虛擬技術(shù)在一體化教學(xué)中的應(yīng)用

唐 超

（廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510550）

0 引言

一體化教學(xué)，是指以“能力本位”為指導(dǎo)理論，將理論教學(xué)與實習(xí)訓(xùn)練有機結(jié)合在一起的一種教學(xué)模式。在教學(xué)方法上，是由師生雙方共同在實訓(xùn)教室，圍繞課題模塊邊教、邊學(xué)、邊做來完成。教師多采用“項目教學(xué)法”、“行為導(dǎo)向法”進行教學(xué)，教法靈活，形式多樣。由于我院推行一體化教學(xué)得到學(xué)生及家長的歡迎，越來越多的同學(xué)選擇報讀計算機專業(yè)，而計算機實驗設(shè)備和實驗場地不能及時得到擴充，使得實驗資源非常緊張，同時設(shè)備的過度使用和得不到應(yīng)有的維護，更加重了這一惡性循環(huán)，如何利用有限的設(shè)備，完成更多的教學(xué)實驗，并確保實驗質(zhì)量，成為我們面臨的重要課題。通過多方調(diào)研及實驗探索，合理利用“虛擬機”可在很大程度上解決上述難題。

1 虛擬機技術(shù)簡介

虛擬機技術(shù)是用軟件模擬計算機硬件環(huán)境，在現(xiàn)有的操作系統(tǒng)上虛擬出一個新的子系統(tǒng)。在虛擬機軟件上運行的虛擬計算機稱為客戶機，虛擬機軟件可以模擬出常見的硬件設(shè)備，如CPU、內(nèi)存、顯卡、硬盤、光驅(qū)、網(wǎng)卡等。客戶機可以直接使用主機的鍵盤、鼠標、串/并口、USB接口、網(wǎng)卡、光驅(qū)、軟驅(qū)等設(shè)備完成與外部環(huán)境的交互通訊。虛擬機軟件是安裝在物理計算機(主機)上的，與主機的應(yīng)用程序在同一層次上，所以虛擬機軟件可以像應(yīng)用程序一樣操作，在虛擬機的操作系統(tǒng)之上還可以安裝虛擬機應(yīng)用程序。由于虛擬機軟件可以模擬計算機所需要的硬件設(shè)備，使得操作系統(tǒng)分辨不出是運行在真實計算機環(huán)境中還是虛擬計算機環(huán)境中，所以在虛擬機平臺上可以運行多種操作系統(tǒng)。

VMware Workstation是美國VMware公司一款虛擬機軟件，VMware支持所有Windows系列操作系統(tǒng)以及Linux、FreeBSD、NetWare、Solaris等，該軟件能在一臺物理計算機上虛擬并運行多個操作系統(tǒng)，這些虛擬出的機器各自擁有獨立的硬件，能夠?qū)崿F(xiàn)單機內(nèi)虛擬出的計算機組建局域網(wǎng)。基于VMware的虛擬計算機具有安裝快捷、克隆簡便的特點，VMware虛擬出來的虛擬機硬件是固定的型號與物理計算機無關(guān)。將這款軟件應(yīng)用于計算機實驗教學(xué)，可以在現(xiàn)有條件下提高教學(xué)效率，節(jié)約教學(xué)成本。

2 基于VMware虛擬機技術(shù)開展的實驗教學(xué)設(shè)計

2.1 基于VMware虛擬機技術(shù)可以開展以下的實驗

2.1.1 計算機組裝和維護實驗：基于虛擬機技術(shù)的計算機組裝和維修實驗主要包括硬盤的分區(qū)、低級和高級格式化，數(shù)據(jù)的備份與恢復(fù)，實現(xiàn)磁盤陳列，操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的安裝等幾個部分。

2.1.2 操作系統(tǒng)實驗：利用虛擬機軟件，可以將Linux、Unix等操作系統(tǒng)移植到虛擬機中，并且在虛擬機里安裝操作系統(tǒng)可以做到“工作”和“安裝”兩不誤，即在虛擬機里安裝操作系統(tǒng)時，可以在本臺主機上繼續(xù)其他的工作，虛擬機的“掛起”功能還可以方便地保留當前狀態(tài)，以便下一次繼續(xù)實驗。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)組建實驗：利用虛擬機只需要一臺電腦便能虛擬出多臺虛擬機、交換機、網(wǎng)卡等設(shè)備，以滿足網(wǎng)絡(luò)組建的需要。可以完成包括Windows網(wǎng)絡(luò)(域和工作組)的組建、Linux/Unix網(wǎng)絡(luò)的組建，軟路由實驗以及多系統(tǒng)組網(wǎng)實驗。

