论文部分内容阅读
摘要：为了提高网络实验教学效果，使学生熟练掌握各种网络配置技术和实现原理，本文以DHCP服务配置教学实践为例，引入虚拟机软件 VMware在单机上模拟网络环境，配置DHCP服务。实踐表明，使用该教学设计在实验室条件有限的情况下能获得很好的教学效果。
关键词：VMware；DHCP；网络教学
作者简介：郭伟（1981-），女，河南郑州人，河南农业大学信息与管理科学学院，讲师；张慧（1976-），女，河南信阳人，河南农业大学信息与管理科学学院，副教授。（河南 郑州 450002）
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）01- 0109-02
动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）是一种简化主机IP配置管理的TCP/IP标准，是网络管理课程中较为重要的一部分内容。传统的教学方式在教授DHCP服务器配置及其中继代理功能时，只能照本宣科，难以开展行之有效的课堂演示和网络实验。利用虚拟机软件构建来虚拟实验系统可在普通计算机房平台上无损开展与之相关的交互式验证、设计与研发等网络实验，[1]在很大程度上方便了老师的授课，学生的学习与实践，并节省了实验室资金的投入，充分利用了现有的底层硬件设施，挖掘了设备潜力。
当前比较流行的虚拟PC软件主要有两款，Virtual PC和VMware。其中，EMC旗下的VMware公司推出的VMware Workstation以其执行速度快、磁盘使用效率高、网络功能强以及跨平台支持等优点而被广泛应用，本文就基于VMware Workstation虚拟机软件，对DHCP服务器设置等相关实验进行设计与探讨。
一、虚拟机
1.什么是虚拟机
虚拟机是支持多操作系统并行运行在单个物理服务器上的一种系统，能够提供更加有效的底层硬件使用。[2]在虚拟机中，中央处理器芯片从系统其他部分划分出一段存储区域，操作系统和应用程序运行在“保护模式”环境下。
在 VMware Workstation 中，你可以在一个窗口中加载一台虚拟机，它可以运行自己的操作系统和应用程序，还可以在运行于桌面上的多台虚拟机之间切换。通过一个网络共享虚拟机（例如一个公司局域网），挂起、恢复以及退出虚拟机均不会影响主机操作和任何操作系统以及正在运行的应用程序。运行虚拟机软件的操作系统叫Host OS，在虚拟机里运行的操作系统叫Guest OS。
2.虚拟机常用网络配置
（1）桥接网络（见图1）虚拟机通过一个虚拟网络适配器（在虚拟机本身的配置中，它连接到主机上的一块以太网卡）直接连接到以太网，虚拟机在同一个物理以太网上显示为和主机一样的一台额外的计算机。使用桥接网络，虚拟机可以使用它桥接到的网络上的任何可用服务，包括文件服务器、打印机、网关，等等。同样，使用桥接网络配置的任何物理计算机或者其他虚拟机可以使用该虚拟机的资源。
（2）网络地址翻译（NAT）这种模式中，Host主机的“网络连接”中会出现一个虚拟的网卡VMnet8（默认情况下）。Host主机上的VMnet8虚拟网卡就相当于连接到内网的网卡，Host主机上的物理网卡就相当于连接到外网的网卡，而虚拟机本身则相当于运行在内网上的计算机，虚拟机内的虚拟网卡则独立于Virtual Ethernet Switch（VMnet8）。在这种方式下，VMware自带的DHCP服务会默认地加载到Virtual Ethernet Switch（VMnet8）上，这样虚拟机就可以使用DHCP服务。更为重要的是，VMware自带了NAT服务，提供了从Host主机的VMnet8虚拟网卡到外网的地址转换。所以这种情况是一个实实在在的NAT服务器在运行，只不过是供虚拟机用的NAT罢了。
