叢勤

（新疆財(cái)經(jīng)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 新疆 烏魯木齊 830012）

虛擬化技術(shù)在高校計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用探討

叢勤

（新疆財(cái)經(jīng)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 新疆 烏魯木齊 830012）

針對(duì)當(dāng)前計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)存在的局限性，本文從虛擬化技術(shù)角度探討了可能的解決方案，重點(diǎn)介紹了VMware虛擬機(jī)技術(shù)在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)群集實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用等。

計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)；虛擬化技術(shù)；VMware虛擬機(jī)

一、問題提出

計(jì)算機(jī)是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)踐教學(xué)是高校計(jì)算機(jī)課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。[1]然而，隨著我國高校招生規(guī)模的擴(kuò)大，經(jīng)費(fèi)投入不足與學(xué)生人數(shù)增長之間的矛盾導(dǎo)致高校無法及時(shí)擴(kuò)充學(xué)校的計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)而無法滿足學(xué)生實(shí)踐課程的需求。在教學(xué)資源有限的前提下，如何改進(jìn)計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與教學(xué)體系，高效地完成計(jì)算教學(xué)任務(wù)，培養(yǎng)一批素質(zhì)高、應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力強(qiáng)的人才，成為各高校計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)面臨的一個(gè)重要課題。

起源于20世紀(jì)60年代的虛擬化技術(shù)具有高效利用IT資源、快速部署操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件、減少對(duì)硬件性能的依賴及硬件更新速率、滿足客戶要求降低運(yùn)營維護(hù)成本等優(yōu)點(diǎn)。[2]因此，其在相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如Cray公司基于虛擬化技術(shù)思想提出了自適應(yīng)超級(jí)計(jì)算理念以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)資源的整合，Ohio State大學(xué)和IBM Watson研究中心的Huang和Abali等人采用虛擬化集群系統(tǒng)來進(jìn)行資源管理等；[3]東北大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)中心提出了FC SAN的存儲(chǔ)虛擬化、服務(wù)器虛擬化、WEB虛擬主機(jī)、VPN網(wǎng)絡(luò)虛擬化的應(yīng)用架構(gòu)；[4]在制造業(yè)信息化方面，虛擬化技術(shù)被成功用于集中IT管理、應(yīng)用整合、工業(yè)控制、虛擬制造等；[5]此外，在圖書館系統(tǒng)管理、數(shù)字校園建設(shè)、軍隊(duì)醫(yī)院信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面虛擬化技術(shù)也頗受歡迎。伴隨著虛擬化技術(shù)的快速發(fā)展，市場上也出現(xiàn)了一些成熟的虛擬化軟件系統(tǒng)如VMware、Xen、Hpyer-V等等。

基于此，本文在分析當(dāng)前高校計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)存在的問題以及對(duì)虛擬化技術(shù)進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，探討了虛擬化技術(shù)在計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用。

二、當(dāng)前高校計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)面臨的困境

（一）擔(dān)心計(jì)算機(jī)受損壞，具有破壞性或危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)無法操作

計(jì)算機(jī)的一些系統(tǒng)維護(hù)實(shí)驗(yàn)，比如磁盤分區(qū)，格式化、安裝操作系統(tǒng)、系統(tǒng)備份與恢復(fù)等，由于要對(duì)磁盤進(jìn)行寫操作，有可能破壞硬盤上的數(shù)據(jù)，教師擔(dān)心損壞硬件設(shè)備，一般只是演示或代為操作方式進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生不能動(dòng)手操作。另外，還有一些網(wǎng)絡(luò)攻擊性實(shí)驗(yàn)無法在計(jì)算機(jī)上進(jìn)

行，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)稍有不慎就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。

（二）受資金與設(shè)備性能限制，無法開設(shè)部分實(shí)驗(yàn)操作

由于部分網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)如局域網(wǎng)的組建、網(wǎng)絡(luò)配置與管理、各類網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的配置等需要用到多臺(tái)計(jì)算機(jī)和多種設(shè)備，而現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件不足，學(xué)生無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教師只能采取課堂講解與演示方式進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生不理解，也沒有興趣；同時(shí)，操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由于所有計(jì)算機(jī)都是預(yù)裝操作系統(tǒng)，學(xué)生很難對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行安裝調(diào)試實(shí)踐，因此學(xué)生只能學(xué)習(xí)Windows的一些基本操作；此外，在Windows群集類實(shí)驗(yàn)中需要“共享”磁盤陣列柜與集群主機(jī)，開設(shè)這類實(shí)驗(yàn)的投資代價(jià)昂貴，高校無法開設(shè)此類實(shí)驗(yàn)。

