利用操作系统虚拟化技术构建虚拟网络实验平台.pdf

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1、电子与计算机技术J0urn a0 fWuhanPoy1echnlc利用操作系统虚拟化技术构建虚拟网络实验平台张震，刘昭斌，姒茂新(苏州市职业大学计算机工程系江苏苏州，2 1 5 1 0 4)摘要：高校网络实践教学受到实验资源及教学条件的限制，传统的实验手段已无法满足教学发展的需要，建设虚拟实验平台是网络实验教学改革的新趋势。在教学过程中，利用操作系统虚拟化技术构建了一个虚拟网络实验平台，给出了这种构建方法的实现细节。关键词：操作系统虚拟化；虚拟实验平台；O p e n V Z一、引言中图分类号：T I Y 3 9 3 0 1文献标识码：A文章编号：1 6 7 1 9 3 1 X(2 0 1 0

2、)0 1-0 0 5 7-0 4实验实训是高职网络技术类课程教学中非常重要和有效的教学形式，然而目前一些高职院校在教学过程中却存在一些问题。第一，办学过程中往往受到设备经费投入限制，无法在实验设备的种类、性能和台套数上完全满足网络实践教学的需要。第二，为了便于实验设备的管理和维护，通过硬盘还原卡等技术手段进行管理，限制了学生的操作权限，导致部分实验无法正常进行。第三，学生在实验时动手能力存在差距，而实验进程在下课时即告终止，设置的参数、配置的服务立即丢失，实验的连续性不强。第四，实验课时安排不充足，专业实验室课余开放程度低、时间短，学生动手实践的时间得不到保证。传统的实验手段已无法满足高职网络

3、课程实践教学发展的需要，建设虚拟实验平台成为网络实践教学改革的新趋势。经过长期的网络实践教学改革摸索，我们认为通过计算机虚拟技术构建虚拟实验环境对于计算机网络实践教学可以起到事半功倍的作用，并综合多种虚拟技术构建了一个切实可行的虚拟网络实验环境。本文将介绍在该实验环境的建设实施中，如何利用操作系统虚拟化技术构建一个功能全面，成本低廉，管理方便的远程虚拟网络实验平台。利用该平台，学生可以远程登录进行基于L i n u x 的网络服务配置、L A M P 网站开发、C C+J A V A 程序设计等实验项目。二、操作系统虚拟化技术介绍计算机虚拟化技术为上世纪6 0 年代I B M 公司所提出，其允

4、许用户在一台主机上运行多个操作系统，以使昂贵的M 4 4 4 4 X 大型主机的计算资源能够被充分地使用。目前，虚拟化技术得到了飞速发展，形成众多分支，包括服务器虚拟化、网络虚拟化、存储虚拟化、内存虚拟化、操作系统虚拟化、数据中心虚拟化等，每种虚拟化都有其对应的方案和技术，可以协助企业在有限的空间内。最小的硬件支出成本情况下获得较大的收益，虚拟化技术作为企业未来发展的重点技术已经成为趋势。操作系统虚拟化的概念基于共用操作系统内核，这种技术在操作系统本身之上实现服务器的虚拟化，通过对操作系统的内核进行一些修改，为用户和应用提供一个貌似独立，其实共享的操作环境。从而达到了其他虚拟机技术无法比拟的高

5、性能、高效率和高密度。通过这种方式虚拟出的服务器，被称为虚拟专用服务器(V P S)或虚拟环境(V E)，虚拟环境之间相互独立，相互隔离，每个虚拟环境拥有各自独立的进程、操作系统用户、文件系统、路由表和系统配置文件，可以像在物收稿日期：2 0 0 9-0 9 一1 1基金项目：江苏省高教学会高职教育研究项目“高职院校网络教学资源建设与共享机制研究”(项目编号：2 0 0 7 1 1 4)。作者简介：张震(1 9 7 6 一)，男，江苏苏州人本科，1=程师。苏州市职业大学计算机工程系讲师，研究方向：网络系统集成；刘昭斌(1 9 6 5 一)，男，山东荣成人，苏州市职业大学计算机工程系副教授，硕士

6、，研究方向：教育资源共享与智能信息处理；姒茂新(1 9 6 0 一)，男，浙江绍兴人，苏州市职业大学计算机工程系副教授，研究方向：网络安全，虚拟技术，网络操作系统。武汉职业技术学院学报二OO年第九卷第一期一总第四十四期一 万方数据电子与计算机技术E l e c t r o n i ca n dC o m p u t e rT e c h n o l o g y理服务器上一样安装应用程序或系统软件，见图1。该技术的主要限制在于其只支持单个操作系统，不支持在一台物理服务器实现多种操作系统。操作系统虚拟化技术的代表是S W s o f t 公司的V i r t u o z z oL i n u x

