛擬機(jī)。該虛擬機(jī)能夠在硬件基礎(chǔ)上構(gòu)造多個(gè)虛擬的執(zhí)行環(huán)境，虛擬機(jī)管理器也是主機(jī)的操作系統(tǒng)。Vmware Workstation是基于主機(jī)操作系統(tǒng)虛擬化中的典型，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 Vmware的架構(gòu)

1.2.2 Xen

Xen是一款開源虛擬機(jī)軟件，其開發(fā)團(tuán)隊(duì)是英國(guó)劍橋大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)。在開發(fā)的初始階段，他們就提出一個(gè)虛擬體系結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)需要修改用戶的操作系統(tǒng)，并且能夠在x86、PowerPC及其他的CPU架構(gòu)上全都能夠提供具有高效、強(qiáng)大并且安全的虛擬化。Xen能夠支持的操作系統(tǒng)有l(wèi)inux和windows的多種版本。除此之外，Xen還具有獨(dú)特的虛擬化支持、可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，Xen是基于混合的模型，其架構(gòu)如圖2所示。

圖2 Xen的架構(gòu)

1.2.3 KVM

KVM是一種在X86平臺(tái)之上Linux系統(tǒng)全虛擬化的解決方案。此外，KVM也是一款開源虛擬機(jī)軟件。KVM最早的開發(fā)團(tuán)隊(duì)是Qumranet公司，是傳統(tǒng)的Linux內(nèi)核虛擬技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者針對(duì)Linux系統(tǒng)平臺(tái)提出的一種全新劃分方式的概念。它的特點(diǎn)是可以將KVM的kernel module添加到系統(tǒng)的內(nèi)核當(dāng)中，令系統(tǒng)內(nèi)核本身就成為一個(gè)虛擬機(jī)的管理程序。KVM架構(gòu)如圖3所示。

圖3 KVM的架構(gòu)

2 虛擬技術(shù)在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)教學(xué)是一種趨勢(shì)，了解其在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用不僅有利于計(jì)算機(jī)教學(xué)，也有利于虛擬技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

2.1 虛擬技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

并不是所有的客戶都能從某一個(gè)相同的、典型的虛擬化解決方案中獲得相同的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樘摂M技術(shù)能夠提供的優(yōu)勢(shì)主要取決于3個(gè)方面，首先是所選擇的虛擬技術(shù)，其次是客戶要達(dá)到的目標(biāo)，還有就是ET基礎(chǔ)的構(gòu)架。但是分析不同的虛擬化解決方案，可以得到以下幾種共有的虛擬技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.1.1 硬件資源的利用率更高

根據(jù)虛擬技術(shù)的特性可知，虛擬技術(shù)能夠使不同的系統(tǒng)程序建立在共同的硬件資源之上，這樣一來(lái)，設(shè)備硬件資源的利用率就得到了大大提高。

2.1.2 管理成本降低

虛擬技術(shù)可以通過(guò)多種途徑來(lái)提高工作效率。例如通過(guò)隱藏的方式來(lái)降低物理資源的復(fù)雜性；減少某些必須進(jìn)行管理的物理資源數(shù)量；依靠設(shè)備的自動(dòng)化來(lái)簡(jiǎn)化中央管理任務(wù)和負(fù)載的自動(dòng)化。除此之外，公共工具也能夠依靠虛擬技術(shù)的支持應(yīng)用于多個(gè)平臺(tái)。

2.1.3 使用更靈活

由于業(yè)務(wù)對(duì)物理資源的需要是動(dòng)態(tài)變化的，所以需要虛擬技術(shù)來(lái)重新配置和部署資源。

2.1.4 安全性更高

由于虛擬技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同系統(tǒng)程序之間的隔離和劃分，所以在訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)具有較高的安全性。

2.1.5 可用性較強(qiáng)

根據(jù)虛擬技術(shù)的特性，如果對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行升級(jí)、刪除或者改變，都不會(huì)影響用戶。

2.1.6 擴(kuò)展性更高

因?yàn)樘摂M技術(shù)能夠通過(guò)資源的匯聚和分區(qū)的方法將物理資源變大或者變小，所以用戶可以在不改變硬件資源的情況下，對(duì)設(shè)備的資源進(jìn)行調(diào)整。

