虛擬機技術在網絡課程實驗中的應用研究

曲郁生*

(四川廣播電視大學 教學處，成都 610072)

虛擬機技術在網絡課程實驗中的應用研究

曲郁生*

(四川廣播電視大學 教學處，成都 610072)

通過對虛擬機技術的分析，并結合VMware軟件在網絡課程實驗中的應用，研究總結了在虛擬實驗環境支持下，如何有效地進行網絡課程的教學實驗，為開放教學中開展實踐性教學活動探索了一種輔助性的技術手段。

虛擬機技術;虛擬實驗;VMware;網絡課程

實驗是課程學習中一個重要的教學環節，尤其對實踐性很強的學科來說，課程實驗的開展有利于加強學生專業技能和動手能力的培養。網絡課程作為網絡教育中的一種基礎性學習資源，為課程的開放教學提供了有力的輔助支持服務。但是網絡課程的“遠程與虛擬學習”特征，也為它的實驗教學活動開展帶來了實驗環境配套的新問題。雖然國內外曾采用過用實驗箱或傳統實驗室來組織學生實施網上課程的實驗，但是這些方法難免受到時間、空間、內容與經費等各方面條件的限制，不太適應以在職學員為主的業余學習的需求。因此，構建一個滿足網絡課程教學要求的虛擬實驗環境，已成為目前遠程教學關注的熱點問題之一。隨著虛擬機技術的發展，依托互聯網的虛擬機軟件逐漸成為一種替代物理實驗的有效手段。虛擬機軟件能為學習者創建了一個近似真實的虛擬實驗環境，實現“交互、協作與自助”的虛實互動實驗操作，進一步完善和擴展了網絡課程的教學功能和學習效果。

1 虛擬化技術及工作原理

虛擬化技術是伴隨著計算機技術的產生而出現的。虛擬化一般是指計算機元件在虛擬的而不是真實的平臺上運行。虛擬化有多種定義，如果從資源利用的角度出發，虛擬化可理解成是一種表示計算機資源的抽象方法［1］。通過虛擬化可以用訪問抽象前資源相同的方法訪問抽象后的資源，而且這種資源的抽象方法并不受實際地理位置或底層資源的物理配置的限制。虛擬機技術就是一種基于虛擬化原理的常用技術。

虛擬化技術的基本工作原理是直接在計算機硬件或主機操作系統上嵌入一個精簡的軟件層。該軟件層以動態和透明方式調度硬件資源的虛擬化管理程序，它使得多個操作系統可同時運行在單臺物理機上并彼此之間共享硬件資源。由于是將整個計算機系統與網絡設備進行封裝，所以虛擬機能與標準的操作系統、應用程序和設備驅動程序完全兼容［2］，當同時在單臺計算機上運行多個虛擬機的操作系統與應用程序時，每臺虛擬機都可以在需要時訪問其所需的資源。虛擬機所具備的分區、隔離、封裝和獨立的技術特征，使它與物理主機或其他虛擬機之間存在著資源共享和相互通信的關系，這就為利用虛擬機軟件來組建網絡課程的虛擬實驗環境奠定了基礎。假如在VMware虛擬機軟件的支持下，從計算機網絡課程實驗的要求出發創建多臺虛擬機，并以不同的方式與虛擬化的I/O設備和網絡接口連接，就可以構成滿足計算機網絡課程實驗項目要求的虛擬網絡實驗環境。

2 網絡課程實驗研究的基本目標和核心要素

本研究中所涉及的網絡課程主要是指在網絡教學中含實訓要求的計算機專業課程，課程自身應具備“混合學習”的教學特點。考慮到虛擬機技術、網絡應用與虛擬實驗三者間存在的知識關聯性，選定以網絡應用類課程的相關實驗項目作為研究的樣本空間。研究的基本目標是:應用虛擬機軟件搭建支持網絡實驗的虛擬實驗環境，完成驗證性的部分網絡實驗項目，分析采用虛擬機技術進行虛擬實驗的有效方法，為構建“云服務”型的遠程虛擬實驗系統做技術探索。支持該研究所需的核心要素主要體現在以下幾個方面。