（3）仅为主机网络（Host-Only）这种模式是一种封闭的方式，适合在一个独立的环境中进行各种网络实验。这种方式下Host主机的“网络连接”中出现了一个虚拟的网卡VMnet1（默认情况下）。和NAT唯一的不同是：此种方式下没有地址转换服务。因此这种情况下，虚拟机只能访问到主机，这也是Host-Only名字的意义。默认情况下该模式也会有一个DHCP服务加载到Virtual Ethernet Switch（VMnet1）上。这样连接到Virtual Ethernet Switch（VMnet1）上的虚拟机仍然可以设置成DHCP，主要是方便系统的配置。
二、DHCP服务
1.DHCP服务
DHCP的目的就是为了减轻TCP/IP网络的规划、管理和维护的负担，解决IP地址空间缺乏问题（因为这样配置后，每一时刻只有实际连接的用户才分配IP地址，减少了IP地址的占用）。
DHCP分为两个部分：一个是服务器端﹐另一个是客户端。所有的 IP 网路设定资料都由 DHCP 服务器集中管理，并负责处理客户端的 DHCP 要求；而客户端则会使用从服务器分配下来的IP环境资料。DHCP 协议通过“租约”的概念，有效且动态地分配客户端的 TCP/IP 设定。
2.DHCP中继代理
并不是每个网络上都有 DHCP 服务器，这样会使 DHCP 服务器的数量太多。现在是每一个网络至少有一个 DHCP 中继代理，它配置了 DHCP 服务器的 IP 地址信息。当 DHCP 中继代理收到主机发送的发现报文后，就以单播方式向 DHCP 服务器转发此报文，并等待其回答。收到 DHCP 服务器回答的提供报文后，DHCP 中继代理再将此提供报文发回给主机。
3.DHCP地址保留
通过使用保留，可以为某个特定MAC地址的DHCP客户端保留一个特定的IP地址。每次当此特定的DHCP客户端向此DHCP服务器获取IP地址时，此DHCP服务器总是会将保留的IP地址分配给它。创建保留后，被保留的IP地址无法修改，但是可以修改特定客户端的其他信息。保留只是为DHCP客户端计算机服务，在可能的情况下，应尽可能地考虑使用静态IP地址而不是使用保留。
三、实验教学实例
本次实验是为了帮助学生了解DHCP服务器的作用，熟练掌握DHCP服务器以及DHCP中继代理的安装与配置方法，深入理解DHCP作用域与超级作用域。这至少需要两台计算机，在学校普通计算机房平台资源有限的情况下，我们采用了在学生机上安装虚拟机软件的方式。在学生主机Host与虚拟机1、虚拟机2之间建立的虚拟私有网络上验证DHCP相关作用与配置方法。
题目：DHCP配置及DHCP中继代理实验
学时：2
实验类型：验证性
实验目的：
（1）了解DHCP服务器的作用及工作原理。
（2）掌握DHCP服务器的安装与配置方法。
（3）深入理解作用域及超级作用域。
（4）掌握DHCP中继代理的配置使用。
实验结构图：
实验环境配置：
（1）教师机运行Windows2003Server操作系统，安装虚拟机软件并运行一个Windows2003Server操作系统，IP地址为192.168.31.1。
（2）学生机101运行Windows2003Server操作系统，安装虚拟机软件并运行两台虚拟机，均安装Windows2003Server。
（3）学生机本机Host安装虚拟机后将有三块网卡。
1）一个外网网卡，使用学校配置，不用修改，IP地址为192.168.31.24。
2）虛拟网卡VMnet1，配置地址10.x.y.1，子网掩码255.255.255.0。其中xy为学号后三位，x为班号，y为序号。例如学号101，x为1，y为01，即IP地址为10.1.01.1。
3）再为本机添加一块虚拟网卡VMnet2。配置地址10.x.2y.1，子网掩码255.255.255.0。其中xy为学号后三位，x为班号，y为序号。例如学号101，x为1，2y为10，IP地址为10.1.10.1。
4）禁用虚拟网络VMnet1和VMnet2的DHCP服务。