（三）基于軟硬件的差異，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果不佳

高校不同專業(yè)、不同年級(jí)的課程教學(xué)內(nèi)容不同，所需軟件各式各樣，為了滿足計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)的需要，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室必須在經(jīng)常進(jìn)行軟件升級(jí)或者在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上安裝多個(gè)操作系統(tǒng)，而計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的實(shí)踐教學(xué)任務(wù)繁重，上述現(xiàn)象使得機(jī)器的硬件或軟件發(fā)生故障的頻率大幅度提高，進(jìn)而影響計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)的效果。

（四）為方便實(shí)驗(yàn)室的管理，學(xué)校對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)置保護(hù)

考慮到實(shí)驗(yàn)室管理人員對(duì)計(jì)算機(jī)的管理，學(xué)校設(shè)置了很多相應(yīng)的保護(hù)措施。例如，當(dāng)前高校機(jī)房電腦的BIOS設(shè)置了密碼，學(xué)生進(jìn)不去，無法學(xué)習(xí)BIOS的設(shè)置；硬盤加了保護(hù)卡，學(xué)生也無法安裝試用新軟件；實(shí)驗(yàn)室管理軟件限制了一些功能，學(xué)生無法練習(xí)具體的軟硬件設(shè)置等等。上述保護(hù)措施將嚴(yán)重影響學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力與學(xué)習(xí)的積極性、自主性。

三、虛擬化技術(shù)在計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬化技術(shù)在一定程度上為上述計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)中存在的若干問題提供了可能的解決方法。下文在對(duì)虛擬化技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行基本介紹的基礎(chǔ)上，著重探討VMware虛擬化技術(shù)在計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)過程中的相關(guān)應(yīng)用。

（一）虛擬化技術(shù)與虛擬機(jī)

虛擬化，原指資源的抽象化，就是把物理資源轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬌峡梢怨芾淼馁Y源，以打破物理結(jié)構(gòu)之間的壁壘，所有的資源都透明地運(yùn)行在各種各樣的物理平臺(tái)上，資源的管理都按邏輯方式進(jìn)行，完全實(shí)現(xiàn)資源的自動(dòng)化分配；其本質(zhì)上是一種對(duì)物理資源進(jìn)行封裝以屏蔽軟硬件資源差異性的技術(shù)手段；其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)資源利用率的最大化，并將底層物理硬件設(shè)備與上層操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件分離，最終實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源分配的靈活性、降低成本。[6]按照虛擬化技術(shù)的不同屬性可以將其進(jìn)行分類：從實(shí)現(xiàn)層次角度劃分即為硬件虛擬化、操作系統(tǒng)虛擬化以及應(yīng)用程序虛擬化；從應(yīng)用領(lǐng)域角度劃分即為服務(wù)器虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化以及桌面虛擬化。[7]

虛擬化技術(shù)目前最成功的應(yīng)用實(shí)例就是虛擬機(jī)技術(shù)。虛擬機(jī)即虛擬計(jì)算機(jī)，是針對(duì)真實(shí)計(jì)算機(jī)而言的，它是一個(gè)模擬真實(shí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作的軟件系統(tǒng)，由專業(yè)軟件模擬并具有完整硬件系統(tǒng)功能，運(yùn)行在一個(gè)完全隔離的環(huán)境中。虛擬機(jī)與真實(shí)的計(jì)算機(jī)在使用上沒有大的差異，可以在虛擬機(jī)中進(jìn)行磁盤分區(qū)、格式化、系統(tǒng)安裝以及應(yīng)用軟件等操作，而且可以將其中的操作系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前廣泛使用的虛擬機(jī)軟件有VMware Workstation、Microsoft Virtual PC以及XEN等，其中VMware Workstation最為成熟。VMware Workstation虛擬機(jī)軟件具有如下特點(diǎn)：

