庄 城 山

(安徽工业职业技术学院 信息工程系，安徽 铜陵 244000)



虚拟机技术在网络操作系统课程实践教学中的应用

庄 城 山

(安徽工业职业技术学院 信息工程系，安徽 铜陵 244000)

摘要：从高职院校网络技术专业传统操作系统课程实践教学中存在的问题出发，以Windows Server网络操作系统课程为例，深入分析了影响课程实践教学效果的主要问题及原因，研究了虚拟机软件VMWare的主要功能特点以及在教学中的应用。

关键词：虚拟机；VMWare；操作系统；实践教学

Windows Server系列网络操作系统是目前在中小企业信息化建设中广泛使用的网络操作系统。Windows Server系列网络操作系统具有安全性、可靠性、可用性和伸缩性等特点，不仅如此，微软公司还针对Windows服务器产品家族不断进行了改进与扩展。在国内的企业级服务器市场，Windows Server系列网络操作系统始终占有较大份额。因此Windows Server网络操作系统的教学自然成为高等院校网络技术专业的重要内容。

该门课程的实践教学质量对该门课程的整体教学质量有着决定性的影响。能否让学生真正熟练掌握网络操作系统的配置和使用是该门课程教学成功与否的重要标志。需要学生通过大量的动手实践方可获得。在网络技术专业尚未采用虚拟机技术教学之前，该门课的实践教学就在连接成局域网络的普通机房里进行。这种传统的教学模式有着更贴近真实环境的特点，但在实际教学过程中却发现存在诸多弊端。对该门课的实践教学效果产生不利影响，甚至难以实现教学目标[1]。

1传统实验环境中操作系统课程实践教学中存在的问题

传统操作系统课程的实践教学环境通常就是普通机房，因为此类机房并非为实践教学(尤其是操作系统课程的实践教学)而专门设计，在将传统的机房真正用于网络操作系统课程的实践教学时会发现存在较多问题和困难。

1.1计算机数量不足

在真实的实训室中计算机数量不足这个问题经常会碰到。为此，通常将学生划分成若干小组，以小组为单位共同完成实验。这样做虽然可以在一定程度上解决因为机器数量不足无法完成实验的问题，甚至有利于培养团队精神，但也会带来新的问题。分组让学生个人单独完成实验的机会减少，对学生独立工作能力的培养不利。最终影响了实践教学的效果。

1.2计算机硬件设备的添加和删除较为困难

在“Windows Server”课程的实践教学中经常遇到需要给计算机添加和删除硬件设备的情况。经常需要添加的设备有硬盘、网卡等，这使传统的实践教学变得较为困难。首先需要准备大量的硬盘、网卡等设备。其次，是设备的安装，需要打开机箱。更关键的是这个过程并不是教学的主要内容，且容易出错，甚至设备的损坏，影响后续教学。

1.3按实验拓扑搭建实验环境较费时费力

在“Windows Server”课程的实践教学中，在实验课的开始时首先要根据实验内容搭建实验网络。这个过程让实践经验并不丰富的学生完成常常会碰到很多困难。虽然可以让学生从真实的操作和遇到的问题中得到锻炼，但对维持正常的教学秩序，对于教师整体把握教学进度和教学质量非常不利，也有喧宾夺主之嫌。

1.4重复实验和错误更正困难

因为有些实验的不可逆性，如实验 “域功能级别的提升”,实验重复同样变得困难。同时在类似这样的实验中一旦犯了错误想要更正错误，将会变得十分困难，或者为重新建立实验环境需要耗费较多的时间。这在课堂教学的有限时间内几乎是不可完成的任务。但传统的实验实训教学对此无能为力。

1.5实训室运行综合成本较高

因为课程特点，传统的实验实训过程需要大量的硬件设备，如光驱、硬盘、网卡等。这些设备需要频繁的装入机箱，或从机箱中取出，因此故障或损坏在所难免。另外，实验过程需要大量的耗材，如线缆、压线钳等，消耗数量也较为可观。

1.6指导教师授课负担重、管理难度大

为保证实践教学的顺利进行，指导教师要考虑的因素较多。如实验前的准备工作，实训器材、光盘和配件的需求；实训过程的组织；器材、设备的整理还原；其他突发情况的处理等。如此大的工作量要在实践教学中与实践过程同时完成，对教师的组织能力和工作效率提出了很高的要求。

1.7学生课后难以自主学习

因为课程自身特点，经常需要学生课后能够利用时间复习练习甚至预习课程相关内容，但因缺乏硬件环境和资源，课后学生的自主学习无从谈起。而且无论学生在实训室课堂教学的学习情况怎样，学生几乎没有机会再去重复练习以前的内容，使课堂教学中遗留和存在的问题没有任何弥补的机会，实质上影响了实践教学的质量，也在一定程度上影响了学生的自信心。

