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        虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

        2014-12-25 00:52:52袁建波
        船舶職業(yè)教育 2014年2期
        關(guān)鍵詞:局域網(wǎng)虛擬化架構(gòu)

        袁建波

        (新疆天山職業(yè)技術(shù)學(xué)院,新疆烏魯木齊830017)

        0 引言

        虛擬化是一種從邏輯角度對物理資源進(jìn)行分配的方法,是物理實(shí)際上的邏輯抽象。就虛擬技術(shù)目前的發(fā)展程度來說,它能夠?qū)④浖陀布蛛x開來,而且虛擬技術(shù)的應(yīng)用從剛開始的服務(wù)器延伸到了桌面。根據(jù)其應(yīng)用功能來推測,虛擬技術(shù)未來必將應(yīng)用于計算機(jī)教學(xué)。

        1 虛擬技術(shù)

        虛擬技術(shù)對很多人來說也許是一個陌生的名詞,但是人們對它的應(yīng)用并不陌生。隨著該技術(shù)的逐漸成熟與應(yīng)用普及,相信人們會越來越多地了解它、關(guān)注它。

        1.1 虛擬技術(shù)的定義和類型

        查閱資料,可以將虛擬技術(shù)的定義總結(jié)為:在計算機(jī)這門學(xué)科中,虛擬化是一種從邏輯角度對物理資源進(jìn)行配置的方法。拒絕從物理角度來看待問題,僅僅從邏輯角度看待問題,角度較為單一。打個比方來說,眼前只有一臺電腦,但是通過應(yīng)用虛擬技術(shù),就能夠讓用戶感受到多臺電腦。每一臺電腦都有自己的內(nèi)存、CPU、硬盤等硬件。如果應(yīng)用虛擬技術(shù),一臺設(shè)備上可以有多個操作系統(tǒng)同時運(yùn)行,不僅如此,每個系統(tǒng)還可以有多個程序運(yùn)行。多個系統(tǒng)和多個程序都是應(yīng)用同一套硬件資源。然而系統(tǒng)與系統(tǒng)之間,程序與程序之間都是互不影響,相互獨(dú)立的。虛擬技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了硬件資源和軟件資源的分離,大大提高了計算機(jī)硬件資源的利用率。對于用戶來說,不需要考慮這種功能是如何實(shí)現(xiàn)的,只要能夠充分利用資源就可以。

        虛擬技術(shù)的實(shí)現(xiàn),為建設(shè)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)云架構(gòu)提供了可能和堅實(shí)的基礎(chǔ)。不僅如此,其應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了計算機(jī)行業(yè)的各個層面。

        虛擬技術(shù)總會把IT資源物理的硬件資源虛擬構(gòu)成計算機(jī)資源池。根據(jù)計算機(jī)資源的不同,可以將虛擬技術(shù)分為多種類型。

        1.1.1 虛擬化中的基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)

        基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)主要可以分為網(wǎng)絡(luò)虛擬化和存儲虛擬化。

        網(wǎng)絡(luò)虛擬化指的是整合部署在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的硬軟件資源,并且能夠讓用戶終端連接虛擬網(wǎng)絡(luò)的一種技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)虛擬化可以分為虛擬專用網(wǎng)和虛擬局域網(wǎng)。虛擬局域網(wǎng)就是將一個物理的局域網(wǎng)分成多個虛擬的局域網(wǎng),把多個物理的局域網(wǎng)里的節(jié)點(diǎn)劃分到同一虛擬局域網(wǎng),這樣的方法令虛擬的局域網(wǎng)的信息交換類似于物理的局域網(wǎng),這種技術(shù)帶來的不適感較少,用戶不易察覺。

        存儲虛擬化是指對物理存儲設(shè)備進(jìn)行抽象化的表現(xiàn),形成抽象的邏輯視圖,而用戶可以通過視圖中統(tǒng)一的邏輯接口訪問網(wǎng)絡(luò),使用其中整合儲存的資源。存儲虛擬化可以分為網(wǎng)絡(luò)的存儲虛擬和物理硬件設(shè)備的存儲虛擬兩種形式。而網(wǎng)絡(luò)儲存虛擬作為一種較為經(jīng)濟(jì)的儲存方式,收到大眾的歡迎。能夠代表網(wǎng)絡(luò)存儲虛擬的是存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)區(qū)域存儲。

        1.1.2 虛擬化中的系統(tǒng)虛擬化

        虛擬技術(shù)中大眾接受最廣泛且認(rèn)識最全面的就是系統(tǒng)虛擬化。它是在一臺計算機(jī)上使用特定的虛擬化軟件,然后在此物理機(jī)的基礎(chǔ)上,通過運(yùn)行軟件程序虛擬出多臺計算機(jī),提高計算機(jī)硬件資源的利用率。系統(tǒng)虛擬化實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)和操作系統(tǒng)的分離,能夠在一臺計算機(jī)上運(yùn)行多個系統(tǒng)和程序。

