虚拟技术在一体化教学中的应用

唐 超

（广州科技职业技术学院，广东 广州510550）

0 引言

一体化教学，是指以“能力本位”为指导理论，将理论教学与实习训练有机结合在一起的一种教学模式。在教学方法上，是由师生双方共同在实训教室，围绕课题模块边教、边学、边做来完成。教师多采用“项目教学法”、“行为导向法”进行教学，教法灵活，形式多样。由于我院推行一体化教学得到学生及家长的欢迎，越来越多的同学选择报读计算机专业，而计算机实验设备和实验场地不能及时得到扩充，使得实验资源非常紧张，同时设备的过度使用和得不到应有的维护，更加重了这一恶性循环，如何利用有限的设备，完成更多的教学实验，并确保实验质量，成为我们面临的重要课题。通过多方调研及实验探索，合理利用“虚拟机”可在很大程度上解决上述难题。

1 虚拟机技术简介

虚拟机技术是用软件模拟计算机硬件环境，在现有的操作系统上虚拟出一个新的子系统。在虚拟机软件上运行的虚拟计算机称为客户机，虚拟机软件可以模拟出常见的硬件设备，如CPU、内存、显卡、硬盘、光驱、网卡等。客户机可以直接使用主机的键盘、鼠标、串/并口、USB接口、网卡、光驱、软驱等设备完成与外部环境的交互通讯。虚拟机软件是安装在物理计算机(主机)上的，与主机的应用程序在同一层次上，所以虚拟机软件可以像应用程序一样操作，在虚拟机的操作系统之上还可以安装虚拟机应用程序。由于虚拟机软件可以模拟计算机所需要的硬件设备，使得操作系统分辨不出是运行在真实计算机环境中还是虚拟计算机环境中，所以在虚拟机平台上可以运行多种操作系统。

VMware Workstation是美国VMware公司一款虚拟机软件，VMware支持所有Windows系列操作系统以及Linux、FreeBSD、NetWare、Solaris等，该软件能在一台物理计算机上虚拟并运行多个操作系统，这些虚拟出的机器各自拥有独立的硬件，能够实现单机内虚拟出的计算机组建局域网。基于VMware的虚拟计算机具有安装快捷、克隆简便的特点，VMware虚拟出来的虚拟机硬件是固定的型号与物理计算机无关。将这款软件应用于计算机实验教学，可以在现有条件下提高教学效率，节约教学成本。

2 基于VMware虚拟机技术开展的实验教学设计

2.1 基于VMware虚拟机技术可以开展以下的实验

2.1.1 计算机组装和维护实验：基于虚拟机技术的计算机组装和维修实验主要包括硬盘的分区、低级和高级格式化，数据的备份与恢复，实现磁盘陈列，操作系统和应用软件的安装等几个部分。

2.1.2 操作系统实验：利用虚拟机软件，可以将Linux、Unix等操作系统移植到虚拟机中，并且在虚拟机里安装操作系统可以做到“工作”和“安装”两不误，即在虚拟机里安装操作系统时，可以在本台主机上继续其他的工作，虚拟机的“挂起”功能还可以方便地保留当前状态，以便下一次继续实验。

2.1.3 网络组建实验：利用虚拟机只需要一台电脑便能虚拟出多台虚拟机、交换机、网卡等设备，以满足网络组建的需要。可以完成包括Windows网络(域和工作组)的组建、Linux/Unix网络的组建，软路由实验以及多系统组网实验。

2.1.4 服务器配置与管理实验：在虚拟网络里，将某些虚拟机配置为服务器，某些虚拟机设为客户端，让学生从中学习服务器的配置与管理。可在VMware进行Web、DNS、FTP、Mail、DHCP服务器以及流媒体服务器等服务器的配置实验。

2.1.5 网络安全实验：利用虚拟机技术可以在虚拟机系统上植入病毒文件进行系统攻击实验，以及实现安全防御等操作，让学生更加直观地了解系统的安全及防御技术，以达到知识巩固及提高的目的。

2.2 Vmware网络实验应用

基于VMware虚拟机的实验教学应用有很多，本文以DHCP服务的实现为例，介绍在Windows环境中基于VMware的网络实验应用。

实验的网络拓扑结构如下图1所示：

图1 实验拓扑结构图

本文中具体实验环境：虚拟机软件是VMware Workstation7.1.3中文版；宿主机是Windows XP ProfessionalSP3；虚拟机是Windows Server2003中文企业版SP2和Windows2000 Professional SP4。

2.2.1 搭建网络环境

搭建这个网络很简单，首先通过“文件（F）/新建（N）/分组（T）…”，并为分组取名为DHCP，创建完成后打开DHCP分组，然后选择编辑分组设置，在“虚拟机”选项中分别新建DHCP_S（DHCP服务器）、DHCP_R（DHCP中继）、人事、生产、销售五台虚拟机，DHCP_S和DHCP_R对应的操作系统为Windows2003Server，其它虚拟对应的操作系统为Windows2000Professional；在“虚拟网络”选项中分别添加LAN0、LAN1、LAN2、LAN3四个虚拟网络；最后在“连接”选项中为DHCP_R添加至四张网络适配器并按照实验网络拓扑图进行连接。