2VMWare虚拟机软件功能特点及其在实践教学中的应用

2.1VMWare虚拟机软件功能特点

VMWare虚拟机虽然名为“虚拟机”，但实际上所能完成的功能一点也不“虚”，如图1所示。首先在宿主机上安装虚拟化软件，然后在软件中新建虚拟机并安装操作系统产生虚拟机。虚拟机完全可以作为独立的逻辑实体对外提供服务，第三者并不会知道给他提供服务的是一台虚拟机。虚拟机具有高度的仿真性，他们几乎可以像真实的计算机一样工作，这是将虚拟机应用于工程实践和实践教学的前提。[2]

图1VMWare中的5台虚拟机

VMware 作为世界领先的桌面和数据中心虚拟化提供商，提供了最可靠的最佳解决方案，旨在将目前通常缺乏灵活性的 IT 环境转换为灵活的自动化云计算基础架构，帮助用户在实现成本节约的同时获得生产效率优势。VMware也同样适用于网络操作系统类课程的实践教学，突破了传统教学模式的弊端，使教学效果得到极大改善。[3]

2.2VMWare虚拟机主要功能在“Windows Server课程”实践教学中的应用

(1) 快速便捷的产生多台虚拟机

如果在虚拟机环境中进行“Windows Server课程”实践教学则计算机数量不足的问题将迎刃而解。因为在VMWare虚拟机软件中可以非常方便的产生若干台虚拟计算机，这些计算机几乎完全具有真实计算机的功能和特点，这样坐在一台普通物理机前的学生所拥有的不再是一台普通的计算机，他拥有的是一台包含物理机及若干台虚拟机在内的一个局域网。

(2) 丰富的虚拟机工作模式

虚拟机具有丰富的工作模式可供选择。对于直接接入真实网络的虚拟机可以采用“桥接模式”，与外界物理网络完全隔绝的虚拟机可以采用“主机模式”，介于两者之间的虚拟机可以采用“NAT模式”。另外，虚拟机也可以自定义网络工作模式。丰富的工作模式，使虚拟机可以方便的构建复杂的网络拓扑结构，巧妙的融入真实网络。

VMWare提供了丰富的虚拟机工作模式。为虚拟机在真实网络世界中的使用带来很大的便利性和灵活性，也是将虚拟机技术应用到操作系统课程实践教学的关键技术之一，其中最常用的模式有三种：[4]

桥接网络(Bridged Networking)。桥接网络是指本地物理网卡和虚拟网卡通过VMnet0虚拟交换机进行桥接，物理网卡和虚拟网卡在拓扑图上处于同等地位(虚拟网卡既不是Adepter VMnet1，也不是Adepter VMnet8)。这种工作模式下等于虚拟机被直接接入了真实网络，此时的虚拟机和网络上真实的计算机具有同等的逻辑地位，如图2所示。

图2桥接模式网络拓扑图

NAT模式。在NAT工作模式下，虚拟机可以通过宿主计算机与外界取得有限的联系，在真实的网络中与宿主计算机共享同一个IP 地址，如图3所示。

主机模式(Host-Only)。在Host-Only模式下，虚拟网络是一个全封闭的网络，它唯一能够访问的就是宿主机。其实Host-Only网络和NAT网络很相似，不同的地方就是Host-Only网络没有NAT服务，所以虚拟网络不能连接到Internet。主机和虚拟机之间的通信是通过VMware Network Adepter VMnet1虚拟网卡来实现的，如图4所示。

(3) 便捷的虚拟设备的添加删除

设备的添加与删除其实并不复杂，也不是本门课程的主要教学内容，并且费时费力，通常不需要反复演练，但在传统的实践教学过程中，这是完成整个实验必不可少的一步。在VMWare虚拟实验环境下，这一切将变得异常简单，只不过是一个普通的操作，而且具有完全仿真的效果。

(4) 虚拟机状态的保存与恢复

在VMWare中提出了“快照(snapshot)”的概念，是指几乎在瞬间就可以对虚拟机的状态做一次保存，就像对虚拟机的状态做了一次照相一样保存起来。这种保存非常方便，而且可以对同一虚拟机做多次的快照。以后只要需要，就可以简单的恢复到曾经做过的任何一个历史上的“快照”点去。这是在现实中不会有，也不可能有的。这可以让学生以放松的心态投入到实践中，不用担心会犯错。[5]

