虛擬技術在一體化教學中的應用

唐 超

（廣州科技職業技術學院，廣東 廣州510550）

0 引言

一體化教學，是指以“能力本位”為指導理論，將理論教學與實習訓練有機結合在一起的一種教學模式。在教學方法上，是由師生雙方共同在實訓教室，圍繞課題模塊邊教、邊學、邊做來完成。教師多采用“項目教學法”、“行為導向法”進行教學，教法靈活，形式多樣。由于我院推行一體化教學得到學生及家長的歡迎，越來越多的同學選擇報讀計算機專業，而計算機實驗設備和實驗場地不能及時得到擴充，使得實驗資源非常緊張，同時設備的過度使用和得不到應有的維護，更加重了這一惡性循環，如何利用有限的設備，完成更多的教學實驗，并確保實驗質量，成為我們面臨的重要課題。通過多方調研及實驗探索，合理利用“虛擬機”可在很大程度上解決上述難題。

1 虛擬機技術簡介

虛擬機技術是用軟件模擬計算機硬件環境，在現有的操作系統上虛擬出一個新的子系統。在虛擬機軟件上運行的虛擬計算機稱為客戶機，虛擬機軟件可以模擬出常見的硬件設備，如CPU、內存、顯卡、硬盤、光驅、網卡等。客戶機可以直接使用主機的鍵盤、鼠標、串/并口、USB接口、網卡、光驅、軟驅等設備完成與外部環境的交互通訊。虛擬機軟件是安裝在物理計算機(主機)上的，與主機的應用程序在同一層次上，所以虛擬機軟件可以像應用程序一樣操作，在虛擬機的操作系統之上還可以安裝虛擬機應用程序。由于虛擬機軟件可以模擬計算機所需要的硬件設備，使得操作系統分辨不出是運行在真實計算機環境中還是虛擬計算機環境中，所以在虛擬機平臺上可以運行多種操作系統。

VMware Workstation是美國VMware公司一款虛擬機軟件，VMware支持所有Windows系列操作系統以及Linux、FreeBSD、NetWare、Solaris等，該軟件能在一臺物理計算機上虛擬并運行多個操作系統，這些虛擬出的機器各自擁有獨立的硬件，能夠實現單機內虛擬出的計算機組建局域網。基于VMware的虛擬計算機具有安裝快捷、克隆簡便的特點，VMware虛擬出來的虛擬機硬件是固定的型號與物理計算機無關。將這款軟件應用于計算機實驗教學，可以在現有條件下提高教學效率，節約教學成本。

2 基于VMware虛擬機技術開展的實驗教學設計

2.1 基于VMware虛擬機技術可以開展以下的實驗

2.1.1 計算機組裝和維護實驗：基于虛擬機技術的計算機組裝和維修實驗主要包括硬盤的分區、低級和高級格式化，數據的備份與恢復，實現磁盤陳列，操作系統和應用軟件的安裝等幾個部分。

2.1.2 操作系統實驗：利用虛擬機軟件，可以將Linux、Unix等操作系統移植到虛擬機中，并且在虛擬機里安裝操作系統可以做到“工作”和“安裝”兩不誤，即在虛擬機里安裝操作系統時，可以在本臺主機上繼續其他的工作，虛擬機的“掛起”功能還可以方便地保留當前狀態，以便下一次繼續實驗。

2.1.3 網絡組建實驗：利用虛擬機只需要一臺電腦便能虛擬出多臺虛擬機、交換機、網卡等設備，以滿足網絡組建的需要。可以完成包括Windows網絡(域和工作組)的組建、Linux/Unix網絡的組建，軟路由實驗以及多系統組網實驗。

2.1.4 服務器配置與管理實驗：在虛擬網絡里，將某些虛擬機配置為服務器，某些虛擬機設為客戶端，讓學生從中學習服務器的配置與管理。可在VMware進行Web、DNS、FTP、Mail、DHCP服務器以及流媒體服務器等服務器的配置實驗。

2.1.5 網絡安全實驗：利用虛擬機技術可以在虛擬機系統上植入病毒文件進行系統攻擊實驗，以及實現安全防御等操作，讓學生更加直觀地了解系統的安全及防御技術，以達到知識鞏固及提高的目的。

2.2 Vmware網絡實驗應用

基于VMware虛擬機的實驗教學應用有很多，本文以DHCP服務的實現為例，介紹在Windows環境中基于VMware的網絡實驗應用。

實驗的網絡拓撲結構如下圖1所示：

圖1 實驗拓撲結構圖

本文中具體實驗環境：虛擬機軟件是VMware Workstation7.1.3中文版；宿主機是Windows XP ProfessionalSP3；虛擬機是Windows Server2003中文企業版SP2和Windows2000 Professional SP4。

2.2.1 搭建網絡環境

搭建這個網絡很簡單，首先通過“文件（F）/新建（N）/分組（T）…”，并為分組取名為DHCP，創建完成后打開DHCP分組，然后選擇編輯分組設置，在“虛擬機”選項中分別新建DHCP_S（DHCP服務器）、DHCP_R（DHCP中繼）、人事、生產、銷售五臺虛擬機，DHCP_S和DHCP_R對應的操作系統為Windows2003Server，其它虛擬對應的操作系統為Windows2000Professional；在“虛擬網絡”選項中分別添加LAN0、LAN1、LAN2、LAN3四個虛擬網絡；最后在“連接”選項中為DHCP_R添加至四張網絡適配器并按照實驗網絡拓撲圖進行連接。

