巧用虛擬機(jī)技術(shù)搭建計算機(jī)實驗新平臺

[摘要] 虛擬機(jī)技術(shù)是目前的前沿技術(shù)之一，針對高校計算機(jī)實踐教學(xué)中存在的設(shè)備不足、硬件損壞、維護(hù)工作量大等問題，Microsoft提出一種Virtual PC技術(shù)的解決方法，該方法挖掘現(xiàn)有設(shè)備的潛力，提高設(shè)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(xué)生的實踐動手機(jī)會，提高實踐教學(xué)的效果。

[關(guān)鍵詞] 虛擬機(jī) Virtual PC 計算機(jī)實驗

一、引言

虛擬機(jī)（Virtual Machine）技術(shù)是一種軟、硬件結(jié)合的技術(shù)，它在一臺真實的物理計算機(jī)（也叫宿主機(jī)）上同時模擬出的多個虛擬硬件系統(tǒng)（也叫虛擬主機(jī)），每個虛擬主機(jī)作為一個文件保存在宿主機(jī)上。在外界看來，各虛擬主機(jī)完全獨立，和一臺物理計算機(jī)是完全一樣的。由于虛擬機(jī)技術(shù)的不斷成熟以及虛擬機(jī)軟件的強(qiáng)大功能，許多公司開始使用虛擬技術(shù)進(jìn)行服務(wù)器整合與遷移、數(shù)據(jù)存儲、災(zāi)難恢復(fù)、軟件開發(fā)與測試等。在計算機(jī)實踐教學(xué)中，也可以利用虛擬機(jī)技術(shù)提供的實驗平臺，進(jìn)行操作系統(tǒng)的管理、服務(wù)器搭建和程序調(diào)試等實驗。鑒于計算機(jī)實踐教學(xué)的迫切需要，構(gòu)建一個虛擬計算機(jī)實驗系統(tǒng)就具有重要的意義。本文就如何利用虛擬機(jī)軟件Virtual PC構(gòu)建計算機(jī)實驗平臺，以及該平臺在實踐教學(xué)中的運(yùn)用做了一定的研究。其目的是改進(jìn)計算機(jī)專業(yè)的實驗教學(xué)方法，提高計算機(jī)實踐教學(xué)的效果。

二、虛擬機(jī)軟件介紹

目前常用的桌面虛擬化和服務(wù)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(jī)上同時模擬出若干臺虛擬主機(jī)。每臺虛擬主機(jī)擁有CPU、硬盤、內(nèi)存、顯卡、聲卡、網(wǎng)絡(luò)適配器、光驅(qū)、軟驅(qū)等設(shè)備，能夠接入網(wǎng)絡(luò)，擁有獨立的計算機(jī)名和IP地址。可以在虛擬主機(jī)上安裝并同時運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)普通計算機(jī)所能進(jìn)行的任何操作，且不會影響和破壞宿主機(jī)，并可通過快捷鍵方便的切換操作系統(tǒng)。這跟在一臺PC機(jī)上安裝多個操作系統(tǒng)是截然不同的，不需要重新啟動計算機(jī)。Virtual PC還有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，可方便地將多個虛擬主機(jī)聯(lián)接起來組成一個局域網(wǎng)，它們的網(wǎng)絡(luò)通信與真實的網(wǎng)絡(luò)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(jī)技術(shù)當(dāng)今信息技術(shù)的熱點之一。除了上述公司提供虛擬機(jī)軟件外，許多服務(wù)器操作系統(tǒng)也內(nèi)置虛擬化技術(shù)（如Microsoft Server 2008的Hyper-V技術(shù)）。同時支持虛擬化技術(shù)的硬件也已在InteI和AMD處理器中出現(xiàn)，它們將硬件輔助虛擬化技術(shù)（如VT技術(shù)）融入到芯片內(nèi)，通過指令集優(yōu)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(tǒng)的性能。

三、虛擬機(jī)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用

由于Virtual PC虛擬機(jī)軟件具有以上特點和優(yōu)勢，可以把它應(yīng)用到以下計算機(jī)的實踐教學(xué)中：

1.虛擬計算機(jī)硬件－實現(xiàn)計算機(jī)的系統(tǒng)維護(hù)實驗

在計算機(jī)房，考慮到設(shè)備的正常、安全運(yùn)行，不允許對計算機(jī)進(jìn)行BIOS修改、磁盤分區(qū)、格式化、操作系統(tǒng)安裝、系統(tǒng)備份與恢復(fù)等實驗。所以現(xiàn)在的機(jī)房管理，一般在計算機(jī)上采用軟件或硬件還原技術(shù)，使學(xué)生對計算機(jī)系統(tǒng)的修改無效?？梢钥紤]在虛擬主機(jī)中進(jìn)行此類實驗。由于虛擬主機(jī)對應(yīng)的僅是宿主機(jī)上的一個文件，在虛擬主機(jī)中進(jìn)行的任何操作最終只影響這個文件，不會破壞宿主機(jī)的系統(tǒng)設(shè)定、硬盤分區(qū)和數(shù)據(jù)等。這不但保證了原有系統(tǒng)的安全，而且在完成操作或操作失敗后，可以通過虛擬主機(jī)的磁盤還原或虛擬硬盤備份，輕松將虛擬主機(jī)的系統(tǒng)恢復(fù)。

