基于虚拟机技术的实验平台研究

陈小勇, 张 丽

(桂林电子科技大学 机电工程学院, 广西 桂林 541004)

基于虚拟机技术的实验平台研究

陈小勇, 张 丽

(桂林电子科技大学 机电工程学院, 广西 桂林 541004)

为培养学生的综合素质,解决目前机械工程类专业计算机虚拟实验平台在配置、管理方面存在的问题,在分析桂林电子科技大学机电工程学院实验平台现状的基础上,提出基于虚拟机技术搭建计算机虚拟实验平台的方案,论述了该方案的实现过程。通过实验表明,基于虚拟机技术的计算机虚拟实验平台能充分利用现有实验设备资源,有效提高虚拟仿真实验平台性能。

虚拟机技术； 计算机管理； 实验教学； VMware

随着高校课程教学改革的不断深入,实践教学已经成为本科教学中的重要组成部分,是实施素质教育、培养富有工程实践能力和创新精神的高素质人才的关键环节[1-3]。计算机实验室作为学生实践操作的场所,用于开设与虚拟实验及与计算机有关的实验课程、课程设计、毕业设计等教学内容,使用率高、开放时间长,是机械工程技术最重要的虚拟实验教学平台。由于实验人数逐年增加,虚拟实验项目及课程软件不断升级与更新,给计算机实验室的管理带来了新的困难。

近年来,虚拟机技术日益成熟,基于虚拟机技术的软件VMware、Virtual PC在高速CPU、大容量内存和硬盘等计算机硬件的支持下得到了迅速普及和应用[4],并且大大提高了计算机系统的安全性[5],为虚拟实验平台及计算机实验室的管理与维护提供了方便、有效的途径。

1 实验教学平台现状分析

机械工程技术专业的实验课程有基础性实验、专业基础实验和专业课程综合实验,涉及的工程测绘、CAD技术和工程控制技术实验都需要在计算机上完成,而且开出的虚拟仿真实验教学项目越来越多。由于实验项目较多、所需用的实验软件越来越大,往往会因计算机配置及软件兼容性问题影响实验教学。

以往每次上实验课前,都需要实验管理人员重新配置实验平台,安装实验所用的计算机软件,这使实验管理人员面临很大的工作压力。传统的解决方法是为计算机安装多个操作系统并使用计算机保护卡。但是,由于实验项目的调整,仍需要实验管理人员人工进行计算机实验平台软件的更新和升级。当发生计算机系统崩溃、软件无法起动等问题时,仍然需要实验管理人员人工来维护。

作为虚拟仿真实验平台的重要物质载体,计算机实验室也是学生自主实验学习的第二课堂,是培养学生技能的重要场所，需要为学生的第二课堂提供稳定、便利、顺畅、安全、自由的环境,让学生在实验平台上就像使用自己的电脑一样便捷操作、自主实验,进而提高实践教学效果。

2 虚拟实验平台搭建

2.1 实现目标

虚拟实验平台的本质属性是实验教学平台,平台建设应遵循创新、发展的理念以及技术设计为教学设计服务的原则[6]。在实验教学实践中,应在充分体现虚拟实验资源独特优势的前提下,最大限度地利用现有校园计算机实验室、网络服务器、传统仪器设备等实验资源。

虚拟实验平台的关键是给学生以真实的实验体会。理想的虚拟实验平台应有交互性能良好的虚拟实验环境,使学生能够方便地通过虚拟实验,快速、有效地学习实验原理、掌握实验方法、训练实验技能,从而提高实验教学效率和学生的创新实践能力,并实现虚拟实验资源的共享[7]。

以机械工程虚拟实验应用最多的计算机实验室为例,需要将数百个虚拟实验项目同时配置到几百台计算机中,实验准备的难度很大。因此,亟待通过技术进步,实现机械工程技术专业虚拟实验平台的高效配置和管理,从而提高虚拟实验教学平台的性能和效果,提高实验平台的管理水平。

