虛擬化技術(shù)在計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

張淑芬　陳學(xué)斌　張　帥

摘要:本文針對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題,提出一種基于虛擬機(jī)技術(shù)的解決方法,從一定程度上緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備緊張的問(wèn)題,保證實(shí)驗(yàn)課的正常開(kāi)出,加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性,提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞:虛擬化技術(shù);VMware;計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1前言

當(dāng)前,由于我國(guó)高校招生規(guī)模不斷擴(kuò)大,學(xué)生越來(lái)越多,而教學(xué)經(jīng)費(fèi)的投入?yún)s遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上學(xué)生數(shù)量的增長(zhǎng),實(shí)驗(yàn)設(shè)備不能及時(shí)得到擴(kuò)充,無(wú)法滿足實(shí)踐教學(xué)的需要。如何利用有限的資源,完成實(shí)踐教學(xué),并確保實(shí)驗(yàn)質(zhì)量,成為各高校面臨的重要課題。

2005年1月,在教育部下發(fā)的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校本科生教學(xué)工作的若干意見(jiàn)》中明確指出:“要不斷改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容,改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)方案,加強(qiáng)各種形式的實(shí)踐教學(xué)基地和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)”。可見(jiàn)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的高低很大程度上取決于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的水平。計(jì)算機(jī)作為一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科更是如此,為了培養(yǎng)具有高質(zhì)量、高素質(zhì)、高應(yīng)用能力和具有創(chuàng)新能力的計(jì)算機(jī)人才,如何不斷改進(jìn)和完善計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)體系,進(jìn)一步加強(qiáng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)顯得更為重要。

2計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題

計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)是計(jì)算機(jī)課程的重要環(huán)節(jié),學(xué)好計(jì)算機(jī)僅僅靠理論知識(shí)是不夠的,課堂講授是使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)的理論知識(shí),而實(shí)踐教學(xué)的目的是通過(guò)實(shí)際操作將學(xué)到的知識(shí)付諸實(shí)際,是課堂教學(xué)的延伸和補(bǔ)充。計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)無(wú)論是在掌握理論知識(shí),還是在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)解決其他專業(yè)問(wèn)題的能力方面,都占有相當(dāng)重要的位置。要培養(yǎng)素質(zhì)高、應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力強(qiáng)的人才,就需要給學(xué)生提供一定的實(shí)踐環(huán)境。但是,隨著招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大,學(xué)生越來(lái)越多,教學(xué)經(jīng)費(fèi)的投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上學(xué)生數(shù)量的增長(zhǎng),實(shí)驗(yàn)室條件根本無(wú)法滿足實(shí)踐教學(xué)的需要。

大部分高校的機(jī)房為了管理方便,BIOS加了密碼,學(xué)生進(jìn)不去,無(wú)法學(xué)習(xí)BIOS的設(shè)置;硬盤(pán)加了保護(hù)卡,無(wú)法安裝試用新軟件;用管理軟件屏蔽了控制面板,學(xué)生無(wú)法練習(xí)Windows的一些設(shè)置。

計(jì)算機(jī)的某些系統(tǒng)維護(hù)實(shí)驗(yàn),如磁盤(pán)分區(qū)、格式化、安裝操作系統(tǒng)、系統(tǒng)備份與恢復(fù)等,由于要對(duì)磁盤(pán)進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn),有可能損壞硬件設(shè)備,教師一般采取課堂演示或以講代練的方式進(jìn)行教學(xué)。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn),如局域網(wǎng)的組建,網(wǎng)絡(luò)配置與管理,Telnet、FTP、IIS等各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的配置,遠(yuǎn)程訪問(wèn)和路由的設(shè)置等,這類實(shí)驗(yàn)需要用到多臺(tái)計(jì)算機(jī)和多種設(shè)備,而現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件有限,導(dǎo)致學(xué)生學(xué)完課程后無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),從而在工作中無(wú)法解決實(shí)際問(wèn)題。