另外，某些物理資源不能提供的各種協(xié)議和接口的兼容性，可以由虛擬資源來(lái)提供。虛擬技術(shù)的資源分配，能夠以比個(gè)體物理資源更小的單位進(jìn)行。而且由于虛擬資源沒(méi)有操作系統(tǒng)的問(wèn)題和硬件，所以一旦虛擬資源發(fā)生崩潰現(xiàn)象，能夠更快恢復(fù)。

2.2 虛擬技術(shù)的應(yīng)用

研究虛擬技術(shù)在計(jì)算機(jī)教學(xué)方面的應(yīng)用，不但有利于提高課堂效率，也有利于虛擬技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

2.2.1 支持多操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在計(jì)算機(jī)教學(xué)過(guò)程中，為了能夠讓學(xué)生更好地掌握理論知識(shí)，更加熟練使用一些普遍的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，往往都會(huì)為學(xué)生提供良好的系統(tǒng)試驗(yàn)環(huán)境。然而，面對(duì)現(xiàn)實(shí)，許多學(xué)校還存在著兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是受到外界條件的限制，不能為一個(gè)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)提供專門的機(jī)房和設(shè)備；二是一些學(xué)校通過(guò)在計(jì)算機(jī)上安裝雙系統(tǒng)來(lái)緩解前面的問(wèn)題，但是這種方法不僅浪費(fèi)資源，而且局限性大，與多樣的操作系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)需求不相匹配。要解決這兩個(gè)問(wèn)題，為學(xué)生提供良好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，就必須通過(guò)虛擬機(jī)技術(shù)來(lái)完成，真正做到一機(jī)多能、一機(jī)多用。

因?yàn)閂Mware Workstation對(duì)終端設(shè)備的配置要求不高，所以以VMware虛擬機(jī)為例，來(lái)講明如何在windows XP上構(gòu)建多操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

首先，建立虛擬機(jī)。虛擬機(jī)的軟件采用VMware Workstation ace6.0，其建立的過(guò)程如下：依次點(diǎn)擊“File-New-Virtual Machine”,根據(jù)向?qū)瓿蓜?chuàng)建；選擇典型安裝的安裝方式，主要安裝Red Hat Linux9和Windows Server2003；輸入新建虛擬機(jī)的名字并選擇安裝位置；選擇“Use bridged networking”為網(wǎng)絡(luò)連接類型；完成創(chuàng)建。

其次，安裝操作系統(tǒng)。具體操作過(guò)程是這樣的：選中Windows Server2003的虛擬機(jī)并啟動(dòng)；從網(wǎng)上下載相應(yīng)的ISO文件以加快安裝速度；設(shè)置虛擬機(jī)，并插入ISO文件。

最后，建立宿主機(jī)和虛擬機(jī)共享文件夾。因?yàn)樗拗鳈C(jī)和虛擬機(jī)經(jīng)常要進(jìn)行文件的交換，所以VMware公司專門用VMware tools軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)文件的共享。

2.2.2 支持便攜“電腦”

虛擬技術(shù)擁有良好的可移植性。因?yàn)樘摂M機(jī)是以文件和文件夾的形式存在于宿主機(jī)上的，所以它可以存儲(chǔ)在U盤或者移動(dòng)硬盤上。虛擬技術(shù)的這一特性可以應(yīng)用在兩個(gè)方面。一方面是學(xué)生可利用這些在課下進(jìn)行練習(xí)。因?yàn)閷W(xué)生在課堂上的時(shí)間較為集中，且有時(shí)間限制，如果學(xué)生不熟悉操作，可能需要較長(zhǎng)時(shí)間練習(xí)。應(yīng)用虛擬技術(shù)，將虛擬機(jī)文件拷貝到個(gè)人計(jì)算機(jī)上就可以進(jìn)行聯(lián)系，不必在學(xué)校機(jī)房練習(xí)；另一方面是某些學(xué)術(shù)講座，需要技術(shù)演示時(shí)，會(huì)因?yàn)檐浖牟煌?，要求?huì)場(chǎng)的電腦安裝特定的系統(tǒng)環(huán)境。為了不至于每次都安裝系統(tǒng)環(huán)境，可以事先將虛擬機(jī)文件部署好并存放在U盤上，只需要帶U盤去就可以。稱得上是最便攜的“電腦”設(shè)備。

