石彥華,孔國利

(中州大學(xué) 信息工程學(xué)院,河南 鄭州 450000)

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虛擬機在高校教學(xué)中的應(yīng)用

石彥華,孔國利

(中州大學(xué) 信息工程學(xué)院,河南 鄭州 450000)

摘要：提出了虛擬機在高校教學(xué)中的應(yīng)用方法,解決高校實驗設(shè)備有限和資金不足的問題.依據(jù)虛擬機的現(xiàn)狀，首先給出了虛擬機教學(xué)的基本思想，然后闡明了虛擬機對高校教學(xué)的作用，最后闡述了虛擬機在項目化教學(xué)中的具體應(yīng)用.

關(guān)鍵詞：虛擬機；VMware；高校教學(xué)；Linux OS；虛擬機教學(xué)

0引言

隨著社會的發(fā)展，Linux操作系統(tǒng)憑借其開源、免費、穩(wěn)定、高效、安全的特點[1]，在企業(yè)的大型服務(wù)器中廣泛應(yīng)用基于Linux操作系統(tǒng)的嵌入式產(chǎn)品，例如數(shù)碼相機、攝像機、交通燈控制器、數(shù)控洗衣機、電冰箱、iPad等都是嵌入式系統(tǒng)的典型產(chǎn)品[2].可以說基于Linux操作系統(tǒng)的產(chǎn)品已經(jīng)滲透到生活的每個角落，包括工業(yè)、服務(wù)業(yè)和消費電子等[2].為順應(yīng)社會發(fā)展需求，現(xiàn)今許多高校都開設(shè)了基于Linux操作系統(tǒng)的課程.同時，伴隨著它的普及，高校課程的實驗環(huán)境要求基于Linux操作系統(tǒng)實現(xiàn)，這就要求高校的實驗室中要有基于Linux操作系統(tǒng)的編程環(huán)境與設(shè)備.

但是，近年來高校規(guī)模不斷增長與新興專業(yè)不斷擴建，在許多高校實驗設(shè)備資源有限和資金后備不足的情況下，很難再大批新建基于Linux操作系統(tǒng)的實驗環(huán)境.因此，只有在現(xiàn)有實驗機房中同時安裝Linux和Windows操作系統(tǒng)才可以解決此問題.所以，如何在現(xiàn)有實驗機房中同時安裝并運行Linux和Windows操作系統(tǒng)，成為解決高校實驗設(shè)備和資金不足的重要課題[1].

1相關(guān)研究

目前解決高校實驗設(shè)備和資金不足的問題,主要有軟件方案和硬件方案可供參考[3].首先,硬件方案主要是整合現(xiàn)有的硬件資源，重新優(yōu)化配置，實現(xiàn)一專多用功能，達到節(jié)約資源目的;其次,軟件方案主要思路是保持現(xiàn)有的硬件環(huán)境和實驗環(huán)境不發(fā)生變化，通過改變軟件邏輯和配置，使同一硬件資源和環(huán)境同時為不同的用戶服務(wù).

這兩種解決方案各有優(yōu)缺點.硬件方案的優(yōu)點是實現(xiàn)硬件資源優(yōu)化重組，可實現(xiàn)一專多用功能，最大化使用教學(xué)資源和節(jié)約資金，例如網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實驗室中的路由器、交換機、網(wǎng)卡、集線器和調(diào)制解調(diào)器等多種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)安全實驗室中的防火墻、防毒墻、入侵防御系統(tǒng)、統(tǒng)一威脅管理、統(tǒng)一審計網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備.硬件資源重新優(yōu)化組合后，不僅可以提供給網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)的學(xué)生配置校園網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)實驗，而且可以提供給網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)學(xué)生完成網(wǎng)絡(luò)防毒、防入侵的實驗.它的缺點一是硬件資源年代已久，過于老化，反應(yīng)遲緩、速度慢，實驗性能和質(zhì)量會受到極大影響；二是各種硬件環(huán)境和硬件版本不兼容，導(dǎo)致實驗過程中異常情況發(fā)生；三是硬件資源重新組合后，會出現(xiàn)新的硬件環(huán)境和實驗環(huán)境，讓實驗者措手不及，需要摸索和磨合一段時間.

軟件方案優(yōu)點是保持現(xiàn)有的硬件環(huán)境與實驗環(huán)境不發(fā)生變化，通過仿真技術(shù)改變軟件的邏輯和配置，讓原有的硬件資源和環(huán)境同時為不同的實驗者服務(wù),這樣就克服了硬件方案的一些缺點，但是它的缺點是消耗硬件資源比較多，對硬件設(shè)備要求較高.