操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),由于機(jī)房的所有設(shè)備都是預(yù)裝操作系統(tǒng),并且使用保護(hù)卡,學(xué)生對(duì)于操作系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)僅限于操作應(yīng)用,很難有機(jī)會(huì)實(shí)施操作系統(tǒng)的安裝調(diào)試實(shí)踐。另外一些如Unix、Netware等操作系統(tǒng)需要有特殊的硬件設(shè)備才能夠運(yùn)行,而這些硬件設(shè)備價(jià)格昂貴,一般普通院校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備根本無(wú)法滿足。因此,學(xué)生只能接觸操作比較簡(jiǎn)單的入門(mén)級(jí)服務(wù)器操作系統(tǒng),如Windows,對(duì)于在業(yè)界高端應(yīng)用較廣泛的Unix、Linux、Netware一般很少涉及。

網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn),如掃描器、Sniffer、木馬等黑客工具的使用,網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的安全配置等,由于缺乏實(shí)驗(yàn)環(huán)境,也只能采取課堂講解和演示的方式進(jìn)行教學(xué),學(xué)生很難理解,也不感興趣。

利用虛擬化技術(shù),上述問(wèn)題可以在一定程度上得到解決,從而保證實(shí)驗(yàn)課的正常開(kāi)出,加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性,提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

3虛擬機(jī)

虛擬機(jī)(virtual machine,簡(jiǎn)稱VM)是支持多操作系統(tǒng)并行運(yùn)行在單個(gè)物理服務(wù)器上的一種系統(tǒng),能夠提供更加有效的底層硬件使用。在虛擬機(jī)中,中央處理器芯片從系統(tǒng)其他部分劃分出一段存儲(chǔ)區(qū)域,操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運(yùn)行在“保護(hù)模式”環(huán)境下。如果在某虛擬機(jī)中出現(xiàn)程序凍結(jié)現(xiàn)象,這并不會(huì)影響運(yùn)行在虛擬機(jī)外的程序操作和操作系統(tǒng)的正常工作。

虛擬機(jī)具有四種體系結(jié)構(gòu)。第一種為“一對(duì)一映射”。其中以IBM虛擬機(jī)最為典型。第二種由機(jī)器虛擬指令映射構(gòu)成,其中以Java虛擬機(jī)最為典型。Unix虛擬機(jī)模型和OSI虛擬機(jī)模型可以直接映射部分指令,而其他的可以直接調(diào)用操作系統(tǒng)功能。

在真實(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,操作系統(tǒng)組成中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制硬件資源,負(fù)責(zé)將系統(tǒng)指令轉(zhuǎn)化成特定設(shè)備控制語(yǔ)言。在假設(shè)設(shè)備所有權(quán)獨(dú)立的情況下形成驅(qū)動(dòng),這就使得單個(gè)計(jì)算機(jī)上不能并發(fā)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)。虛擬機(jī)則包含了克服該局限性的技術(shù)。虛擬化過(guò)程引入了低層設(shè)備資源重定向交互作用,而不會(huì)影響高層應(yīng)用層。通過(guò)虛擬機(jī),客戶可以在單個(gè)計(jì)算機(jī)上并發(fā)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)。

VMware Workstation是VMware公司出品的一款虛擬機(jī)軟件。利用它可以在一臺(tái)電腦上模擬出若干臺(tái)機(jī)器。這臺(tái)虛擬機(jī)與真正的物理主機(jī)沒(méi)有太大的區(qū)別,都需要分區(qū)、格式化、安裝操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序,就像一臺(tái)真正的計(jì)算機(jī)一樣,提供這個(gè)應(yīng)用程序的“窗口”就是虛擬機(jī)的顯示器。

VMware虛擬機(jī)的最大特點(diǎn)是不需要重新開(kāi)機(jī)就能在一臺(tái)電腦上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)。這跟在同一臺(tái)PC機(jī)上安裝多操作系統(tǒng)是不同的。在PC機(jī)上安裝多個(gè)操作系統(tǒng),但在任一時(shí)刻,只能運(yùn)行其中的一個(gè)系統(tǒng),如果想切換到其他系統(tǒng),必須重新啟動(dòng)機(jī)器。而在虛擬機(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)之間來(lái)回切換,而不需要重新啟動(dòng)機(jī)器。最值得關(guān)注的是VMware強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能,可將多個(gè)虛擬機(jī)聯(lián)接在一起,組建一個(gè)局域網(wǎng),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)心損壞虛擬網(wǎng)卡和虛擬交換機(jī)。

