虛實融合的計算機實驗教學平臺的搭建研究

潘 清， 李 寧， 劉文艷， 王 珂， 謝 艷， 沙 飛， 田 新， 翟陽陽

(首都醫科大學 生物醫學工程學院， 北京 100069)

虛實融合的計算機實驗教學平臺的搭建研究

潘 清， 李 寧， 劉文艷， 王 珂， 謝 艷， 沙 飛， 田 新， 翟陽陽

(首都醫科大學 生物醫學工程學院， 北京 100069)

通過將虛擬機軟件植入帶有硬盤保護卡的計算機系統中，使虛擬機與真實計算機相融合，搭建了新型計算機實驗教學平臺，在不影響對計算機系統進行維護和管理的前提下，拓展更多的實驗項目和完善實驗教學內容。對新實驗平臺搭建過程中出現的關鍵問題展開分析和討論，并提出相應的解決方案。

實驗平臺； 虛擬機技術； 計算機實驗教學

實驗教學是高校計算機教學中不可或缺的重要環節，通過實踐，學生可加快對所學知識的理解和掌握。計算機實驗教學平臺是為學生進行各項計算機實踐活動而創建的操作環境。在該操作環境下，學生可全面驗證書本上的內容，并將所學知識結合在一起進行綜合應用，還能通過自主學習去探究解決各種實際問題。然而，傳統的計算機實驗教學平臺出于管理和維護的需要，為每臺計算機都安裝了硬盤保護卡，使得一些實驗無法看到最終結果甚至根本無法進行，既影響教學效果，也影響學生自主學習的積極性。

筆者將虛擬機軟件植入計算機系統中，使虛擬機與真實計算機相融合，搭建出新型的計算機實驗教學平臺(以下簡稱為新實驗平臺)，從而彌補傳統實驗平臺的不足。

1 搭建新實驗平臺

1.1 虛擬機軟件的選用

虛擬機是物理主機的一個或多個拷貝，每個拷貝都是完全受保護的獨立系統，可以像主機一樣運行自己的操作系統和應用程序，并通過虛擬機軟件的安裝來實現創建和運行[1-3]。目前虛擬機軟件種類很多，根據本研究對虛擬機軟件功能特點的要求，選用VMware Workstation[4-5]。

1.2 真實計算機的軟硬件環境

本研究選擇了兩種不同型號的計算機，主要配置見表1。兩種計算機均裝有硬盤保護卡，硬盤分為系統盤(C盤)和數據盤(D盤)兩部分。C盤每次運行后還原，D盤每日清空。

表1 本研究所用計算機的主要配置

1.3 虛擬機的創建

通過虛擬機軟件共創建4種不同操作系統的虛擬機，分別是：Windows XP(簡稱：WinXP)、Windows Server 2003(簡稱：Win2K3)、Windows 7(簡稱：Win7)和Windows Server 2008(簡稱：Win2K8)，每種虛擬機均可通過克隆方式創建多個。

2 拓展實驗內容

2.1 滿足計算機基礎課程的實驗需求

傳統實驗平臺在計算機基礎實驗中不能進行操作系統安裝、磁盤分區和磁盤格式化，不能看到修改注冊表的最終結果，不能用備份文件對系統盤做恢復操作，也不能僅用一臺計算機實現遠程控制。新實驗平臺上的虛擬機軟件可進行多種操作系統的安裝，可通過一臺或多臺虛擬機完成除操作系統安裝之外的其他各項實驗操作。

2.2 完善網頁制作課程的實驗內容

在以往的網頁制作課程中，ASP等動態網頁只能通過Windows XP或Windows 7的IIS創建Web網站來運行和調試。學生在編寫程序中不能真正感受客戶端與服務器通信的過程，不知道如何使用服務器，更談不上配置不同系統的服務器。通過新實驗平臺，學生能夠在一臺計算機中使用Win2K3或Win2K8虛擬機，甚至用Linux虛擬機來完成客戶端與服務器端的各項操作[6]。

2.3 補充網絡技術課程的實驗項目

網絡技術課程是一門具有較強的理論性和實踐性課程[7]，而傳統實驗平臺無法進行網絡中Web、FTP、DHCP、DNS和WINS等服務器架設和小型局域網搭建實驗。利用新實驗平臺的Win2K3虛擬機就可以完成網絡中各種服務器的架設；通過使用Win2K3和WinXP兩個或多個虛擬機，即可實現多種拓撲形式的局域網搭建[8-9]。

