虛擬機在網絡教學及實驗中的應用研究

李 悅

天津公安警官職業學院，天津 300382

計算機網絡技術的發展，為人類的生活帶來了全方位的改變。學會使用計算機網絡相關技術，已經是現代人必不可少的一項技能。目前，全國各個大中院校都開設了《計算機技術及計算機網絡技術》課程，為計算機網絡知識的普及提供了良好的平臺。虛擬機技術，是為了使教學手段更加豐富，教學效果更加直觀而設計的一套計算機軟件。這種軟件技術，打破了原有的多媒體式教學方式，為學生提供了直觀、可靠、易行的操作方式，使學生能夠獲得更好的學習體驗，從而更牢固掌握所學的內容。

一、網絡教學實驗環境的現狀分析

隨著計算機相關課程在學校里的開設，越來越多的實踐教學都依賴于計算機網絡的教學環境之中。與實踐性關聯緊密的實驗實訓等內容，也逐漸加大了其在教學內容中的比例。只要是與計算機相關的課程，無論是什么專業，都依賴于計算機與網絡技術，網絡教室成為不可或缺的教學設備［1］。

網絡教室的技術是構架于機房之上的，筆者對于自己所在學校以及一些外校的計算機機房進行了走訪與調研，發現在計算機技術高速發展的今天，幾乎所有學校都投入了大量的資金用以建設機房。

這些機房大多是優缺點并存，主要體現在：機器數量充足、操作平臺多樣、應用軟件豐富、系統故障時現、軟件版本多樣。

在使用方面，許多高校對于計算機機房的利用率是非常高的。經常是一間機房要被安排承擔多種計算機課程的實驗實訓教學工作。因此，對于這種多用途的機房來說，就必須給其安裝各種課程所需的操作系統及應用軟件，這勢必會給機房的管理和維護帶來了許多困難。在教學實踐的環節中，經常會遇到要求學生改變硬件設置及系統環境配置，這些操作往往會造成計算機系統的崩潰，甚至是硬件損傷，從而使計算機無法工作，影響正常的教學工作。

為了保證教學工作的順暢進行，許多院校的機房維護人員會對機房采取統一管理的形式，將學生的操作權限限制在一定的范圍之內，禁止他們做任何有可能造成計算機毀壞性的操作。采用統一管理、定期修復的方式，在一定程度上保持了機房內計算機系統的穩定性和安全性，保證了實驗與教學工作的順利進行。

但是，這種管理機制僅僅適用于那些較通用的、較普遍的計算機系統，對于一些專業的課程，例如，計算機網絡操作系統，就需要學生們直接改變計算機系統的配置，若權限被限制，便無法進行實踐操作了。于是我們就不得不考慮更為適用的方式方法。

虛擬機技術的出現，恰恰完美地解決了這些困擾我們的問題。

二、虛擬機技術介紹

虛擬機是指使用系統虛擬化技術，在獨立的環境中運行的具有完整硬件功能的邏輯計算機系統，包括客戶端操作系統及其應用程序［2］。

它借助于已有的計算機空間，使用軟件來模擬出完備的軟硬件環境，在功能上與實際的計算機系統完全一樣，在使用上對用戶是透明的。這種虛擬機的系統，實際上是真實系統中的子系統，它的運行完全依賴于主系統的運行。并且，他們擁有自己的虛擬內存、虛擬硬盤、虛擬CPU，以及虛擬聲卡、網卡等［3］。在虛擬機中，可以安裝各種操作系統及應用程序，甚至，可以在一臺主機上同時安裝2～3個不同的操作系統。此外，在虛擬機上安裝運行的程序，可以不去考慮主機系統是否能夠兼容，虛擬機可以完全獨立地去配置自己的個性選項。

三、虛擬機技術在教學應用中的主要特點［3］

（一）硬件獨立性

虛擬機是一種特定軟件，它是依附于主機而運行的一個特定文件。教學過程中對虛擬機的所有操作都限于在此文件中。它可以將自己完全獨立，與主機的操作系統及主機上所有應用軟件都完全隔離。教師可以根據自己的需求，預先安裝各不相干的虛擬機操作系統，并且可以根據教學需要進行復制和使用。在教學過程中，由于操作不當造成的對虛擬機系統的任何損壞都可以采取軟件的方式迅速恢復。

