虛擬技術在計算機實驗教學中的應用

田玉靜，邵景玲，王瑋

（青島理工大學 a.現代教育技術中心；b.教務處，山東青島 266033）

虛擬技術在計算機實驗教學中的應用

田玉靜a，邵景玲b，王瑋b

（青島理工大學 a.現代教育技術中心；b.教務處，山東青島 266033）

針對當前計算機實驗資源缺乏和計算機更新快的問題，提出以虛擬技術構建虛擬機試驗平臺的解決辦法。實踐證明，虛擬技術可為實驗教學和科研構建一個集約高效的計算機實驗平臺，以VM w are 公司的VM w are W orkstati on軟件創建的虛擬機是對現有計算機實驗資源的有力補充，且可隨時更新，符合低碳環保的要求。利用虛擬機可方便開展許多傳統實驗環境下難以開展的計算機實驗教學。

虛擬技術；虛擬機；計算機實驗

0 引 言

信息社會對大學生的計算機技能要求日益凸顯，但目前大學生計算機實踐技能的掌握普遍不盡人意，究其原因，一是近年來高校不斷擴招，計算機實驗資源緊張的狀況日趨加劇；二是計算機技術具有很強的實踐特性，更新很快，硬件幾個月就會更新換代，而我國高校的計算機實驗室由于受資金等因素制約，建成后數年甚至十幾年硬件設備難以更新。由于受硬件資源的制約，培養大學生掌握計算機實踐技能的實驗難以開展，如計算機的裝機、磁盤分區、格式化等系統維護實驗，多操作系統（W i ndow s 2003 Server、N T、 Li nux等）安裝配置實驗，計算機網絡（局域網的組建、網絡配置與管理、各種網絡服務器的配置、路由的設置等）實驗，研究型創新性（動態磁盤在線遷移、W i ndows群集等）實驗等。虛擬技術利用軟件抽象層，完美實現了計算機的硬件模擬，突破了現有的計算機體系結構，能在單臺物理計算機中虛擬生成多臺虛擬機 （Vi rtual M achi ne，簡稱VM）。借助虛擬技術，可在不增加硬件投入的前提下，深層次發掘現有實驗設備潛力，打破了計算機實驗開設硬件條件與場地的限制，為計算機信息技術實驗教學和科研提供更為便利低耗的實驗平臺。

1 虛擬技術

虛擬機是一種通過虛擬層（Vi r t ual i z at i on Layer）技術實現硬件模擬的軟件而生成的虛擬計算機[1]。虛擬機具有高度的獨立性和封裝性[2]，運行時與一臺真實的物理計算機完全一樣，每一臺虛擬機都擁有各自獨立的虛擬CPU、主板、RAM硬盤和N IC（netw ork i nterface card）以及I/O設備，如圖1所示。

操作系統無法識別虛擬機與物理計算機之間的區別，各種應用軟件，甚至在同一網絡中的其它物理計算機也無法分辨出與其通信的計算機是虛擬機，對于使用者來說虛擬機就是一臺“真正”的計算機。當前虛擬機軟件主要有VM w are 公司的VM w are W orkstati on和Connecti x公司的Vi rtual PC[3]。對VM w are W orkstati on（以下簡稱VM w are）與Vi rtual PC兩種軟件各方面的性能進行綜合比較研究，在硬件配置完全相同、操作系統為W i ndow s XP prof essi onal的兩臺PC機上進行測試（見表1）。

圖1 虛擬機的構成

表1 VM w are W orkst at i on與Vi rtual PC兩種軟件性能的比較

由表1可知，VM war e軟件雖然內存開銷較大，但性能更好。VM ware是專門針對W i ndows/Li nux平臺的一個版本，能實現W i ndow s/Li nux操作系統平臺與宿主機之間無縫運行，因而選擇VM war e軟件構建虛擬機，更利于網絡實驗的開展。

2 創建虛擬機

在實驗宿主機（物理計算機）操作平臺上安裝“VM w are 7.1.3 for W i ndow s”軟件。

2.1 在VM w vare中創建虛擬機

啟動VM w are w orkstati on。在“VM w are”窗口中，選擇“f i l e”菜單項中的子菜單“new”下 “vi rt ual m achi ne”子命令，根據創建向導建立虛擬機。在實驗宿主機中創建虛擬機的步驟如下：

（1）啟動“vi rtual m achi ne”，在“new vi rtual m achi ne w i zard”窗口中選擇創建類型：“Typi cal”安裝，或者“cust om”安裝。Typi cal是創建虛擬機的默認方法，VM war e根據宿主機的硬件配置，自動設定客戶機（虛擬機）的硬件配置。cust om個性安裝可根據用戶需要自定義虛擬磁盤（如雙硬盤）、適配器類型（如SCSI）等。選擇好創建類型后，進入下一步“客戶機操作系統安裝”。