（4）学生机虚拟机1内部有一块网卡，选择与VMnet1连接，网络连接类型设为仅主机配置，与主机Host构成私有网络。配置地址10.x.y.2，子网掩码255.255.255.0，网关10.x.y.1（即VMnet1的地址）。xy含义同上。
（5）学生机虚拟机2内部有一块网卡，选择与VMnet2连接，网络连接类型设为仅主机配置，与主机Host构成私有网络。配置地址为自动获取。
实验步骤：
（1）在虚拟机1上安装DHCP服务，写下配置步骤。
（2）在虚拟机1上配置DHCP作用域，要求如下：
（3）在主机Host上配置DHCP中继代理。
（4）开启虚拟机2，验证DHCP及中继代理服务，确认网卡配置为自动获取地址。
使用ipconfig /all命令显示网卡配置 学生填写内容
使用ipconfig /release命令释放网卡配置 学生填写内容
使用ipconfig /renew命令获取网卡配置 学生填写内容
（5）配置DHCP地址保留、虚拟机2的网卡，记录MAC地址与IP地址。
（6）验证DHCP地址保留
四、结语
经过一个学期的实践，发现学生对 DHCP 配置技术的掌握比其他实验内容要好，这表明将VMware引入DHCP实验的教学设计不仅有利于学生独立开展网络实验、促进学生自主学习与研发式学习行为的培养，也挖掘了设备潜力，开创了新的实验教学模式。因此我们准备将VMware的使用扩展到计算机网络应用课程的其他实验教学中去。
VMware设计性实验教学还存在一些问题：VMware虽然实现了让多操作系统同时运行，但是多个操作系统共同占用资源，尤其是内存的需求相当于多个操作系统内存需求的总和，这就要求实验室的硬件配置要高。通过设备的局部升级可以获得显而易见的实际教学效果，问题也相对容易解决。还需要针对如何引导学生实现虚拟与真实间的无缝结合、虚拟实验考评体系的建立、以学生为中心的自主性学习氛围营造等进行进一步的思考和探索。
参考文献：
[1]欧阳星明,姚小龙,谢欣荣.网络虚拟实验室的设计与实现[J].计算机工程,2004,30(2).
[2]刘志平.基于VMware虚拟网络的构建[J].内蒙古大学学报(自然科学版),2007,38(1).
（责任编辑：麻剑飞）
关键词：VMware；DHCP；网络教学
作者简介：郭伟（1981-），女，河南郑州人，河南农业大学信息与管理科学学院，讲师；张慧（1976-），女，河南信阳人，河南农业大学信息与管理科学学院，副教授。（河南 郑州 450002）
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）01- 0109-02
动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）是一种简化主机IP配置管理的TCP/IP标准，是网络管理课程中较为重要的一部分内容。传统的教学方式在教授DHCP服务器配置及其中继代理功能时，只能照本宣科，难以开展行之有效的课堂演示和网络实验。利用虚拟机软件构建来虚拟实验系统可在普通计算机房平台上无损开展与之相关的交互式验证、设计与研发等网络实验，[1]在很大程度上方便了老师的授课，学生的学习与实践，并节省了实验室资金的投入，充分利用了现有的底层硬件设施，挖掘了设备潜力。
当前比较流行的虚拟PC软件主要有两款，Virtual PC和VMware。其中，EMC旗下的VMware公司推出的VMware Workstation以其执行速度快、磁盘使用效率高、网络功能强以及跨平台支持等优点而被广泛应用，本文就基于VMware Workstation虚拟机软件，对DHCP服务器设置等相关实验进行设计与探讨。
一、虚拟机
1.什么是虚拟机
虚拟机是支持多操作系统并行运行在单个物理服务器上的一种系统，能够提供更加有效的底层硬件使用。[2]在虚拟机中，中央处理器芯片从系统其他部分划分出一段存储区域，操作系统和应用程序运行在“保护模式”环境下。
