虛擬機技術在網絡操作系統課程實踐教學中的應用

莊 城 山

(安徽工業職業技術學院 信息工程系，安徽 銅陵 244000)

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虛擬機技術在網絡操作系統課程實踐教學中的應用

莊 城 山

(安徽工業職業技術學院 信息工程系，安徽 銅陵 244000)

摘要：從高職院校網絡技術專業傳統操作系統課程實踐教學中存在的問題出發，以Windows Server網絡操作系統課程為例，深入分析了影響課程實踐教學效果的主要問題及原因，研究了虛擬機軟件VMWare的主要功能特點以及在教學中的應用。

關鍵詞：虛擬機；VMWare；操作系統；實踐教學

Windows Server系列網絡操作系統是目前在中小企業信息化建設中廣泛使用的網絡操作系統。Windows Server系列網絡操作系統具有安全性、可靠性、可用性和伸縮性等特點，不僅如此，微軟公司還針對Windows服務器產品家族不斷進行了改進與擴展。在國內的企業級服務器市場，Windows Server系列網絡操作系統始終占有較大份額。因此Windows Server網絡操作系統的教學自然成為高等院校網絡技術專業的重要內容。

該門課程的實踐教學質量對該門課程的整體教學質量有著決定性的影響。能否讓學生真正熟練掌握網絡操作系統的配置和使用是該門課程教學成功與否的重要標志。需要學生通過大量的動手實踐方可獲得。在網絡技術專業尚未采用虛擬機技術教學之前，該門課的實踐教學就在連接成局域網絡的普通機房里進行。這種傳統的教學模式有著更貼近真實環境的特點，但在實際教學過程中卻發現存在諸多弊端。對該門課的實踐教學效果產生不利影響，甚至難以實現教學目標[1]。

1傳統實驗環境中操作系統課程實踐教學中存在的問題

傳統操作系統課程的實踐教學環境通常就是普通機房，因為此類機房并非為實踐教學(尤其是操作系統課程的實踐教學)而專門設計，在將傳統的機房真正用于網絡操作系統課程的實踐教學時會發現存在較多問題和困難。

1.1計算機數量不足

在真實的實訓室中計算機數量不足這個問題經常會碰到。為此，通常將學生劃分成若干小組，以小組為單位共同完成實驗。這樣做雖然可以在一定程度上解決因為機器數量不足無法完成實驗的問題，甚至有利于培養團隊精神，但也會帶來新的問題。分組讓學生個人單獨完成實驗的機會減少，對學生獨立工作能力的培養不利。最終影響了實踐教學的效果。

1.2計算機硬件設備的添加和刪除較為困難

在“Windows Server”課程的實踐教學中經常遇到需要給計算機添加和刪除硬件設備的情況。經常需要添加的設備有硬盤、網卡等，這使傳統的實踐教學變得較為困難。首先需要準備大量的硬盤、網卡等設備。其次，是設備的安裝，需要打開機箱。更關鍵的是這個過程并不是教學的主要內容，且容易出錯，甚至設備的損壞，影響后續教學。

1.3按實驗拓撲搭建實驗環境較費時費力

在“Windows Server”課程的實踐教學中，在實驗課的開始時首先要根據實驗內容搭建實驗網絡。這個過程讓實踐經驗并不豐富的學生完成常常會碰到很多困難。雖然可以讓學生從真實的操作和遇到的問題中得到鍛煉，但對維持正常的教學秩序，對于教師整體把握教學進度和教學質量非常不利，也有喧賓奪主之嫌。

1.4重復實驗和錯誤更正困難

因為有些實驗的不可逆性，如實驗 “域功能級別的提升”,實驗重復同樣變得困難。同時在類似這樣的實驗中一旦犯了錯誤想要更正錯誤，將會變得十分困難，或者為重新建立實驗環境需要耗費較多的時間。這在課堂教學的有限時間內幾乎是不可完成的任務。但傳統的實驗實訓教學對此無能為力。

1.5實訓室運行綜合成本較高

因為課程特點，傳統的實驗實訓過程需要大量的硬件設備，如光驅、硬盤、網卡等。這些設備需要頻繁的裝入機箱，或從機箱中取出，因此故障或損壞在所難免。另外，實驗過程需要大量的耗材，如線纜、壓線鉗等，消耗數量也較為可觀。

1.6指導教師授課負擔重、管理難度大

為保證實踐教學的順利進行，指導教師要考慮的因素較多。如實驗前的準備工作，實訓器材、光盤和配件的需求；實訓過程的組織；器材、設備的整理還原；其他突發情況的處理等。如此大的工作量要在實踐教學中與實踐過程同時完成，對教師的組織能力和工作效率提出了很高的要求。