（2）在“客戶機操作系統安裝”窗口有三個選項：“di sc”安裝、“di sc i m age f i l e”安裝及“稍后安裝”。建議選擇“稍后安裝”，因為這樣可避免后續調整虛擬機硬件配置后，預裝的客戶機操作系統受損不能使用。

（3）選擇“客戶機操作系統”，供選擇的操作系統有“M i crosoft W i ndow s”、“Li nux”、“N ovel l netw are”、“Sun Sol ari s”和“VM w are ESX”。用戶根據準備安裝的操作系統類型，選取符合的選項及版本，VM war e會按此選項來確定虛擬機的默認配置。

（4）給新創建的虛擬機命名，選擇虛擬機配置文件的保存位置，可指定創建虛擬機在物理硬盤上的保存位置。

（5）設定虛擬機硬盤大小，生成虛擬機默認虛擬硬盤為40GB，內存為512M B。選擇“f i ni sh”完成虛擬機創建。

虛擬機中的其它硬件如聲卡、軟驅、光驅、USB管理器等，由虛擬機自動檢測生成，在設備狀態標簽中選開機啟動即可。

2.2 虛擬機的優化與維護

由上述步驟生成的新虛擬機，其硬件配置為VM war e自動檢測默認設定，為滿足實驗需要，需對新建虛擬機的硬件配置進行調整，雙擊虛擬機左側“命令”窗口中的“編輯虛擬機設置標簽”就可修改虛擬機的硬件配置。新虛擬機主要硬件配置優化方法如下：

（1）M em or y（內存）。系統根據宿主機物理內存測算，給出該虛擬機的內存大小范圍。如實驗宿主機物理內存為1280M B，則系統推薦內存為512M B，最小值為128M B，最大值為1044M B。在該范圍內用戶可調整虛擬機的內存大小，設置值應為4MB的整倍數。

（2）Processors（處理器）。系統根據宿主機實際CPU個數及每個處理器的核數來設定生成虛擬機的處理器個數。如果設置數大于宿主機實際CPU的個數，虛擬機將無法啟動。

（3）Hard Di sk（硬盤）。在創建新虛擬機步驟（5）中設定了該臺虛擬機的硬盤大小，可允許利用此處“ut i l i t i es”標簽中的“Expand”功能，根據實驗需要擴展已設定的硬盤，如將虛擬10GB硬盤擴大為20GB或更高。點擊“uti l i ti es”標簽中的“Advanced”按鈕，可修改虛擬硬盤的工作模式，勾選“Independent”，數據存儲將不受“Snapshot”影響。進一步指定硬盤的工作狀態：選擇“持久”模式，虛擬硬盤就和物理硬盤一樣，所有寫入的數據會被永久保存；選擇“非持久”模式時，每次虛擬機重啟后，所有寫入虛擬硬盤的數據會被擦掉，具有開機還原功能，相當于給虛擬機安裝了硬盤保護卡。虛擬機運行一段時間后，硬盤會存在大量的磁盤碎片，導致計算機運行速度越來越慢，“ut i l i t i es”標簽中的“Def r agm ent”和“Com pact”按鈕可進行虛擬磁盤碎片整理和硬盤空間優化，從而方便地維護虛擬硬盤。

（4）Net work Adapt er（網絡適配器）。由于它決定了虛擬機的網絡連接方式，根據實驗需要合理選取是很有必要的。VM ware 7.1.3提供了4種網絡連接模式：一是“Bri dged（網橋）”模式。網橋連接模式下，虛擬機復制宿主機的網絡連接狀態，通過虛擬網卡，虛擬機直接與外網（物理網）相連，虛擬機擁有獨立的I P地址。此狀態，虛擬機與宿主機一樣，可與外網互訪，并共享文件、打印、網關等外網服務。二是“N AT （網絡地址翻譯）”模式。網絡連接模式下，虛擬機通過網絡地址翻譯，分享宿主機的I P地址與外網相連，虛擬機不具有獨立的I P地址，外網不能訪問虛擬機。三是“Host-onl y（主機網絡）”模式。網絡連接模式下，虛擬機與宿主機之間搭建一個虛擬專有網絡，此時虛擬機與宿主機之間組網互訪，虛擬機不與外網相連。四是“Cust om（定制）”模式。定制連接模式下，可生成一個多臺虛擬機組建的虛擬子網。虛擬機與宿主機隔離，在此特制的虛擬子網中，可放心地進行病毒入侵、木馬檢測等各類攻擊性網絡實驗，不會對宿主機造成損壞。