在 VMware Workstation 中，你可以在一个窗口中加载一台虚拟机，它可以运行自己的操作系统和应用程序，还可以在运行于桌面上的多台虚拟机之间切换。通过一个网络共享虚拟机（例如一个公司局域网），挂起、恢复以及退出虚拟机均不会影响主机操作和任何操作系统以及正在运行的应用程序。运行虚拟机软件的操作系统叫Host OS，在虚拟机里运行的操作系统叫Guest OS。
2.虚拟机常用网络配置
（1）桥接网络（见图1）虚拟机通过一个虚拟网络适配器（在虚拟机本身的配置中，它连接到主机上的一块以太网卡）直接连接到以太网，虚拟机在同一个物理以太网上显示为和主机一样的一台额外的计算机。使用桥接网络，虚拟机可以使用它桥接到的网络上的任何可用服务，包括文件服务器、打印机、网关，等等。同样，使用桥接网络配置的任何物理计算机或者其他虚拟机可以使用该虚拟机的资源。
（2）网络地址翻译（NAT）这种模式中，Host主机的“网络连接”中会出现一个虚拟的网卡VMnet8（默认情况下）。Host主机上的VMnet8虚拟网卡就相当于连接到内网的网卡，Host主机上的物理网卡就相当于连接到外网的网卡，而虚拟机本身则相当于运行在内网上的计算机，虚拟机内的虚拟网卡则独立于Virtual Ethernet Switch（VMnet8）。在这种方式下，VMware自带的DHCP服务会默认地加载到Virtual Ethernet Switch（VMnet8）上，这样虚拟机就可以使用DHCP服务。更为重要的是，VMware自带了NAT服务，提供了从Host主机的VMnet8虚拟网卡到外网的地址转换。所以这种情况是一个实实在在的NAT服务器在运行，只不过是供虚拟机用的NAT罢了。
（3）仅为主机网络（Host-Only）这种模式是一种封闭的方式，适合在一个独立的环境中进行各种网络实验。这种方式下Host主机的“网络连接”中出现了一个虚拟的网卡VMnet1（默认情况下）。和NAT唯一的不同是：此种方式下没有地址转换服务。因此这种情况下，虚拟机只能访问到主机，这也是Host-Only名字的意义。默认情况下该模式也会有一个DHCP服务加载到Virtual Ethernet Switch（VMnet1）上。这样连接到Virtual Ethernet Switch（VMnet1）上的虚拟机仍然可以设置成DHCP，主要是方便系统的配置。
二、DHCP服务
1.DHCP服务
DHCP的目的就是为了减轻TCP/IP网络的规划、管理和维护的负担，解决IP地址空间缺乏问题（因为这样配置后，每一时刻只有实际连接的用户才分配IP地址，减少了IP地址的占用）。
DHCP分为两个部分：一个是服务器端﹐另一个是客户端。所有的 IP 网路设定资料都由 DHCP 服务器集中管理，并负责处理客户端的 DHCP 要求；而客户端则会使用从服务器分配下来的IP环境资料。DHCP 协议通过“租约”的概念，有效且动态地分配客户端的 TCP/IP 设定。
2.DHCP中继代理
并不是每个网络上都有 DHCP 服务器，这样会使 DHCP 服务器的数量太多。现在是每一个网络至少有一个 DHCP 中继代理，它配置了 DHCP 服务器的 IP 地址信息。当 DHCP 中继代理收到主机发送的发现报文后，就以单播方式向 DHCP 服务器转发此报文，并等待其回答。收到 DHCP 服务器回答的提供报文后，DHCP 中继代理再将此提供报文发回给主机。
3.DHCP地址保留
通过使用保留，可以为某个特定MAC地址的DHCP客户端保留一个特定的IP地址。每次当此特定的DHCP客户端向此DHCP服务器获取IP地址时，此DHCP服务器总是会将保留的IP地址分配给它。创建保留后，被保留的IP地址无法修改，但是可以修改特定客户端的其他信息。保留只是为DHCP客户端计算机服务，在可能的情况下，应尽可能地考虑使用静态IP地址而不是使用保留。
三、实验教学实例
