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摘要：随着我国高等教育规模的不断扩大，各高校在计算机类实验实训设备的场地和经费投入上都明显不足，严重制约了各工科类专业特别是计算机类专业教育质量的提高。主要论述通过在计算机实践教学中引入虚拟机技术可有效地破解场地和设备不足的难题，为提高计算机类实践教学的质量提供了新的辅助教学手段。
关键词：实践教学；虚拟机；Vmware；Xen
作者简介：卫耀军（1971-），男，河南洛阳人，湖北工业大学工程硕士，（湖北武汉430068）西安电力高等专科学校，高级工程师；张亮（1982-），男，江苏海门人，西安电力高等专科学校，讲师。（陕西西安710032）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）10-0112-02
随着我国高等教育规模的不断扩大，计算机类实验实训设备由于数量上的不足导致设备过度使用而不能及时得到必要的维护，加上计算机新技术层出不穷、发展迅速，设备淘汰更新速度非常快等原因，使得各高校在计算机类实验实训设备的场地和经费投入上都明显不足，严重制约了各工科类专业特别是计算机类专业教育质量的提高。在诸如计算机软硬件基础、Linux/UNIX操作系统、计算机网络技术、网站建设与维护这些实践性要求比较强的计算机类课程教学过程中，经常会遇到软件与硬件系统不兼容、安装调试不同类型操作系统会破坏原系统且操作系统间不能随意切换、硬件系统配置和软件调试会影响系统的正常运行等诸多难题。如何在场地和经费投入都得不到充分保障的情况下，更加有效地利用现有设备，通过不断改进和完善实践教学方法、教学形式和教学内容，培养出满足社会需要的基本素质好、应用能力强和具有创新精神的专业人才已经成为各高校教师面临的重要课题。计算机实践教学中引入虚拟机（Virtual machine）技术将可在一定程度上解决这一难题。
一、虚拟机技术简介
虚拟机技术通过在现有计算机平台上添加一层虚拟机监控程序（Virtual Machine Monitor，简称VMM）或监管程序（Hypervisor）实现对计算机硬件系统的虚拟化，如虚拟处理器、虚拟内存管理器（MMU）和虚拟I/O系统等。从应用程序的角度看，程序运行在虚拟机上同运行在其对应的实体计算机上一样。虚拟机技术使得一台物理计算机可以生成多个不同的虚拟机，分别运行多个不同或相同的操作系统。
根据虚拟机架构的不同和是否需要修改客户机操作系统内核，虚拟机技术分为完全虚拟化（Full-virtualization）和泛虚拟化（Para-virtualization）两种。采用完全虚拟化的VMM可以让虚拟机模拟出和真实硬件完全相同的硬件环境，因此任何已有的操作系统都可以不经修改直接运行在完全虚拟化的VMM上。因此具有很好的兼容性和同时支持异种操作系统或不同版本操作系统的能力，但是以牺牲性能为代价。相反，泛虚拟化通过需要修改客户机操作系统内核提升了虚拟机的性能，但由于需要修改操作系统内核，不开源的操作系统就无法运行在泛虚拟化的VMM上，所以兼容性不够好。
二、虚拟机在计算机实践教学中的应用
目前，在各高校计算机房，特别是公共机房的计算机中大都装有各类软硬件保护卡或还原卡，目的是防止学生对计算机系统进行随意修改，破坏使用环境，以减少机房管理人员的维护工作量。在不增加任何硬件成本的情况下，要想“突破”保护卡或还原卡的限制，以解决类似Linux操作系统这样一些需要经常对计算机系统进行“写”操作课程的实验和实训问题，唯有使用虚拟机技术。
1.计算机系统维护实验
