虛擬機技術在計算機網絡課程教學中的應用

摘要：在計算機網絡課程教學中，由于教學和實驗環境原因而影響教學效果。本文根據 網絡教學要求，提出了利用VMware虛擬機技術，在單機上構建網絡環境，進行網絡教學和實驗。解決了網絡教學中存在的問題，并通過具體實例，介紹構建和 擴展實驗教學方法。說明了虛擬機技術在計算機網絡教學中具有經濟、 實用、靈活和易于擴展的特點，可推廣使用。
　　關鍵詞：虛擬機；VMware；網絡教學
　　
　　一、引言
　　
　 　計算機網絡技術是當代發展極快的信息技術，是新世紀人才必須 掌握的基本技能，因此各高校幾乎所有專業都開設《計算機網絡基礎》課程，《計算機網絡基礎》已成為高校公共課程，教學意義十分重大。
　　由于計 算機網絡是一門理論和實踐結合相當密切課程。教學中搭建一個網絡環境，最少需要2臺帶阿卡的計算機和1根交叉網線；如果組建復雜網絡環境，還需要服務器、 工作站、交換機、路由器等設備。教師在講授中，要直觀地向學生展示講授內容和操作過程。對于多媒體教室單機狀況，教師很難做到。而在實踐教學中，又需要大 量的網絡設備，由于經費短缺、網絡技術發展迅速，各院校對實驗設備的更新面臨著重重困難，并且所建網絡實驗室規模較小，實驗中常常是幾人共用一組實驗設 備，不利用于學生獨立完成實驗內容。通用機房，為杜絕學生在計算機上隨意安裝軟件和修改設置，對計算機硬盤采取保護措施，導致網絡課程的大多數實驗都無法 開出，學生動手機會減少，影響教學效果。
　　針對網絡課程在教學中存在的問題，基于虛擬機技術網絡教學架構的設想就應運而生，其思路是通過虛擬 化軟件的輔助，將網絡課程教學中用到的操作系統集中安裝在一臺計算機上，然后模擬出多操作系統連接的效果，在單機上實現多操作系統的聯網，構造出網絡環 境，滿足網絡教學和實踐的需要。
　　
　　二、虛擬機
　　
　　目前流行的虛擬機軟件有Virtual Pc和VMware兩款，它們都能在Windows系統上虛擬出多臺計算機，用于安裝各種版本操作系統，如Windows系列、PS/2等。兩款軟件相比 較，VMware支持Linux操作系統，而VirtualPc 2004以后版本不支持；VMware客戶操作系統直接運行在X86保護模式下，虛擬機運行的環境逼真、性能出色。教學中選用此軟件。
　　
　 　(一)gMware的特點
　　VMware workstation 6.5是一款優秀軟件，在一臺宿主機中可以虛擬出多臺虛擬機。每臺虛擬機不僅有自己的CPU、硬盤、內存等，而且能虛擬出BIOS，可以對BOIS的參數 進行設置，對虛擬硬盤進行分區、格式化、安裝操作系統等，很像一臺真實的計算機。
　　
　　(二)VMware工作模式
　　 YMware提供了虛擬網絡設備VMnet0－9，這些設備相當于交換機，通過這些設備，虛擬機和虛擬機、虛擬機和宿主機就可以組建任意形式的局域網。
　 　虛擬網絡就是各虛擬機、宿主機通過虛擬網卡連接到VMnet0-9中的某個交換機上。而連接的方式有：
　　1、Bridged(橋接)模式
　 　橋接模式組成的網絡在vMware中以VMnet0表示，實際上是宿主機的局域網在虛擬機網絡中的映射，此時的虛擬機相當于直接接入宿主機的網絡。聯網 方法是在虛擬機的網卡的網絡設置中選“Bridged”選項，默認連接到虛擬交換機VMnetO上。
　　2、NAT模式
　　使用 NAT模式建立的網絡默認連接VMnet8子網上。安裝VMware后，宿主機網絡連接里會增加兩塊虛擬網卡Adapter VMnetl和Adapter VMnet8，其中Adapter VMnet8網卡將宿主機與VMnet8子網相連。在這個子網中，VMware不僅提供了DHCP服務，使子網內的機器自動地獲取IP地址，而且還為這個 子網啟用了NAT服務，提供了從VMnet8子網到外網地址轉換，有一個實實在在的NAT服務器在運行。聯網方法是在虛擬機的網卡的網絡設置中選 “NAT”選項，默認連接到虛擬交換機gMnet8上。
　　3、Host-only(僅主機)模式
　　Host-onl y模式建立的網絡默認位于vMn etl子網內，該子網的虛擬機只能與VMnetl網內的虛擬機或宿主機通信，不能與其他虛擬網絡的主機通信，這就是“Host-only”名稱的由來。這 樣隔斷虛擬網絡與宿主機外部網絡連接，建立一個獨立的私有網絡。聯網方法是在虛擬機的網卡的網絡設置中選“Host-only”選項，默認連接到虛擬交換 機VMnetl上。
　　VMware中的三種網絡模式只是方便用戶快速將虛擬機加入宿主機網絡的一種預定義模式，VMware軟件預先設置好三 個虛擬子網，以對應三種基本模式。用戶完全可以通過修改這些網絡的屬性改變它的默認行為。
　　為方便組建虛擬網絡，用戶可以通過 Custom(自定義)模式，選用虛擬設備，添加虛擬網卡等方法，組建用戶要求的局域網。
　　
　　三、網絡實驗的組建
　　