1)網絡知識。與實驗相關的網絡知識主要有:拓撲結構、TCP/IP協議、IP地址分配、常用網絡連接設備(網卡、網橋、交換機、路由器、網關)、Web 原理及應用(DNS、NAT、FTP、DHCP)、網絡計算模型(C/S、B/S)、虛擬網絡(VLAN、VPN)和網絡管理術語(域、組、目錄、成員)等知識點。從課程實驗項目的任務又可分成:網絡服務管理、局域網組網和因特網應用3個知識模塊，分別對應網絡管理實驗、局域網組網實驗和廣域網應用實驗內容。由于網絡知識的包容性，這些知識模塊往往會綜合應用到某一類實驗之中。

2)虛擬實驗平臺。虛擬實驗需要有虛擬實驗環境平臺的支持，而且更注重于實驗操作的交互性和實驗結果的仿真性。因此，構建基于計算機系統的虛擬實驗平臺是開展網絡課程虛擬實驗的前提條件。虛擬實驗有網絡化的遠程實驗和獨立的單機實驗2種形式，應根據虛擬實驗的具體要求和條件進行合理的選擇。

3)虛擬機技術。虛擬機技術能通過虛擬機軟件來模擬創建帶有真實計算機系統特征的虛擬機，并使該機具有與物理機或其他虛擬機之間進行相互通信和資源共享的能力。運行虛擬機軟件的物理計算機被稱作宿主機(Host)，而在虛擬機軟件上運行的虛擬機稱之為客戶機(Client)。由于虛擬機技術融入了虛擬化技術，所以虛擬機繼承了I/O設備虛擬化和服務器虛擬化的能力，提供了虛擬網絡設備和虛擬網絡的互聯結構及方式，支持組建以虛擬網絡為基礎的網絡虛擬實驗環境平臺。

3 網絡實驗虛擬環境構建的研究

網絡虛擬實驗環境構建的方法源于虛擬機技術的應用。通過在一臺宿主機或局域網中的多臺主機上安裝虛擬機軟件，并利用它所創建出的各類虛擬機和虛擬網絡設備，再結合虛擬機提供的不同網絡模式以及真實網絡實驗所要求的拓撲結構，應用網絡系統管理與組網技術知識指導虛擬網的邏輯連接，就能建立起一個符合網絡實驗環境的虛擬網絡實驗平臺。對以上方法分析可知，構建網絡實驗虛擬環境的關鍵點在于虛擬機網絡模式的正確選擇、虛擬網絡設備的連接設置和虛擬實驗網絡的拓撲結構設計。除此之外，虛擬網絡的構建也會受到網絡實驗的模式、實驗主機的系統配置和所用的虛擬機軟件等因素的制約。因此，在構建網絡實驗的虛擬環境工作中，必須事先對它們做分析研究，產生決策正確的虛擬網絡設計方案。以下是研究后的部分結論。

1)網絡實驗模式與架構:網絡實驗模式應適應網絡教學的特點。由于參與的學習者大多是進行“獨立和分散”式的自主學習，因此采取協作與交互的在線虛擬實驗來配合課程的學習是一種較佳的方法。但目前的網上虛擬實驗室受到各方條件的限制，很難大規模地展開。所以，采用單臺計算機的虛擬實驗模式來替代網上的虛擬實驗，也是一種有效的彌補方法。同時，網絡虛擬實驗主要覆蓋了網絡管理、組網和互聯網應用方面的內容，實驗項目的多樣性必然引起虛擬網絡架構搭建的多樣化。如果以網絡的體系模型、拓撲結構、網絡類型和服務方法來考慮實驗型虛擬網絡的架構，可以發現:用單個或多個網段所連接形成的虛擬網絡架構組合能基本解決局域網和廣域網的實驗問題。可以利用虛擬機軟件分別在單臺或互連的多臺主機上創建同構或異構的虛擬機群，并將它們連接組成C/S模式或B/S模式服務結構的虛擬局域網，為簡單或復雜的局域網與廣域網的組網、管理和應用實驗搭建虛擬的實驗環境平臺。