2.2.3 支持網(wǎng)絡(luò)教室

虛擬技術(shù)的應(yīng)用，可以為網(wǎng)絡(luò)教室的建立提供多種優(yōu)勢(shì)，其中最主要的是以下三個(gè)方面。

第一，虛擬技術(shù)能夠輔助課堂上的演示工作。對(duì)目前國(guó)內(nèi)的大部分高職院校來(lái)說(shuō)，由于資金等多方面的問(wèn)題，不能做到每個(gè)專業(yè)都配備多媒體教室，一般情況下都是多個(gè)專業(yè)共用一個(gè)多媒體教室。正因如此，教室的電腦不能針對(duì)不同的專業(yè)安裝專用的系統(tǒng)及軟件。這樣一來(lái)，教學(xué)也就沒(méi)有針對(duì)性和實(shí)踐性。除此之外，一個(gè)教室只有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，許多網(wǎng)絡(luò)功能不能向同學(xué)演示。如果應(yīng)用虛擬技術(shù)，那這些問(wèn)題就可以迎刃而解了。

第二，虛擬技術(shù)可以模擬網(wǎng)絡(luò)功能。實(shí)驗(yàn)室往往會(huì)將同學(xué)分組進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，一人或兩人作為服務(wù)器，其他人作工作站。但是由于班級(jí)多，往往就會(huì)出現(xiàn)管理不當(dāng)、系統(tǒng)癱瘓、無(wú)法登陸和網(wǎng)絡(luò)功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題，而且也會(huì)造成學(xué)生不能熟悉了解所有的系統(tǒng)。為了解決這些問(wèn)題，可以利用虛擬技術(shù)，將原來(lái)的系統(tǒng)作為服務(wù)器，虛擬出多個(gè)系統(tǒng)供學(xué)生實(shí)驗(yàn)，不僅保證了學(xué)生熟悉所有的系統(tǒng)，而且大大提高了課堂的教學(xué)效率。

第三，虛擬技術(shù)可以模擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)課程當(dāng)中，常常要學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的使用。常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有路由器，交換機(jī)等。但是這些設(shè)備都比較昂貴，建設(shè)這樣的一個(gè)實(shí)訓(xùn)室往往要投資上百萬(wàn)。對(duì)于一些經(jīng)費(fèi)不足的學(xué)校來(lái)說(shuō)，由于設(shè)備少，只能讓學(xué)生分組分時(shí)進(jìn)行實(shí)際網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的操作。這樣一來(lái)，不僅教學(xué)效率低，而且損壞設(shè)備的可能性大大增加。為了解決這些問(wèn)題，可以采用虛擬技術(shù)讓學(xué)生在Sybex Virtual Lab軟件上，進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。在學(xué)生有了足夠的理論經(jīng)驗(yàn)后，再讓學(xué)生去進(jìn)行實(shí)際操作。

3 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)教育在現(xiàn)代教育當(dāng)中是重要的一部分，是培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代快速發(fā)展人才的必要保障。如何在計(jì)算機(jī)教學(xué)，尤其是高等學(xué)校的計(jì)算機(jī)教學(xué)中應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)方法、提高課堂效率是教學(xué)工作者需要考慮的問(wèn)題。虛擬技術(shù)作為一項(xiàng)應(yīng)用廣泛的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，在教學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用前景。將其應(yīng)用于計(jì)算機(jī)教學(xué)，不僅能夠提高課堂效率，改善教學(xué)質(zhì)量，也為學(xué)生學(xué)習(xí)提供了一個(gè)良好的環(huán)境。伴隨著虛擬技術(shù)的成熟，學(xué)校和教學(xué)工作者應(yīng)當(dāng)加大在這方面的投入，不斷提高計(jì)算機(jī)的教學(xué)水平。

[1]黎佳.虛擬技術(shù)在高職院校計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].天津:天津大學(xué),2012.

[2]馬靜.在計(jì)算機(jī)教學(xué)中虛擬技術(shù)的應(yīng)用分析[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用,2012(14):241-242.

[3]吳亞林.淺談虛擬技術(shù)在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的運(yùn)用[J].電腦編程技巧與維護(hù),2012(18):126-127.

[4]于英成.虛擬技術(shù)在高職院校計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中小企業(yè)管理與科技(下旬刊),2013(11):197.

[5]勞翠金.高職計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程應(yīng)用虛擬技術(shù)教學(xué)探析[J].廣西教育,2013(19):62-63.