基于虛擬機技術的實驗平臺研究

陳小勇, 張 麗

(桂林電子科技大學 機電工程學院, 廣西 桂林 541004)

基于虛擬機技術的實驗平臺研究

陳小勇, 張 麗

(桂林電子科技大學 機電工程學院, 廣西 桂林 541004)

為培養學生的綜合素質,解決目前機械工程類專業計算機虛擬實驗平臺在配置、管理方面存在的問題,在分析桂林電子科技大學機電工程學院實驗平臺現狀的基礎上,提出基于虛擬機技術搭建計算機虛擬實驗平臺的方案,論述了該方案的實現過程。通過實驗表明,基于虛擬機技術的計算機虛擬實驗平臺能充分利用現有實驗設備資源,有效提高虛擬仿真實驗平臺性能。

虛擬機技術； 計算機管理； 實驗教學； VMware

隨著高校課程教學改革的不斷深入,實踐教學已經成為本科教學中的重要組成部分,是實施素質教育、培養富有工程實踐能力和創新精神的高素質人才的關鍵環節[1-3]。計算機實驗室作為學生實踐操作的場所,用于開設與虛擬實驗及與計算機有關的實驗課程、課程設計、畢業設計等教學內容,使用率高、開放時間長,是機械工程技術最重要的虛擬實驗教學平臺。由于實驗人數逐年增加,虛擬實驗項目及課程軟件不斷升級與更新,給計算機實驗室的管理帶來了新的困難。

近年來,虛擬機技術日益成熟,基于虛擬機技術的軟件VMware、Virtual PC在高速CPU、大容量內存和硬盤等計算機硬件的支持下得到了迅速普及和應用[4],并且大大提高了計算機系統的安全性[5],為虛擬實驗平臺及計算機實驗室的管理與維護提供了方便、有效的途徑。

1 實驗教學平臺現狀分析

機械工程技術專業的實驗課程有基礎性實驗、專業基礎實驗和專業課程綜合實驗,涉及的工程測繪、CAD技術和工程控制技術實驗都需要在計算機上完成,而且開出的虛擬仿真實驗教學項目越來越多。由于實驗項目較多、所需用的實驗軟件越來越大,往往會因計算機配置及軟件兼容性問題影響實驗教學。

以往每次上實驗課前,都需要實驗管理人員重新配置實驗平臺,安裝實驗所用的計算機軟件,這使實驗管理人員面臨很大的工作壓力。傳統的解決方法是為計算機安裝多個操作系統并使用計算機保護卡。但是,由于實驗項目的調整,仍需要實驗管理人員人工進行計算機實驗平臺軟件的更新和升級。當發生計算機系統崩潰、軟件無法起動等問題時,仍然需要實驗管理人員人工來維護。

作為虛擬仿真實驗平臺的重要物質載體,計算機實驗室也是學生自主實驗學習的第二課堂,是培養學生技能的重要場所，需要為學生的第二課堂提供穩定、便利、順暢、安全、自由的環境,讓學生在實驗平臺上就像使用自己的電腦一樣便捷操作、自主實驗,進而提高實踐教學效果。

2 虛擬實驗平臺搭建

2.1 實現目標

虛擬實驗平臺的本質屬性是實驗教學平臺,平臺建設應遵循創新、發展的理念以及技術設計為教學設計服務的原則[6]。在實驗教學實踐中,應在充分體現虛擬實驗資源獨特優勢的前提下,最大限度地利用現有校園計算機實驗室、網絡服務器、傳統儀器設備等實驗資源。

虛擬實驗平臺的關鍵是給學生以真實的實驗體會。理想的虛擬實驗平臺應有交互性能良好的虛擬實驗環境,使學生能夠方便地通過虛擬實驗,快速、有效地學習實驗原理、掌握實驗方法、訓練實驗技能,從而提高實驗教學效率和學生的創新實踐能力,并實現虛擬實驗資源的共享[7]。

以機械工程虛擬實驗應用最多的計算機實驗室為例,需要將數百個虛擬實驗項目同時配置到幾百臺計算機中,實驗準備的難度很大。因此,亟待通過技術進步,實現機械工程技術專業虛擬實驗平臺的高效配置和管理,從而提高虛擬實驗教學平臺的性能和效果,提高實驗平臺的管理水平。