（5）VM w are Tool s （工具包）。VM w are Tool s功能強大，包括虛擬顯卡、虛擬鼠標、USB、打印及網絡設備等各類驅動，還提供虛擬機與宿主機之間的時間同步功能，安裝后可大大提高虛擬機性能。在建好的虛擬機窗口下方，有安裝“VM ware Tool s”的提示按鈕，點擊后，按窗口提示選擇安裝類型（典型安裝、完全安裝、選擇安裝），普通客戶機選擇典型安裝即可，如該虛擬機計劃做服務器則選擇完全安裝，選擇后VM war e會自動完成工具包的安裝。

3 虛擬機在計算機實驗教學中的應用實踐

以VM ware構建的虛擬機，不但擁有CPU等完整的硬件設備，而且擁有虛擬交換機、虛擬網橋、虛擬網卡、NAT設備、DHCP服務器等完備的網絡設備。利用虛擬機可方便地開展許多傳統實驗環境下難以開展的計算機實驗教學。

3.1 多操作系統安裝實驗

計算機硬盤分區、格式化和操作系統安裝是計算機實驗教學的基礎，由于受實驗條件限制，此類裝機實驗在物理機房無法開展，學生對這類知識只能紙上談兵。建設虛擬機實驗平臺就可方便地開展各種操作系統的安裝實驗，學生可獨立進行個性化裝機實驗，打造自己的虛擬機。其實驗步驟如下：

（1）教師在機房任選一臺實驗機（宿主機）安裝VM w are W orkstati on。

（2）采用Al cohol 120%軟件在“我的電腦”中生成虛擬光驅，制作操作系統安裝光盤的鏡像文件，保存在宿主機硬盤上的“操作系統鏡像”文件夾中。

（3）將該臺宿主機作為發射端，采用機房的硬盤管理系統執行網絡復制，復制發射機硬盤數據，快速生成數百臺計算機的實驗平臺。

（4）學生在試驗機上啟動VM ware，按照步驟（3）中的方法，創建一臺虛擬機，打開宿主機“我的電腦”，在虛擬光驅上載入“操作系統鏡像”。

新的用戶如果想要獲得水權，或許可從政府預留的水權中申請，但更普遍的情況是必須從老用戶手中購買。愿意賣水權者，肯定是他自己用水的效益不如賣水收入高；而買水權者，肯定他使用水資源的效益要超過購買水權的成本。因此，通過水權的交易，水資源不斷從低效用水者向高效用水者轉移，從而實現水資源的高效配置，并可借助市場機制隨時動態調整、不斷優化。

（5）在新建的虛擬機中，雙擊“光驅設備”標簽，選擇“使用物理驅動”，在下拉菜單中選中宿主機中的虛擬光驅盤符，如（I：）。

（6）在虛擬機中雙擊“虛擬機啟動”標簽，該臺虛擬機開始“操作系統鏡像”啟動，按照系統提示進行虛擬硬盤分區格式化，安裝相應操作系統，完成整個操作系統的配置。

（7）安裝完成一臺虛擬機后，如想生成同操作系統的多臺虛擬機，在VM war e中克隆即可。要創建不同操作系統的多臺虛擬機，則在宿主機“我的電腦”中的虛擬光驅上點擊鼠標右鍵，在彈出菜單上選擇“卸載鏡像”，再載入欲安裝的“操作系統鏡像”。在新建的其他虛擬機上重復步驟（5）、（6），完成其它操作系統安裝。

實驗證明，虛擬機讀取鏡像文件比直接讀物理光盤，速度要快得多。在大規模學生計算機實驗中，提供大批操作系統安裝光盤是不現實的，而采用鏡像安裝，不但能大大降低實驗成本，縮短安裝時間，而且避免了反復讀寫造成的對宿主機光驅的磨損，能有效減少實驗硬件損耗。

3.2 分級網絡實驗

通過上述實驗完成虛擬機裝機，就可利用VM war e W orkstati on超強的網絡功能建設局域網（N ew team），開展各類網絡實驗。

3.2.1 組建對等網。本實驗用宿主機與一臺虛擬機組建一個對等網。小型局域網的組建對實驗機配置要求低，簡單易實現。通過成功構建小型網，能增強學生網絡實驗的自信心和興趣，從而為大型復雜網絡實驗提供實踐基礎。學生實驗采用宿主機A，操作系統為W i ndows XP專業版。其主要硬件配置如下：CPU為英特爾Penti um 4（40G H z），內存為768M B（DDR 400M H z），主板為聯想PLATIN IX-8，硬盤為邁拓2F040L0（41GB），顯卡為英特爾82845G，光驅為日立 CD-RO M GCR-8483B，聲卡為英特爾82801DB/DBL，網卡為瑞昱RTL8139（Fast Ethernet Adapter）。在此實驗機上，創建一臺虛擬機，計算機命名為“VM1”，讓這臺虛擬機與宿主機組建成一個虛擬局域網。其實驗步驟如下：