2)虛擬機軟件定制。一款性能優秀的虛擬機軟件對建立虛擬實驗環境來說至關重要。虛擬機軟件有獨立虛擬化和基于主機操作系統虛擬化兩大技術類產品。獨立虛擬化技術的特點是虛擬機的管理器直接運行在宿主機中，并在其上創建多個虛擬機運行環境，虛擬機管理器在本質上是主機操作系統但又承擔了管理虛擬機的工作。基于主機操作系統虛擬化技術的特點是與主機底層硬件支持的無關性。只要是主機支持的物理硬件設備，虛擬機管理器都能支持，并且還能將這些設備映射到它所在主機上創建的虛擬機之中。獨立虛擬化的虛擬機軟件對主機硬件依賴性強但運行效率高。而基于主機操作系統虛擬化技術的虛擬機軟件對主機硬件的兼容高但運行效率低。因此，前者適用于主機硬件配置性能好并且工作效率要求高的應用場合;后者則可適應主機硬件標準配置下的一般工作需求。VMware Workstation是VMware公司研發的一款在Windows平臺上運行的虛擬機軟件。它除了具備完善的虛擬機管理功能以外，還能在孤立的主機上組建虛擬網絡，非常適合學習者用一臺計算機來進行虛擬實驗。而且在VMware公司的門戶網站上還可以免費下載VMware Workstation軟件以供試用。這些優點為虛擬實驗的軟硬件基本條件提供了便利。因此，按照大眾化、經濟性和實用性原則，將實驗用的虛擬機軟件定制為基于操作系統虛擬化技術的成熟軟件產品VMware Workstation是一種現實與明智的選擇。

3)虛擬網絡模式與虛擬設備。實驗虛擬網絡的構建往往取決于所用虛擬機軟件擁有的網絡模式、連接方式和虛擬網絡設備的功能特性。由于定制的虛擬機軟件是VMware Workstation 8.0，所以它提供的網絡模式、虛擬設備及接口參數等內容應深入了解和掌握，這有益于正確地構建出多種支持網絡實驗的虛擬實驗環境來。VMware Workstation 8.0具有橋接(Bridged)、主機(Host-Only)和地址轉換(NAT)3種主要的網絡模式。

橋接模式是將虛擬機的虛擬網卡橋接到主機的物理網卡，從而達到偵聽多個IP的能力。由于虛擬機網卡直接與主機的物理網卡相連，所以虛擬機和主機在網絡關系上是平等的。當虛擬機和主機被編號為VMnet0的虛擬交換機虛擬連接同處一以太網絡中后，它就能像主機一樣共享網絡的服務及資源。

主機模式用來建立隔離的虛擬機環境。這種模式下的虛擬機與主機將通過虛擬私有網絡進行通信，但虛擬網絡和真實的網絡是被隔離開的。只有同為主機模式而且共連一個虛擬交換機時才能允許虛擬機與主機系統進行互訪，而從外網則是無法進行的。主機模式只能用私有的IP地址，虛擬機必須由編號為VMnet1的虛擬交換機通過主機模式虛擬網絡的DHCP服務器來動態分配。

地址轉換模式可以實現虛擬機通過主機所在的網絡訪問外部互聯網。由于該模式下虛擬機的地址分配信息是由編號為VMnet8的虛擬交換機通過地址轉換模式虛擬網絡的DHCP服務器來提供的，不能進行人工修改，所以虛擬機無法和本網絡中的其他主機進行通信。但是利用地址轉換的功能，只要虛擬機所在的主機能夠訪問外部的互聯網，那么同網的虛擬機也就可以直接訪問外網。

針對以上3種虛擬機網絡模式的原理可知:橋接模式側重不同網段上的虛擬局域網組網應用;主機模式適合用于虛擬機和主機之間信息交換但與外網隔離的虛擬局域網(VLAN)構建;如果要建立能訪問Internet的虛擬廣域網(VPN)則最好選擇地址轉換模式，如果虛擬機想要通過橋接模式訪問 Internet，就必須讓宿主機在一個可訪問Internet的局域網內。

真實的物理網絡是需要網卡和交換機等網絡設備進行連接的，但在虛擬環境中這些設備只能是被虛擬化，由虛擬機軟件在安裝和創建虛擬機時生成。VMware Workstation 8.0能產生的虛擬網絡設備主要有:虛擬交換機(VMnet0～VMnet10)、虛擬網卡、虛擬DHCP服務器等。這些虛擬網絡設備具有仿真對應物理設備功能的能力，是構建虛擬網絡環境組成的重要部件。當然，這些虛擬設備在使用過程中，還需要配置必要的參數。