2.4 給探究型實驗項目創造環境

傳統實驗平臺對探究型實驗的支持力度較差，而新實驗平臺對此有較大突破。例如：作為開放性實驗室，學生可以根據研究的需要在新實驗平臺上安裝操作系統和應用軟件，在實驗過程中可以反復調整實驗方案，并可以返回到指定的實驗節點重新進行操作。又如：進行軟件開發時，有時需要多個操作系統的支持，新實驗平臺完全能夠滿足這些技術要求。

3 解決融合問題

3.1 優化使用內存

影響虛擬機啟動和運行速度的主要因素是真實計算機(宿主機)的物理內存，通過系統優化盡可能減少計算機內存占用是使用虛擬機時須注意的問題[10]。此問題需從2個方面來解決：一是針對宿主機，二是針對虛擬機。

3.1.1 降低宿主機內存的占用

宿主機除需要安裝虛擬機軟件外，還需要安裝較多的應用軟件，即使不對這些軟件進行操作，內存的占用依然不可避免，只能通過合理的調整將這種占用量降至最低。

(1) 取消絕大多數開機啟動項，例如殺毒軟件、即時通信軟件等。這些軟件在系統后臺運行，占用內存但很少使用，因此需要對開機啟動項進行篩選，僅保留必要的項，其余均可取消。

(2) 停止部分開機自動運行的后臺服務，如Point Spooler(打印后臺處理程序)和Security Center(安全中心)等。對于實驗不需要的設備或計算機系統中已安裝可以替代的軟硬件，均可停止開機自動運行的后臺服務。

(3) 關閉所有的自動更新功能，如系統或軟件的自動更新等，因硬盤保護卡啟用了還原功能，使更新操作毫無意義。

3.1.2 調配虛擬機的組合

虛擬機的開機啟動項、自動運行服務項和自動更新功能也需要減少或停止，同時還須將不常使用的硬件(如軟驅、USB控制器等)移除，以減少虛擬機檢查硬件時占用內存。

當多臺虛擬機同時運行時，更需要關注內存占用的影響。通常單臺虛擬機中安裝的應用軟件并不多，不會過多地占用物理內存,可按照虛擬機“推薦內存使用量”設置內存;當多臺虛擬機同時運行時，所占用的物理內存是它們各自占用量的總和，當所占內存容量超過推薦的最大內存時，系統將進行內存交換，導致運行速度迅速下降，甚至出現死機現象。因此，在實驗設計時需要根據實驗要求，合理調配虛擬機的組合。

假如一個網絡實驗項目需要使用3臺虛擬機，其中2臺為服務器操作系統，一臺為客戶機操作系統。

虛擬機組合方式1：選用2個Win2K3和一個WinXP，通過表2對所用虛擬機“推薦內存使用量”求和，并與表3中系統推薦的“最大內存使用量”進行比較，計算得到最多需占用物理內存為：384×2+512=1 280(MB)，小于1 436 MB，更小于2 560 MB，因此兩種配置的計算機均可進行此項實驗。

虛擬機組合方式2：選用2個Win2K8和一個WinXP，計算得到最多需占用物理內存為：1 024×2+512=2 560(MB)，大于1 436 MB，因此只有配置2計算機可以進行此項實驗。

表2 不同操作系統虛擬機內存推薦值 MB

表3 計算機系統推薦虛擬機最大內存使用量

3.2 遷移虛擬機文件

在裝有硬盤保護卡的計算機中，通過虛擬機進行驗證型和簡單的綜合型實驗，能夠不受保護卡的制約順利完成，并且在實驗結束后，宿主機只需重新啟動，保護卡就可以將其恢復到實驗前的環境，使其他實驗能快速進入狀態，但在進行設計型和復雜的綜合型實驗時卻存在問題。由于每次宿主機重啟都會使實驗環境返回到初始狀態，從而導致尚未完成的實驗在其他時間不能連續進行。

通過分析虛擬機的構成可以看出，虛擬機是一個完全模擬出來的獨立環境[11]，每臺虛擬機都是由一系列文件組成的，這些文件以虛擬機名稱為目錄存儲在宿主機中，并記錄著虛擬機中的各項操作。利用虛擬機的這種獨立性，通過文件遷移的方法，可將在虛擬機中所做操作進行長時間保存，以備計算機重啟后繼續使用。本研究通過改變硬盤保護卡對D盤保護屬性的設置和安裝網盤本地管理專家等方法來實現虛擬機文件的遷移。