第一，軟件實(shí)現(xiàn)，即運(yùn)用軟件方式模擬硬件，實(shí)現(xiàn)邏輯切分服務(wù)器資源，形成統(tǒng)一的虛擬資源池，創(chuàng)造虛擬機(jī)運(yùn)行的獨(dú)立環(huán)境；第二，隔離運(yùn)行，即在同一臺(tái)物理服務(wù)器上運(yùn)行的多個(gè)虛擬機(jī)之間相互隔離，互不影響；第三，封裝抽象，即操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序被封裝成虛擬機(jī)并以文件形式保存，便于備份、轉(zhuǎn)移與復(fù)制；第四，兼容性強(qiáng)即虛擬機(jī)支持多種硬件平臺(tái)與多種操作系統(tǒng)平臺(tái)。

（二）虛擬化技術(shù)的應(yīng)用

1.基于VMware Workstation虛擬機(jī)的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)涉及多操作系統(tǒng)，而高校機(jī)房的PC機(jī)不可能同時(shí)安裝多個(gè)操作系統(tǒng)，在學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的操作系統(tǒng)不熟悉的情況下，實(shí)驗(yàn)過程中很容易因?yàn)椴僮魇д`對(duì)機(jī)器的原操作系統(tǒng)破壞。在此情況下，借助虛擬機(jī)軟件VMare Workstation就能夠在不影響當(dāng)前操作系統(tǒng)、不增加其他的以及關(guān)閉機(jī)器的情況下實(shí)現(xiàn)多操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樵谔摂M機(jī)環(huán)境中可同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)且無需關(guān)閉PC機(jī)就能進(jìn)行多個(gè)系統(tǒng)的切換。在實(shí)驗(yàn)完畢后，將虛擬機(jī)刪除即可?？梢?，在操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，虛擬機(jī)技術(shù)是一個(gè)經(jīng)濟(jì)安全、高效率、高性價(jià)比的解決方案。同理，像分區(qū)、格式化、系統(tǒng)恢復(fù)等破壞性實(shí)驗(yàn)也可在虛擬機(jī)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。

2.基于VMware Workstation虛擬機(jī)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中的局域網(wǎng)組建實(shí)驗(yàn)需要雙機(jī)或多機(jī)環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)配置實(shí)驗(yàn)則需要購買相應(yīng)的交換機(jī)和路由器設(shè)備，而這些設(shè)備型號(hào)繁多、價(jià)格昂貴、更新周期短，當(dāng)前高校的教學(xué)條件無法滿足上述實(shí)驗(yàn)要求?；赩Wware Workstation不僅能虛擬出具有一套完整硬件設(shè)備的虛擬計(jì)算機(jī)以及一系列完備的虛擬網(wǎng)絡(luò)組建，而且提供了虛擬網(wǎng)絡(luò)編輯器以便于對(duì)虛擬機(jī)按照不同的方式進(jìn)行組網(wǎng)，因此其被用于構(gòu)建逼真的虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。在虛擬網(wǎng)絡(luò)中可以實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)技巧，進(jìn)行DHCP、DNS、路由設(shè)置及對(duì)等網(wǎng)絡(luò)組建等實(shí)驗(yàn)，此外還可以實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)的通信等。

3.基于VMware Workstation虛擬機(jī)的計(jì)算機(jī)群集實(shí)驗(yàn)教學(xué)

考慮到高校實(shí)驗(yàn)室沒有足夠的資金購買并行機(jī)，因此有關(guān)計(jì)算機(jī)集群實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程無法開設(shè)。學(xué)者李宏儒基于VMware Workstation的集群功能，提出了在單臺(tái)PC機(jī)上虛擬出一個(gè)并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的解決方案，最終對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行并行測試，結(jié)果表明在虛擬并行環(huán)境下運(yùn)行通過的并行程序都能在真實(shí)的并行機(jī)上運(yùn)行，其中創(chuàng)建虛擬并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本步驟為：①在操作系統(tǒng)中安裝VMware Workstation；②在VM-ware上創(chuàng)建2臺(tái)虛擬機(jī)，并為每臺(tái)虛擬機(jī)分別創(chuàng)建模擬IDE接口硬盤和2個(gè)SCSI接口硬盤，同時(shí)在IDE接口硬盤安裝Linux操作系統(tǒng)，值得注意的是在創(chuàng)建第2臺(tái)虛擬機(jī)時(shí)使用第1臺(tái)虛擬機(jī)創(chuàng)建的SCSI接口硬盤以模擬共享SCSI接口；③在創(chuàng)建的2個(gè)虛擬機(jī)中分別添加第2塊虛擬網(wǎng)卡且對(duì)每臺(tái)虛擬機(jī)采用網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換模式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置；④在每個(gè)虛擬的Linux操作系統(tǒng)中安裝MPICH軟件；⑤最后對(duì)虛擬機(jī)進(jìn)行群集環(huán)境設(shè)置。[8]

