巧用虛擬機技術搭建計算機實驗新平臺

[摘要] 虛擬機技術是目前的前沿技術之一，針對高校計算機實踐教學中存在的設備不足、硬件損壞、維護工作量大等問題，Microsoft提出一種Virtual PC技術的解決方法，該方法挖掘現有設備的潛力，提高設備的利用率，在一定程度上使上述問題得到緩解，并能夠增加學生的實踐動手機會，提高實踐教學的效果。

[關鍵詞] 虛擬機 Virtual PC 計算機實驗

一、引言

虛擬機（Virtual Machine）技術是一種軟、硬件結合的技術，它在一臺真實的物理計算機（也叫宿主機）上同時模擬出的多個虛擬硬件系統（也叫虛擬主機），每個虛擬主機作為一個文件保存在宿主機上。在外界看來，各虛擬主機完全獨立，和一臺物理計算機是完全一樣的。由于虛擬機技術的不斷成熟以及虛擬機軟件的強大功能，許多公司開始使用虛擬技術進行服務器整合與遷移、數據存儲、災難恢復、軟件開發與測試等。在計算機實踐教學中，也可以利用虛擬機技術提供的實驗平臺，進行操作系統的管理、服務器搭建和程序調試等實驗。鑒于計算機實踐教學的迫切需要，構建一個虛擬計算機實驗系統就具有重要的意義。本文就如何利用虛擬機軟件Virtual PC構建計算機實驗平臺，以及該平臺在實踐教學中的運用做了一定的研究。其目的是改進計算機專業的實驗教學方法，提高計算機實踐教學的效果。

二、虛擬機軟件介紹

目前常用的桌面虛擬化和服務器虛擬化軟件有兩類：一類是Microsoft公司的Virtual PC和Virtual Server，另一類是VMware公司的VMware Workstation和GSX Server。以Vitual PC為例，它可以在一臺宿主機上同時模擬出若干臺虛擬主機。每臺虛擬主機擁有CPU、硬盤、內存、顯卡、聲卡、網絡適配器、光驅、軟驅等設備，能夠接入網絡，擁有獨立的計算機名和IP地址。可以在虛擬主機上安裝并同時運行不同的操作系統，實現普通計算機所能進行的任何操作，且不會影響和破壞宿主機，并可通過快捷鍵方便的切換操作系統。這跟在一臺PC機上安裝多個操作系統是截然不同的，不需要重新啟動計算機。Virtual PC還有強大的網絡功能，可方便地將多個虛擬主機聯接起來組成一個局域網，它們的網絡通信與真實的網絡一致。Virtual PC還支持虛擬硬盤、軟盤；還原磁盤；屏幕截圖；文件共享等功能。

虛擬機技術當今信息技術的熱點之一。除了上述公司提供虛擬機軟件外，許多服務器操作系統也內置虛擬化技術（如Microsoft Server 2008的Hyper-V技術）。同時支持虛擬化技術的硬件也已在InteI和AMD處理器中出現，它們將硬件輔助虛擬化技術（如VT技術）融入到芯片內，通過指令集優化等讓虛擬硬件仿真由軟件層次提升到硬件層次，極大地提高了整個虛擬化系統的性能。

三、虛擬機在實踐教學中的應用

由于Virtual PC虛擬機軟件具有以上特點和優勢，可以把它應用到以下計算機的實踐教學中：

1.虛擬計算機硬件－實現計算機的系統維護實驗

在計算機房，考慮到設備的正常、安全運行，不允許對計算機進行BIOS修改、磁盤分區、格式化、操作系統安裝、系統備份與恢復等實驗。所以現在的機房管理，一般在計算機上采用軟件或硬件還原技術，使學生對計算機系統的修改無效。可以考慮在虛擬主機中進行此類實驗。由于虛擬主機對應的僅是宿主機上的一個文件，在虛擬主機中進行的任何操作最終只影響這個文件，不會破壞宿主機的系統設定、硬盤分區和數據等。這不但保證了原有系統的安全，而且在完成操作或操作失敗后，可以通過虛擬主機的磁盤還原或虛擬硬盤備份，輕松將虛擬主機的系統恢復。

2.支持多個硬盤－實現RAID等技術的應用

在操作系統的磁盤管理中，創建和管理帶區卷（RAID-0）、鏡像卷（RAID-1）、跨區卷和冗余卷（RAID-5）等需要2塊或更多的硬盤，一般計算機只安裝有一塊硬盤故不支持以上動態卷。但是，可以通過Virtual PC來實現以上操作，它允許在虛擬機中添加最多3個虛擬硬盤。具體操作是：打開“設置虛擬機”面板，找到“硬盤1”項，選中“虛擬硬盤文件”，點擊“瀏覽”按鈕，找到事先創建好的虛擬硬盤，為虛擬機添加一塊新的虛擬硬盤。按照以上方法可給虛擬機添加最多3塊硬盤，如圖1所示。這不需要拆開主機，比添加一個物理硬盤要方便、快捷。

