虚拟技术在计算机教学中的应用

袁建波

（新疆天山职业技术学院，新疆乌鲁木齐830017）

0 引言

虚拟化是一种从逻辑角度对物理资源进行分配的方法，是物理实际上的逻辑抽象。就虚拟技术目前的发展程度来说，它能够将软件和硬件分离开来，而且虚拟技术的应用从刚开始的服务器延伸到了桌面。根据其应用功能来推测，虚拟技术未来必将应用于计算机教学。

1 虚拟技术

虚拟技术对很多人来说也许是一个陌生的名词，但是人们对它的应用并不陌生。随着该技术的逐渐成熟与应用普及，相信人们会越来越多地了解它、关注它。

1.1 虚拟技术的定义和类型

查阅资料，可以将虚拟技术的定义总结为：在计算机这门学科中，虚拟化是一种从逻辑角度对物理资源进行配置的方法。拒绝从物理角度来看待问题，仅仅从逻辑角度看待问题，角度较为单一。打个比方来说，眼前只有一台电脑，但是通过应用虚拟技术，就能够让用户感受到多台电脑。每一台电脑都有自己的内存、CPU、硬盘等硬件。如果应用虚拟技术，一台设备上可以有多个操作系统同时运行，不仅如此，每个系统还可以有多个程序运行。多个系统和多个程序都是应用同一套硬件资源。然而系统与系统之间，程序与程序之间都是互不影响，相互独立的。虚拟技术的应用实现了硬件资源和软件资源的分离，大大提高了计算机硬件资源的利用率。对于用户来说，不需要考虑这种功能是如何实现的，只要能够充分利用资源就可以。

虚拟技术的实现，为建设计算机网络云架构提供了可能和坚实的基础。不仅如此，其应用已经覆盖了计算机行业的各个层面。

虚拟技术总会把IT资源物理的硬件资源虚拟构成计算机资源池。根据计算机资源的不同，可以将虚拟技术分为多种类型。

1.1.1 虚拟化中的基础设施架构

基础设施架构主要可以分为网络虚拟化和存储虚拟化。

网络虚拟化指的是整合部署在计算机网络当中的硬软件资源，并且能够让用户终端连接虚拟网络的一种技术。网络虚拟化可以分为虚拟专用网和虚拟局域网。虚拟局域网就是将一个物理的局域网分成多个虚拟的局域网，把多个物理的局域网里的节点划分到同一虚拟局域网，这样的方法令虚拟的局域网的信息交换类似于物理的局域网，这种技术带来的不适感较少，用户不易察觉。

存储虚拟化是指对物理存储设备进行抽象化的表现，形成抽象的逻辑视图，而用户可以通过视图中统一的逻辑接口访问网络，使用其中整合储存的资源。存储虚拟化可以分为网络的存储虚拟和物理硬件设备的存储虚拟两种形式。而网络储存虚拟作为一种较为经济的储存方式，收到大众的欢迎。能够代表网络存储虚拟的是存储区域网络和网络区域存储。

1.1.2 虚拟化中的系统虚拟化

虚拟技术中大众接受最广泛且认识最全面的就是系统虚拟化。它是在一台计算机上使用特定的虚拟化软件，然后在此物理机的基础上，通过运行软件程序虚拟出多台计算机，提高计算机硬件资源的利用率。系统虚拟化实现了计算机和操作系统的分离，能够在一台计算机上运行多个系统和程序。

系统虚拟化又可以分为服务器虚拟化和桌面虚拟化。服务器虚拟化就是将系统虚拟技术应用于服务器上，能够把一台服务器虚拟为多个服务器。桌面虚拟化是指用户将自己的桌面环境作为托管服务进行交付，摆脱传统的使用终端设备的捆绑，将每个用户的个性桌面储存在网络上，用户在使用不同的设备时，就能够使用自己的专属桌面。

1.2 虚拟技术的解决方案

随着科技的发展，虚拟技术也越来越成熟。而虚拟化市场的竞争也越来越激烈，不断有厂商加入其中。因而产生了多种虚拟化解决方案，以下简单列举几种典型方案：

1.2.1 Vmware

Vmware是世界上虚拟行业最大的厂商，该公司的虚拟机部署分为基于主机操作系统的虚拟化和独立虚拟化两种。基于主机操作系统的虚拟化中的虚拟机管理器是在主机操作系统上运行的，管理器的一切运行动作都得依靠主机的硬件资源来完成。独立虚拟化是一种不需要主机操作系统，虚拟机管理器直接在硬件上运行的虚拟机。该虚拟机能够在硬件基础上构造多个虚拟的执行环境，虚拟机管理器也是主机的操作系统。Vmware Workstation是基于主机操作系统虚拟化中的典型，其架构如图1所示。