7、W i n d o w s 及其开源O p e n V Z 项目、S u n 公司的S o l a r i sC o n t a i n e r，F r e e B S D 的J a i l，以及H P 的v P a r。图1操作系统虚拟化买现虚拟环境的隔离O p e n V Z 是基于L i n u x 平台的操作系统级服务器虚拟化解决方案，由内核、工具程序及操作系统模板等二部分组成：1 内核。O p e n V Z 为R e d h a tL i n u x 企业版(R H E L 4 5，C e n t O$4 5 等)、F e d o r aC o r e5 和S U S E1 0 等

8、提供预建内核套件。2 丁具程序。O p e n V Z 提供丰富的工具程序以创建、监控和管理V P S、软件包和操作系统模板，并支持动态资源分配、系统快照和热迁移等功能。3 操作系统模板。，模板定义了一个L i n u x 发行版的元数据的集合，O p e n V Z 提供C e n t o s、F e d o r a、I)e b i a n 等发行版的预建模板，利用操作系统模板可快速简便地创建V P S，创建并启动一台V P S 只要不到两分钟的时间。O p e n V Z 作过测试，在一个R A M 为7 6 8 M B 的单核奔腾4 处钾器|二可以运行高达1 2 0 台V P S，在R

9、A M 为2 G B 的单核奔腾4 处理器上可以运行高达3 2 0 台V P S。每台V P S 是一台独直的虚拟机器，拥有自己的管理员(根用户)、用户(系统和用户帐户)、用户磁柱配额、服务及软件。三、操作系统虚拟化技术在网络技术实践教学中的应用目前很多高职院校在开展网络技术实验教学时，已经较多地运用虚拟化技术，其中最常用的是采用V m w a r eW o r k s t a t i o n 虚拟机软件，该方式也是我校实现虚拟网络实验平台的丰要方式。采用V m w a r e 技术构建虚拟实验平台的基本步骤为，先在实验窒的每台计算机上安装V M w a r eW o r k s t a t

10、i o n，然后在该软件下模拟出若干台虚拟机。每一台虚拟机都被创建了一整套模拟的计算机硬件环境。在每一个虚拟机里都必须独立地安装操作系统、应用程序，所有的操作郁不会对真实丰机的数据造成影响和破坏，并且这种方式支持在虚拟机罩安装多种不f 司的操作系统，可以满足大多数的计算机课程实验的需要。但是采用这种方法每个虚拟机运行时会有1 0 一2 0 的性能损耗，H 对于物理机的硬件特别是内存容量、C P U 速度要求较高，当在一台物理机上同时运行多个虚拟机时，感觉尤为明显。采用V m w a r e 技术解决了前述高职网络课程实验存在的部分|、J 题，然而在保证学生拥有个性化的实验环境、足够的实验时间方

11、而仍无法解决。在我校虚拟网络实验环境建设过程中，我们利用操作系统虚拟化技术O p e n V Z 实现r 一个远程虚拟网络实验平台，借助一台丰流的实体服务器，可以创建数十甚至上百个虚拟环境，提供给学生一个与使用物理服务器基本没胄区别的实验环境，每个学生拥有一个属于自己的廓拟服务器，可不受限制随时随地登录到自己的虚拟服务器进行实验，有利于进一步提高学生的动手能力，凋动学生的实践热情，从而增强实验效果。四、远程虚拟网络实验平台的搭建现以我校远程虚拟网络实验平台项同为例，阐述具体的搭建过程。(一)实验平台服务器软硬件配置服务器硬件配置需满足下列条件：I n t e lC e l e r o n 以上

12、X 8 6C P U、A M D 6 4、h a n i u m(I A 6 4)、P o w e r P C、U l t r a S P A R C 等各类C P U，1 2 8 M B 以上内存，4 G B 以I：空余磁盘空间。本项目采用浪潮N F 2 8 0 服务器(C P UX E O N2 8 G 2 内存1 G 硬盘7 3(；。2)作为实验平台服务器，安装C e n t O S 操作系统，核心为2 6 1 8，对服务器的网络参数进行正确配置，保证安装过程巾与I n t e r n e t 的连通。(二)搭建步骤1 准备y u m 环境，更新y u m 模板。【r o o t r e

13、 m o t e-l a b-s e r v e r 一】#(：d e t c y u m r e p o R r I?【r o o t C a h e m o t e-l a b-s e r v e r-#w g e th t t p：d o w n l o a d O p e n V Z o r g O p e n V Z r e p o2 安装O p e n V Z 核心。r o o t r e m o t e l a b s e r v e r l#y u mi n s t a l lo v z k e r n e l3 修改g r u b 启动环境。O p e n V Z 内核安装完

14、毕后，会自动修改启动文件，将O p e n V Z 内核作为系统启动内核。为显示更为直观，此处可以将肩动项标题t i t l eC e n t O S(2 6 1 8 1 2 8 2 1 e 1 5 0 2 8 s t a b 0 6 4 4)改为t i t l eC e n t O S _ O p e n V Z(2 6 1 8 1 2 8 2 1 e 1 5 0 2 8 s t a b 0 6 4 4、【r o o t(o h-e m o t e-l a b-s e w e r 一】#v i b o o f f g r u b m e n u I s t4 修改核心模组文件s y s c