3.支持多個網絡適配器－實現路由和遠程訪問的配置

在網絡架構中，可以將計算機配置為一臺路由和遠程訪問服務器，提供VPN、LAN路由、NAT、基本防火墻和DHCP中繼代理等功能。但是這需要計算機有1塊以上的網絡適配器，一般計算機只有一塊不滿足此條件。利用Virtual PC，可以配置虛擬主機最多支持4個網絡適配器，可輕松完成路由和遠程服務器的實驗平臺搭建。具體操作是：打開“設置虛擬主機”面板，找到“網絡連接”項，根據需要選擇網絡適配器的數量。如圖2為虛擬主機設置4個網絡適配器。

4.靈活的連網模式－實現不同的組網需要

Virtual PC除了允許虛擬主機配置多個網絡適配器外，還可根據不同組網的需要，單獨配置每個網絡適配器的工作模式。具體有以下四種：

(1)未連接模式:適用于虛擬主機的網絡連接不可用的場合，相當于一臺計算機沒有接通網線。

(2)僅本地模式：用于實現多個虛擬主機之間的網絡連接，但是虛擬主機不能和包括宿主機在內的其它網絡通信。這可以避免虛擬主機和外界之間的相互影響，在DHCP服務器配置與DHCP客戶端IP地址自動獲取的實驗中很有用。

(3)獨立網絡適配器模式：工作于獨立網絡適配器模式的虛擬主機和宿主機一樣，擁有一塊獨立的網絡適配器直接連接到宿主機所在的網絡，可以訪問宿主機所能訪問的任何資源，并且這種訪問是雙向的。

(4)共享連接（NAT）模式：處于共享連接模式的虛擬主機借助NAT實現對宿主機和其它網絡資源的訪問，這種訪問是單向的，包括宿主機在內的其它網絡是不能訪問虛擬主機的。在此模式下Virtual PC默認創建一個虛擬網絡，如圖3所示。該網絡包括一臺DHCP和NAT服務器（DHCP作用域為：192.168.131.1-192.168.131.253）。為了實現虛擬主機對宿主機和外界的訪問，需要將虛擬主機的網絡適配器選擇為NAT模式，再配置虛擬主機自動獲取IP地址。在共享連接模式下的虛擬主機，一方面可以通過宿主機訪問Internet，另一方面阻止外界對其的訪問，可提高虛擬主機運行的安全性。

5.使用差分虛擬硬盤－節省磁盤存儲空間

一般計算機組網實驗需要多臺計算機，在實驗條件不夠的情況下，可以在一臺宿主機上同時虛擬出多個虛擬主機，來實現在單臺計算機上完成整個網絡環境的搭建。但是，通常每個虛擬主機所對應的VHD文件都很大，會迅速占據宿主機大量的磁盤空間。使用Virtual PC的差分硬盤技術可以顯著地節省磁盤空間。實現差分硬盤需要先創建一個具備基本功能的只讀源虛擬硬盤（例如僅安裝操作系統），以此為基礎可創建多個差分虛擬硬盤，這樣可派生出多個功能各異的虛擬主機，由于這類硬盤只保存對源虛擬硬盤文件的更改部分，因而可以節省大量的磁盤存儲空間。

四、結束語

虛擬機技術的出現，給計算機實踐教學提供了一種有效的輔助工具。它充分挖掘現有設備的潛力，提高系統的利用率。既緩解當前實驗設備和場地的不足，節約了辦學成本；又提高了實驗設備的可靠性和安全性，降低計算機房的管理難度；還可增加學生的實踐動手機會，提高學生的技能水平。因此，在計算機實踐教學中推廣虛擬機技術具有積極的教學意義。當然，由于通過虛擬機軟件實現了多個虛擬主機的同時運行，對物理計算機的硬件（主要是CPU、硬盤和內存資源）要求比較高。當多個虛擬主機同時運行時，宿主機的反應速度會有明顯降低。

參考文獻：

[1]劉愛軍樊景博:虛擬機技術在計算機實驗教學中的應用探討[J].商場現代化，2007，(8): 398～399

[2]梁誠李瓊夏建波:淺談VMware的教學輔助功能[J].中國現代教育裝備，2007，(8): 34～35