2.1.4 服務(wù)器配置與管理實驗：在虛擬網(wǎng)絡(luò)里，將某些虛擬機配置為服務(wù)器，某些虛擬機設(shè)為客戶端，讓學(xué)生從中學(xué)習(xí)服務(wù)器的配置與管理。可在VMware進行Web、DNS、FTP、Mail、DHCP服務(wù)器以及流媒體服務(wù)器等服務(wù)器的配置實驗。

2.1.5 網(wǎng)絡(luò)安全實驗：利用虛擬機技術(shù)可以在虛擬機系統(tǒng)上植入病毒文件進行系統(tǒng)攻擊實驗，以及實現(xiàn)安全防御等操作，讓學(xué)生更加直觀地了解系統(tǒng)的安全及防御技術(shù)，以達到知識鞏固及提高的目的。

2.2 Vmware網(wǎng)絡(luò)實驗應(yīng)用

基于VMware虛擬機的實驗教學(xué)應(yīng)用有很多，本文以DHCP服務(wù)的實現(xiàn)為例，介紹在Windows環(huán)境中基于VMware的網(wǎng)絡(luò)實驗應(yīng)用。

實驗的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如下圖1所示：

圖1 實驗拓撲結(jié)構(gòu)圖

本文中具體實驗環(huán)境：虛擬機軟件是VMware Workstation7.1.3中文版；宿主機是Windows XP ProfessionalSP3；虛擬機是Windows Server2003中文企業(yè)版SP2和Windows2000 Professional SP4。

2.2.1 搭建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

搭建這個網(wǎng)絡(luò)很簡單，首先通過“文件（F）/新建（N）/分組（T）…”，并為分組取名為DHCP，創(chuàng)建完成后打開DHCP分組，然后選擇編輯分組設(shè)置，在“虛擬機”選項中分別新建DHCP_S（DHCP服務(wù)器）、DHCP_R（DHCP中繼）、人事、生產(chǎn)、銷售五臺虛擬機，DHCP_S和DHCP_R對應(yīng)的操作系統(tǒng)為Windows2003Server，其它虛擬對應(yīng)的操作系統(tǒng)為Windows2000Professional；在“虛擬網(wǎng)絡(luò)”選項中分別添加LAN0、LAN1、LAN2、LAN3四個虛擬網(wǎng)絡(luò)；最后在“連接”選項中為DHCP_R添加至四張網(wǎng)絡(luò)適配器并按照實驗網(wǎng)絡(luò)拓撲圖進行連接。

先打開分組的電源并完成五臺虛擬計算機的安裝，并按照上圖1所示為DHCP服務(wù)器配置好IP地址配置好的IP地址信息，為DHCP中繼器配置好IP地址配置好的IP地址信息。

2.2.2 配置DHCP服務(wù)器

在作為DHCP服務(wù)器的虛擬機安裝DHCP服務(wù)，具體操作為：控制面板/添加刪除程序/添加Windows組件/網(wǎng)絡(luò)服務(wù)/動態(tài)主機配置協(xié)議（DHCP）；安裝好DHCP服務(wù)器后，打開DHCP管理控制臺，具體操作為：開始/程序/管理工具/DHCP；為DHCP服務(wù)器授權(quán)，具體操作為打開“操作”菜單然后選擇“授權(quán)”；在DHCP控制臺分別為生產(chǎn)部創(chuàng)建作用域，具體操作為：操作/新建作用域，定義作用域名稱為“生產(chǎn)部”，指定起始地址為192.168.1.100，結(jié)束地址為192.168.1.200，網(wǎng)絡(luò)掩碼為255.255.255.0，路由器（默認網(wǎng)關(guān)）為192.168.1.1；同時為銷售部、人事部創(chuàng)建作用域，銷售部的具體參數(shù)為：起始地址為192.168.2.100，結(jié)束地址為192.168.2.200，網(wǎng)絡(luò)掩碼為255.255.255.0，路由器（默認網(wǎng)關(guān)）為192.168.2.1，人事部的具體參數(shù)為：起始地址為192.168.3.100，結(jié)束地址為192.168.3.200，網(wǎng)絡(luò)掩碼為255.255.255.0，路由器（默認網(wǎng)關(guān)）為192.168.3.1。