由于虚拟机中的一块硬盘仅对应于真实主机上的一个文件，在虚拟机中对硬盘的任何操作都不会破坏真实的硬盘分区和数据，因此在虚拟机下可以放心地进行诸如磁盘分区、格式化等破坏性比较大的危险操作。同样，在虚拟机下也可进行诸如BIOS设置、网卡等基本硬件添加删除之类的系统维护实验。
2.计算机操作系统安装、维护实验
在Windows/Linux操作系统的教学中要涉及到系统安装、系统设置及网络服务配置等操作，其中有几个比较危险的实验操作在真正的物理计算机上来实现有一定的难度和不现实性，如系统安装、硬盘配额、文件系统的创建与使用、系统启动模式设置和网络服务配置等，这些操作会改变甚至可能破坏计算机系统，使计算机无法正常工作。对于初学的学生而言，做此类实验时更容易造成对计算机系统的破坏，这都严重影响到教学效果。采用虚拟机技术后这些问题将得到很好解决，同时也提高了教学质量和学生的学习效率。另外，在虚拟机上的操作有实际操作无法相比的优势。
3.动态磁盘管理实验
动态磁盘中有简单卷、跨区卷、带区卷、镜像卷和RAID-5卷，而除简单卷外，跨区卷、带区卷、镜像卷的创建都至少需要两块物理磁盘，RAID-5卷至少需要三块磁盘。如果教师在上课时只讲解这五种卷的原理，不在课堂上演示它们的创建、恢复等操作，更不让学生进行相应实操实验的话，其教学效果将大打折扣。在虚拟机下可以不费吹灰之力就轻而易举地为系统添加多块硬盘，一切操作都可以随时随地进行，将会极大地提高学生的学习兴趣。
4.计算机局域网实验
计算机局域网实验不但需要多台计算机，而且还需用到集线器或局域网交换机。通过虚拟机技术，可以在一台计算机上虚拟出多个虚拟机，进而实现在单台计算机上组建局域网环境。这样每个学生在一台计算机上就可以进行各种局域网实验。在此环境下，学生可以放心进行各种操作，产生更好的实验效果。
三、常用虚拟机软件及应用实例
VMware和Xen是目前最具代表性的两种虚拟机软件。目前，Vmware無疑是商业虚拟机软件领域当之无愧的领头羊，在虚拟机软件市场上占有很大的份额。但在开源领域，一个叫做Xen的GNU GPL变体在众多开源虚拟机软件项目中脱颖而出。它是英国剑桥大学计算机实验室开发的一个基于X86架构、发展最快、性能最稳定、占用资源最少的开源虚拟化技术，与Linux是一个完美的开源组合，以高性能、占用资源少著称。
Vmware是一个标准的完全虚拟化产品，可以完全模拟出X86架构的真实硬件环境，在本地运行多个操作系统，但是这样做也使得它的性能降低了20%。即便是当今高端CPU的速度，在同时运行多个操作系统时Vmware虚拟机的性能也是一个很大的问题。
而Xen从一开始就是一个支持泛虚拟化（在Xen中称为“半虚拟化”）的虚拟机软件，只需对客户机操作系统内核稍作改动就可使用Xen API（应用程序接口），性能损失大约在2%～8%之间。从Xen和VMware的运行基准显示，Xen性能在某些方面几乎要高一个级别。而且从3.0版本开始，Xen也提供了对完全虚拟化的支持，当然这需要有完全虚拟化技术的CPU硬件支持（Inte VT或AMD VT），这使得Xen有了更为广阔的使用空间。因此Xen赢得了包括IBM、AMD、HP、Red Hat和Novell在内的众多世界级软硬件厂商的高度认可和大力支持，如在Redhat Enterprise Linux 自5.0版本起，内核版本提升到了2.6.18，正式提供了对Xen虚拟化技术的支持。下面介绍一下在CentOS 5.6（CentOS是Linux发行版之一，它来自于Red Hat Enterprise Linux依照开放源代码规定释出的源代码所编译而成）操作系统下创建Xen虚拟机的实例。
1.以Xen的内核运行CentOS
在CentOS启动时选择Xen内核启动，如图1所示。
2.创建Xen虚拟机
Xen虚拟机可以通过图形方式创建，也可以通过字符方式创建。字符方式使用命令xm，可以直接键入xm查看输出的命令参数信息。通过图形方式创建比较直观简便，如图2所示，单击“虚拟系统管理器”打开虚拟机管理工具。