(1) 當日實驗的文件遷移。該遷移操作可防止實驗過程中宿主機因意外重啟而丟失數據。宿主機重啟C盤恢復到開機前狀態，不能保存任何新建文件，此時需要借助D盤寫數據。實驗開始前需將所用虛擬機文件夾從C盤復制到D盤，并通過虛擬機軟件從D盤打開虛擬機。

(2) 隔日實驗的文件遷移。該遷移操作可將尚未結束的實驗改到其他時間或地點來完成。D盤文件只允許當日保存，此時需要借助于外部設備，如移動硬盤、網盤等。網盤是互聯網上的云存儲，它可以通過網絡隨時隨地完成文件的上傳與下載操作。為方便網盤的使用，在新實驗平臺宿主機上安裝了軟件“AsLocal網盤本地管理專家”，可以讓網盤與系統無縫連接，使存儲文件到網盤與到本地磁盤一樣方便。

基于文件遷移對虛擬機磁盤文件存儲方式也有2種選擇——單個文件存儲虛擬磁盤和虛擬磁盤拆分成多個文件。前者文件單一、目錄簡潔，能夠提高磁盤性能；后者文件數量多、目錄臃腫，但兼容多種磁盤格式，且便于分批復制文件。考慮到宿主機硬盤使用的NTFS格式在當前較為通用，學生使用的移動硬盤或網盤也有著足夠大的存儲空間，因此本研究采用前一種存儲方式。

3.3 巧設硬盤模式

對虛擬機硬盤模式的不同設置，可以實現不同的功能，而這些功能將會給實驗操作帶來不同的效果。

3.3.1 啟用虛擬機快照功能

實驗時常會遇到實驗步驟重復的問題，例如某項實驗共有4個方案，有3個方案的實驗都可以從另一個實驗的中途起步，4個實驗方案操作順序分別是1—2—3—4—5、1—2—6—7—8、1—9—10—11—12和1—9—10—13—14，凡是數字位置相同的實驗即為重復之前的操作內容。在進行探究型實驗時，因實驗方案不確定需要反復摸索進行操作，每當實驗出現問題時要將之前的部分操作撤銷，例如上述實驗最終的操作步驟為1—4—5—7—8—10—11，其中凡是連續數字缺失的位置就是撤銷的操作。這些實驗如果每次都要從頭做起，將會浪費很多時間。

可以將虛擬機硬盤模式設置為指定硬盤非獨立的持久模式，并啟用虛擬機的快照功能。VMware快照是虛擬機磁盤文件(VMDK)在某個點及時的復本[12]，啟用虛擬機快照功能后，可以對實驗操作的多個關鍵節點創建快照并保存節點的虛擬機狀態，以備隨時從其他狀態返回至快照狀態中[13]，減少大量重復性操作。前面提到的實驗案例即可通過快照功能減少重復的實驗操作，該實驗快照管理見圖1和圖2。

圖1 設計型實驗快照管理圖

圖2 探究型實驗快照管理圖

3.3.2 使用虛擬機的硬盤還原功能

當需要進行一些破壞性實驗操作，如果靠反復啟動宿主機來恢復初始實驗環境，會耽誤較長時間。此時將虛擬機硬盤模式設置為指定硬盤獨立的非持久模式，可以啟用虛擬機的硬盤還原功能保護操作前原有的數據。但需要注意的是：僅做虛擬機重啟操作是不夠的，必須先關閉虛擬機再重新開啟，虛擬機才能實現硬盤還原功能。通過這一功能可加快實驗環境恢復時間，減少因創建快照而對宿主機硬盤空間的占用。

根據以上2種功能使用的頻度，新實驗平臺首選支持指定硬盤非獨立的持久模式，當實驗需要使用虛擬機硬盤還原功能時，可以在實驗之前對硬盤模式進行相應的修改。

3.4 調整網絡設置

在VMware Workstation虛擬機軟件中，提供了3種網絡模式——橋接、NAT和僅主機，同時為虛擬機網絡連接提供了10個安裝在宿主機上的網卡(VMnet0—VMnet9)，其中VMnet0(用于橋接，是物理網卡的映射)、VMnet1(用于NAT)和VMnet8(用于僅主機)在安裝虛擬機軟件的同時即被默認安裝，并在每個網卡安裝時還自動生成各自的網段[14-15]。通過新實驗平臺測試發現，默認安裝的網卡和自動生成的網段都需要進行調整，才能更便于實驗教學。