先打开分组的电源并完成五台虚拟计算机的安装，并按照上图1所示为DHCP服务器配置好IP地址配置好的IP地址信息，为DHCP中继器配置好IP地址配置好的IP地址信息。

2.2.2 配置DHCP服务器

在作为DHCP服务器的虚拟机安装DHCP服务，具体操作为：控制面板/添加删除程序/添加Windows组件/网络服务/动态主机配置协议（DHCP）；安装好DHCP服务器后，打开DHCP管理控制台，具体操作为：开始/程序/管理工具/DHCP；为DHCP服务器授权，具体操作为打开“操作”菜单然后选择“授权”；在DHCP控制台分别为生产部创建作用域，具体操作为：操作/新建作用域，定义作用域名称为“生产部”，指定起始地址为192.168.1.100，结束地址为192.168.1.200，网络掩码为255.255.255.0，路由器（默认网关）为192.168.1.1；同时为销售部、人事部创建作用域，销售部的具体参数为：起始地址为192.168.2.100，结束地址为192.168.2.200，网络掩码为255.255.255.0，路由器（默认网关）为192.168.2.1，人事部的具体参数为：起始地址为192.168.3.100，结束地址为192.168.3.200，网络掩码为255.255.255.0，路由器（默认网关）为192.168.3.1。

2.2.3 配置DHCP中继

在作为DHCP中继器的虚拟机启用路由功能，具体操作为：开始/运行/输入“services.msc”/找到“Windows Firewall/Internet Connection Sharing(ICS)”将启动类型设置为“已禁用”并停止此服务，通过执行“开始”/“管理工具”/“路由和远程访问”打开路由和远程访问管理控制台，运行“操作”/“配置并启用路由和远程访问”，在配置页面中选择“自定义配置”点击“下一步”，选择“LAN路由”后点击“下一步”并完成配置启用路由功能；在作为DHCP中继器的虚拟机新增“DHCP中继”路由协议，具体操作为：展开服务器，展开“IP路由选择”，选中“常规”，然后执行“操作”/“新增路由协议”/选中“DHCP中继代理程序”并按“确定”按钮；在DHCP中继器上选择需要进行代理的网络接口，具体操作为右击“DHCP中继代理程序”选择“新增接口”，将LAN1、LAN2、LAN3添加进来；为DHCP中继器指定DHCP服务器的IP地址，具体操作为右击“DHCP中继代理程序”选择“属性”，在服务器地址中填入“192.168.1.2”后点击“添加”按钮。

2.2.4 客户端验证

分别打开人事部、生产部、销售部的计算机，分别将其设置为自动获取IP地址，然后使用IPCONFIG/ALL命令查看它们的自动获取IP地址情况，并对实验结果进行验证。

3 虚拟机网络环境应用的优点及其缺陷

3.1 虚拟机技术应用的优势

利用虚拟机环境，无论是在教学中还是学生实验中都有其相当大的优势，可简单归纳以下几点：（1）在一台实体机上组建的一个虚拟机局域网环境，这个网络的行为与真实的网络完全一致，而且不用担心虚拟网卡和虚拟交换机会损坏。（2）每一台虚拟机，在宿主机上就是一个独立的子系统，可以独立地安装几乎所有的主流操作系统，可以模拟真实网络中客户机上的操作系统的多样性。（3）每台虚拟机，在宿主机上是一个文件或文件夹。这样就具有可携带性和可迁移性。（4）每一台虚拟机归根到底是宿主机上的一个软件系统，这样，在学生实验时，可以减少设备的损坏、降低设备的投资、减轻设备维护的工作量。

3.2 虚拟机技术应用的不足

利用虚拟机网络环境应当充分考虑到：（1）虚拟网络的行为与真实的网络完全一致，对于课堂的教学演示必须事先进行统筹的安排，以利于节约时间提高效率。（2）如果启动的虚拟机较多，则需要实体机内存要大且屏幕也要大，且启动也时间较长，由此，教师在上课前必须预先启动演示所需的虚拟机。（3）在学生实验时，缺乏对实际网络的感观理解，也无法体会到实际网络中如掉线、客户机或交换机电源未开等情况引起的网络故障。

4 结束语

基于虚拟机技术的一体化教学模式很大程度上缓解了学校内因网络设备不足和场地限制所造成的网络课程实践困难的问题，而VMware Workstation虚拟机软件为虚拟网络架构的实现提供了很好的支持。学生不仅能用它组建对等网、客户机/服务器网，组建具有路由功能的网络，还能用它建立可能危及电脑系统的操作的网络实验。在交换机和路由器的模拟方面，如能将GNS3等网络模拟器加以补充应用，虚拟机网络架构将更加完善。

［1］沈利香.基于虚拟机技术的网络安全实验教学研究[J].福建电脑,2010,2:154-155.

［2］丁昱,庄城山.虚拟机在网络安全实验教学中的应用[J].信息安全与通信保密,2009,10:71-72.

［3］周翔.虚拟机技术在网络信息安全教学中的应用[J].电脑知识与技术,2010,2:1165-1195.

［4］Sean Conery.Network Security Architectures[M].Published by Cisco Press,2004,4:222-233.

［5］李佳,江涛.计算机网络专业实践教学环节仿真软件的应用[J].中国现代教育装备,2010,9:59-62.