进入到虚拟系统管理器的界面，默认会显示一个ID为0的节点，又叫做Domain0，当前状态是“运行中”。这个节点就是安装了CentOS的物理服务器，通过管理界面可以看到物理节点拥有的CPU和内存数量。在管理界面的下方还有“删除”、“新建”、“打开”等几个按钮，单击其中的“新建”按钮即可进入Xen虚拟机的创建向导，即创建新的domain。
在创建新虚拟机向导中单击“前进”按钮继续，在“名称”栏中输入要创建的domain的名字，例如vm01（这个名字可以任意选择），如图4所示。
按照创建新虚拟机向导指引就可一步步完成一台计算机的“硬件”选取与安装，包括磁盘、内存、网络等。
创建完成后，检查一下前面各项参数，如果无误就可单击“完成”按钮，退出创建新虚拟机向导并启动操作系统安装程序。安装程序将依次检查各个参数是否正确，包括安装源（这里以通过“CD-ROM”安装XP为例）能否被调用到、磁盘空间是否足够、内存是否足够等，如果没有问题则启动该虚拟机（domain）的控制台。于是熟悉的XP操作系统安装界面就出现了，如图5所示。其安装过程和在物理机上的安装过程一样，此处不再详述。
四、结论
利用虚拟机技术可以“扩建”现有的计算机房，创建多操作系统的实践教学环境，承担传统的实践教学平台难以完成的实操训练任务。虚拟机技术在计算机实践教学中的深入应用不但提高了教学效率，节省了经费，更为提高教学质量提供了新的辅助教学手段。
参考文献：
[1]李学杰,金志刚,戴居丰.虚拟技术研究和实现[J].电子测量技术,2007,(30).
[2]刘爱军,耿国华.基于X86的虚拟机技术现状、发展及展望[J].计算机技术与发展,2007,(11).
[3] 怀进鹏,李沁,胡春明.基于虚拟机的虚拟计算环境研究与设计[J].软件学报,2007,(18).
[4] 金海,等.计算系统虚拟化——原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2008.
（责任编辑：王祝萍）
关键词：实践教学；虚拟机；Vmware；Xen
作者简介：卫耀军（1971-），男，河南洛阳人，湖北工业大学工程硕士，（湖北武汉430068）西安电力高等专科学校，高级工程师；张亮（1982-），男，江苏海门人，西安电力高等专科学校，讲师。（陕西西安710032）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）10-0112-02
随着我国高等教育规模的不断扩大，计算机类实验实训设备由于数量上的不足导致设备过度使用而不能及时得到必要的维护，加上计算机新技术层出不穷、发展迅速，设备淘汰更新速度非常快等原因，使得各高校在计算机类实验实训设备的场地和经费投入上都明显不足，严重制约了各工科类专业特别是计算机类专业教育质量的提高。在诸如计算机软硬件基础、Linux/UNIX操作系统、计算机网络技术、网站建设与维护这些实践性要求比较强的计算机类课程教学过程中，经常会遇到软件与硬件系统不兼容、安装调试不同类型操作系统会破坏原系统且操作系统间不能随意切换、硬件系统配置和软件调试会影响系统的正常运行等诸多难题。如何在场地和经费投入都得不到充分保障的情况下，更加有效地利用现有设备，通过不断改进和完善实践教学方法、教学形式和教学内容，培养出满足社会需要的基本素质好、应用能力强和具有创新精神的专业人才已经成为各高校教师面临的重要课题。计算机实践教学中引入虚拟机（Virtual machine）技术将可在一定程度上解决这一难题。
一、虚拟机技术简介