1.7學生課后難以自主學習

因為課程自身特點，經常需要學生課后能夠利用時間復習練習甚至預習課程相關內容，但因缺乏硬件環境和資源，課后學生的自主學習無從談起。而且無論學生在實訓室課堂教學的學習情況怎樣，學生幾乎沒有機會再去重復練習以前的內容，使課堂教學中遺留和存在的問題沒有任何彌補的機會，實質上影響了實踐教學的質量，也在一定程度上影響了學生的自信心。

2VMWare虛擬機軟件功能特點及其在實踐教學中的應用

2.1VMWare虛擬機軟件功能特點

VMWare虛擬機雖然名為“虛擬機”，但實際上所能完成的功能一點也不“虛”，如圖1所示。首先在宿主機上安裝虛擬化軟件，然后在軟件中新建虛擬機并安裝操作系統產生虛擬機。虛擬機完全可以作為獨立的邏輯實體對外提供服務，第三者并不會知道給他提供服務的是一臺虛擬機。虛擬機具有高度的仿真性，他們幾乎可以像真實的計算機一樣工作，這是將虛擬機應用于工程實踐和實踐教學的前提。[2]

圖1VMWare中的5臺虛擬機

VMware 作為世界領先的桌面和數據中心虛擬化提供商，提供了最可靠的最佳解決方案，旨在將目前通常缺乏靈活性的 IT 環境轉換為靈活的自動化云計算基礎架構，幫助用戶在實現成本節約的同時獲得生產效率優勢。VMware也同樣適用于網絡操作系統類課程的實踐教學，突破了傳統教學模式的弊端，使教學效果得到極大改善。[3]

2.2VMWare虛擬機主要功能在“Windows Server課程”實踐教學中的應用

(1) 快速便捷的產生多臺虛擬機

如果在虛擬機環境中進行“Windows Server課程”實踐教學則計算機數量不足的問題將迎刃而解。因為在VMWare虛擬機軟件中可以非常方便的產生若干臺虛擬計算機，這些計算機幾乎完全具有真實計算機的功能和特點，這樣坐在一臺普通物理機前的學生所擁有的不再是一臺普通的計算機，他擁有的是一臺包含物理機及若干臺虛擬機在內的一個局域網。

(2) 豐富的虛擬機工作模式

虛擬機具有豐富的工作模式可供選擇。對于直接接入真實網絡的虛擬機可以采用“橋接模式”，與外界物理網絡完全隔絕的虛擬機可以采用“主機模式”，介于兩者之間的虛擬機可以采用“NAT模式”。另外，虛擬機也可以自定義網絡工作模式。豐富的工作模式，使虛擬機可以方便的構建復雜的網絡拓撲結構，巧妙的融入真實網絡。

VMWare提供了豐富的虛擬機工作模式。為虛擬機在真實網絡世界中的使用帶來很大的便利性和靈活性，也是將虛擬機技術應用到操作系統課程實踐教學的關鍵技術之一，其中最常用的模式有三種：[4]

橋接網絡(Bridged Networking)。橋接網絡是指本地物理網卡和虛擬網卡通過VMnet0虛擬交換機進行橋接，物理網卡和虛擬網卡在拓撲圖上處于同等地位(虛擬網卡既不是Adepter VMnet1，也不是Adepter VMnet8)。這種工作模式下等于虛擬機被直接接入了真實網絡，此時的虛擬機和網絡上真實的計算機具有同等的邏輯地位，如圖2所示。

圖2橋接模式網絡拓撲圖

NAT模式。在NAT工作模式下，虛擬機可以通過宿主計算機與外界取得有限的聯系，在真實的網絡中與宿主計算機共享同一個IP 地址，如圖3所示。

主機模式(Host-Only)。在Host-Only模式下，虛擬網絡是一個全封閉的網絡，它唯一能夠訪問的就是宿主機。其實Host-Only網絡和NAT網絡很相似，不同的地方就是Host-Only網絡沒有NAT服務，所以虛擬網絡不能連接到Internet。主機和虛擬機之間的通信是通過VMware Network Adepter VMnet1虛擬網卡來實現的，如圖4所示。

(3) 便捷的虛擬設備的添加刪除

設備的添加與刪除其實并不復雜，也不是本門課程的主要教學內容，并且費時費力，通常不需要反復演練，但在傳統的實踐教學過程中，這是完成整個實驗必不可少的一步。在VMWare虛擬實驗環境下，這一切將變得異常簡單，只不過是一個普通的操作，而且具有完全仿真的效果。

(4) 虛擬機狀態的保存與恢復

在VMWare中提出了“快照(snapshot)”的概念，是指幾乎在瞬間就可以對虛擬機的狀態做一次保存，就像對虛擬機的狀態做了一次照相一樣保存起來。這種保存非常方便，而且可以對同一虛擬機做多次的快照。以后只要需要，就可以簡單的恢復到曾經做過的任何一個歷史上的“快照”點去。這是在現實中不會有，也不可能有的。這可以讓學生以放松的心態投入到實踐中，不用擔心會犯錯。[5]