3虚拟化教学模式的教学效果及需注意的问题

3.1教学效果

传统的网络操作系统课程实践教学通过搭建完整的实验拓扑结构，安装所需要的真实的硬件设备和必须的软件组件，以完全真实的实验过程对学生进行相关实践技能的训练和培养。实训过程的真实性和贴近实战程度是其他方式无法比拟的。

但这种理论上最优的教学模式在实际执行时遇到了较大的困难和挑战，甚至影响到教学目标的实现，为此不得不寻求新的模式和方法改进实践教学的效果。虚拟化技术的应用和发展为网络专业相关课程的实践教学提供了新的方法和手段。如表1所示为在虚拟化模式下如何解决相关的问题或困难。

表1　虚拟机技术对传统“网络操作系统课程”实践教学中主要问题的解决措施

可见虚拟化的实践教学模式不但能够胜任实践教学的需要，而且能够创造性的解决传统实践教学中的诸多困难和问题。虚拟化下的“Windows Server课程”实践教学为高职操作系统课程的实践教学提供了新的方法，开辟了新的路径。

3.2需注意的问题

需要较高配置的计算机。虚拟化环境下的实践教学是通过在普通计算机上安装虚拟机软件，在虚拟机化软件中安装和配置虚拟的计算机产生。一台普通计算机上到底可以同时运行多少台虚拟机，以及虚拟机运行速度的快慢，主要取决于虚拟机的宿主计算机配置和性能的强弱。现在的计算机性能普遍较高，对于一般虚拟机的运行困难不大。有的稍旧一些的计算机只要适当增大计算机内存，也基本可以满足运行虚拟机的需要。

需要掌握虚拟化软件的配置和使用。使用虚拟机来进行相关课程的教学，需要大家对虚拟机的使用方法有一定的了解。不同的虚拟机软件有不同的使用方法。虚拟机软件不同于一般的软件，它的配置和使用需要对计算机和网络技术有一定了解。

虚拟环境中的计算机网络是对真实网络的抽象和简化。虚拟环境中的计算机网络是对真实网络的抽象和简化。其核心是安装有操作系统的虚拟机，在操作系统和计算机这个层次上来说，虚拟计算机具有高度的仿真性。但当以虚拟机为基础构建虚拟计算机网络时并不包括构建真实网络所

必须的网络设备的安装和通信介质的连接。这些主要根据虚拟机工作模式的不同隐含在其中。所以说虚拟网络是对真实网络的抽象和简化。

无法满足构建大型复杂网络的需要。大型复杂网络往往需要较多计算机，具有复杂的网络设备和复杂的网络拓扑结构。目前的虚拟机技术在构建大型复杂网络面前还十分薄弱，其核心是虚拟化的软件环境缺乏对复杂网络设备的支持。

虚拟环境下的实践教学远非完美，它只是突出的解决了传统教学中的主要矛盾。在虚拟化技术还在不断发展的今天，虚拟环境下的实践教学仍然不能完全代替传统的实践教学。它也存在着自身的问题和缺点。有时优点恰恰又成了缺点。如何扬长避短、虚实结合是我们在应用虚拟化技术进行实践教学所必须研究和关注的问题。

参考文献:

[1]何增颖．虚拟机技术的实验教学应用[J]．实践科学与技术，2010,8(1)：80-87.

[2]王春海． 高红玮．VMware Workstation与ESX Server典型应用指南[M]．北京：中国铁道出版社，2012：1-190．

[3]师雪霖．徐 恪．云虚拟机资源分配的效用最大化模型[J]．计算机学报，2013，36(2)：253-261.

[4]王春海. VMware 虚拟化与云计算应用案例详解[M]. 北京：中国铁道出版社,2013:131-168.

[5]郑婷婷．武延军．云计算环境下的虚拟机快速克隆技术[J]．计算机工程与应用，2011，47(13)：63-67.

Application of Virtual Machine Technology in the Network Operating System Course Teaching

ZHUANG Cheng-shan

(Department of Information Engineering, Anhui industry and professional technology college, Tongling 24400, China)

Abstract:Based on the existing problems of traditional operating system course of the network technology specialty in higher vocational college, and taking the course of Windows Server network operating system as an example, the major problems and the reasons which affecting the teaching effect of the course of practice are analyzed in detail. Furthermore, the main function and feature of the virtual machine software VMWare and its application in teaching are studied.

Key words:virtual machine, VMWare,operating system, practice teaching

文章编号：1007-4260(2015)02-0121-04

中图分类号：TP391.9

文献标识码：A

作者简介：庄城山，男，安徽铜陵人，安徽工业职业技术学院信息工程系高级工程师、讲师,主要研究方向为计算机网络、虚拟化技术。

收稿日期：2014-11-19