2.2 虚拟机技术

虚拟机技术是通过在现有计算机中添加虚拟机监控软件而实现对系统的虚拟化(如虚拟处理器、虚拟内存管理器和虚拟I/O系统等)[8],虚拟出一个新的子系统,而这个子系统具有与计算机一样的工作流程。这一系统在应用的时候如果产生崩溃,不会对现有的系统造成影响,只需管理人员将其删除即可。而现实中的计算机系统一旦崩溃,必然要重装系统,而重装系统之后还需要再次安装子系统,造成管理的困难。

Microsoft Virtual PC中的VMware是一款功能强大的桌面虚拟软件。应用VMware,用户可以在同一单元桌面上同时运行不同操作系统,对这些系统进行开发、测试以及部署,并使操作中存在的问题得到最有效的解决[9-10]。VMware Workstation可在一台实体机器上模拟出完整的网络环境,拥有强大的功能、良好的灵活性和稳定性,更能满足教学、科研、产品研发和测试等复杂应用环境的需要。

3 实现过程

3.1 实验平台配置

基于VMware虚拟技术搭建实验平台,首先需要布置好实验室网络环境和硬件实验设备。本实验在是机电工程学院的计算机实验室进行,实验室有80余台计算机和千兆网络,连接校园网,并有服务器1台,成为搭建实验平台的基础硬件。

其次,需要VMware软件一套,实体服务器中安装的虚拟实验平台软件是VMware-VMvisor-Installer(ESXi)；客户端可以选择VMware vSphere Client,也可以用VMware-workstation。不同点在于:workstation的功能更为强大,支持在本地计算机上搭建虚拟系统平台。

最后,利用VMware vSphere Client或workstation在任一台客户机上配置服务器,从而实现实验平台的搭建。

3.2 实现步骤

(1) 在服务器上安装ESXi主机,安装时使用自制的安装光盘安装,光盘的制作方法与Ghost系统光盘相同。安装程序先创建并格式化分区，然后安装ESXi引导镜像,安装完成后设定用户密码。服务器架构系统的安装完成后,即可配置客户端。

(2) 在任何一台与服务器相连的客户端机上安装VMware vSphere Client，或者VMware workstation。为对比实验效果,将该两款软件同时安装在客户端,目的是在一台物理ESX主机上安装更多的虚拟机,可以通过VMware vSphere Client或workstation直接管理VMware vSphere服务器。

(3) 从客户端的“开始—所有程序-VMware”程序组运行VMware vSphere Client或者双击桌面上的VMware vSphere Client图标,进入VMware主程序；输入ESXi服务器的IP地址、用户名和密码,即可登录实验平台管理界面。在IP地址上右击选择“新建虚拟机”,跟随向导就可以创建一个虚拟机了(见图1)。在所建的虚拟机中安装实验平台所需的操作系统及实验所需的软件,就完成了实验平台的基本配置。

完成实验平台配置的关键在于实验系统的安装和使用。在安装实验系统之前,首先对虚拟机进行设置,从主机上分配内存和硬盘空间给虚拟机。为虚拟机分配的内存,只有虚拟机运行时才能从物理内存得到分配,而且虚拟机内存的大小可以在虚拟机关机的时候重新设置。如果虚拟机没有运行就不占用内存。

虚拟机的硬件设置好了以后,就可以安装操作系统了,操作系统的安装过程与一般系统安装是相同的。首先选择“设备”中的CD-ROM,选中“打开电源时连接”,并在虚拟光驱中使用ISO镜像文件,找到存放Windows操作系统的物理地址,然后在虚拟机中点击开机。VMware支持安装多个操作系统,支持MS-DOS、Windows、多种版本的Linux、Novell、Solaris、FreeBSD等操作系统和相关实验软件的安装[11]。

图1 创建虚拟机界面

3.3 实验结果

利用Ghost镜像文件安装的Windows XP系统,为虚拟机分配2 GB内存、25 GB硬盘空间。用户也可以根据自己的需要进行设置。虚拟机安装了Win7、Win10和Linux操作系统,其中每个系统都有自己的IP地址。学生在进行实验时,只需要通过个人电脑或者任何一台计算机,通过“开始-附件-远程桌面连接”并输入实验平台对应系统的IP地址即可进行实验。图2为进入实验系统后的界面。

