虚拟化技术在高校计算机实验机房建设中的应用

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摘要:“虚拟化技术”近年来频繁出现在IT网站和杂志上,其本质是在计算上虚拟出一些实际计算机里真实存在的东西,以达到更方便、简单、成本低、安全性高的目的。然而由于计算机教学实践特殊性,在计算机实验机房建设中产生了一些突出的矛盾。该文的研究意义在于分别从操作系统实验、计算机网络实、网络安全实验、操作系统虚拟化技术的应用等方面将虚拟技术应用到机房建设中进行理论论证。最后可以得出虚拟技术应用到机房建设中可以充分挖掘现有设备的潜力,提高现有系统的利用率,保证计算机系统自身的安全,也大大提高了机房管理人员的工作效率,减轻了工作负担。

关键词:虚拟化;实验机房;计算机教学实践

中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)17-4789-03

Application of the Virtualization Technology in the Construction of University Computer Testing Room

FENG Yuan, CHEN Yong, ZHANG Chun-cheng

(Artillery Academy P.L.A 5 Department 41 Team, Hefei 230031, China)

Abstract:In recent years,`the virtualization technology'appeared frequently in the IT website and the magazine, its essence was in the computation in the hypothesized some actual computers the real existence thing, achieved high goal more conveniently, simply,and low-costly. However, as a result of computer teaching practice particularity, in the computer tested in the engine room construction to have some prominent contradictions. This article research significance lies from the operating system experiment, the computer network reality, the network security experiment, operating system virtualization technology aspects and so on application applies separately the hypothesized technology to the engine room construction in carries on the theory proof. Finally, it may obtain the hypothesized technology to apply in the engine room construction to be possible to tap the existing equipment's potential fully, raises the existing system's use factor, assures computer system own security, also raised the engine room administrative personnels' working efficiency greatly, lightened the work load.

Key words: virtualization; testing room; computer-teaching practice

计算机实践教学是计算机课程的重要环节,学好计算机仅仅靠理论知识是不够的,课堂讲授是使学生掌握计算机的理论知识,而实践教学的目的是通过实际操作将学到的知识付诸实际,是课堂教学的延伸和补充。计算机实践教学无论是在掌握理论知识,还是在培养学生运用计算机解决其他专业问题的能力方面,都占有相当重要的位置。要培养素质高、应用能力和创新能力强的人才,就需要给学生提供良好的上机实践环境。

1 计算机实验机房建设中的问题

计算机实验机房一般作为学生上机实践的公共机房,承担着高校计算机课程教学、实践及相关考试、培训任务,在高校实验室中的地位非同一般,然而由于计算机教学实践特殊性,在计算机实验机房建设中产生了一些突出的矛盾:

如果不对实验用机的操作系统进行保护,会造成计算机软件系统频遭破坏,给机房管理带来负担;如果限制过多,会影响教学过程和教学效果。

软件安装种类过少不能满足不同专业、不同层次的教学需要;软件安装过多则会影响机器使用性能,分散学生实践注意力,也带来了课堂教学秩序的管理难问题。

利用计算机虚拟化技术,可以在一定程度上解决上述问题。

2 虚拟化技术概述

“虚拟化技术”近年来频繁出现在IT网站和杂志上,网上的“未来十大IT技术趋势”,将虚拟化技术置于首位。

2.1 虚拟化的概念和分类

顾名思义,虚拟化就是在计算上虚拟出一些实际计算机里真实存在的东西,以达到更方便、简单、成本低、安全性高的目的。比如,虚拟计算机硬件,可以安装操作系统;以现有操作系统为蓝本,再虚拟出几个一摸一样的;虚拟一个操作系统环境,可以安装应用软件。对于虚拟化技术,至今还未有严格精准的定义。

虚拟化技术,经过数年的发展,已经成为一个庞大的技术家族,其技术形式种类繁多,实现的应用也非常广泛。其分类方式也多种多样:

以实现层次来分:硬件虚拟化,操作系统虚拟化,应用程序虚拟化。

以被应用的领域来划分:服务器虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化、桌面虚拟化。

2.2 硬件虚拟化技术

硬件虚拟化,应该是中国IT人员最熟悉的技术了,可能每个程序员都有使用。还有更多一些类似本人这样的IT爱好者,天天在捣鼓。

硬件虚拟化,就是用软件来虚拟一台标准电脑的硬件配置,如cpu、内存、硬盘、声显卡、光驱等,成为一台虚拟的裸机,然后就可以在上面安装操作系统了。其代表产品为VMware、Virtual PC、VirtualBox等。使用时,先在操作系统里安装一个硬件虚拟化软件,用其虚拟出一台电脑,再安装系统,做到系统里运行系统,并可虚拟出多台电脑,安装多个相同或不同的系统。

为虚拟机分配的硬件资源要占用实际硬件的资源,对性能损耗也较大。因为是在系统里安装虚拟化软件,再在虚拟的电脑上装系统,所以就有原系统和虚拟化软件两层消耗,为了提高性能,出现了另外一种硬件虚拟化形式:直接在裸机上安装虚拟化软件,然后安装多个系统,并同时运行。跳过原系统这一环节,性能大大提高。这种虚拟化又叫做准虚拟化,主要应用于服务器领域。如VMware ESXi、Hyper-V等。

2.3 操作系统虚拟化

操作系统虚拟化就是以一个系统为母体,克隆出多个系统。它比硬件虚拟化要灵活方便,因为只需在系统里装一个虚拟化软件,就能以原系统为样本,很快克隆出系统,克隆出的系统与原系统除去一些ID标识外,其余都一样。其代表产品为SWSoft公司的Virtuozzo。

