虛擬化技術在計算機實踐教學中的應用研究

張淑芬　陳學斌　張　帥

摘要:本文針對計算機實踐教學中存在的問題,提出一種基于虛擬機技術的解決方法,從一定程度上緩解實驗設備緊張的問題,保證實驗課的正常開出,加強學生學習的積極性和主動性,提高學生的實踐創新能力。

關鍵詞:虛擬化技術;VMware;計算機實踐教學

中圖分類號:G642 文獻標識碼:A

1前言

當前,由于我國高校招生規模不斷擴大,學生越來越多,而教學經費的投入卻遠遠跟不上學生數量的增長,實驗設備不能及時得到擴充,無法滿足實踐教學的需要。如何利用有限的資源,完成實踐教學,并確保實驗質量,成為各高校面臨的重要課題。

2005年1月,在教育部下發的《關于進一步加強高等學校本科生教學工作的若干意見》中明確指出:“要不斷改進實踐教學內容,改進實踐教學方案,加強各種形式的實踐教學基地和實驗室建設”。可見實踐教學質量的高低很大程度上取決于實驗室建設的水平。計算機作為一門實踐性很強的學科更是如此,為了培養具有高質量、高素質、高應用能力和具有創新能力的計算機人才,如何不斷改進和完善計算機實驗和實踐性教學內容、教學方法、教學體系,進一步加強計算機實驗室建設顯得更為重要。

2計算機實踐教學中存在的問題

計算機實踐教學是計算機課程的重要環節,學好計算機僅僅靠理論知識是不夠的,課堂講授是使學生掌握計算機的理論知識,而實踐教學的目的是通過實際操作將學到的知識付諸實際,是課堂教學的延伸和補充。計算機實踐教學無論是在掌握理論知識,還是在培養學生運用計算機解決其他專業問題的能力方面,都占有相當重要的位置。要培養素質高、應用能力和創新能力強的人才,就需要給學生提供一定的實踐環境。但是,隨著招生規模的不斷擴大,學生越來越多,教學經費的投入遠遠跟不上學生數量的增長,實驗室條件根本無法滿足實踐教學的需要。

大部分高校的機房為了管理方便,BIOS加了密碼,學生進不去,無法學習BIOS的設置;硬盤加了保護卡,無法安裝試用新軟件;用管理軟件屏蔽了控制面板,學生無法練習Windows的一些設置。

計算機的某些系統維護實驗,如磁盤分區、格式化、安裝操作系統、系統備份與恢復等,由于要對磁盤進行破壞性實驗,有可能損壞硬件設備,教師一般采取課堂演示或以講代練的方式進行教學。

計算機網絡實驗,如局域網的組建,網絡配置與管理,Telnet、FTP、IIS等各種網絡服務的配置,遠程訪問和路由的設置等,這類實驗需要用到多臺計算機和多種設備,而現有的實驗教學條件有限,導致學生學完課程后無法進行實驗,從而在工作中無法解決實際問題。

操作系統實驗,由于機房的所有設備都是預裝操作系統,并且使用保護卡,學生對于操作系統的認識僅限于操作應用,很難有機會實施操作系統的安裝調試實踐。另外一些如Unix、Netware等操作系統需要有特殊的硬件設備才能夠運行,而這些硬件設備價格昂貴,一般普通院校的實驗設備根本無法滿足。因此,學生只能接觸操作比較簡單的入門級服務器操作系統,如Windows,對于在業界高端應用較廣泛的Unix、Linux、Netware一般很少涉及。

網絡安全實驗,如掃描器、Sniffer、木馬等黑客工具的使用,網絡服務器的安全配置等,由于缺乏實驗環境,也只能采取課堂講解和演示的方式進行教學,學生很難理解,也不感興趣。

利用虛擬化技術,上述問題可以在一定程度上得到解決,從而保證實驗課的正常開出,加強學生學習的積極性和主動性,提高學生的實踐創新能力。

3虛擬機

虛擬機(virtual machine,簡稱VM)是支持多操作系統并行運行在單個物理服務器上的一種系統,能夠提供更加有效的底層硬件使用。在虛擬機中,中央處理器芯片從系統其他部分劃分出一段存儲區域,操作系統和應用程序運行在“保護模式”環境下。如果在某虛擬機中出現程序凍結現象,這并不會影響運行在虛擬機外的程序操作和操作系統的正常工作。

虛擬機具有四種體系結構。第一種為“一對一映射”。其中以IBM虛擬機最為典型。第二種由機器虛擬指令映射構成,其中以Java虛擬機最為典型。Unix虛擬機模型和OSI虛擬機模型可以直接映射部分指令,而其他的可以直接調用操作系統功能。

在真實計算機系統中,操作系統組成中的設備驅動控制硬件資源,負責將系統指令轉化成特定設備控制語言。在假設設備所有權獨立的情況下形成驅動,這就使得單個計算機上不能并發運行多個操作系統。虛擬機則包含了克服該局限性的技術。虛擬化過程引入了低層設備資源重定向交互作用,而不會影響高層應用層。通過虛擬機,客戶可以在單個計算機上并發運行多個操作系統。

VMware Workstation是VMware公司出品的一款虛擬機軟件。利用它可以在一臺電腦上模擬出若干臺機器。這臺虛擬機與真正的物理主機沒有太大的區別,都需要分區、格式化、安裝操作系統和應用程序,就像一臺真正的計算機一樣,提供這個應用程序的“窗口”就是虛擬機的顯示器。