        系統(tǒng)虛擬化又可以分為服務(wù)器虛擬化和桌面虛擬化。服務(wù)器虛擬化就是將系統(tǒng)虛擬技術(shù)應(yīng)用于服務(wù)器上,能夠把一臺服務(wù)器虛擬為多個服務(wù)器。桌面虛擬化是指用戶將自己的桌面環(huán)境作為托管服務(wù)進(jìn)行交付,擺脫傳統(tǒng)的使用終端設(shè)備的捆綁,將每個用戶的個性桌面儲存在網(wǎng)絡(luò)上,用戶在使用不同的設(shè)備時,就能夠使用自己的專屬桌面。

        1.2 虛擬技術(shù)的解決方案

        隨著科技的發(fā)展,虛擬技術(shù)也越來越成熟。而虛擬化市場的競爭也越來越激烈,不斷有廠商加入其中。因而產(chǎn)生了多種虛擬化解決方案,以下簡單列舉幾種典型方案:

        1.2.1 Vmware

        Vmware是世界上虛擬行業(yè)最大的廠商,該公司的虛擬機(jī)部署分為基于主機(jī)操作系統(tǒng)的虛擬化和獨(dú)立虛擬化兩種。基于主機(jī)操作系統(tǒng)的虛擬化中的虛擬機(jī)管理器是在主機(jī)操作系統(tǒng)上運(yùn)行的,管理器的一切運(yùn)行動作都得依靠主機(jī)的硬件資源來完成。獨(dú)立虛擬化是一種不需要主機(jī)操作系統(tǒng),虛擬機(jī)管理器直接在硬件上運(yùn)行的虛擬機(jī)。該虛擬機(jī)能夠在硬件基礎(chǔ)上構(gòu)造多個虛擬的執(zhí)行環(huán)境,虛擬機(jī)管理器也是主機(jī)的操作系統(tǒng)。Vmware Workstation是基于主機(jī)操作系統(tǒng)虛擬化中的典型,其架構(gòu)如圖1所示。

        圖1 Vmware的架構(gòu)

        1.2.2 Xen

        Xen是一款開源虛擬機(jī)軟件,其開發(fā)團(tuán)隊是英國劍橋大學(xué)的一個研究團(tuán)隊。在開發(fā)的初始階段,他們就提出一個虛擬體系結(jié)構(gòu),這個結(jié)構(gòu)需要修改用戶的操作系統(tǒng),并且能夠在x86、PowerPC及其他的CPU架構(gòu)上全都能夠提供具有高效、強(qiáng)大并且安全的虛擬化。Xen能夠支持的操作系統(tǒng)有l(wèi)inux和windows的多種版本。除此之外,Xen還具有獨(dú)特的虛擬化支持、可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。從技術(shù)角度來說,Xen是基于混合的模型,其架構(gòu)如圖2所示。

        圖2 Xen的架構(gòu)

        1.2.3 KVM

        KVM是一種在X86平臺之上Linux系統(tǒng)全虛擬化的解決方案。此外,KVM也是一款開源虛擬機(jī)軟件。KVM最早的開發(fā)團(tuán)隊是Qumranet公司,是傳統(tǒng)的Linux內(nèi)核虛擬技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者針對Linux系統(tǒng)平臺提出的一種全新劃分方式的概念。它的特點(diǎn)是可以將KVM的kernel module添加到系統(tǒng)的內(nèi)核當(dāng)中,令系統(tǒng)內(nèi)核本身就成為一個虛擬機(jī)的管理程序。KVM架構(gòu)如圖3所示。

        圖3 KVM的架構(gòu)

        2 虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

        虛擬技術(shù)應(yīng)用于計算機(jī)教學(xué)是一種趨勢,了解其在計算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用不僅有利于計算機(jī)教學(xué),也有利于虛擬技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

        2.1 虛擬技術(shù)的優(yōu)勢

        并不是所有的客戶都能從某一個相同的、典型的虛擬化解決方案中獲得相同的優(yōu)勢。因?yàn)樘摂M技術(shù)能夠提供的優(yōu)勢主要取決于3個方面,首先是所選擇的虛擬技術(shù),其次是客戶要達(dá)到的目標(biāo),還有就是ET基礎(chǔ)的構(gòu)架。但是分析不同的虛擬化解決方案,可以得到以下幾種共有的虛擬技術(shù)優(yōu)勢。

        2.1.1 硬件資源的利用率更高

        根據(jù)虛擬技術(shù)的特性可知,虛擬技術(shù)能夠使不同的系統(tǒng)程序建立在共同的硬件資源之上,這樣一來,設(shè)備硬件資源的利用率就得到了大大提高。