虚拟机技术通过在现有计算机平台上添加一层虚拟机监控程序（Virtual Machine Monitor，简称VMM）或监管程序（Hypervisor）实现对计算机硬件系统的虚拟化，如虚拟处理器、虚拟内存管理器（MMU）和虚拟I/O系统等。从应用程序的角度看，程序运行在虚拟机上同运行在其对应的实体计算机上一样。虚拟机技术使得一台物理计算机可以生成多个不同的虚拟机，分别运行多个不同或相同的操作系统。
根据虚拟机架构的不同和是否需要修改客户机操作系统内核，虚拟机技术分为完全虚拟化（Full-virtualization）和泛虚拟化（Para-virtualization）两种。采用完全虚拟化的VMM可以让虚拟机模拟出和真实硬件完全相同的硬件环境，因此任何已有的操作系统都可以不经修改直接运行在完全虚拟化的VMM上。因此具有很好的兼容性和同时支持异种操作系统或不同版本操作系统的能力，但是以牺牲性能为代价。相反，泛虚拟化通过需要修改客户机操作系统内核提升了虚拟机的性能，但由于需要修改操作系统内核，不开源的操作系统就无法运行在泛虚拟化的VMM上，所以兼容性不够好。
二、虚拟机在计算机实践教学中的应用
目前，在各高校计算机房，特别是公共机房的计算机中大都装有各类软硬件保护卡或还原卡，目的是防止学生对计算机系统进行随意修改，破坏使用环境，以减少机房管理人员的维护工作量。在不增加任何硬件成本的情况下，要想“突破”保护卡或还原卡的限制，以解决类似Linux操作系统这样一些需要经常对计算机系统进行“写”操作课程的实验和实训问题，唯有使用虚拟机技术。
1.计算机系统维护实验
由于虚拟机中的一块硬盘仅对应于真实主机上的一个文件，在虚拟机中对硬盘的任何操作都不会破坏真实的硬盘分区和数据，因此在虚拟机下可以放心地进行诸如磁盘分区、格式化等破坏性比较大的危险操作。同样，在虚拟机下也可进行诸如BIOS设置、网卡等基本硬件添加删除之类的系统维护实验。
2.计算机操作系统安装、维护实验
在Windows/Linux操作系统的教学中要涉及到系统安装、系统设置及网络服务配置等操作，其中有几个比较危险的实验操作在真正的物理计算机上来实现有一定的难度和不现实性，如系统安装、硬盘配额、文件系统的创建与使用、系统启动模式设置和网络服务配置等，这些操作会改变甚至可能破坏计算机系统，使计算机无法正常工作。对于初学的学生而言，做此类实验时更容易造成对计算机系统的破坏，这都严重影响到教学效果。采用虚拟机技术后这些问题将得到很好解决，同时也提高了教学质量和学生的学习效率。另外，在虚拟机上的操作有实际操作无法相比的优势。
3.动态磁盘管理实验
动态磁盘中有简单卷、跨区卷、带区卷、镜像卷和RAID-5卷，而除简单卷外，跨区卷、带区卷、镜像卷的创建都至少需要两块物理磁盘，RAID-5卷至少需要三块磁盘。如果教师在上课时只讲解这五种卷的原理，不在课堂上演示它们的创建、恢复等操作，更不让学生进行相应实操实验的话，其教学效果将大打折扣。在虚拟机下可以不费吹灰之力就轻而易举地为系统添加多块硬盘，一切操作都可以随时随地进行，将会极大地提高学生的学习兴趣。
4.计算机局域网实验
计算机局域网实验不但需要多台计算机，而且还需用到集线器或局域网交换机。通过虚拟机技术，可以在一台计算机上虚拟出多个虚拟机，进而实现在单台计算机上组建局域网环境。这样每个学生在一台计算机上就可以进行各种局域网实验。在此环境下，学生可以放心进行各种操作，产生更好的实验效果。
三、常用虚拟机软件及应用实例
VMware和Xen是目前最具代表性的两种虚拟机软件。目前，Vmware無疑是商业虚拟机软件领域当之无愧的领头羊，在虚拟机软件市场上占有很大的份额。但在开源领域，一个叫做Xen的GNU GPL变体在众多开源虚拟机软件项目中脱颖而出。它是英国剑桥大学计算机实验室开发的一个基于X86架构、发展最快、性能最稳定、占用资源最少的开源虚拟化技术，与Linux是一个完美的开源组合，以高性能、占用资源少著称。