图2 进入实验系统界面

实验结果表明,实验平台中使用Windows XP系统较其他系统效果更好,基于虚拟机技术所搭建的实验平台允许不同学生同时进行不同实验项目,多个学生也可以同时进行相同实验项目,实验管理者只需要将配置好的实验系统再拷贝一 次[12],就能够快速备份或恢复实验平台的系统及软件[13],有效减轻了开放实验平台的管理工作。该实验平台可以广泛应用在多校区的实验教学和管理实际活动中。

4 结语

利用VMware虚拟软件,可以方便地建立创新虚拟实验平台,全面开放实验室,使学生通过实验提高实践动手能力和工程创新能力。基于虚拟机的实验平台为实验教学，特别是与计算机有关的实验课程提供了一种有效的工具,不但能够缓解实验设备与实验场所不足的问题,同时能够充分发挥学生学习的主动性,更好地提升学生的创新能力。

References)

[1] 李耀刚.巩固本科教学评估成果 保障高校实验教学质量[J].实验室研究与探索,2013,32(9):193-195,206.

[2] 谢鸿芳,周美珍,黄晓辉.实验室建设与创新人才的培养[J].实验室研究与探索,2008,27(6):154-156.

[3] 陈小勇,吴兆华,张丽.SMT实验教学改革探索[J].实验室研究与探索,2014,33(11):198-200.

[4] 卢宇清,张红霞．计算机机房管理中的虚拟机技术[J]．办公自动化,2006(4):50-51.

[5] 赵永礼．基于VMware的计算机实验教学设计[J]．计算机教育,2009(5):81-83.

[6] 王元娟．基于高校虚拟实验室发展若干问题的建议[J]．科技信息,2009(7):118．

[7] 万桂怡,崔建军,张振果．高校虚拟实验平台的设计及实践[J].实验室研究与探索,2011,30(3):386-389.

[8] 董耀祖,周正伟.基于X86架构的系统虚拟机技术与应用[J].计算机工程,2006(7):71-73.

[9] 佚名.虚拟化[EB/OL].[2016-09-02].http://www.vmware.com/cn/solutions/virtualization.html.

[10] 佚名.桌面和应用虚拟化[EB/OL].[2016-09-02].http://www.vmware.com/cn/products/desktop-virtualization.html.

[11] 郁书好,苏守宝.VMware下的多操作系统实验环境构建[J].实验室研究与探索,2013,32(9):106-108.

[12] 许娜.基于VMware ESX Server的实验教学平台建设[J].实验室研究与探索,2011,30(9):202-205.

[13] 张魁.基于VMWARE VSPHERE的虚拟机管理平台设计与实现[D].苏州:苏州大学,2013.

更 正

本刊2016年第7期160页刊登的“核磁共振波谱仪引入仪器分析实验教学的探索”一文，作者应为：王聪，王远红，王乂，张秀丽，特此更正。

《实验技术与管理》编辑部

Research of experimental platform based on VM technology

Chen Xiaoyong, Zhang Li

(School of Mechanical Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

In order to cultivate the comprehensive quality of students, solve the configuration and management problems on current mechanical engineering computer virtual experiment platform, based on the analysis of the present situation of the experimental platform in our Mechanical and Electronic Engineering College, a scheme of building a virtual experimental platform based on virtual machine technology was presented, and the realization process of the scheme was discussed. The experiment shows that the computer virtual experiment platform based on virtual machine technology can make full use of the existing experimental equipment resources, and effectively improve the performance of the existing virtual simulation experiment platform.

virtual machine technology； computer management； experiment teaching； VMware

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.032

2016-09-04

广西高等教育教学改革工程项目(2015JGB217)；桂林电子科技大学教改项目、示范中心项目

陈小勇(1984—),男,河南延津,在职博士生,讲师,桂林电子科技大学机电工程学院微电子制造工程实验室负责人,主要研究方向为微电子制造及封装技术.

E-mail：Chenxyong@foxmail.com

TP391.9

A

1002-4956(2017)2-0124-03