        2.1.2 管理成本降低

        虛擬技術(shù)可以通過多種途徑來提高工作效率。例如通過隱藏的方式來降低物理資源的復(fù)雜性;減少某些必須進(jìn)行管理的物理資源數(shù)量;依靠設(shè)備的自動化來簡化中央管理任務(wù)和負(fù)載的自動化。除此之外,公共工具也能夠依靠虛擬技術(shù)的支持應(yīng)用于多個平臺。

        2.1.3 使用更靈活

        由于業(yè)務(wù)對物理資源的需要是動態(tài)變化的,所以需要虛擬技術(shù)來重新配置和部署資源。

        2.1.4 安全性更高

        由于虛擬技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同系統(tǒng)程序之間的隔離和劃分,所以在訪問數(shù)據(jù)時具有較高的安全性。

        2.1.5 可用性較強(qiáng)

        根據(jù)虛擬技術(shù)的特性,如果對硬件設(shè)備進(jìn)行升級、刪除或者改變,都不會影響用戶。

        2.1.6 擴(kuò)展性更高

        因?yàn)樘摂M技術(shù)能夠通過資源的匯聚和分區(qū)的方法將物理資源變大或者變小,所以用戶可以在不改變硬件資源的情況下,對設(shè)備的資源進(jìn)行調(diào)整。

        另外,某些物理資源不能提供的各種協(xié)議和接口的兼容性,可以由虛擬資源來提供。虛擬技術(shù)的資源分配,能夠以比個體物理資源更小的單位進(jìn)行。而且由于虛擬資源沒有操作系統(tǒng)的問題和硬件,所以一旦虛擬資源發(fā)生崩潰現(xiàn)象,能夠更快恢復(fù)。

        2.2 虛擬技術(shù)的應(yīng)用

        研究虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)方面的應(yīng)用,不但有利于提高課堂效率,也有利于虛擬技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

        2.2.1 支持多操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

        在計算機(jī)教學(xué)過程中,為了能夠讓學(xué)生更好地掌握理論知識,更加熟練使用一些普遍的計算機(jī)系統(tǒng),往往都會為學(xué)生提供良好的系統(tǒng)試驗(yàn)環(huán)境。然而,面對現(xiàn)實(shí),許多學(xué)校還存在著兩個方面的問題:一是受到外界條件的限制,不能為一個操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)提供專門的機(jī)房和設(shè)備;二是一些學(xué)校通過在計算機(jī)上安裝雙系統(tǒng)來緩解前面的問題,但是這種方法不僅浪費(fèi)資源,而且局限性大,與多樣的操作系統(tǒng)的動態(tài)需求不相匹配。要解決這兩個問題,為學(xué)生提供良好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境,就必須通過虛擬機(jī)技術(shù)來完成,真正做到一機(jī)多能、一機(jī)多用。

        因?yàn)閂Mware Workstation對終端設(shè)備的配置要求不高,所以以VMware虛擬機(jī)為例,來講明如何在windows XP上構(gòu)建多操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

        首先,建立虛擬機(jī)。虛擬機(jī)的軟件采用VMware Workstation ace6.0,其建立的過程如下:依次點(diǎn)擊“File-New-Virtual Machine”,根據(jù)向?qū)瓿蓜?chuàng)建;選擇典型安裝的安裝方式,主要安裝Red Hat Linux9和Windows Server2003;輸入新建虛擬機(jī)的名字并選擇安裝位置;選擇“Use bridged networking”為網(wǎng)絡(luò)連接類型;完成創(chuàng)建。

        其次,安裝操作系統(tǒng)。具體操作過程是這樣的:選中Windows Server2003的虛擬機(jī)并啟動;從網(wǎng)上下載相應(yīng)的ISO文件以加快安裝速度;設(shè)置虛擬機(jī),并插入ISO文件。

        最后,建立宿主機(jī)和虛擬機(jī)共享文件夾。因?yàn)樗拗鳈C(jī)和虛擬機(jī)經(jīng)常要進(jìn)行文件的交換,所以VMware公司專門用VMware tools軟件來實(shí)現(xiàn)文件的共享。

        2.2.2 支持便攜“電腦”

        虛擬技術(shù)擁有良好的可移植性。因?yàn)樘摂M機(jī)是以文件和文件夾的形式存在于宿主機(jī)上的,所以它可以存儲在U盤或者移動硬盤上。虛擬技術(shù)的這一特性可以應(yīng)用在兩個方面。一方面是學(xué)生可利用這些在課下進(jìn)行練習(xí)。因?yàn)閷W(xué)生在課堂上的時間較為集中,且有時間限制,如果學(xué)生不熟悉操作,可能需要較長時間練習(xí)。應(yīng)用虛擬技術(shù),將虛擬機(jī)文件拷貝到個人計算機(jī)上就可以進(jìn)行聯(lián)系,不必在學(xué)校機(jī)房練習(xí);另一方面是某些學(xué)術(shù)講座,需要技術(shù)演示時,會因?yàn)檐浖牟煌?,要求會場的電腦安裝特定的系統(tǒng)環(huán)境。為了不至于每次都安裝系統(tǒng)環(huán)境,可以事先將虛擬機(jī)文件部署好并存放在U盤上,只需要帶U盤去就可以。稱得上是最便攜的“電腦”設(shè)備。