（二）多操作系統并存

可以在同一臺主機上安裝多個不同的操作系統，并且可以同時運行。這一特點使得我們可以方便自如地去建立所需的教學實驗環境，且不用重啟主機。在多個操作系統同時運行的過程中，我們可以方便地互相切換，大大節省了反復調用系統而造成的時間占用，為學生節省了學習和實驗的時間，增加了學生學習的空間和范圍。

（三）突破單機系統局限性

使用虛擬機系統，可以方便地進行網絡實驗，配置虛擬網絡環境，這是以往在單機系統上不可實現的功能。這種方式，節省了組網費用，可以不受品牌及型號限制地使用交換機、網卡等虛擬網絡設備，大大減少了網絡設備的資金投入和網絡設備的調試維護費用，同時也降低了網絡系統的維護工作量。此外，在使用虛擬網絡系統進行實驗操作的過程中，即便是發生了網絡毀滅性的操作，也不用擔心會影響主機的物理性能，只需要重新啟用虛擬系統即可。

（四）顯著提升教學質量

教師利用虛擬機技術可以自主創建所需要的虛擬機環境和虛擬網絡環境，從而實現直觀的教學模式。基于自身學習的要求，學生也可以來精準掌握軟件裝機、網絡建設、系統維護等全方面的專業技能。顯然，這種方式極大地挖掘了現有設備的潛力，提高了教學效率，節省了系統搭建時間，激發了學生學習的積極性，有利于幫助學生深刻地掌握學習的內容，為進一步進行研修和創新提供了良好的基礎平臺。

四、虛擬機技術在教學中的具體課程應用

（一）常用的虛擬機軟件［4］

虛擬機軟件具有模擬真實計算機硬件環境及軟件平臺的功能。常用的虛擬機軟件有VMware系列和Microsoft系列。這兩種虛擬機軟件功能大相徑庭，在界面上稍有不同，但都非常友好，易于掌握。教師在選擇的時候，可以根據自己的偏好來確定使用哪種。

（二）虛擬機技術在計算機網絡專業教學中的具體課程應用

1.《計算機網絡基礎》：利用虛擬機軟件在一臺主機上建立多臺虛擬主機，每個虛擬主機的操作系統可以相同，也可以不同。分別對各個虛擬操作系統進行網絡配置，使他們彼此互連，這樣就可以在同一臺主機上實現多臺虛擬主機的聯網，由此構建的虛擬網絡環境可以滿足網絡基礎課程大部分教學和實踐的需要。

2.《計算機組成原理及系統維護》：在這個課程中，學生們更多的要接觸到計算機系統的硬件，例如對CMOS、BIOS、主板、聲卡、網卡、視頻卡等進行設置，對磁盤進行分區調整、對操作系統進行安裝及刪除或修復，對外設進行驅動程序的安裝等等，這些操作，均可以通過使用虛擬機的虛擬操作來完成［5］。

3.《計算機網絡系統的組建與管理》：針對網絡的組建和與管理，均可以通過虛擬機進行教學和實驗。例如，安裝活動目錄來對文件系統進行高效的管理；設置用戶和組的參數來實現對用戶分層分級分權限的規范管理，安裝DNS服務器用以學習IP地址的解析與反解析；安裝HTTP服務器來模擬電子郵件的收發過程，安裝IIS服務器來建設屬于自己的WEB網站，擁有自己個性化的主頁［6］。

4.《網絡操作系統》：目前國際上比較流行的網絡操作系統主要有：Windows 2003 Server、Windows 2008 Server，UNIX以及Linux。對于Windows 2003 Server和 Windows 2008 Server，由于其界面與大部分功能與個人電腦版的Windows 2003和Windows 2008比較接近，所以學生在學習的過程中比較容易掌握。但是對于UNIX與Linux這兩個操作系統而言，學生們平日幾乎沒有接觸的機會，所以非常陌生，不易掌握。借助于虛擬機軟件，我們可以在同一臺主機上同時安裝Windows、UNIX、Linux這三種完全不同的操作系統，并且在三個操作系統中來回切換。通過熟知的操作系統，對比著去學習不了解的操作系統，這樣可以大大加快學生對新知識的領悟，提升教師的教學效果。