4VMware在計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

4.1計(jì)算機(jī)維護(hù)實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)維護(hù)實(shí)驗(yàn),如磁盤(pán)分區(qū)、格式化、安裝操作系統(tǒng)、Ghost備份與恢復(fù)等會(huì)破壞硬盤(pán)數(shù)據(jù)的完整性,因此,這類實(shí)驗(yàn)在學(xué)校的機(jī)房一般是不允許的。而在虛擬機(jī)環(huán)境下,學(xué)生可以任意進(jìn)行格式化、分區(qū)、設(shè)置CMOS等計(jì)算機(jī)維護(hù)操作,即使操作出現(xiàn)了問(wèn)題,也可以非常方便地恢復(fù)所用的操作系統(tǒng)。由于虛擬機(jī)對(duì)應(yīng)的僅是真實(shí)主機(jī)上的一個(gè)文件,在虛擬機(jī)中進(jìn)行的任何操作都不會(huì)破壞現(xiàn)有的硬盤(pán)分區(qū)和數(shù)據(jù)。這不但保證了原系統(tǒng)的安全,而且在完成操作后,通過(guò)映像功能可以輕松將系統(tǒng)恢復(fù)到原樣。如果不想在操作之后通過(guò)映像功能恢復(fù)系統(tǒng),還可以針對(duì)目標(biāo)虛擬機(jī)創(chuàng)建克隆?？寺〕鰜?lái)的虛擬機(jī)可以隨意操作,不用擔(dān)心給被克隆的虛擬機(jī)帶來(lái)什么影響,完成操作之后直接刪除克隆的虛擬機(jī)即可。

4.2操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

利用虛擬機(jī)可以在一臺(tái)電腦上將硬盤(pán)和內(nèi)存的一部分拿出來(lái)虛擬出若干臺(tái)機(jī)器,每臺(tái)機(jī)器可以運(yùn)行單獨(dú)的操作系統(tǒng)而互不干擾,這些“新”機(jī)器各自擁有自己獨(dú)立的CMOS、硬盤(pán)和操作系統(tǒng),可以像使用普通機(jī)器一樣對(duì)它們進(jìn)行分區(qū)、格式化、安裝系統(tǒng)和應(yīng)用軟件等操作。在虛擬系統(tǒng)崩潰之后可直接刪除而不影響本機(jī)系統(tǒng),同樣本機(jī)系統(tǒng)崩潰后也不影響虛擬系統(tǒng),可以下次重裝后再加入以前做的虛擬系統(tǒng)。虛擬機(jī)軟件不需要重開(kāi)機(jī),就能在同一臺(tái)電腦使用幾個(gè)操作系統(tǒng),不但方便而且安全。

另外,Unix、Linux操作系統(tǒng)和Windows操作系統(tǒng)有著質(zhì)的區(qū)別,學(xué)生從熟悉的Windows操作系統(tǒng)一下子跳入到Unix、Linux操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí),往往難以適應(yīng),半途而廢。利用Windows系統(tǒng)下的虛擬機(jī)軟件來(lái)使用Unix、Linux等操作系統(tǒng),可以方便地進(jìn)行各個(gè)操作系統(tǒng)的切換,同時(shí)虛擬機(jī)又可以完全實(shí)現(xiàn)Unix、Linux操作系統(tǒng)的功能。這一點(diǎn)給初學(xué)者的學(xué)習(xí)帶來(lái)了極大的方便,初學(xué)者可以一邊在Windows系統(tǒng)中看著教程,一邊在虛擬機(jī)中實(shí)際運(yùn)行。

4.3計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)