4.基于桌面虛擬化及應(yīng)用虛擬化的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境部署及管理

桌面虛擬化與應(yīng)用虛擬化是在服務(wù)器及存儲(chǔ)虛擬化基礎(chǔ)上，依托高效的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)來實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器統(tǒng)一部署多套操作環(huán)境并按需分

配給上機(jī)實(shí)驗(yàn)用戶。目前，在桌面虛擬化和應(yīng)用虛擬化應(yīng)用領(lǐng)域，CITRIX和VMware的解決方案處于領(lǐng)先地位。華東政法大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心應(yīng)用CITRI的XenSever、XenDesktop及XenApp構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬環(huán)境探討虛擬化在機(jī)房實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建與管理的應(yīng)用，以期減輕實(shí)驗(yàn)環(huán)境部署和管理的負(fù)擔(dān)，提升機(jī)房實(shí)驗(yàn)室安排和使用的靈活性，同時(shí)提高管理效率。[9]

此外，基于存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心可以提供遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源；基于桌面虛擬化技術(shù)，高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)中心的管理人員可以運(yùn)用虛擬化管理軟件生成桌面虛擬機(jī)以解決由于計(jì)算機(jī)硬件不兼容而導(dǎo)致部分軟件無法安裝的問題，進(jìn)而提高計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)的效果。

四、結(jié)束語

計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)中虛擬化技術(shù)的運(yùn)用在一定程度上為實(shí)踐教學(xué)提供了一種非常有效的輔助工具，提高了高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源的利用率，而且在不增加硬件投入的情況下，增加了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)，提高學(xué)生的技能。但是，虛擬化技術(shù)在計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用尚處于探索與發(fā)展階段，因此高校在進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)的過程中必須注意如下問題：首先，實(shí)踐教學(xué)過程中不能輕率使用虛擬化技術(shù)，應(yīng)該綜合評(píng)估實(shí)施新技術(shù)可以帶來的受益及蘊(yùn)含的風(fēng)險(xiǎn)；其次，由于各高校的計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)具有自身的特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)采用適合自身的虛擬化技術(shù)并注意與相關(guān)技術(shù)手段的結(jié)合使用；最后，虛擬化技術(shù)在一定程度上方便了計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)管理，但是對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)機(jī)房管理人員的技術(shù)要求更高，因此也需要加強(qiáng)他們的專業(yè)技能等。

[1]張淑芬，陳學(xué)斌，張帥.虛擬化技術(shù)在計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)教育,2009,(13):215-217.

[2]董焱.基于虛擬化技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心環(huán)境構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011,28(3):299-302.

[3]錢磊，李宏亮，謝向輝，陳左寧.虛擬化技術(shù)在高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2009，31（A1）:307-311.

[4]王宇，劉小鋒，王興偉.虛擬化技術(shù)在高校信息化建設(shè)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)與探索，2010,4（4）：353-358.

[5]陳小軍,張璟.虛擬化技術(shù)及其在制造與信息化中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2010,46(23);25-30.

[6]張青，杜召陽，白佳.采用虛擬化技術(shù)優(yōu)化IT基礎(chǔ)架構(gòu)，有效提升IT父母提供能力[J].電信技術(shù)，2010，（3）：82-84.

[7]石磊，鄒德清，金海.Xen虛擬化技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2009：4-12.

[8]李宏儒.虛擬化技術(shù)在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(5):90-92.

[9]宋蕾.虛擬化技術(shù)在高校計(jì)算機(jī)機(jī)房實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（6）：274-278.

G642

A

1671-6469（2014）03-0066-04

2014-05-23

叢勤（1963-），山東文登市人，新疆財(cái)經(jīng)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。