唐超 楊建清

(廣州白云工商高級(jí)技工學(xué)校，廣東廣州510450)

1.引言

2004年起，我校開(kāi)始進(jìn)行一體化教學(xué)的試點(diǎn)工作，首先我們從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)業(yè)入手，改善了理論與實(shí)習(xí)脫節(jié)的情況，取得了較好的效果。所謂一體化教學(xué)，是指以"能力本位"為指導(dǎo)理論，將理論教學(xué)與實(shí)習(xí)訓(xùn)練有機(jī)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(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教室，圍繞課題模塊邊教、邊學(xué)、邊做來(lái)完成。經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)踐，由于得到學(xué)生及家長(zhǎng)的歡迎，越來(lái)越多的同學(xué)選擇報(bào)讀網(wǎng)絡(luò)工程專(zhuān)業(yè)，而計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不能及時(shí)得到擴(kuò)充，使得計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源非常緊張，同時(shí)設(shè)備的過(guò)度使用和得不到應(yīng)有的維護(hù)，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(shí)驗(yàn)，并確保實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，成為我們面臨的重要課題。通過(guò)多方調(diào)研及實(shí)驗(yàn)探索，合理利用"虛擬機(jī)"可在很大程度上解決上述難題。

2.虛擬機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介

虛擬機(jī)技術(shù)是用軟件模擬計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境，在現(xiàn)有的操作系統(tǒng)上虛擬出一個(gè)新的子系統(tǒng)。在虛擬機(jī)軟件上運(yùn)行的虛擬計(jì)算機(jī)稱(chēng)為客戶(hù)機(jī)，虛擬機(jī)軟件可以模擬出常見(jiàn)的硬件設(shè)備，如CPU、內(nèi)存、顯卡、硬盤(pán)、光驅(qū)、網(wǎng)卡等。客戶(hù)機(jī)可以直接使用主機(jī)的鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、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。虛擬計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，虛擬機(jī)軟件是安裝在物理計(jì)算機(jī)(主機(jī))上的，與主機(jī)的應(yīng)用程序在同一層次上，所以虛擬機(jī)軟件可以像應(yīng)用程序一樣操作，在虛擬機(jī)的操作系統(tǒng)之上還可以安裝虛擬機(jī)應(yīng)用程序。由于虛擬機(jī)軟件可以模擬計(jì)算機(jī)所需要的硬件設(shè)備，使得操作系統(tǒng)分辨不出是運(yùn)行在真實(shí)計(jì)算機(jī)環(huán)境中還是虛擬計(jì)算機(jī)環(huán)境中，所以在虛擬機(jī)平臺(tái)上可以運(yùn)行多種操作系統(tǒng)，如Windows系列、Linux等。

VMware Workstation是美國(guó)VMware公司一款虛擬機(jī)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(tái)物理計(jì)算機(jī)上虛擬并運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，這些虛擬出的機(jī)器各自擁有獨(dú)立的硬件，能夠?qū)崿F(xiàn)單機(jī)內(nèi)虛擬出的計(jì)算機(jī)組建局域網(wǎng)?；赩Mware的虛擬計(jì)算機(jī)具有安裝快捷、克隆簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，VMware虛擬出來(lái)的虛擬機(jī)硬件是固定的型號(hào)與物理計(jì)算機(jī)無(wú)關(guān)。將這款軟件應(yīng)用于計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)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。

圖1 虛擬計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)圖

3.基于VMware虛擬機(jī)技術(shù)開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算機(jī)組裝和維護(hù)實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)是一門(mén)應(yīng)用性和實(shí)用性非常強(qiáng)的課程，要求學(xué)生能夠獨(dú)立動(dòng)手完成安裝操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件。課程開(kāi)設(shè)中要求學(xué)生利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)的軟硬件實(shí)驗(yàn)。基于虛擬機(jī)技術(shù)的計(jì)算機(jī)組裝和維修實(shí)驗(yàn)主要包括硬盤(pán)的分區(qū)、低級(jí)和高級(jí)格式化，數(shù)據(jù)的備份與恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)磁盤(pán)陣列，操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的安裝等幾個(gè)部分。實(shí)驗(yàn)時(shí)需新建一臺(tái)虛擬機(jī)，并在硬件配置編輯器中為其添加虛擬硬盤(pán)，配置好系統(tǒng)維護(hù)所需的其它硬件。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)只要打開(kāi)虛擬機(jī)，在虛擬機(jī)BIOS中修改虛擬機(jī)的啟動(dòng)順序，設(shè)置為光驅(qū)啟動(dòng)優(yōu)先，然后在光驅(qū)中加載實(shí)驗(yàn)所需的軟件光盤(pán)或者是光盤(pán)鏡像文件，并根據(jù)運(yùn)行的軟件進(jìn)行相應(yīng)的操作，就可以在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下完成實(shí)驗(yàn)。

3.2 操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

目前我們學(xué)校開(kāi)設(shè)了Linux、Unix等操作系統(tǒng)課程，而我們的電腦有部分設(shè)備在此類(lèi)操作系統(tǒng)中無(wú)法驅(qū)動(dòng)，并且機(jī)房中的保護(hù)卡無(wú)法保護(hù)和還原Linux、Unix文件系統(tǒng)。這給學(xué)生學(xué)習(xí)和機(jī)房管理帶來(lái)很大的不便。利用虛擬機(jī)軟件，可以將Linux、Unix等操作系統(tǒng)移植到虛擬機(jī)中，并且在虛擬機(jī)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(jī)里安裝操作系統(tǒng)時(shí)，可以在本臺(tái)主機(jī)上繼續(xù)其它的工作，只要在主機(jī)和虛擬機(jī)之間切換就可以實(shí)現(xiàn)，虛擬機(jī)的"掛起"功能可以方便地保留當(dāng)前狀態(tài)，以便下一次繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。在虛擬機(jī)環(huán)境下，多個(gè)操作系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行，人們可以像對(duì)待標(biāo)準(zhǔn)的Windows應(yīng)用程序那樣在多個(gè)操作系統(tǒng)之間切換，而不需要重新啟動(dòng)機(jī)器。