網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)要用到較多的設(shè)備,可能要用到多臺(tái)計(jì)算機(jī),這不僅造成實(shí)驗(yàn)設(shè)備的緊張,也占用較大場(chǎng)地,此種情況下,采用虛擬環(huán)境也是很有意義的。對(duì)于一個(gè)40人的基本教學(xué)班,在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的50臺(tái)計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn),基本是兩個(gè)學(xué)生一組做實(shí)訓(xùn),復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)還必須3人以上,學(xué)生缺乏足夠的動(dòng)手機(jī)會(huì)和全局的掌控能力。使用了虛擬機(jī)技術(shù),一個(gè)高性能的普通機(jī)房就能讓學(xué)生人手一臺(tái)單機(jī)完成大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)任務(wù),大大提高了設(shè)備的利用率,并保證了學(xué)生實(shí)訓(xùn)的時(shí)間和機(jī)會(huì)。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中為了盡量使學(xué)生多動(dòng)手、多實(shí)踐,在設(shè)備有限的情況下,很多實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目都是分組進(jìn)行的。對(duì)于一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn),這樣做可能會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題,如涉及異構(gòu)系統(tǒng)之間通信的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn),可能還需要安裝各種操作系統(tǒng),并進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)配置,時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)。由于各小組或個(gè)人能力的差異,部分學(xué)生可能不能按時(shí)完成,到下一次實(shí)訓(xùn)時(shí),原來(lái)的結(jié)果也會(huì)被其他小組沖掉,造成返工。采用虛擬環(huán)境,可以較好地解決這一問(wèn)題,因?yàn)椤疤摂M機(jī)”系統(tǒng)只是主系統(tǒng)的一個(gè)文件,每個(gè)小組或個(gè)人使用和管理各自的文件,互相不會(huì)沖突,因此,實(shí)驗(yàn)結(jié)果都可以加以妥善保存,教師也能夠一次性地檢查多個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。VMware還提供掛起功能,利用這一功能可以保留全部現(xiàn)場(chǎng),因此較大的實(shí)驗(yàn)可以分多次完成。

4.4網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)

在網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)中,黑客工具的使用、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的安全配置、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的安全配置、數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)的應(yīng)用等實(shí)驗(yàn)都可以在虛擬機(jī)的環(huán)境下完成。基于原有的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備,只需極少的資金就能為大量的學(xué)生提供實(shí)用的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,也可以避免因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的連接問(wèn)題影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)的效果,并減少設(shè)備的損壞和維護(hù)的工作量。同時(shí)在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中學(xué)生需要兩人或者多人一組一起連網(wǎng)實(shí)驗(yàn),虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,可以一人單獨(dú)實(shí)驗(yàn),便于學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生通過(guò)實(shí)際的操作過(guò)程,掌握各種工具的具體使用方法。從各種攻擊工具具體對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的危害結(jié)果,以及采取的相關(guān)防范措施中,加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解,同時(shí)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,起到良好的教學(xué)效果。

5結(jié)束語(yǔ)

虛擬化技術(shù)的出現(xiàn),給計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)提供了一種有效的輔助工具,它充分挖掘了現(xiàn)有設(shè)備的潛力,提高了現(xiàn)有系統(tǒng)的利用率,而且在不額外添加硬件設(shè)備的條件下,可以增加學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手機(jī)會(huì),加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐技能。因此,在計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)中推廣虛擬機(jī)技術(shù)具有非常積極的教學(xué)意義。

參考文獻(xiàn):

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Research on the Application of Virtualization in Practice Teaching of Computer

ZHANG Shu-fen, CHEN Xue-bin, ZHANG Shuai

(School of Sciences, Hebei Polytechnic University, TangShan 063009, China)

Abstract: In view of the questions which exists the practice teaching of computer, this paper put forward a solution based on the virtual machine technology, the solution can alleviate the test installation tense , guarantee the experimental class starts out normally, strengthen the enthusiasm and the initiative which the student studies and improve student's practice innovation ability.

Key words: virtualization technology;VMware;practice teaching of computer