3.4.1 調整虛擬機網卡開啟時間

在安裝了虛擬機軟件之后，多媒體電子教室學生機的登錄曾出現問題。通過檢查發現，此軟件在啟動時會自動、隨機地綁定網卡的IP地址。當只有一塊網卡時，這種現象不會出現；而安裝虛擬機軟件后，在宿主機中出現了3塊網卡——物理網卡和VMnet1、VMnet8虛擬網卡。當教師機和學生機分別綁定不同網卡時，它們分別處在了3個不同的網段。筆者的解決方法是：先禁用宿主機上的所有虛擬網卡，并設置多媒體電子教室軟件為開機自啟，軟件自動與物理網卡的IP地址綁定，再根據實驗需要重新啟用虛擬網卡。

3.4.2 調整網絡模式和網段

3種網絡模式各有特點。橋接模式只需在虛擬機中配置與宿主機相同網段的IP地址及相同的網絡參數，就能像宿主機一樣與公網內的其他主機互訪；NAT模式無需配置虛擬機網絡參數即可通過宿主機單向訪問公網內其他主機；僅主機模式無需配置虛擬機網絡參數即可實現同臺宿主機內虛擬機與宿主機、虛擬機與虛擬機之間的互訪，但虛擬機無法接入公網。基于以上3種網絡模式特點，在搭建不同的網絡結構時可根據實驗需要進行一種或多種選擇。

VMware Workstation 9支持橋接模式最多不超過宿主機上安裝的物理網卡數，NAT模式只支持1個，其余均支持僅主機模式。筆者使用的計算機IP地址網段是由學校網絡中心指定，且IP地址數量有限，實驗除特殊情況外一般不使用橋接模式，這樣橋接模式的網卡在必要時可調整為其他網絡模式。根據實驗需要也可將NAT模式調整到其他網卡上。

對于復雜的網絡實驗，需要有多臺虛擬機的參與，且有的虛擬機上需安裝多個網卡。如果每個網卡都使用隨機生成的網段，則這些網段很難相同，在構建網絡時容易造成混亂，影響相互交流，還會與實驗室內其他使用私有地址的設備發生沖突。為了防止更多的問題發生，需對每個虛擬網卡所在網段進行明確規定，并在實驗前統一調整。例如將VMnet0、VMnet1、VMnet2……VMnet9等網段分別規定為192.168.100.0、192.168.110.0、192.168.120.0……192.168.190.0。如果是橋接模式則無需自定義網段，而是NAT模式雙寫IP地址第三段的后兩位數，如VMnet8是NAT模式，網段設置為192.168.188.0。網段的統一調整需要根據各實驗室的具體情況作出規定。調整后，學生實驗的思路更清晰，教師授課和指導更方便。

4 結束語

通過虛實融合的計算機實驗教學平臺的搭建研究，對虛擬機、帶有硬盤保護卡的宿主機和二者之間的關聯關系有了更深入的認識，并摸索出解決搭建過程中關鍵問題的方法，為拓展計算機實驗教學內容奠定了基礎。

新實驗教學平臺在教學和管理等各方面都起到積極的作用。首先，為計算機實驗教學提供了更大的便利，也給學生自主學習創造了良好的環境；其次，能夠充分挖掘和利用現有的計算機資源，提高了實驗室設備的使用效率；第三，在確保實驗教學設備穩定性和安全性的同時，減少了對這些設備維護和維修的工作量。

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Detailed solutions of building experimental platform based on VMware Workstation

Pan Qing, Li Ning, Liu Wenyan, Wang Ke, Xie Yan, Sha Fei, Tian Xin, Zhai Yangyang

(College of Biomedical Engineering, Capital Medical University, Beijing 100069, China)

This article is about building a new experimental platform based on the VMware Workstation, putting virtual machine systems into the actual computer system which has hard disk protection cards. The maintenance and management of this new platform are very convenient and efficient. At the same time, the expansion of the new platform is better than that of the traditional platform. All in all, this article is trying every means to solve the key problems in the process of building the new platform, and puts forward the corresponding solutions. All of these solutions can let the new experimental platform smoothly running and meet the requirements of the experiments.

experimental platform; virtual machine technology; experimental teaching with computer

2015- 04- 29

潘清(1962—)，女，北京，本科，副主任技師，主要研究方向為計算機技術與應用、實驗室管理

E-mail：1191511475@qq.com,jsjpq@ccmu.edu.cn

李寧(1963—)，男，北京，本科，副教授，主要研究方向為網絡及數據庫應用、實驗教學.

TP391.9;G434

A

1002-4956(2015)9- 0109- 04