3.3 網(wǎng)絡(luò)組建實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)需要多臺(tái)計(jì)算機(jī)以及多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備，而利用虛擬機(jī)只需要一臺(tái)電腦便能虛擬出多臺(tái)虛擬機(jī)，還可以虛擬出交換機(jī)、網(wǎng)卡等設(shè)備，以滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)組建的需要。網(wǎng)絡(luò)組建與維護(hù)實(shí)驗(yàn)主要包括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(shí)驗(yàn)以及多系統(tǒng)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，每個(gè)虛擬機(jī)都要配置虛擬網(wǎng)卡，連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)要為網(wǎng)卡選擇合適的連接類(lèi)型，使其能夠與主機(jī)、其它虛擬機(jī)或主機(jī)所在網(wǎng)絡(luò)上的其它計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需注意，選擇不同的網(wǎng)卡類(lèi)型也就是選擇了不同的網(wǎng)絡(luò)連接方式。

3.4 服務(wù)器配置與管理實(shí)驗(yàn)

在虛擬網(wǎng)絡(luò)里，將某些虛擬機(jī)配置為服務(wù)器，某些虛擬機(jī)設(shè)為客戶(hù)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(jìn)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(shí)驗(yàn)。服務(wù)器配置與管理實(shí)驗(yàn)建議使用虛擬機(jī)分組來(lái)完成，通過(guò)使用的分組（Teams）功能管理網(wǎng)絡(luò)連接虛擬機(jī)可以在單臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行多層企業(yè)應(yīng)用程序。在分組中可顯示所有連接的虛擬機(jī)的活動(dòng)縮略圖，使用戶(hù)能夠方便地識(shí)別與小組相關(guān)的虛擬機(jī)并在各虛擬機(jī)之間進(jìn)行切換。使用分組功能還可以使用同一分組內(nèi)虛擬機(jī)共享內(nèi)存而減少對(duì)物理內(nèi)存的需求。

3.5 網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與普及使得病毒的傳播和破壞方式也越來(lái)越網(wǎng)絡(luò)化，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全課程也就顯得越來(lái)越重要。受客觀教學(xué)條件的限制，教師在講解計(jì)算機(jī)病毒時(shí)只能停留在講解的層面上，很難進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示。利用虛擬機(jī)可以改變這一狀況，我們可以在虛擬機(jī)系統(tǒng)上植入病毒文件進(jìn)行系統(tǒng)攻擊實(shí)驗(yàn)，以及實(shí)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(dá)到知識(shí)鞏固及提高的目的。

4.虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)及其缺陷

4.1 虛擬機(jī)技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

利用虛擬機(jī)環(huán)境，無(wú)論是在教學(xué)中還是學(xué)生實(shí)驗(yàn)中都有其相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，可簡(jiǎn)單歸納以下幾點(diǎn)：（1）在一臺(tái)實(shí)體機(jī)上組建的一個(gè)虛擬機(jī)局域網(wǎng)環(huán)境，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的行為與真實(shí)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(jī)會(huì)損壞。（2）每一臺(tái)虛擬機(jī)，在宿主機(jī)上就是一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，可以獨(dú)立地安裝幾乎所有的主流操作系統(tǒng)，可以模擬真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中客戶(hù)機(jī)上的操作系統(tǒng)的多樣性。（3）每臺(tái)虛擬機(jī)，在宿主機(jī)上是一個(gè)文件或文件夾。這樣就具有可攜帶性和可遷移性。（4）每一臺(tái)虛擬機(jī)歸根到底是宿主機(jī)上的一個(gè)軟件系統(tǒng)，這樣，在學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(hù)的工作量。

4.2 虛擬機(jī)技術(shù)應(yīng)用的不足

利用虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境應(yīng)當(dāng)充分考慮到：（1）虛擬網(wǎng)絡(luò)的行為與真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)完全一致，對(duì)于課堂的教學(xué)演示必須事先進(jìn)行統(tǒng)籌的安排，以利于節(jié)約時(shí)間提高效率。（2）如果啟動(dòng)的虛擬機(jī)較多，則需要實(shí)體機(jī)內(nèi)存要大且屏幕也要大，且啟動(dòng)也時(shí)間較長(zhǎng)，由此，教師在上課前必須預(yù)先啟動(dòng)演示所需的虛擬機(jī)。（3）在學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，缺乏對(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的感觀理解，也無(wú)法體會(huì)到實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中如掉線、客戶(hù)機(jī)或交換機(jī)電源未開(kāi)等情況引起的網(wǎng)絡(luò)故障。

5.結(jié)束語(yǔ)

基于虛擬機(jī)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(chǎng)地限制所造成的網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)踐困難的問(wèn)題，而VMware Workstation虛擬機(jī)軟件為虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供了很好的支持。學(xué)生不僅能用它組建對(duì)等網(wǎng)、客戶(hù)機(jī)/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(shí)驗(yàn)。在交換機(jī)和路由器的模擬方面，如能將GNS3等網(wǎng)絡(luò)模擬器加以補(bǔ)充應(yīng)用，虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將更加完善。

[1] 王太成，蔡勇，利用虛擬機(jī)技術(shù)完成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2009，(04)：246-249.

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