3虛擬化教學模式的教學效果及需注意的問題

3.1教學效果

傳統的網絡操作系統課程實踐教學通過搭建完整的實驗拓撲結構，安裝所需要的真實的硬件設備和必須的軟件組件，以完全真實的實驗過程對學生進行相關實踐技能的訓練和培養。實訓過程的真實性和貼近實戰程度是其他方式無法比擬的。

但這種理論上最優的教學模式在實際執行時遇到了較大的困難和挑戰，甚至影響到教學目標的實現，為此不得不尋求新的模式和方法改進實踐教學的效果。虛擬化技術的應用和發展為網絡專業相關課程的實踐教學提供了新的方法和手段。如表1所示為在虛擬化模式下如何解決相關的問題或困難。

表1　虛擬機技術對傳統“網絡操作系統課程”實踐教學中主要問題的解決措施

可見虛擬化的實踐教學模式不但能夠勝任實踐教學的需要，而且能夠創造性的解決傳統實踐教學中的諸多困難和問題。虛擬化下的“Windows Server課程”實踐教學為高職操作系統課程的實踐教學提供了新的方法，開辟了新的路徑。

3.2需注意的問題

需要較高配置的計算機。虛擬化環境下的實踐教學是通過在普通計算機上安裝虛擬機軟件，在虛擬機化軟件中安裝和配置虛擬的計算機產生。一臺普通計算機上到底可以同時運行多少臺虛擬機，以及虛擬機運行速度的快慢，主要取決于虛擬機的宿主計算機配置和性能的強弱。現在的計算機性能普遍較高，對于一般虛擬機的運行困難不大。有的稍舊一些的計算機只要適當增大計算機內存，也基本可以滿足運行虛擬機的需要。

需要掌握虛擬化軟件的配置和使用。使用虛擬機來進行相關課程的教學，需要大家對虛擬機的使用方法有一定的了解。不同的虛擬機軟件有不同的使用方法。虛擬機軟件不同于一般的軟件，它的配置和使用需要對計算機和網絡技術有一定了解。

虛擬環境中的計算機網絡是對真實網絡的抽象和簡化。虛擬環境中的計算機網絡是對真實網絡的抽象和簡化。其核心是安裝有操作系統的虛擬機，在操作系統和計算機這個層次上來說，虛擬計算機具有高度的仿真性。但當以虛擬機為基礎構建虛擬計算機網絡時并不包括構建真實網絡所

必須的網絡設備的安裝和通信介質的連接。這些主要根據虛擬機工作模式的不同隱含在其中。所以說虛擬網絡是對真實網絡的抽象和簡化。

無法滿足構建大型復雜網絡的需要。大型復雜網絡往往需要較多計算機，具有復雜的網絡設備和復雜的網絡拓撲結構。目前的虛擬機技術在構建大型復雜網絡面前還十分薄弱，其核心是虛擬化的軟件環境缺乏對復雜網絡設備的支持。

虛擬環境下的實踐教學遠非完美，它只是突出的解決了傳統教學中的主要矛盾。在虛擬化技術還在不斷發展的今天，虛擬環境下的實踐教學仍然不能完全代替傳統的實踐教學。它也存在著自身的問題和缺點。有時優點恰恰又成了缺點。如何揚長避短、虛實結合是我們在應用虛擬化技術進行實踐教學所必須研究和關注的問題。

參考文獻:

[1]何增穎．虛擬機技術的實驗教學應用[J]．實踐科學與技術，2010,8(1)：80-87.

[2]王春海． 高紅瑋．VMware Workstation與ESX Server典型應用指南[M]．北京：中國鐵道出版社，2012：1-190．

[3]師雪霖．徐 恪．云虛擬機資源分配的效用最大化模型[J]．計算機學報，2013，36(2)：253-261.

[4]王春海. VMware 虛擬化與云計算應用案例詳解[M]. 北京：中國鐵道出版社,2013:131-168.

[5]鄭婷婷．武延軍．云計算環境下的虛擬機快速克隆技術[J]．計算機工程與應用，2011，47(13)：63-67.

Application of Virtual Machine Technology in the Network Operating System Course Teaching

ZHUANG Cheng-shan

(Department of Information Engineering, Anhui industry and professional technology college, Tongling 24400, China)

Abstract:Based on the existing problems of traditional operating system course of the network technology specialty in higher vocational college, and taking the course of Windows Server network operating system as an example, the major problems and the reasons which affecting the teaching effect of the course of practice are analyzed in detail. Furthermore, the main function and feature of the virtual machine software VMWare and its application in teaching are studied.

Key words:virtual machine, VMWare,operating system, practice teaching

文章編號：1007-4260(2015)02-0121-04

中圖分類號：TP391.9

文獻標識碼：A

作者簡介：莊城山，男，安徽銅陵人，安徽工業職業技術學院信息工程系高級工程師、講師,主要研究方向為計算機網絡、虛擬化技術。

收稿日期：2014-11-19