2基本思想

面對高校實驗設(shè)備和資金不足問題，許多高校都偏向采用軟件方案解決.軟件方案有采用引導(dǎo)技術(shù)的多系統(tǒng)方案和采用仿真技術(shù)的虛擬機方案.多系統(tǒng)方案，顧名思義就是在同一臺計算機上采用多重引導(dǎo)技術(shù)，同時安裝多個操作系統(tǒng)，當計算機啟動后，用戶可根據(jù)需要，選擇對應(yīng)的操作系統(tǒng).這種方案的優(yōu)點是運行速度較快，選擇操作系統(tǒng)方便，相對虛擬機方案對硬件設(shè)備要求較低，消耗資源較少；其缺點是用戶同時只能運行一個操作系統(tǒng)，系統(tǒng)間切換費時，比較麻煩.

虛擬機方案主要利用現(xiàn)有計算機的硬件和軟件資源，采用仿真技術(shù)，在現(xiàn)有的計算機中構(gòu)建一臺虛擬的計算機系統(tǒng).從形式上看它是現(xiàn)有操作系統(tǒng)上的一個應(yīng)用軟件，可以進行正常啟動、關(guān)閉和設(shè)置等操作；從內(nèi)容上看它像一臺獨立的計算機，擁有正常計算機的所有功能.這種方案的優(yōu)點一是可同時運行多個操作系統(tǒng)而相互不受影響；二是虛擬機操作系統(tǒng)的安裝、配置、啟動和關(guān)閉等操作方便、快捷；三是虛擬機操作系統(tǒng)具有很強的移植性，一次安裝配置，可以快速移植到其他操作系統(tǒng)中，不受內(nèi)外軟硬件環(huán)境的影響.其缺點是，由于同時運行多個操作系統(tǒng)，造成對硬件設(shè)備要求較高，消耗資源多，運行速度慢.

鑒于Windows操作系統(tǒng)具有友好性、簡單性等特點，高校的實驗室機房安裝的都是Windows操作系統(tǒng)，而且通常機房的安排非常緊張，獨立設(shè)置一個或幾個只安裝Linux操作系統(tǒng)的機房，明顯是很困難的.但是若不安裝Linux操作系統(tǒng),課程的實驗內(nèi)容很難消化和理解透徹[1].鑒于以上情況和基于兩種軟件方案的優(yōu)缺點，高校都采用仿真技術(shù)的虛擬機方案解決此矛盾.其基本思想是在Windows操作系統(tǒng)上安裝一個虛擬機軟件VMware(virtual machine ware)，然后通過此軟件安裝和使用多種類型的操作系統(tǒng)，從而實現(xiàn)安裝、刪除和使用操作系統(tǒng)就像在Windows操作系統(tǒng)上安裝、刪除和使用一個應(yīng)用軟件一樣方便快捷.

3虛擬機對高校教學(xué)的作用

3.1虛擬機和虛擬機軟件的概念

虛擬機是在現(xiàn)有的物理計算機軟件與硬件基礎(chǔ)上采用仿真技術(shù)，構(gòu)造出虛擬的具有完整硬件功能和軟件功能的,并可以運行在一個完全隔離當前物理計算機環(huán)境的計算機系統(tǒng).虛擬機軟件VMware是在現(xiàn)有的物理計算機軟件與硬件基礎(chǔ)上能產(chǎn)生并運行虛擬機的軟件.

3.2虛擬機對高校教學(xué)的作用

通過虛擬機軟件VMware,可以在一臺宿主機(物理主機)上產(chǎn)生多臺虛擬的計算機(虛擬機)，每臺虛擬機如同真實的物理主機一樣，例如各種應(yīng)用程序的安裝與使用、網(wǎng)絡(luò)配置與使用等[4].針對虛擬機與虛擬機軟件的功能與特點，它們對高校教學(xué)的用途和作用如下.

3.2.1簡化實驗室機房管理、降低教學(xué)環(huán)境構(gòu)建難度

在虛擬機軟件VMware上可以同時虛擬Windows、Linux、Max等各種類型的多個系統(tǒng)，而且它們可以同時運行，這實現(xiàn)了在同一臺宿主機上真正同時運行多個操作系統(tǒng)的功能，避免了多系統(tǒng)方案中在電腦啟動后同一時刻只能運行一個操作系統(tǒng)和系統(tǒng)切換需重啟機器的缺點[1].這些優(yōu)點簡化了實驗室機房的管理、維護和使用，極大地降低了教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建難度，可靈活、快速適應(yīng)各種教學(xué)系統(tǒng)的升級和更換，滿足多樣化教學(xué)環(huán)境的需求.