通過課堂演示，可以讓學生明白自己所學的理論知識不是脫離實踐的，而是緊密聯系的，這樣可以更好地提高學生的興趣，有效提高教學效果。

（三）虛擬機技術在網絡實驗教學中的應用

1.硬件系統操作、軟件系統安裝等實驗室內容

當我們要進行磁盤分區、硬盤格式化、操作系統安裝的時候，都會對物理計算機的磁盤具有破壞作用，如果使用虛擬機進行此類破壞性操作則可以避免其對真實硬件系統的損壞。在具體的操作過程中，我們可以選擇虛擬光盤設置中的ISO鏡像文件，啟動虛擬機，然后進行相應的教學和實踐［7］。這種方式，不僅保證了主機系統的安全性，而且，還很方便在教學結束后輕松地將系統恢復到原先的狀態。

2.計算機網絡技術實踐教學

針對那些與計算機網絡相關的課程，例如計算機網絡基礎、計算機網絡安全、計算機組網技術等，這些課程的實踐性比較強，如果將實踐內容都安置于構建的虛擬網絡環境中，將帶來更多的安全性與便捷性。利用虛擬技術構建的虛擬網絡可以實現真實網絡系統中的所有功能，包括：局域網的組建；網絡地址的配置與分配；WEB服務器、FTP服務器、Telnet服務區、Email服務器的創建與管理；病毒、木馬的仿真實驗與查殺、黑客的攻擊與防范實驗；防火墻、入侵檢測系統的模擬等［8］。學生在實驗的過程中，可以在同一臺計算機上，同時扮演多種不同的身份，如管理員和用戶、黑客和網管等，從而可以從不同的角度更深刻地理解所學習的內容。

當然，在實際使用的過程中，虛擬機網絡環境技術的應用也不是十全十美的，它也有其自身的缺點，主要表現有：一、對于安裝并且啟用虛擬機的主機來說，對其CPU及內存和硬盤等的硬件要求都比較高，高配置的主機有利于虛擬機程序的運行。二、虛擬機的配置與啟動需要一定的時間，為了能夠給學生預留盡量多的上機時間，這就要求教師要提前做好啟動的安排，避免在課堂上占用教學時間。三、學生在上機實驗的時候，無法感受真實網絡的故障，例如：帶寬瓶頸、網絡故障、掉線等［9］。

五、虛擬機技術在教學與實踐中的作用

虛擬機技術的應用，積極推動了我們的教學工作，極大提升了教學質量，在我們的教學工作中發揮著巨大的作用，具體體現在以下幾個方面：

（一）提升了理論教學效果

使用VMware可以將原來只能在實驗室網絡環境中進行的操作轉移到教室的學生機屏幕上，非常直觀，便于學生理解。

（二）擴展了實踐教學手段

實驗室的機房需要安裝用于教學的所有軟件，這些軟件往往相互影響，嚴重影響系統運行速度。若是進行服務器操作系統的安裝，便更是有可能破壞整個計算機系統。有了虛擬機軟件，則不再需要格式化硬盤，只需要打開硬盤空間，將操作系統安裝到虛擬系統中即可。一旦虛擬機崩潰，僅需刪除安裝文件，就像刪除垃圾文件一樣簡單，完全不會影響物理主機系統，從而大大保證了實驗室原有操作系統環境的穩定性。

（三）加強了實踐教學效果

在實驗課上，通過虛擬機教學方式，可以提供給學生更加獨立的練習環境和思考空間，方便他們在基礎理論的指導下進行實踐性探索。雖然軟件的使用屏蔽了虛擬環境中網卡、交換機、集線器等網絡設備出錯的可能性，但與傳統的實驗課程相比仍是一個很大的進步。

六、結論

虛擬機技術廣泛應用于計算機網絡課程的教學實踐中，不僅滿足了當前節約型社會的要求，而且使教學更加方便靈活，易于創設教學和實驗環境，提高了教學所需實驗項目的開題率，提高了學生的實踐能力。因此，進一步加強虛擬機技術在教學和實踐中的學習和研究，不斷提升虛擬機技術在教學應用中的廣度和深度，是極其有益的嘗試。