VMware虛擬機的最大特點是不需要重新開機就能在一臺電腦上同時運行多個操作系統。這跟在同一臺PC機上安裝多操作系統是不同的。在PC機上安裝多個操作系統,但在任一時刻,只能運行其中的一個系統,如果想切換到其他系統,必須重新啟動機器。而在虛擬機環境下,多個操作系統可以同時運行,人們可以像對待標準的Windows應用程序那樣在多個操作系統之間來回切換,而不需要重新啟動機器。最值得關注的是VMware強大的網絡功能,可將多個虛擬機聯接在一起,組建一個局域網,這個網絡的行為與真實的網絡完全一致,而且不用擔心損壞虛擬網卡和虛擬交換機。

4VMware在計算機實踐教學中的應用

4.1計算機維護實驗

計算機維護實驗,如磁盤分區、格式化、安裝操作系統、Ghost備份與恢復等會破壞硬盤數據的完整性,因此,這類實驗在學校的機房一般是不允許的。而在虛擬機環境下,學生可以任意進行格式化、分區、設置CMOS等計算機維護操作,即使操作出現了問題,也可以非常方便地恢復所用的操作系統。由于虛擬機對應的僅是真實主機上的一個文件,在虛擬機中進行的任何操作都不會破壞現有的硬盤分區和數據。這不但保證了原系統的安全,而且在完成操作后,通過映像功能可以輕松將系統恢復到原樣。如果不想在操作之后通過映像功能恢復系統,還可以針對目標虛擬機創建克隆。克隆出來的虛擬機可以隨意操作,不用擔心給被克隆的虛擬機帶來什么影響,完成操作之后直接刪除克隆的虛擬機即可。

4.2操作系統實驗

利用虛擬機可以在一臺電腦上將硬盤和內存的一部分拿出來虛擬出若干臺機器,每臺機器可以運行單獨的操作系統而互不干擾,這些“新”機器各自擁有自己獨立的CMOS、硬盤和操作系統,可以像使用普通機器一樣對它們進行分區、格式化、安裝系統和應用軟件等操作。在虛擬系統崩潰之后可直接刪除而不影響本機系統,同樣本機系統崩潰后也不影響虛擬系統,可以下次重裝后再加入以前做的虛擬系統。虛擬機軟件不需要重開機,就能在同一臺電腦使用幾個操作系統,不但方便而且安全。

另外,Unix、Linux操作系統和Windows操作系統有著質的區別,學生從熟悉的Windows操作系統一下子跳入到Unix、Linux操作系統的學習,往往難以適應,半途而廢。利用Windows系統下的虛擬機軟件來使用Unix、Linux等操作系統,可以方便地進行各個操作系統的切換,同時虛擬機又可以完全實現Unix、Linux操作系統的功能。這一點給初學者的學習帶來了極大的方便,初學者可以一邊在Windows系統中看著教程,一邊在虛擬機中實際運行。

4.3計算機網絡實驗

網絡實驗要用到較多的設備,可能要用到多臺計算機,這不僅造成實驗設備的緊張,也占用較大場地,此種情況下,采用虛擬環境也是很有意義的。對于一個40人的基本教學班,在一個標準的50臺計算機的網絡實訓室進行網絡實訓實驗,基本是兩個學生一組做實訓,復雜的實驗還必須3人以上,學生缺乏足夠的動手機會和全局的掌控能力。使用了虛擬機技術,一個高性能的普通機房就能讓學生人手一臺單機完成大多數網絡實訓任務,大大提高了設備的利用率,并保證了學生實訓的時間和機會。網絡教學中為了盡量使學生多動手、多實踐,在設備有限的情況下,很多實訓項目都是分組進行的。對于一些復雜的實驗,這樣做可能會帶來一些問題,如涉及異構系統之間通信的網絡實驗,可能還需要安裝各種操作系統,并進行相應的網絡配置,時間會較長。由于各小組或個人能力的差異,部分學生可能不能按時完成,到下一次實訓時,原來的結果也會被其他小組沖掉,造成返工。采用虛擬環境,可以較好地解決這一問題,因為“虛擬機”系統只是主系統的一個文件,每個小組或個人使用和管理各自的文件,互相不會沖突,因此,實驗結果都可以加以妥善保存,教師也能夠一次性地檢查多個小組的實驗結果。VMware還提供掛起功能,利用這一功能可以保留全部現場,因此較大的實驗可以分多次完成。

4.4網絡安全實驗

在網絡安全實驗中,黑客工具的使用、網絡操作系統的安全配置、網絡服務器的安全配置、數據加密系統的應用等實驗都可以在虛擬機的環境下完成。基于原有的網絡實驗設備,只需極少的資金就能為大量的學生提供實用的實驗環境,也可以避免因為網絡設備故障以及網絡設備的連接問題影響學生實驗的效果,并減少設備的損壞和維護的工作量。同時在真實網絡環境中學生需要兩人或者多人一組一起連網實驗,虛擬機網絡環境下,可以一人單獨實驗,便于學生獨立完成實驗。

學生通過實際的操作過程,掌握各種工具的具體使用方法。從各種攻擊工具具體對系統產生的危害結果,以及采取的相關防范措施中,加深了學生對理論知識的理解,同時提高了學生的學習興趣,起到良好的教學效果。

5結束語

虛擬化技術的出現,給計算機實踐教學提供了一種有效的輔助工具,它充分挖掘了現有設備的潛力,提高了現有系統的利用率,而且在不額外添加硬件設備的條件下,可以增加學生的實踐動手機會,加強學生的實踐技能。因此,在計算機實踐教學中推廣虛擬機技術具有非常積極的教學意義。

參考文獻:

[1] James E.Smith, Ravi Nair.虛擬機—系統與進程的通用平臺[M].北京:電子工業出版社,2006.

[2] 龔少卿.VMware虛擬機在操作系統教學中的應用[J].現代企業教育,2009(2).

[3] 趙永禮.基于VMware的計算機實驗教學設計[J].計算機教育,2009(5).

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