2.2.3 配置DHCP中繼

在作為DHCP中繼器的虛擬機啟用路由功能，具體操作為：開始/運行/輸入“services.msc”/找到“Windows Firewall/Internet Connection Sharing(ICS)”將啟動類型設(shè)置為“已禁用”并停止此服務(wù)，通過執(zhí)行“開始”/“管理工具”/“路由和遠程訪問”打開路由和遠程訪問管理控制臺，運行“操作”/“配置并啟用路由和遠程訪問”，在配置頁面中選擇“自定義配置”點擊“下一步”，選擇“LAN路由”后點擊“下一步”并完成配置啟用路由功能；在作為DHCP中繼器的虛擬機新增“DHCP中繼”路由協(xié)議，具體操作為：展開服務(wù)器，展開“IP路由選擇”，選中“常規(guī)”，然后執(zhí)行“操作”/“新增路由協(xié)議”/選中“DHCP中繼代理程序”并按“確定”按鈕；在DHCP中繼器上選擇需要進行代理的網(wǎng)絡(luò)接口，具體操作為右擊“DHCP中繼代理程序”選擇“新增接口”，將LAN1、LAN2、LAN3添加進來；為DHCP中繼器指定DHCP服務(wù)器的IP地址，具體操作為右擊“DHCP中繼代理程序”選擇“屬性”，在服務(wù)器地址中填入“192.168.1.2”后點擊“添加”按鈕。

2.2.4 客戶端驗證

分別打開人事部、生產(chǎn)部、銷售部的計算機，分別將其設(shè)置為自動獲取IP地址，然后使用IPCONFIG/ALL命令查看它們的自動獲取IP地址情況，并對實驗結(jié)果進行驗證。

3 虛擬機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境應(yīng)用的優(yōu)點及其缺陷

3.1 虛擬機技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢

利用虛擬機環(huán)境，無論是在教學(xué)中還是學(xué)生實驗中都有其相當大的優(yōu)勢，可簡單歸納以下幾點：（1）在一臺實體機上組建的一個虛擬機局域網(wǎng)環(huán)境，這個網(wǎng)絡(luò)的行為與真實的網(wǎng)絡(luò)完全一致，而且不用擔(dān)心虛擬網(wǎng)卡和虛擬交換機會損壞。（2）每一臺虛擬機，在宿主機上就是一個獨立的子系統(tǒng)，可以獨立地安裝幾乎所有的主流操作系統(tǒng)，可以模擬真實網(wǎng)絡(luò)中客戶機上的操作系統(tǒng)的多樣性。（3）每臺虛擬機，在宿主機上是一個文件或文件夾。這樣就具有可攜帶性和可遷移性。（4）每一臺虛擬機歸根到底是宿主機上的一個軟件系統(tǒng)，這樣，在學(xué)生實驗時，可以減少設(shè)備的損壞、降低設(shè)備的投資、減輕設(shè)備維護的工作量。

3.2 虛擬機技術(shù)應(yīng)用的不足

利用虛擬機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境應(yīng)當充分考慮到：（1）虛擬網(wǎng)絡(luò)的行為與真實的網(wǎng)絡(luò)完全一致，對于課堂的教學(xué)演示必須事先進行統(tǒng)籌的安排，以利于節(jié)約時間提高效率。（2）如果啟動的虛擬機較多，則需要實體機內(nèi)存要大且屏幕也要大，且啟動也時間較長，由此，教師在上課前必須預(yù)先啟動演示所需的虛擬機。（3）在學(xué)生實驗時，缺乏對實際網(wǎng)絡(luò)的感觀理解，也無法體會到實際網(wǎng)絡(luò)中如掉線、客戶機或交換機電源未開等情況引起的網(wǎng)絡(luò)故障。

4 結(jié)束語

基于虛擬機技術(shù)的一體化教學(xué)模式很大程度上緩解了學(xué)校內(nèi)因網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不足和場地限制所造成的網(wǎng)絡(luò)課程實踐困難的問題，而VMware Workstation虛擬機軟件為虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實現(xiàn)提供了很好的支持。學(xué)生不僅能用它組建對等網(wǎng)、客戶機/服務(wù)器網(wǎng)，組建具有路由功能的網(wǎng)絡(luò)，還能用它建立可能危及電腦系統(tǒng)的操作的網(wǎng)絡(luò)實驗。在交換機和路由器的模擬方面，如能將GNS3等網(wǎng)絡(luò)模擬器加以補充應(yīng)用，虛擬機網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將更加完善。

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