本次实验是为了帮助学生了解DHCP服务器的作用，熟练掌握DHCP服务器以及DHCP中继代理的安装与配置方法，深入理解DHCP作用域与超级作用域。这至少需要两台计算机，在学校普通计算机房平台资源有限的情况下，我们采用了在学生机上安装虚拟机软件的方式。在学生主机Host与虚拟机1、虚拟机2之间建立的虚拟私有网络上验证DHCP相关作用与配置方法。
题目：DHCP配置及DHCP中继代理实验
学时：2
实验类型：验证性
实验目的：
（1）了解DHCP服务器的作用及工作原理。
（2）掌握DHCP服务器的安装与配置方法。
（3）深入理解作用域及超级作用域。
（4）掌握DHCP中继代理的配置使用。
实验结构图：
实验环境配置：
（1）教师机运行Windows2003Server操作系统，安装虚拟机软件并运行一个Windows2003Server操作系统，IP地址为192.168.31.1。
（2）学生机101运行Windows2003Server操作系统，安装虚拟机软件并运行两台虚拟机，均安装Windows2003Server。
（3）学生机本机Host安装虚拟机后将有三块网卡。
1）一个外网网卡，使用学校配置，不用修改，IP地址为192.168.31.24。
2）虛拟网卡VMnet1，配置地址10.x.y.1，子网掩码255.255.255.0。其中xy为学号后三位，x为班号，y为序号。例如学号101，x为1，y为01，即IP地址为10.1.01.1。
3）再为本机添加一块虚拟网卡VMnet2。配置地址10.x.2y.1，子网掩码255.255.255.0。其中xy为学号后三位，x为班号，y为序号。例如学号101，x为1，2y为10，IP地址为10.1.10.1。
4）禁用虚拟网络VMnet1和VMnet2的DHCP服务。
（4）学生机虚拟机1内部有一块网卡，选择与VMnet1连接，网络连接类型设为仅主机配置，与主机Host构成私有网络。配置地址10.x.y.2，子网掩码255.255.255.0，网关10.x.y.1（即VMnet1的地址）。xy含义同上。
（5）学生机虚拟机2内部有一块网卡，选择与VMnet2连接，网络连接类型设为仅主机配置，与主机Host构成私有网络。配置地址为自动获取。
实验步骤：
（1）在虚拟机1上安装DHCP服务，写下配置步骤。
（2）在虚拟机1上配置DHCP作用域，要求如下：
（3）在主机Host上配置DHCP中继代理。
（4）开启虚拟机2，验证DHCP及中继代理服务，确认网卡配置为自动获取地址。
使用ipconfig /all命令显示网卡配置 学生填写内容
使用ipconfig /release命令释放网卡配置 学生填写内容
使用ipconfig /renew命令获取网卡配置 学生填写内容
（5）配置DHCP地址保留、虚拟机2的网卡，记录MAC地址与IP地址。
（6）验证DHCP地址保留
四、结语
经过一个学期的实践，发现学生对 DHCP 配置技术的掌握比其他实验内容要好，这表明将VMware引入DHCP实验的教学设计不仅有利于学生独立开展网络实验、促进学生自主学习与研发式学习行为的培养，也挖掘了设备潜力，开创了新的实验教学模式。因此我们准备将VMware的使用扩展到计算机网络应用课程的其他实验教学中去。
VMware设计性实验教学还存在一些问题：VMware虽然实现了让多操作系统同时运行，但是多个操作系统共同占用资源，尤其是内存的需求相当于多个操作系统内存需求的总和，这就要求实验室的硬件配置要高。通过设备的局部升级可以获得显而易见的实际教学效果，问题也相对容易解决。还需要针对如何引导学生实现虚拟与真实间的无缝结合、虚拟实验考评体系的建立、以学生为中心的自主性学习氛围营造等进行进一步的思考和探索。
参考文献：
[1]欧阳星明,姚小龙,谢欣荣.网络虚拟实验室的设计与实现[J].计算机工程,2004,30(2).
[2]刘志平.基于VMware虚拟网络的构建[J].内蒙古大学学报(自然科学版),2007,38(1).
（责任编辑：麻剑飞）