3.2.2加強實際動手能力培養(yǎng)，提高教學(xué)效果和水平

通過虛擬機軟件的使用，實現(xiàn)了多個虛擬機操作系統(tǒng)在宿主機上的快速切換功能，如同在宿主機操作系統(tǒng)平臺上的應(yīng)用程序的切換功能.同時，在虛擬機上可以模擬宿主機上的所有操作功能，比如硬盤分區(qū)、虛擬機設(shè)置、應(yīng)用程序安裝等，并且不會影響到宿主機上的功能和數(shù)據(jù).這些優(yōu)勢可提高學(xué)生的動手實踐能力，加深對理論知識的理解、加強職業(yè)技能的培養(yǎng)，從而達到提高教學(xué)效果和水平的目的.

3.2.3節(jié)約教學(xué)資源和資金，滿足多樣化教學(xué)需求

通過虛擬機的主板、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)卡、聲卡、串口、并口、USB(universal serial bus)接口等硬件設(shè)置和電源、快照、自動保護、訪問設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)控制等相關(guān)功能的開啟與關(guān)閉[2]，可以虛擬教學(xué)實驗所要求的實驗設(shè)備和條件，而不用重新購買，從而節(jié)約了教學(xué)資源和資金，滿足了不斷變化的教學(xué)需求.例如，通過設(shè)置虛擬機軟件的網(wǎng)絡(luò)通信模式和虛擬網(wǎng)卡等信息，將宿主機和多臺虛擬機組建成一個小型局域網(wǎng)，使它們之間相互通信，這些優(yōu)勢可滿足Linux操作系統(tǒng)課程中要求的客戶機(宿主機)和服務(wù)器(虛擬機)進行通信、調(diào)試、測試的實驗需求，同時通過一臺物理機實現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)多臺機器的C/S與B/S測試目標，并節(jié)約了實驗要求的物理機個數(shù)，滿足了Linux課程教學(xué)要求的所有實驗條件，極大地提高了課程實驗的效率[5].

3.2.4具有很強的可移植性、提高課程教學(xué)的效率

通過虛擬機軟件所構(gòu)建的虛擬機，具有很強的可移植性.例如，Linux操作系統(tǒng)是以二進制鏡像文件形式存放于計算機的硬盤上，用戶對此虛擬操作系統(tǒng)可進行任何形式的編輯，而不會影響到宿主機自身的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)，同時也可將編輯操作后的虛擬機系統(tǒng)的鏡像文件移植到另外一臺電腦中，而不受之前宿主機本身的計算機系統(tǒng)的影響.這些優(yōu)勢可讓學(xué)生大膽深入地進行Linux操作系統(tǒng)的實驗，方便快捷地把實驗室中的虛擬操作系統(tǒng)移植到家中或宿舍的計算機上，學(xué)生利用空余時間預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，提高課程學(xué)習(xí)的效率.

4虛擬機在項目化教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬機實驗環(huán)境搭建分為3步完成，包括虛擬機軟件的安裝與應(yīng)用、虛擬機的安裝與應(yīng)用、虛擬機軟件對虛擬機的設(shè)置與應(yīng)用3個主要過程，下面給出具體說明.

圖1　虛擬機軟件的功能與應(yīng)用Fig.1　Function and application of virtual machine software

4.1虛擬機軟件的安裝與應(yīng)用

虛擬機軟件首先要安裝在宿主機中,它要求具有512 MB以上內(nèi)存的宿主機,否則會造成虛擬機和宿主機運行速度過慢或死機故障.安裝完虛擬機軟件后的宿主機，就如同一臺可以生產(chǎn)計算機的孵化器，只要它的內(nèi)存夠大，便可孵化出多個虛擬機.虛擬機軟件的安裝過程按照向?qū)崾疽徊讲竭M行便可完成.

虛擬機軟件的應(yīng)用有很多方面，包括虛擬機設(shè)置、創(chuàng)建新的虛擬機、打開虛擬機、連接遠程服務(wù)器和虛擬化物理機等，圖1所示為虛擬機軟件的簡單功能與應(yīng)用，例如打開虛擬機功能，可以從指定的虛擬機鏡像文件中啟動此虛擬機.