　　教學中常用的網絡模式主要有“對等網網絡模式”、“客戶機/服務器網絡模式”、“有路由器的網絡模式”等。教學前，教師建立實驗所需的虛擬 機和虛擬網絡，然后把這些虛擬機和網絡參數文件放到服務器上共享。這就相當于教師將實驗所需的網絡模板做好，并將它共享給學生。利用教師做好的模板，學生 很快就能在自己的計算機上建立實驗需要的網絡環境，進行實驗。下面通過DHCP服務實驗，說明構建實驗的方法。
　(一)實驗環境的構建
　　要進行DHCP服務實驗，必須組建一個網絡，最簡單網絡需要兩臺計算機，其拓撲結
　　要組建圖1網絡，需要新建兩臺虛擬機或新建一 臺虛擬機，另一臺使用宿主機。為了介紹方便，在此，新建兩臺虛擬機，并使用“Custom”網絡模式組建。過程如下：
　　1、單擊“新建虛擬 機”按鈕，啟動“新建虛擬機向導”，在此向導下，創建兩臺虛擬機：第一臺為wi ndows serv er2003 standard，第二臺為wi ndows xPprofessional。創建中，按向導要求為虛擬機分配內存、創建硬盤等，在網絡連接中，選擇“不使用網絡連接”，完成虛擬機創建。
　　2、打開第一臺虛擬機，不要啟動，單擊“編輯虛擬機設置”，打開“虛擬機設置”對話框，在該對話框上單擊“添加”，打開“添加硬件向導”， 選擇“以太網適配器”。然后單擊“下一步”，選擇“自定義”單選按鈕，并從下拉列表中選擇“VMnet2”變換機，最后，單擊“完成”。并在“虛擬機設 置”對話框上單擊“確定”，為第一臺虛擬機添加以太網適配器，并連接在VMnet2虛擬交換機上。
　　3、打開第二臺虛擬機，不要啟動，用同樣 的方法為第二臺虛擬機添網卡，也連接到交換機VMnet2上。這樣圖1網絡就構造好了。
　　4、接下來為第一臺虛擬機安裝 Windowsserver 2003 standard操作系統，為第二臺虛擬機安裝Windows XP professional操作系統，安裝方法同普通計算機。
　　5、分別為每臺虛機安裝虛機工具。方法是啟動相應虛機，在菜單中選擇“虛機”一 “安裝虛機工具…”進行安裝，安裝完成后，實驗模板就準備好了。
　　實驗模板準備好后，教師將實驗模板保存在共享文件夾中，供教師演示和學生實 驗使用。
　　
　　(二)實驗過程
　　1、建立DHCP服務器
　　1，啟動windows Server 2003虛擬機，為該機指定一個固定IP地址，如192.168.1.1，設置子網掩碼為255.255.255.0，默認網關為 192.168.L.1：
　　2　在Windows Server 2003虛擬機中，安裝DHCP服務。方法是依次打開“開始”→“程序”→“管理工具”→“管理您的服務器”。系統打開“管理您的服務器”，雙擊“添加或 刪除角色”，打開“配置您的服務器向導”。在向導的“服務器角色”窗格中選擇“DHCP服務器”選項，為該機安裝為DHCP服務。
　　3　配置 DHCP作用域。啟動DHCP服務，在“作用域名”對話框中指小該DHCP作用域名稱，在“IP地址范圍”中，根據實驗要求設置該作用域用于分配的地址范 圍(地址池)、子網掩碼、排除地址和租約期限。完成后，配置“DHCP選項”，如：默認網關、DNS服務器及WINS服務器等，最后激活該作用域。
　 　2、配置DHCP客戶端
　　啟動Windows XP professional虛擬機。啟動后，將其IP地址設置為自動獲取。
　 　3、測試DHCP服務
　　在Wi ndows XP professional虛擬機中，執行“開始”→“運行”，在窗口中輸入“CMD”，進入命令窗口。在命令提示符質運行ping DHCP服務器地址(如：192.168.1.1)，榆裔網絡連通性，然后，運行ipconfig/release釋放原IP地址，運行ipconfig /Fenew重新獲得TP地址進行驗證。實驗中，通過多次更改DHCP服務器地址池及其選項，重新獲取IP地址，結糶表列：每次獲取IP地址及其選項。都 符合DHCP服務器的設置。
　　4、實驗內容擴展
　　在上述實驗基礎上，利用虛擬機克隆功能，將Windows xP professional機器克隆臺。啟動克隆厲的虛擬機，更改機器名稱，使用兩臺客戶機同時測試，并擴充測試“保留IP地址”、“用戶類別”、“類選 項”等內容。
　　為DH服務器再添加一塊王卡，此網卡與另一個子網相連，并將其中一臺客戶機改接到此子網中或再添加一臺虛擬機連接到此子網，利 刑擴展后的潮絡，進行多宿主DHCP服務器配置和測試等。
　　
　　四、結束語
　　
　　虛擬機技術應用于網絡教學 中不但投資少，而且方便靈活，易于構建實驗環境、便于擴充實驗內容。幫助學生和教師在普通計算機上構建網絡環境，完成實驗項目。彌補真實實驗室的局限性。 由于VMware不能模擬復雜的交換機和路由器，如將VMware和Dynamips軟件結合起來，利用Dvnamips軟什模擬CISCO交換機和蹄由 器，構造出各種復雜網絡環境[3]，不僅能滿足網絡基礎課程而且能滿足網絡專業課程教學要求，可推廣使用。