先打開分組的電源并完成五臺虛擬計算機的安裝，并按照上圖1所示為DHCP服務器配置好IP地址配置好的IP地址信息，為DHCP中繼器配置好IP地址配置好的IP地址信息。

2.2.2 配置DHCP服務器

在作為DHCP服務器的虛擬機安裝DHCP服務，具體操作為：控制面板/添加刪除程序/添加Windows組件/網絡服務/動態主機配置協議（DHCP）；安裝好DHCP服務器后，打開DHCP管理控制臺，具體操作為：開始/程序/管理工具/DHCP；為DHCP服務器授權，具體操作為打開“操作”菜單然后選擇“授權”；在DHCP控制臺分別為生產部創建作用域，具體操作為：操作/新建作用域，定義作用域名稱為“生產部”，指定起始地址為192.168.1.100，結束地址為192.168.1.200，網絡掩碼為255.255.255.0，路由器（默認網關）為192.168.1.1；同時為銷售部、人事部創建作用域，銷售部的具體參數為：起始地址為192.168.2.100，結束地址為192.168.2.200，網絡掩碼為255.255.255.0，路由器（默認網關）為192.168.2.1，人事部的具體參數為：起始地址為192.168.3.100，結束地址為192.168.3.200，網絡掩碼為255.255.255.0，路由器（默認網關）為192.168.3.1。

2.2.3 配置DHCP中繼

在作為DHCP中繼器的虛擬機啟用路由功能，具體操作為：開始/運行/輸入“services.msc”/找到“Windows Firewall/Internet Connection Sharing(ICS)”將啟動類型設置為“已禁用”并停止此服務，通過執行“開始”/“管理工具”/“路由和遠程訪問”打開路由和遠程訪問管理控制臺，運行“操作”/“配置并啟用路由和遠程訪問”，在配置頁面中選擇“自定義配置”點擊“下一步”，選擇“LAN路由”后點擊“下一步”并完成配置啟用路由功能；在作為DHCP中繼器的虛擬機新增“DHCP中繼”路由協議，具體操作為：展開服務器，展開“IP路由選擇”，選中“常規”，然后執行“操作”/“新增路由協議”/選中“DHCP中繼代理程序”并按“確定”按鈕；在DHCP中繼器上選擇需要進行代理的網絡接口，具體操作為右擊“DHCP中繼代理程序”選擇“新增接口”，將LAN1、LAN2、LAN3添加進來；為DHCP中繼器指定DHCP服務器的IP地址，具體操作為右擊“DHCP中繼代理程序”選擇“屬性”，在服務器地址中填入“192.168.1.2”后點擊“添加”按鈕。

2.2.4 客戶端驗證

分別打開人事部、生產部、銷售部的計算機，分別將其設置為自動獲取IP地址，然后使用IPCONFIG/ALL命令查看它們的自動獲取IP地址情況，并對實驗結果進行驗證。

3 虛擬機網絡環境應用的優點及其缺陷

3.1 虛擬機技術應用的優勢

利用虛擬機環境，無論是在教學中還是學生實驗中都有其相當大的優勢，可簡單歸納以下幾點：（1）在一臺實體機上組建的一個虛擬機局域網環境，這個網絡的行為與真實的網絡完全一致，而且不用擔心虛擬網卡和虛擬交換機會損壞。（2）每一臺虛擬機，在宿主機上就是一個獨立的子系統，可以獨立地安裝幾乎所有的主流操作系統，可以模擬真實網絡中客戶機上的操作系統的多樣性。（3）每臺虛擬機，在宿主機上是一個文件或文件夾。這樣就具有可攜帶性和可遷移性。（4）每一臺虛擬機歸根到底是宿主機上的一個軟件系統，這樣，在學生實驗時，可以減少設備的損壞、降低設備的投資、減輕設備維護的工作量。

3.2 虛擬機技術應用的不足

利用虛擬機網絡環境應當充分考慮到：（1）虛擬網絡的行為與真實的網絡完全一致，對于課堂的教學演示必須事先進行統籌的安排，以利于節約時間提高效率。（2）如果啟動的虛擬機較多，則需要實體機內存要大且屏幕也要大，且啟動也時間較長，由此，教師在上課前必須預先啟動演示所需的虛擬機。（3）在學生實驗時，缺乏對實際網絡的感觀理解，也無法體會到實際網絡中如掉線、客戶機或交換機電源未開等情況引起的網絡故障。

4 結束語

基于虛擬機技術的一體化教學模式很大程度上緩解了學校內因網絡設備不足和場地限制所造成的網絡課程實踐困難的問題，而VMware Workstation虛擬機軟件為虛擬網絡架構的實現提供了很好的支持。學生不僅能用它組建對等網、客戶機/服務器網，組建具有路由功能的網絡，還能用它建立可能危及電腦系統的操作的網絡實驗。在交換機和路由器的模擬方面，如能將GNS3等網絡模擬器加以補充應用，虛擬機網絡架構將更加完善。

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