4.2虛擬機的安裝與應(yīng)用

虛擬機軟件成功安裝后，便可在此軟件上創(chuàng)建新的虛擬機，可構(gòu)建各種類型的操作系統(tǒng)[6]，例如Linux OS(operating system)、Windows OS和Max OS等.在安裝虛擬機過程中，按照向?qū)崾颈憧赏瓿蓜?chuàng)建，下面以構(gòu)建Linux OS為例說明注意事項和具體應(yīng)用.首先，選擇適合的操作系統(tǒng)版本.Linux OS版本比較多，用戶要根據(jù)需要選擇鏡像文件ISO與虛擬機軟件VMware相適應(yīng)的版本安裝，這樣才會使虛擬機操作系統(tǒng)正確地構(gòu)建和正常地啟動.其次，選擇虛擬機文件適合的存儲路徑.虛擬機Linux OS構(gòu)建過程中，會提示用戶選擇大于8 GB以上的存儲目錄，這樣便于適應(yīng)虛擬機Linux OS磁盤空間動態(tài)擴充的變化.最后，網(wǎng)絡(luò)連接模式的選擇.虛擬機和宿主機網(wǎng)絡(luò)連接的模式有3種：橋接模式、轉(zhuǎn)換模式和主機模式.可根據(jù)教學(xué)需求選擇相應(yīng)的連接模式[7].

虛擬機Linux OS構(gòu)建成功后，便可啟動運行.用戶可在此虛擬機上完成學(xué)習(xí)Linux目錄結(jié)構(gòu)與文件、文件類型與屬性、常用命令、Shell編程等基于Linux的所有應(yīng)用.

4.3虛擬機軟件對虛擬機的設(shè)置與應(yīng)用

對Linux虛擬機的設(shè)置包括主板、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)卡、聲卡、串口、并口、USB接口等硬件設(shè)置和電源、快照、自動保護、訪問設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)控制等相關(guān)功能的開啟與關(guān)閉.下面以Linux OS虛擬機網(wǎng)絡(luò)連接的橋接方式、NAT方式和Host-Only方式的設(shè)置為例[8]，給出具體說明.

橋接方式要求宿主機與虛擬機在同一網(wǎng)段，虛擬機相當于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的一臺獨立機器，同網(wǎng)內(nèi)的虛擬機和宿主機間、虛擬機之間相互訪問，如同一個局域網(wǎng)一樣[2]；NAT方式要求宿主機獨享虛擬機，它們之間雙向訪問，但局域網(wǎng)內(nèi)其他機器不能訪問本虛擬機，只能通過宿主機間接訪問它；Host-Only方式要求宿主機與虛擬機共享網(wǎng)絡(luò)連接.虛擬機Linux OS網(wǎng)絡(luò)連接方式設(shè)置后，點擊確定按鈕，便可應(yīng)用此功能.如圖2所示.

圖2　虛擬機的設(shè)置與應(yīng)用Fig.2　Setting and application of virtual machine

5結(jié)語

通過使用虛擬機軟件構(gòu)建教學(xué)實驗平臺，不僅改進了教學(xué)條件和提高了教學(xué)質(zhì)量，而且最大化使用了教學(xué)設(shè)備并節(jié)省了資金.教學(xué)實踐表明，廣大學(xué)生對抽象、復(fù)雜的理論知識和凌亂、繁瑣的實踐技能產(chǎn)生了濃厚的興趣，經(jīng)過豐富的操作演示和上機實踐，掌握了應(yīng)有的基礎(chǔ)知識和技能.

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Application of Virtual Machine in College Teaching

SHI Yanhua， KONG Guoli

(CollegeofInformationEngineering,ZhongzhouUniversity,Zhengzhou450000,China)

Abstract:Application of virtual machine in the teaching of higher education was proposed, which helped universities to solve the problems of limited experiment equipment and insufficient funds incolleges. First, the basic idea of virtual machine teaching was given according to the status of virtual machine. And then the role of virtual machine was clarified in the teaching of higher education. Finally, the specific application of virtual machine in the teaching of project was described.

Key words:virtual machine; VMware; teaching of colleges; Linux OS; virtual machine teaching

中圖分類號：TP302.1

文獻標志碼：A

文章編號：1007-0834(2016)01-0016-04

doi：10.3969/j.issn.1007-0834.2016.01.005

作者簡介：石彥華(1983—)，男，河南周口人，中州大學(xué)信息工程學(xué)院教師.

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(U1304618)

收稿日期：2015-08-25