图1 Vmware的架构

1.2.2 Xen

Xen是一款开源虚拟机软件，其开发团队是英国剑桥大学的一个研究团队。在开发的初始阶段，他们就提出一个虚拟体系结构，这个结构需要修改用户的操作系统，并且能够在x86、PowerPC及其他的CPU架构上全都能够提供具有高效、强大并且安全的虚拟化。Xen能够支持的操作系统有linux和windows的多种版本。除此之外，Xen还具有独特的虚拟化支持、可移植性强等特点。从技术角度来说，Xen是基于混合的模型，其架构如图2所示。

图2 Xen的架构

1.2.3 KVM

KVM是一种在X86平台之上Linux系统全虚拟化的解决方案。此外，KVM也是一款开源虚拟机软件。KVM最早的开发团队是Qumranet公司，是传统的Linux内核虚拟技术的领导者针对Linux系统平台提出的一种全新划分方式的概念。它的特点是可以将KVM的kernel module添加到系统的内核当中，令系统内核本身就成为一个虚拟机的管理程序。KVM架构如图3所示。

图3 KVM的架构

2 虚拟技术在计算机教学中的应用

虚拟技术应用于计算机教学是一种趋势，了解其在计算机教学中的应用不仅有利于计算机教学，也有利于虚拟技术的进一步发展。

2.1 虚拟技术的优势

并不是所有的客户都能从某一个相同的、典型的虚拟化解决方案中获得相同的优势。因为虚拟技术能够提供的优势主要取决于3个方面，首先是所选择的虚拟技术，其次是客户要达到的目标，还有就是ET基础的构架。但是分析不同的虚拟化解决方案，可以得到以下几种共有的虚拟技术优势。

2.1.1 硬件资源的利用率更高

根据虚拟技术的特性可知，虚拟技术能够使不同的系统程序建立在共同的硬件资源之上，这样一来，设备硬件资源的利用率就得到了大大提高。

2.1.2 管理成本降低

虚拟技术可以通过多种途径来提高工作效率。例如通过隐藏的方式来降低物理资源的复杂性；减少某些必须进行管理的物理资源数量；依靠设备的自动化来简化中央管理任务和负载的自动化。除此之外，公共工具也能够依靠虚拟技术的支持应用于多个平台。

2.1.3 使用更灵活

由于业务对物理资源的需要是动态变化的，所以需要虚拟技术来重新配置和部署资源。

2.1.4 安全性更高

由于虚拟技术能够实现不同系统程序之间的隔离和划分，所以在访问数据时具有较高的安全性。

2.1.5 可用性较强

根据虚拟技术的特性，如果对硬件设备进行升级、删除或者改变，都不会影响用户。

2.1.6 扩展性更高

因为虚拟技术能够通过资源的汇聚和分区的方法将物理资源变大或者变小，所以用户可以在不改变硬件资源的情况下，对设备的资源进行调整。

另外，某些物理资源不能提供的各种协议和接口的兼容性，可以由虚拟资源来提供。虚拟技术的资源分配，能够以比个体物理资源更小的单位进行。而且由于虚拟资源没有操作系统的问题和硬件，所以一旦虚拟资源发生崩溃现象，能够更快恢复。

2.2 虚拟技术的应用

研究虚拟技术在计算机教学方面的应用，不但有利于提高课堂效率，也有利于虚拟技术的进一步发展。

2.2.1 支持多操作系统实验环境

在计算机教学过程中，为了能够让学生更好地掌握理论知识，更加熟练使用一些普遍的计算机系统，往往都会为学生提供良好的系统试验环境。然而，面对现实，许多学校还存在着两个方面的问题：一是受到外界条件的限制，不能为一个操作系统实验提供专门的机房和设备；二是一些学校通过在计算机上安装双系统来缓解前面的问题，但是这种方法不仅浪费资源，而且局限性大，与多样的操作系统的动态需求不相匹配。要解决这两个问题，为学生提供良好的教学实验环境，就必须通过虚拟机技术来完成，真正做到一机多能、一机多用。