2.2 虛擬機技術

虛擬機技術是通過在現有計算機中添加虛擬機監控軟件而實現對系統的虛擬化(如虛擬處理器、虛擬內存管理器和虛擬I/O系統等)[8],虛擬出一個新的子系統,而這個子系統具有與計算機一樣的工作流程。這一系統在應用的時候如果產生崩潰,不會對現有的系統造成影響,只需管理人員將其刪除即可。而現實中的計算機系統一旦崩潰,必然要重裝系統,而重裝系統之后還需要再次安裝子系統,造成管理的困難。

Microsoft Virtual PC中的VMware是一款功能強大的桌面虛擬軟件。應用VMware,用戶可以在同一單元桌面上同時運行不同操作系統,對這些系統進行開發、測試以及部署,并使操作中存在的問題得到最有效的解決[9-10]。VMware Workstation可在一臺實體機器上模擬出完整的網絡環境,擁有強大的功能、良好的靈活性和穩定性,更能滿足教學、科研、產品研發和測試等復雜應用環境的需要。

3 實現過程

3.1 實驗平臺配置

基于VMware虛擬技術搭建實驗平臺,首先需要布置好實驗室網絡環境和硬件實驗設備。本實驗在是機電工程學院的計算機實驗室進行,實驗室有80余臺計算機和千兆網絡,連接校園網,并有服務器1臺,成為搭建實驗平臺的基礎硬件。

其次,需要VMware軟件一套,實體服務器中安裝的虛擬實驗平臺軟件是VMware-VMvisor-Installer(ESXi)；客戶端可以選擇VMware vSphere Client,也可以用VMware-workstation。不同點在于:workstation的功能更為強大,支持在本地計算機上搭建虛擬系統平臺。

最后,利用VMware vSphere Client或workstation在任一臺客戶機上配置服務器,從而實現實驗平臺的搭建。

3.2 實現步驟

(1) 在服務器上安裝ESXi主機,安裝時使用自制的安裝光盤安裝,光盤的制作方法與Ghost系統光盤相同。安裝程序先創建并格式化分區，然后安裝ESXi引導鏡像,安裝完成后設定用戶密碼。服務器架構系統的安裝完成后,即可配置客戶端。

(2) 在任何一臺與服務器相連的客戶端機上安裝VMware vSphere Client，或者VMware workstation。為對比實驗效果,將該兩款軟件同時安裝在客戶端,目的是在一臺物理ESX主機上安裝更多的虛擬機,可以通過VMware vSphere Client或workstation直接管理VMware vSphere服務器。

(3) 從客戶端的“開始—所有程序-VMware”程序組運行VMware vSphere Client或者雙擊桌面上的VMware vSphere Client圖標,進入VMware主程序；輸入ESXi服務器的IP地址、用戶名和密碼,即可登錄實驗平臺管理界面。在IP地址上右擊選擇“新建虛擬機”,跟隨向導就可以創建一個虛擬機了(見圖1)。在所建的虛擬機中安裝實驗平臺所需的操作系統及實驗所需的軟件,就完成了實驗平臺的基本配置。

完成實驗平臺配置的關鍵在于實驗系統的安裝和使用。在安裝實驗系統之前,首先對虛擬機進行設置,從主機上分配內存和硬盤空間給虛擬機。為虛擬機分配的內存,只有虛擬機運行時才能從物理內存得到分配,而且虛擬機內存的大小可以在虛擬機關機的時候重新設置。如果虛擬機沒有運行就不占用內存。

虛擬機的硬件設置好了以后,就可以安裝操作系統了,操作系統的安裝過程與一般系統安裝是相同的。首先選擇“設備”中的CD-ROM,選中“打開電源時連接”,并在虛擬光驅中使用ISO鏡像文件,找到存放Windows操作系統的物理地址,然后在虛擬機中點擊開機。VMware支持安裝多個操作系統,支持MS-DOS、Windows、多種版本的Linux、Novell、Solaris、FreeBSD等操作系統和相關實驗軟件的安裝[11]。

圖1 創建虛擬機界面

3.3 實驗結果

利用Ghost鏡像文件安裝的Windows XP系統,為虛擬機分配2 GB內存、25 GB硬盤空間。用戶也可以根據自己的需要進行設置。虛擬機安裝了Win7、Win10和Linux操作系統,其中每個系統都有自己的IP地址。學生在進行實驗時,只需要通過個人電腦或者任何一臺計算機,通過“開始-附件-遠程桌面連接”并輸入實驗平臺對應系統的IP地址即可進行實驗。圖2為進入實驗系統后的界面。