（1）啟動VM war e，打開工作站窗口中的“Hom e”標簽，點擊“New Team”組網圖標，來到“新團隊能手”的歡迎窗口。

（2）點擊“下一步”，在“新團隊能手”窗口中給新建局域網命名，指定生成網絡配置文件在宿主機硬盤上的存放位置。

（3）點擊“下一步”，進入“在新建團隊中添加虛擬機” 窗口，點擊“添加”按鈕，在下拉菜單上有“N ew vi rtual m achi ne”、“Exi sti ng vi rtual m achi ne”和“N ew cl one of vi rtual m achi ne”選項，在此實驗中選擇“Exi sti ng vi rtual m achi ne”，將已建好的虛擬機入網。

（4）點擊“下一步”添加局域網網段，當有多臺虛擬機時，可按預設的網絡規模將局域網劃分為不同的網段。本實驗為單一網段LAN1。

（5）點擊“下一步”進入“新團隊虛擬機網絡”，該窗口以列表形式顯示新建局域網的適配器、網橋等配置情況。

（6）調整網絡設備配置，點擊“完成”，完成局域網的組建。

建成的“New t eam”子網，在虛擬機的關機狀態下，可在“編輯團隊設置”菜單中隨時調整網絡配置。LAN1中虛擬機的網絡配置見表2。

VM war e虛擬機中最多可添加10個虛擬網卡，其中，VM net 0用于網橋網絡的虛擬轉換，VM net 1用于Host-onl y，VM net8用于NAT網絡模式，其它添加的虛擬網卡類型可根據需要設定多虛擬網卡支持各種網絡連接，可將組建的子網逐步擴大。網絡配置完成后，在虛擬機附件中的命令提示符窗口下，以pi ng命令測試網絡I P連通性。網絡連通后，可實現宿主機與虛擬機互訪，資源共享。宿主機與互聯網連接時，虛擬機可登錄Internet。

表2 LAN1中虛擬機的網絡配置

3.2.2 多子網DHCP中繼實驗。當虛擬機組建多個子網時，要想實現子網間通信，必須通過路由器來完成，路由器負責各子網間的數據交流。路由器根據接受數據包的I P地址，判斷發方和收方的計算機是否位于同一子網，根據其路由表決定數據包的發送路徑，實現網間通信。DHCP服務器[4]能從預設的I P地址池中，自動給主機分配I P地址，也能及時回收I P地址，無需網絡管理員手工配置網內每臺計算機的I P地址，能大大減輕網絡管理員的工作量。

通過本實驗，學生可實踐復雜網絡的構建，學習DHCP服務器、路由器的配置方法，掌握通過DHCP中繼實現跨網絡的DHCP服務。多子網DHCP中繼實驗拓撲如圖2所示。

圖2 多子網DHCP中繼實驗拓撲

新建虛擬機安裝W i ndows XP操作系統時，每臺虛擬機約占用1GB的宿主機硬盤；安裝W i ndow s 2000 操作系統，硬盤開銷約為500MB。對于配置較低的實驗機，應根據系統開銷，計算出生成的虛擬機臺數，同時避免多臺虛擬機同時啟動，否則會大幅降低宿主機系統性能，導致實驗系統反應過慢。因此，考慮實驗用宿主機的硬件性能限制，在宿主機A中生成兩臺虛擬機分別為：VM A，安裝W i ndows 2000操作系統，屬于VM net8（N AT）虛擬子網；VM A DHCP，安裝W i ndow s 2000 Server，擔任DHCP服務器的角色，負責對全網PC動態分配I P地址。啟用配置較高的實驗用宿主機B，操作系統為W i ndow s XP 專業版 32位 SP2。其主要硬件配置如下：CPU為英特爾雙核處理器T 2050 1.60G H z；內存為2280M B（DDR2）；主板為英特爾 945G M，L41II1；主硬盤為日立HTS541060G9SA00（80GB）；顯卡為英特爾M obi l e 945GM/GM S;網卡為瑞昱 RTL8139（Fast Ethernet Adapter）。宿主機A與宿主機B之間用雙絞線構成實連接。在宿主機B中生成3臺虛擬機分別為：VM B1，安裝W i ndow s XP，屬于VM net8（N AT）虛擬子網； VM B2，安裝W i ndow s XP，屬于VM net1（H ostonl y）虛擬子網；VM B DHCP，安裝W i ndows 2003 Ser ver，作為路由器使用。其實驗步驟如下：

