虚拟机技术在整合计算机实训中的应用研究

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摘要：虚拟机为计算机专业学生提供了一个安全的实验环境，在这个环境中学生可以完成对操作系统、网络和数据库软件的安装、配置和实验。使用虚拟机软件技术可以将一个计算机实训室进行整合，从而实现系统和网络管理、信息安全和数据库管理这三门课程的共享使用。

关键词：虚拟机技术；网络管理；信息安全；数据库管理

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）28-6350-03

无论在高职院校还是本科院校中，计算机专业都是一门相对来说实践性较强的学科。比如一些计算机科学和管理信息系统课程会要求学生在操作系统或是网络技术环境中进行安装、配置等各种实验。在此过程中，学生可能会使用一个或多个操作系统，在一个操作系统中进行多种配置，或是对各种应用软件和工具进行实验。学校也会为各类计算机实训课程建立相应的实训室，比如网络实训室、信息安全实训室等等。对于学校来说，配置一个既能为多种课程提供服务又能支持日常使用的计算机类综合实验室，并且提供实验所需的硬件和软件，在具体实施时也会比较麻烦。使用虚拟机技术可以很好地解决上述问题

1 虚拟机技术

虚拟机技术最早是由 IBM 公司为实现其大型计算机系统的安全共享而提出的，随后，这种技术被成功移植到 PC 领域。目前建立虚拟机和构建虚拟网络的工具软件主要有VMware公司的VMware Workstation系列和Microsoft公司的Virtual Pc。这里我们使用的虚拟机是VMware系列。

VMware 是一个虚拟机软件，利用它可以在一台计算机上模拟出来若干台可以独立运行而互不干扰的虚拟计算机，包括虚拟的硬件环境（CPU，内存、硬盘、网卡等），并在此环境下和真实的计算机一样，真实的安装操作系统、真实的运行软件及各种应用。这样不需要分区或重开机就能在同一台计算机上使用两种以上的操作系统，可以完全隔离并且保护不同OS的操作环境以及所有安装在OS上面的应用软件和资料。而且不同的OS之间还能互动操作，包括网络、周边、文件分享以及复制粘贴功能。VMware还具有快照（snapshot）功能，也就是镜像功能，它能够自由设定并且随时修改操作系统的硬件环境，如：内存、磁盘空间、周边设备等。

2 计算机实训中引入虚拟机技术的意义

在计算机实训课程中，为了满足系统管理、网络设计、信息安全等专业课程如的教学需要，我们需要建立相应的专业实训场所，这些实训室不仅造价昂贵而且使用性局限。虚拟机技术的出现使得学校能够为学习计算机类专业课程的学生配置能够共享且多元化的计算机实训室，并且不用过多的硬件设备， 既能同时支持几门计算机类专业课程又能够满足日常普通课程使用。

虚拟机技术的特点比如隔离性、兼容性和封装性，它允许教师为计算机实训构建包含多个独立操作系统和网络环境的虚拟网络拓扑结构。这些特点允许教师在不影响其他专业课程使用的前提下，在共享计算机实训室中的操作系统中创建一个虚拟内核开发环境，为计算机类专业课程提供开发、调试和重启的服务。这种类型的应用程序开发和调试支持对于网络及操作系统实训课程的开发调试和系统教学中显得尤为重要。

3 构建虚拟实训环境

3.1 实训环境

在虚拟机技术使用前，实训室电脑磁盘被划分为几个区，一部分为标准日常使用配置，还有一部分是特别为专业课程所设置的。相邻的学生在做实验时可能会用到多台机器，改变计算机配置不仅需要重启，还需要一定的磁盘空间支持。通过VMware workstation可以组建一个虚拟计算机实训室，部分配置如表1。

3.2 具体构建步骤

使用VMware搭建计算机实训环境的步骤如下：

3.2.1 安装VMware，建立虚拟机

常用的方法是有两种，一种是用VMware向导建立虚拟机，另一种是利用用备份文件建立虚拟机。在计算机实训室中通常用第一种方法建立一个虚拟机，然后备份相关文件并共享，随后在其他机器中就可以用第二种方法快速建立虚拟机了。配置虚拟机时需注意几个参数如磁盘空间、性能、音频等。

3.2.2 配置客户机

为客户机制作操作系统光盘ISO镜像；设置虚拟机光驱为第一启动，给虚拟硬盘分区并启动虚拟机安装系统；系统安装完毕后，安装VM tools；设置共享文件夹，安装相应驱动程序。

3.2.3 设置虚拟网络连接模式

单击“虚拟机”设置以太网，然后选择连接方式。客户机和主机的连接关系有3种 模式，包括bridge模式、Host-Only模式以及NAT模式，当VMware安装好后就已启动。

如果想要利用VMware在局域网内新建一个虚拟服务器，为局域网用户提供网络服务，应该选择bridge模式，bridge模式下的 VMnet0虚拟网络中的客户机可以访问网内任何一台机器，通过手工配置它的TCP/IP配置信息以实现与外网相通，；

如果想要利用VMware创建一个与网内其他机器相隔离的虚拟系统，进行某些特殊的网络调试工作，可以选择host-only模式。Host-Only模式下的VMnet1虚拟网络中所有的虚拟系统之间、虚拟机与主机之间是可以相互通信的，但虚拟系统和真实的网络是被隔离开的。