2.支持多個硬盤－實現(xiàn)RAID等技術(shù)的應(yīng)用

在操作系統(tǒng)的磁盤管理中，創(chuàng)建和管理帶區(qū)卷（RAID-0）、鏡像卷（RAID-1）、跨區(qū)卷和冗余卷（RAID-5）等需要2塊或更多的硬盤，一般計算機(jī)只安裝有一塊硬盤故不支持以上動態(tài)卷。但是，可以通過Virtual PC來實現(xiàn)以上操作，它允許在虛擬機(jī)中添加最多3個虛擬硬盤。具體操作是：打開“設(shè)置虛擬機(jī)”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(chuàng)建好的虛擬硬盤，為虛擬機(jī)添加一塊新的虛擬硬盤。按照以上方法可給虛擬機(jī)添加最多3塊硬盤，如圖1所示。這不需要拆開主機(jī)，比添加一個物理硬盤要方便、快捷。

3.支持多個網(wǎng)絡(luò)適配器－實現(xiàn)路由和遠(yuǎn)程訪問的配置

在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，可以將計算機(jī)配置為一臺路由和遠(yuǎn)程訪問服務(wù)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(jī)有1塊以上的網(wǎng)絡(luò)適配器，一般計算機(jī)只有一塊不滿足此條件。利用Virtual PC，可以配置虛擬主機(jī)最多支持4個網(wǎng)絡(luò)適配器，可輕松完成路由和遠(yuǎn)程服務(wù)器的實驗平臺搭建。具體操作是：打開“設(shè)置虛擬主機(jī)”面板，找到“網(wǎng)絡(luò)連接”項，根據(jù)需要選擇網(wǎng)絡(luò)適配器的數(shù)量。如圖2為虛擬主機(jī)設(shè)置4個網(wǎng)絡(luò)適配器。

4.靈活的連網(wǎng)模式－實現(xiàn)不同的組網(wǎng)需要

Virtual PC除了允許虛擬主機(jī)配置多個網(wǎng)絡(luò)適配器外，還可根據(jù)不同組網(wǎng)的需要，單獨配置每個網(wǎng)絡(luò)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(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接不可用的場合，相當(dāng)于一臺計算機(jī)沒有接通網(wǎng)線。

(2)僅本地模式：用于實現(xiàn)多個虛擬主機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)連接，但是虛擬主機(jī)不能和包括宿主機(jī)在內(nèi)的其它網(wǎng)絡(luò)通信。這可以避免虛擬主機(jī)和外界之間的相互影響，在DHCP服務(wù)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(wǎng)絡(luò)適配器模式：工作于獨立網(wǎng)絡(luò)適配器模式的虛擬主機(jī)和宿主機(jī)一樣，擁有一塊獨立的網(wǎng)絡(luò)適配器直接連接到宿主機(jī)所在的網(wǎng)絡(luò)，可以訪問宿主機(jī)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(jī)借助NAT實現(xiàn)對宿主機(jī)和其它網(wǎng)絡(luò)資源的訪問，這種訪問是單向的，包括宿主機(jī)在內(nèi)的其它網(wǎng)絡(luò)是不能訪問虛擬主機(jī)的。在此模式下Virtual PC默認(rèn)創(chuàng)建一個虛擬網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。該網(wǎng)絡(luò)包括一臺DHCP和NAT服務(wù)器（DHCP作用域為：192.168.131.1-192.168.131.253）。為了實現(xiàn)虛擬主機(jī)對宿主機(jī)和外界的訪問，需要將虛擬主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)適配器選擇為NAT模式，再配置虛擬主機(jī)自動獲取IP地址。在共享連接模式下的虛擬主機(jī)，一方面可以通過宿主機(jī)訪問Internet，另一方面阻止外界對其的訪問，可提高虛擬主機(jī)運(yùn)行的安全性。

5.使用差分虛擬硬盤－節(jié)省磁盤存儲空間

一般計算機(jī)組網(wǎng)實驗需要多臺計算機(jī)，在實驗條件不夠的情況下，可以在一臺宿主機(jī)上同時虛擬出多個虛擬主機(jī)，來實現(xiàn)在單臺計算機(jī)上完成整個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建。但是，通常每個虛擬主機(jī)所對應(yīng)的VHD文件都很大，會迅速占據(jù)宿主機(jī)大量的磁盤空間。使用Virtual PC的差分硬盤技術(shù)可以顯著地節(jié)省磁盤空間。實現(xiàn)差分硬盤需要先創(chuàng)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(tǒng)），以此為基礎(chǔ)可創(chuàng)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(jī)，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(jié)省大量的磁盤存儲空間。

四、結(jié)束語

虛擬機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，給計算機(jī)實踐教學(xué)提供了一種有效的輔助工具。它充分挖掘現(xiàn)有設(shè)備的潛力，提高系統(tǒng)的利用率。既緩解當(dāng)前實驗設(shè)備和場地的不足，節(jié)約了辦學(xué)成本；又提高了實驗設(shè)備的可靠性和安全性，降低計算機(jī)房的管理難度；還可增加學(xué)生的實踐動手機(jī)會，提高學(xué)生的技能水平。因此，在計算機(jī)實踐教學(xué)中推廣虛擬機(jī)技術(shù)具有積極的教學(xué)意義。當(dāng)然，由于通過虛擬機(jī)軟件實現(xiàn)了多個虛擬主機(jī)的同時運(yùn)行，對物理計算機(jī)的硬件（主要是CPU、硬盤和內(nèi)存資源）要求比較高。當(dāng)多個虛擬主機(jī)同時運(yùn)行時，宿主機(jī)的反應(yīng)速度會有明顯降低。

參考文獻(xiàn)：

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