        2.2.3 支持網(wǎng)絡(luò)教室

        虛擬技術(shù)的應(yīng)用,可以為網(wǎng)絡(luò)教室的建立提供多種優(yōu)勢,其中最主要的是以下三個方面。

        第一,虛擬技術(shù)能夠輔助課堂上的演示工作。對目前國內(nèi)的大部分高職院校來說,由于資金等多方面的問題,不能做到每個專業(yè)都配備多媒體教室,一般情況下都是多個專業(yè)共用一個多媒體教室。正因如此,教室的電腦不能針對不同的專業(yè)安裝專用的系統(tǒng)及軟件。這樣一來,教學(xué)也就沒有針對性和實(shí)踐性。除此之外,一個教室只有一臺計算機(jī),許多網(wǎng)絡(luò)功能不能向同學(xué)演示。如果應(yīng)用虛擬技術(shù),那這些問題就可以迎刃而解了。

        第二,虛擬技術(shù)可以模擬網(wǎng)絡(luò)功能。實(shí)驗(yàn)室往往會將同學(xué)分組進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn),一人或兩人作為服務(wù)器,其他人作工作站。但是由于班級多,往往就會出現(xiàn)管理不當(dāng)、系統(tǒng)癱瘓、無法登陸和網(wǎng)絡(luò)功能無法實(shí)現(xiàn)等問題,而且也會造成學(xué)生不能熟悉了解所有的系統(tǒng)。為了解決這些問題,可以利用虛擬技術(shù),將原來的系統(tǒng)作為服務(wù)器,虛擬出多個系統(tǒng)供學(xué)生實(shí)驗(yàn),不僅保證了學(xué)生熟悉所有的系統(tǒng),而且大大提高了課堂的教學(xué)效率。

        第三,虛擬技術(shù)可以模擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)課程當(dāng)中,常常要學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的使用。常見的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有路由器,交換機(jī)等。但是這些設(shè)備都比較昂貴,建設(shè)這樣的一個實(shí)訓(xùn)室往往要投資上百萬。對于一些經(jīng)費(fèi)不足的學(xué)校來說,由于設(shè)備少,只能讓學(xué)生分組分時進(jìn)行實(shí)際網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的操作。這樣一來,不僅教學(xué)效率低,而且損壞設(shè)備的可能性大大增加。為了解決這些問題,可以采用虛擬技術(shù)讓學(xué)生在Sybex Virtual Lab軟件上,進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。在學(xué)生有了足夠的理論經(jīng)驗(yàn)后,再讓學(xué)生去進(jìn)行實(shí)際操作。

        3 結(jié)語

        計算機(jī)教育在現(xiàn)代教育當(dāng)中是重要的一部分,是培養(yǎng)適應(yīng)新時代快速發(fā)展人才的必要保障。如何在計算機(jī)教學(xué),尤其是高等學(xué)校的計算機(jī)教學(xué)中應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)方法、提高課堂效率是教學(xué)工作者需要考慮的問題。虛擬技術(shù)作為一項(xiàng)應(yīng)用廣泛的計算機(jī)應(yīng)用技術(shù),在教學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用前景。將其應(yīng)用于計算機(jī)教學(xué),不僅能夠提高課堂效率,改善教學(xué)質(zhì)量,也為學(xué)生學(xué)習(xí)提供了一個良好的環(huán)境。伴隨著虛擬技術(shù)的成熟,學(xué)校和教學(xué)工作者應(yīng)當(dāng)加大在這方面的投入,不斷提高計算機(jī)的教學(xué)水平。

        [1]黎佳.虛擬技術(shù)在高職院校計算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].天津:天津大學(xué),2012.

        [2]馬靜.在計算機(jī)教學(xué)中虛擬技術(shù)的應(yīng)用分析[J].計算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用,2012(14):241-242.

        [3]吳亞林.淺談虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中的運(yùn)用[J].電腦編程技巧與維護(hù),2012(18):126-127.

        [4]于英成.虛擬技術(shù)在高職院校計算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中小企業(yè)管理與科技(下旬刊),2013(11):197.

        [5]勞翠金.高職計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程應(yīng)用虛擬技術(shù)教學(xué)探析[J].廣西教育,2013(19):62-63.

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