如果想要利用VMware安装一个新的虚拟系统，在虚拟系统中不用进行任何手工配置就能直接访问互联网，可以采用NAT模式。NAT模式下VMnet8虚拟网络中的客户机无法和本局域网中的其他真实主机进行通讯，当主机可以与外网相通时，客户机不需要进行网络参数配置就可以上网，。

3.2.4 进行网络复制

当通过前面步骤完成第一台机器的安装和设置后，其他机器的安装就可以通过网络复制的方法来完成。

4 虚拟技术在计算机实训中的应用

4.1系统和网络管理

系统与网络管理类实训覆盖知识和技能包括在Windows Server 2003的基础上安装、配置和操作中小型网络和服务器等基础设施。大多数需要在实训室中完成实际操作，部分操作如下：

TCP / IP配置；

DNS、DHCP安装/配置；

活动目录安装/配置；

帐户和用户目录的创建和访问控制；

Web和FTP服务器安装/配置；

磁盘/文件系统管理、备份和恢复；

远程安装服务。

从上述列表可以看出，这门实训课程设计知识面广，学生需要花费大量的时间在安装和配置软件上，并且涉及很多管理任务。

虚拟机技术让每个学生能够操作一定数量的并发的客户机和服务器，这样就能够快速测试服务器配置的改变，例如，通过改变共享目录的权限快速测试用户在虚拟客户机上登陆并验证是否可以访问相关目录和文件。同样，可以在客户机上快速测试网络配置和服务如DNS、DHCP。

VMware在网络会话实训中的特征之一就是虚拟网络的配置存储在主机上，常用的网络平台主要有C/S网络平台、防火墙网络平台、路由器网络平台及对等模式网络平台。通常情况下，教师事先做好模板，将包含标准配置的参数文件放置服务器共享，从而使学生能够快速搭建虚拟网络实验所需的网络环境，从而实现DHCP、DNS转发和NAT服务。

4.2 网络信息安全

在网络信息安全课程的教学中，VMware主要应用于网络典型攻击手段包括一些黑客工具的使用诸如木马的功能与危害等实验的演示。采取PPT文档演示结合虚拟机教学，可以让学生看到实际的操作过程，掌握各种工具的具体如何使用。下面以一个网络攻击实验为例：

在host-only模式使用三台虚拟主机并对它们进行配置，两台装有Windows 2003服务器，一台安装Windows XP。第一台Windows 2003 server的虚拟机配置2个以太网卡。每个网卡设置不同的IP地址（A段和B段）并能够相互通信，Windows XP系统被设置在A网段，同时第二台Windows 2003 server设置在B网段。在第二台Windows 2003 server中，在能够访问Windows XP系统的用户中，为不同的账户设置不同的访问权限。当他们连接 Windows 2003 server以获取资源时，会被要求输入验证信息。在路由服务器上使用网络嗅探工具如sniffer时可以看到来回传递的通信过程信息，学生通过实验可以从这些信息中快速破解用户名和密码。

4.3 数据库管理

数据库管理课程涵盖了数据库管理（DBA）和数据仓库。我们可以在安装了Windows XP Professional系统中安装Oracle的数据库服务器软件。虚拟机软件提供了一个相对独立的安装平台，这样学生能够以管理员权限进行安装。为了使学生能够通过Oracle企业管理器（OEM）对数据库进行管理，我们为使用Oracle DBA的每个学生分配用户密码，学生利用OEM执行DBA任务， 包括DBA数据库监听器和Oracle客户端的配置，启动和关闭的Oracle，以及管理数据库的存储结构。

学生通过创建角色、DBA和用户账户来对用户和数据库安全进行管理，在此过程中，通常会时不时遇到安装错误，比如在安装时要求输入有效参数。遇到这样的情况下就可以使用VMware的快照和共享功能恢复预装的操作系统映像文件。

5 益处与挑战

使用VMware的好处在于上述每门课程都可以和某一计算机实训室整合。首先，学生可以练习作为普通用户在登陆到主机操作系统时的管理权限。不会影响其他专业课程或公共课程对实训室的使用；第二、通过VMware恢复命令能够恢复之前的配置或通过快照功能保存之前操作，这样使得学生能很快从失败中恢复操作；第三、同时执行多个虚拟机系统可以完成许多复杂的实训项目，还可以相互示范比较；最后，虚拟机系统可以帮助教师增加课程内容并使用更多更复杂的实训项目，从而为学生提供更丰富的学习经验。

当然VMware的使用还有一定的挑战，首先，因为在主机操作系统中要求设置管理权限，需要注意一致的网络配置和定制的网络配置。教师需要提前确定是需要一致的网络配置还是自定义的网络配置，并通过手动或自动程序创建。第二，由于虚拟机镜像文件的数量和大小各有差别，需要准备充足的备份虚拟机镜像，教师和实验室管理员需要确保足够的网络带宽、存储容量和充分的时间来完成所需备份。

6 总结

利用虚拟机技术整合计算机实训环境、搭建虚拟实验教学平台既可以保证教学质量，缓解实验设备不足，又可以减少实验室的管理难度，有利于发展学生的创新能力，非常适合高校的实验教学需要。

参考文献：

[1] 陈刚.基于虚拟机技术实现多操作系统环境的新途径[J].职大学报，2006（4）：83-85.

[2] 林友琼.计算机虚拟机在实验中的使用[J].福建电脑，2005（11）：115.

[3] 陈显祥.用虚拟机搭建教学实验环境[J].贵州高等商业专科学报，2007（3）：72-74.

[4] 王存祥.虚拟机技术在计算机教学中的应用[J].现代教育技术，2006（5）：70-71.