操作系统虚拟化是对原系统的复制,虚拟的多个系统有较强的联系,体现在:第一,可以多个虚拟系统同时进行配置,更改了原系统,就改了所有;第二,如果原系统损坏,会殃及所有虚拟系统。硬件虚拟化虚拟的多个系统,是相互独立,与原系统也无联系。原系统的损坏不会殃及虚拟的系统。

2.4 应用软件虚拟化

前两种虚拟化的目的是虚拟完整的真实的操作系统,应用虚拟化的目的也是虚拟操作系统,应用级的虚拟化只是为保证应用程序的正常运行而虚拟系统的某些关键部分,如注册表、C盘环境等,所以较为轻量、小巧。可以让软件免去重装烦恼,不怕系统重装。很有绿色软件的优点,但又在应用范围和体验上超越绿色软件。应用虚拟化领域最典型的产品是sandboxIE(俗称沙盘),它主要用于软件测试和安全使用领域。因为它像个软件的囚笼,你可以把软件安装在沙盘里,并运行在其中,软件所有行为都不会影响到系统。如果软件带毒或被感染病毒,可以一下扫光,就像把一个真实的沙盘里的各种沙造物体全部打碎重来。

使用方法大体为:先安装虚拟化软件,此时已经搭建了一个虚拟化环境,然后接收来自网络的应用软件或安装应用软件到虚拟化环境里,最后使用应用软件。

3 将虚拟技术应用到机房建设中

3.1 硬件虚拟化技术的应用

将硬件虚拟化技术引入机房建设中,可以在一台电脑上将硬盘和内存的一部分拿出来虚拟出若干台机器,每台机器可以运行单独的操作系统而互不干扰,这些“新”机器各自拥有自己独立的CMOS、硬盘和操作系统。

3.1.1 操作系统实验

计算机维护实验,如磁盘分区、格式化、安装操作系统、Ghost备份与恢复等会破坏硬盘数据的完整性,因此,这类实验在学校的机房一般是不允许的。而在虚拟机环境下,学生可以任意进行格式化、分区、设置CMOS等计算机维护操作,即使操作出现了问题,也可以非常方便地恢复所用的操作系统。由于虚拟机对应的仅是真实主机上的一个文件,在虚拟机中进行的任何操作都不会破坏现有的硬盘分区和数据。这不但保证了原系统的安全,而且在完成操作后,通过映像功能可以轻松将系统恢复到原样。如果不想在操作之后通过映像功能恢复系统,还可以针对目标虚拟机创建克隆。克隆出来的虚拟机可以随意操作,不用担心给被克隆的虚拟机带来什么影响,完成操作之后直接删除克隆的虚拟机即可。

另外,利用Windows系统下的虚拟机软件来使用Unix、Linux等操作系统,可以方便地进行各个操作系统的切换,同时虚拟机又可以完全实现Unix、Linux操作系统的功能。这一点给学生的学习带来了极大的方便,避免了一下进入一个完全陌生的环境,给学习带来不便。

3.1.2 计算机网络实验

使用硬件虚拟技术,一台高性能的计算机可以虚拟成多台互相之间能够进行通信的小型网络 ,可以让学生人手一台单机完成大多数网络实训任务,大大提高了设备的利用率,并保证了学生实训的时间和机会。

3.1.3 网络安全实验

黑客工具的使用、网络操作系统的安全配置、网络服务器的安全配置、数据加密系统的应用等实验往往给实验机带来极大的破坏,很多学校为了减轻机房管理的负担,都尽量避免开设这样的实验,只是课堂上做理论讲解。引入硬件虚拟技术后,可以在计算机上安装专门针对网络安全实验的虚拟操作系统,学生可以“不计后果”地对实验环境进行肆意的“破坏”,实验完成后,管理员只需要重新恢复一下虚拟环境就行了。

3.2 操作系统虚拟化技术的应用

目前,学校的机房作为公共设施往往都有着多种不同的用途。承担着不同院系、不同班级的教学、上机试验等任务,有的机房还要作为计算机考试和相关培训的上机场所。管理员在学期初进行机房软件环境规划时,总是根据该学期教学情况预先安装多个操作系统,每个操作系统上都尽可能的安装多的软件,以适应不同的院系班级上机、实验、等级考试、培训等教学任务,但是在实际应用中总是存在软件相冲突、硬盘空间不够用等多种问题。

而虚拟操作系统技术,允许在受保护的真实操作系统上创建多个虚拟操作系统,而且不需要占用独立的硬盘空间。虚拟系统里的数据变化可以被永久保留,但是不会影响到真实系统的还原和保护。

正是由于虚拟系统的这种特点,可以实现在不影响机房统一管理和维护的前提下,授权学生利用虚拟系统自由创建个性化的软件学习环境。通过对虚拟系统设置密码,该虚拟系统只有管理员和创建者可以进入或删除。这样一来,得到授权的学生在机房就像拥有了一台只属于他自己的电脑,可以自由的使用它,比如:安装软件、保存各种学习资料、课程设计、毕业设计等等。

4 小结

虚拟化技术的出现,给计算机实践教学提供了一种有效的辅助工具,它充分挖掘了现有设备的潜力,提高了现有系统的利用率,保证了计算机系统自身的安全,同时也大大提高了机房管理人员的工作效率,减轻了工作负担。因此,虚拟化技术将计算机实验机房建设中发挥越来越重要的作用。

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