（1）將VM A DHCP虛擬機配置為DHCP服務器。在W i ndow s 2000 Server中啟動“配置服務器”，按窗口提示輸入域名，進入自動配置，將該機設為服務器。在“控制面板”中“管理工具”的“DHCP”圖標上，打開DHCP控制臺，配置DHCP服務器。整個網絡運行RI Pv2協議[5]，確保網絡I P連通性。對該服務器配置DHCP服務：

（2）配置VM B D H CP路由器。首先啟動W i ndow s 2003 Ser ver的路由功能，依次單擊“開始”、“管理工具”、“路由和遠程訪問”菜單項。在打開的“路由和遠程訪問”窗口里，單擊“配置并啟用路由和遠程訪問”菜單項，即可出現“路由和遠程訪問服務器安裝向導”對話框，進入到路由器的“配置”頁面，點擊“自定義配置”選項，選擇“LAN路由”，啟用局域網路由服務。配置該路由器：

（3）設置W i ndow s客戶端。將該網內VM A、VM B1和VM B2虛擬客戶機在W i ndow s下把TCP/IP地址設置為自動獲得，DNS和W I NS也設置為自動獲得。

網絡配置完成后，就能實現該網內各子網間自由通信。在VM A DHCP虛擬機的命令提示符窗口中，以DHCP命令“show i p dhcp pool”查看客戶端IP分配情況，以“show i p dhcp bi ndi ng”查看DHCP的地址綁定情況。在VM B DHCP虛擬機路由器上，以“debug i p dhcp server events”查看DHCP動態分配IP地址的過程。

4 結束語

VM ware W orkst at i on 系統兼容性好，對計算機硬件要求低，采用虛擬技術仿真構造的虛擬機，獨立封裝，軟件能不經修改直接在虛擬計算機中運行，克服了傳統計算機實驗對硬件的依賴性，可在虛擬機中開設各類創新型實驗，幫助學生更好地學習并實踐計算機硬件和網絡建設維護知識，從而使學生更好地掌握計算機實踐技能。同時借助虛擬技術的計算機實驗教學，可有效降低實驗成本，提高現有計算機實驗設備的安全性和利用率。因此，虛擬技術為高校計算機實驗室建設開辟了一個嶄新的發展方向。

[1]Sm i t h J E, Nai r R. The Archi t ect ure of Vi rt ual M achi nes[J].I EEE Com put er，2005，38（5）:32-38.

[2]何增穎.虛擬機技術的實驗教學應用[J].實驗科學與技術，2010（2）:80-82.

[3]李宏儒.虛擬化技術在計算機實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2Ol O,27（5）:90-92.

[4]梁廣民，王隆杰.路由交換實驗指南[M].北京:電子工業出版社，2008:125-165.

[5]肖濤，傅瑜，何懷文.計算機網絡實驗[M].成都:電子科技大學出版社，2008:88-102.

Application of Virtual Technology in Computer Experiment Teaching

TIAN Yujinga, SHAO Jinglingb, WANG Weib
（a. Modern Education and Technology Center; b. Department of Teaching Affairs, Qingdao Technological University, Qingdao, 266033, China）

In terms of the problems of lacking resources and rapid renewal of computers in the computer experiment, this paper presents the solution of building the virtual machine platform with the virtual technology. Practice shows that the virtual technology can build an intensive and efficient computer experiment platform. The virtual machine made by VMware Workstationex of VMware company is a forceful complement to the present computer experiment source. It can be renewed at any time and meet the requirement of low carbon and environmental protection. The virtual machine can be used to conduct the computer experiment teaching which is difficult to conduct in traditional experimental environment.

Virtual technology; Virtual Machine; Computer experiment

N945.13

A

1671-4326（2011）04-0061-05

2011-09-06

國家自然科學基金 （50878109）；國家自然科學青年基金 （50804026）；青島理工大學教學研究項目（D11-27）

田玉靜（1975—），女，山東濰坊人，青島理工大學現代教育技術中心實驗師，碩士；

邵景玲（1974—），女，安徽懷遠人，青島理工大學教務處，講師，碩士；

王瑋（1981—），女，山東濟寧人，青島理工大學教務處，講師，碩士.

王志梅]