圖2 進入實驗系統界面

實驗結果表明,實驗平臺中使用Windows XP系統較其他系統效果更好,基于虛擬機技術所搭建的實驗平臺允許不同學生同時進行不同實驗項目,多個學生也可以同時進行相同實驗項目,實驗管理者只需要將配置好的實驗系統再拷貝一 次[12],就能夠快速備份或恢復實驗平臺的系統及軟件[13],有效減輕了開放實驗平臺的管理工作。該實驗平臺可以廣泛應用在多校區的實驗教學和管理實際活動中。

4 結語

利用VMware虛擬軟件,可以方便地建立創新虛擬實驗平臺,全面開放實驗室,使學生通過實驗提高實踐動手能力和工程創新能力。基于虛擬機的實驗平臺為實驗教學，特別是與計算機有關的實驗課程提供了一種有效的工具,不但能夠緩解實驗設備與實驗場所不足的問題,同時能夠充分發揮學生學習的主動性,更好地提升學生的創新能力。

References)

[1] 李耀剛.鞏固本科教學評估成果 保障高校實驗教學質量[J].實驗室研究與探索,2013,32(9):193-195,206.

[2] 謝鴻芳,周美珍,黃曉輝.實驗室建設與創新人才的培養[J].實驗室研究與探索,2008,27(6):154-156.

[3] 陳小勇,吳兆華,張麗.SMT實驗教學改革探索[J].實驗室研究與探索,2014,33(11):198-200.

[4] 盧宇清,張紅霞．計算機機房管理中的虛擬機技術[J]．辦公自動化,2006(4):50-51.

[5] 趙永禮．基于VMware的計算機實驗教學設計[J]．計算機教育,2009(5):81-83.

[6] 王元娟．基于高校虛擬實驗室發展若干問題的建議[J]．科技信息,2009(7):118．

[7] 萬桂怡,崔建軍,張振果．高校虛擬實驗平臺的設計及實踐[J].實驗室研究與探索,2011,30(3):386-389.

[8] 董耀祖,周正偉.基于X86架構的系統虛擬機技術與應用[J].計算機工程,2006(7):71-73.

[9] 佚名.虛擬化[EB/OL].[2016-09-02].http://www.vmware.com/cn/solutions/virtualization.html.

[10] 佚名.桌面和應用虛擬化[EB/OL].[2016-09-02].http://www.vmware.com/cn/products/desktop-virtualization.html.

[11] 郁書好,蘇守寶.VMware下的多操作系統實驗環境構建[J].實驗室研究與探索,2013,32(9):106-108.

[12] 許娜.基于VMware ESX Server的實驗教學平臺建設[J].實驗室研究與探索,2011,30(9):202-205.

[13] 張魁.基于VMWARE VSPHERE的虛擬機管理平臺設計與實現[D].蘇州:蘇州大學,2013.

更 正

本刊2016年第7期160頁刊登的“核磁共振波譜儀引入儀器分析實驗教學的探索”一文，作者應為：王聰，王遠紅，王乂，張秀麗，特此更正。

《實驗技術與管理》編輯部

Research of experimental platform based on VM technology

Chen Xiaoyong, Zhang Li

(School of Mechanical Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

In order to cultivate the comprehensive quality of students, solve the configuration and management problems on current mechanical engineering computer virtual experiment platform, based on the analysis of the present situation of the experimental platform in our Mechanical and Electronic Engineering College, a scheme of building a virtual experimental platform based on virtual machine technology was presented, and the realization process of the scheme was discussed. The experiment shows that the computer virtual experiment platform based on virtual machine technology can make full use of the existing experimental equipment resources, and effectively improve the performance of the existing virtual simulation experiment platform.

virtual machine technology； computer management； experiment teaching； VMware

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.032

2016-09-04

廣西高等教育教學改革工程項目(2015JGB217)；桂林電子科技大學教改項目、示范中心項目

陳小勇(1984—),男,河南延津,在職博士生,講師,桂林電子科技大學機電工程學院微電子制造工程實驗室負責人,主要研究方向為微電子制造及封裝技術.

E-mail：Chenxyong@foxmail.com

TP391.9

A

1002-4956(2017)2-0124-03