Vmware是一个标准的完全虚拟化产品，可以完全模拟出X86架构的真实硬件环境，在本地运行多个操作系统，但是这样做也使得它的性能降低了20%。即便是当今高端CPU的速度，在同时运行多个操作系统时Vmware虚拟机的性能也是一个很大的问题。
而Xen从一开始就是一个支持泛虚拟化（在Xen中称为“半虚拟化”）的虚拟机软件，只需对客户机操作系统内核稍作改动就可使用Xen API（应用程序接口），性能损失大约在2%～8%之间。从Xen和VMware的运行基准显示，Xen性能在某些方面几乎要高一个级别。而且从3.0版本开始，Xen也提供了对完全虚拟化的支持，当然这需要有完全虚拟化技术的CPU硬件支持（Inte VT或AMD VT），这使得Xen有了更为广阔的使用空间。因此Xen赢得了包括IBM、AMD、HP、Red Hat和Novell在内的众多世界级软硬件厂商的高度认可和大力支持，如在Redhat Enterprise Linux 自5.0版本起，内核版本提升到了2.6.18，正式提供了对Xen虚拟化技术的支持。下面介绍一下在CentOS 5.6（CentOS是Linux发行版之一，它来自于Red Hat Enterprise Linux依照开放源代码规定释出的源代码所编译而成）操作系统下创建Xen虚拟机的实例。
1.以Xen的内核运行CentOS
在CentOS启动时选择Xen内核启动，如图1所示。
2.创建Xen虚拟机
Xen虚拟机可以通过图形方式创建，也可以通过字符方式创建。字符方式使用命令xm，可以直接键入xm查看输出的命令参数信息。通过图形方式创建比较直观简便，如图2所示，单击“虚拟系统管理器”打开虚拟机管理工具。
进入到虚拟系统管理器的界面，默认会显示一个ID为0的节点，又叫做Domain0，当前状态是“运行中”。这个节点就是安装了CentOS的物理服务器，通过管理界面可以看到物理节点拥有的CPU和内存数量。在管理界面的下方还有“删除”、“新建”、“打开”等几个按钮，单击其中的“新建”按钮即可进入Xen虚拟机的创建向导，即创建新的domain。
在创建新虚拟机向导中单击“前进”按钮继续，在“名称”栏中输入要创建的domain的名字，例如vm01（这个名字可以任意选择），如图4所示。
按照创建新虚拟机向导指引就可一步步完成一台计算机的“硬件”选取与安装，包括磁盘、内存、网络等。
创建完成后，检查一下前面各项参数，如果无误就可单击“完成”按钮，退出创建新虚拟机向导并启动操作系统安装程序。安装程序将依次检查各个参数是否正确，包括安装源（这里以通过“CD-ROM”安装XP为例）能否被调用到、磁盘空间是否足够、内存是否足够等，如果没有问题则启动该虚拟机（domain）的控制台。于是熟悉的XP操作系统安装界面就出现了，如图5所示。其安装过程和在物理机上的安装过程一样，此处不再详述。
四、结论
利用虚拟机技术可以“扩建”现有的计算机房，创建多操作系统的实践教学环境，承担传统的实践教学平台难以完成的实操训练任务。虚拟机技术在计算机实践教学中的深入应用不但提高了教学效率，节省了经费，更为提高教学质量提供了新的辅助教学手段。
参考文献：
[1]李学杰,金志刚,戴居丰.虚拟技术研究和实现[J].电子测量技术,2007,(30).
[2]刘爱军,耿国华.基于X86的虚拟机技术现状、发展及展望[J].计算机技术与发展,2007,(11).
[3] 怀进鹏,李沁,胡春明.基于虚拟机的虚拟计算环境研究与设计[J].软件学报,2007,(18).
[4] 金海,等.计算系统虚拟化——原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2008.
（责任编辑：王祝萍）