因为VMware Workstation对终端设备的配置要求不高，所以以VMware虚拟机为例，来讲明如何在windows XP上构建多操作系统实验环境。

首先，建立虚拟机。虚拟机的软件采用VMware Workstation ace6.0，其建立的过程如下：依次点击“File-New-Virtual Machine”,根据向导完成创建；选择典型安装的安装方式，主要安装Red Hat Linux9和Windows Server2003；输入新建虚拟机的名字并选择安装位置；选择“Use bridged networking”为网络连接类型；完成创建。

其次，安装操作系统。具体操作过程是这样的：选中Windows Server2003的虚拟机并启动；从网上下载相应的ISO文件以加快安装速度；设置虚拟机，并插入ISO文件。

最后，建立宿主机和虚拟机共享文件夹。因为宿主机和虚拟机经常要进行文件的交换，所以VMware公司专门用VMware tools软件来实现文件的共享。

2.2.2 支持便携“电脑”

虚拟技术拥有良好的可移植性。因为虚拟机是以文件和文件夹的形式存在于宿主机上的，所以它可以存储在U盘或者移动硬盘上。虚拟技术的这一特性可以应用在两个方面。一方面是学生可利用这些在课下进行练习。因为学生在课堂上的时间较为集中，且有时间限制，如果学生不熟悉操作，可能需要较长时间练习。应用虚拟技术，将虚拟机文件拷贝到个人计算机上就可以进行联系，不必在学校机房练习；另一方面是某些学术讲座，需要技术演示时，会因为软件的不同，要求会场的电脑安装特定的系统环境。为了不至于每次都安装系统环境，可以事先将虚拟机文件部署好并存放在U盘上，只需要带U盘去就可以。称得上是最便携的“电脑”设备。

2.2.3 支持网络教室

虚拟技术的应用，可以为网络教室的建立提供多种优势，其中最主要的是以下三个方面。

第一，虚拟技术能够辅助课堂上的演示工作。对目前国内的大部分高职院校来说，由于资金等多方面的问题，不能做到每个专业都配备多媒体教室，一般情况下都是多个专业共用一个多媒体教室。正因如此，教室的电脑不能针对不同的专业安装专用的系统及软件。这样一来，教学也就没有针对性和实践性。除此之外，一个教室只有一台计算机，许多网络功能不能向同学演示。如果应用虚拟技术，那这些问题就可以迎刃而解了。

第二，虚拟技术可以模拟网络功能。实验室往往会将同学分组进行网络实验，一人或两人作为服务器，其他人作工作站。但是由于班级多，往往就会出现管理不当、系统瘫痪、无法登陆和网络功能无法实现等问题，而且也会造成学生不能熟悉了解所有的系统。为了解决这些问题，可以利用虚拟技术，将原来的系统作为服务器，虚拟出多个系统供学生实验，不仅保证了学生熟悉所有的系统，而且大大提高了课堂的教学效率。

第三，虚拟技术可以模拟网络设备。在计算机的网络课程当中，常常要学习网络设备的使用。常见的网络设备有路由器，交换机等。但是这些设备都比较昂贵，建设这样的一个实训室往往要投资上百万。对于一些经费不足的学校来说，由于设备少，只能让学生分组分时进行实际网络设备的操作。这样一来，不仅教学效率低，而且损坏设备的可能性大大增加。为了解决这些问题，可以采用虚拟技术让学生在Sybex Virtual Lab软件上，进行虚拟实验。在学生有了足够的理论经验后，再让学生去进行实际操作。

3 结语

计算机教育在现代教育当中是重要的一部分，是培养适应新时代快速发展人才的必要保障。如何在计算机教学，尤其是高等学校的计算机教学中应用先进的技术方法、提高课堂效率是教学工作者需要考虑的问题。虚拟技术作为一项应用广泛的计算机应用技术，在教学中有着广泛的应用前景。将其应用于计算机教学，不仅能够提高课堂效率，改善教学质量，也为学生学习提供了一个良好的环境。伴随着虚拟技术的成熟，学校和教学工作者应当加大在这方面的投入，不断提高计算机的教学水平。

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