由此推斷:虛擬網絡模式和虛擬設備的正確組合與連接是組建實驗用虛擬網絡的關鍵與核心。

圖1 廣域網實驗虛擬網絡邏輯結構

4 虛擬網絡實驗的應用實例

應用虛擬機軟件在計算機上搭建網絡實驗虛擬環境的基本步驟是:安裝虛擬機軟件在物理主機上;根據網絡實驗的要求創建所需性質的虛擬機;選擇虛擬網絡的連接模式和有關虛擬設備;修改所用虛擬機與虛擬設備的網絡參數;對虛擬機或主機操作系統中的協議參數和網管組件進行重新配置;按照網絡實驗的環境條件要求進行虛擬的拓撲連接。有4種基本結構的虛擬網絡經常用在虛擬實驗中，即:1)獨立虛擬網絡:該虛擬網絡中各個虛擬機通過一個虛擬交換機連接起來，但不支持DHCP和無網關。2)具備DHCP功能的虛擬網絡。通過VMware DHCP實現一個虛擬的DHCP服務器，能夠為虛擬機提供IP地址。3)有網關和NAT功能的虛擬網絡。VMware通過VMware NAT為虛擬網絡提供了一個虛擬網和NAT功能，虛擬機能通過NAT訪問主機真實網卡所在的外部網絡。4)與真實主機網卡所在的外部網絡直接橋接的虛擬網絡。

這4種虛擬網絡基本能滿足局域網的組網與互聯、網絡服務管理、廣域網應用方面的網絡實驗項目任務要求。同時以這4種基本網絡為基礎，可以進一步組合出能適用更復雜網絡實驗的虛擬網絡。圖1是為廣域網實驗而構建的一種虛擬網絡環境。

虛擬網絡連接成NAT模式的拓撲結構，VMware Workstation 8.0自帶的DHCP服務器會自動加載到VMnet8虛擬交換機，使連接它的虛擬機得到DHCP服務。同樣在VMware Workstation 8.0中的NAT服務提供了從主機的虛擬網卡(VMnet8虛擬交換機)到外網的地址轉換，實現虛擬網內部選用NAT網絡模式結構的虛擬機都能訪問外部的互聯網。

5 結語

隨著虛擬機技術的發展以及虛擬機軟件的不斷升級更新，虛擬化網絡的應用也在不斷深入，通過對虛擬機技術在網絡實驗虛擬環境搭建中的應用研究，可以從中探索有關虛擬實驗平臺的設計技術，為今后在“云服務”技術支持下開展遠程網上虛擬實驗積累必要的知識與經驗。

［1］黃河清，嚴正偉.國土資源數據中心服務器網絡存儲虛擬化解決方案［J］.國土資源信息化，2013(3):47-52.

［2］張成璽，田東平，劉建華.基于操作系統指紋識別的服務器虛擬化安全策略［J］.現代電子技術，2011(6):102-104.

［3］金海.計算系統虛擬化:原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2008.

［4］虛擬化與云計算小組.虛擬化與云計算［M］.北京:電子工業出版社，2011.

［5］葛勤革.虛擬化:技術、應用與挑戰［J］.通信技術，2011(10):91-93，96.

Research and Application of the Virtual Machine Technique in the Experiment of Web-based Courses

QU Yusheng*
(Teaching Department，Sichuan Radio ＆ TV University，Chengdu 610072，China)

By the analysis of the virtual machine technology and the practice application of VMware software in web-based courses experiment.The article researched and summed up in a virtual experiment environment which applied machine software built，how to carry out effectively web-based courses experiments，for the practical teaching actives of the Distance and Open learning also provides one kind of new assistance method of experiment.

virtual machine technique;virtual experiment;VMware;web-based courses

TP308

A

2095-5383(2013)04-0098-03

2013-11-11

曲郁生(1954-)，男(漢族)，重慶人，副教授，學士，研究方向:計算機信息管理域教育技術，通信作者郵箱:854079386@qq.com。