15、t l(：o n f，参考如下设置。r o o t r e m o t e-l a b-s e r v e r pv i e t e s y s c t l c o n(n e t i p v 4 i p _ f o r w a r d=1n e t i p v 4 e o n f d e f a u h p r o x y _ a r p20n e t i p v 4 e o n f a 1 1 r p _ f i l t e r=lk e r n e l s y s r q51n e t i p v 4 c o n f d e f a u l t s e n d r e d i r e c

16、 t s=1n e t i p v 4 e o n f a 1 1 s e n d r e d i r e c t s=05 重肩服务器，系统将以O p e n V Z 核心启动。安装O p e n V Z 主要控制软件，并启动O p e n V Z 服务。【r o o t C a h e m o t e-l a b-s e r v e r 一#r e b o o t【r o o t r e m o t e-l a b-s e r v e r-#y u mi n s t a l lv z c t lv z q u o t a【r o o t r e m o t e-l a b-s e r v

17、e r 一#s e r v i c eV Zs t a r t6 根据实验课程的需要，下载O p e n V Z 的f e d o r a l 0预没模板，放置于v z t e m p l a t e c a c h e 目录，将以此来建立虚拟机。张震，刘昭斌。姒茂新：利用操作系统虚拟化技术构建虚拟网络实验平台武汉职业技术学院学报二0一O年第九卷第一期一总第四十四期一 万方数据【r o o t r e m o t e l a b s e r v e r 一脚d v z t e m p l a t e e a c h ef r o o t r e m o t e-l a b s e r v e

18、r-#w g e th t t p：d o w n l o a d O p e n V Z o r g t e m p l a t e p r e c r e a t e d f e d o r a-1 0-x 8 6 t a r g z z如果希望实验平台中安装有a p a c h e、m y s q l、p h p、g c c 等，也可以自行创建操作系统模板，用于建立虚拟机。7 以f e d o r a l O 模板来创建第一个虚拟环境(V Eo r o o t r e m o t e-l a b s e r v e r-#v z c t lc r e a t e3 3 2 0 1-O S

19、。t e m p l a t ef e d o r a-1 0-x 8 6其中3 3 2 0 1 是V E I D，每个虚拟环境的V E I D 必须唯一，其中0 是H W 使用的，1 1 0 0 为系统保留，因此V EI D 应大于1 0 0，为便于管理，此处V E I D 为本虚拟环境I P 地址1 7 2 1 8 3 3 2 0 1 后两段的组合，o s t e m p l a t e指定用于生成V E 的系统模版，必须是已经安装并已经缓存好的。如希望该V E 随宿主系统自动启动，可通过命令【r o o t r e m o t e-l a b s e r v e r 一#v z c t

20、ls e t3 3 2 0 1 一-o n b o o ty e s 一一s a V e设置本虚拟环境的I P 地址、主机名、D N S 服务器地址，可通过如下命令【r o o t r e m o t e-l a b-s e r v e r l#v z c t ls e t3 3 2 0 1 一一i p a d d1 7 2 1 8 3 3 2 0 1-h o s t n a m er e m o t e _ n e t l a b l j s s v c e d u c a-n a m e s e r v e r1 7 2 1 8 0 1 0-n a m e s e r v e r6 1 1

21、 7 7 7 1-S a v e设置该V E 的用户名和口令，可通过命令 r o o t r e m o t e-l a b s e r v e r-#v z c ds e t3 3 2 0 1 一一u s e r-p a s s w dr o o t：1 2 3 1 2 3启动创建的虚拟环境，可通过命令 r o o t r e m o t e-l a b s e r v e r-#v z c f ls t a r t3 3 2 0 1至此，一个虚拟环境就创建完成。(三)利用远程虚拟网络实验平台进行实验当虚拟实验平台实体服务器运行后，V E I D 为3 3 2 0 1 的虚拟环境亦同时启动，

22、等待用户登录。此时，参加实验的学生可以通过S e c u r e C R T、P u m r 等W i n d o w s平台下的S S H 工具，以r o o t 身份登录到虚拟环境，操作界面、拥有的权限与物理服务器上的操作毫无差别，可以配置各种服务，安装各类软件，由于虚拟环境是运行于远端的实验平台服务器上的，因此学生可以不受时间、空问限制登录虚拟环境进行实验。图2 为登录后的操作界面。图2 以r o o t 登录后的操作界面电子与计算机技术E l e c t r o n i ca n dC o m p u t e rT e c h n o l o g y(四)远程虚拟网络实验平台的管理实验

23、平台的管理可以南实验指导教师远程登录平台实体服务器，通过命令行直接执行虚拟环境的创建、停止、撤销等命令，也可以通过编写一系列S H E L I 来实现集中部署和管理。下例为编写一个S H E L L 来根据输入的数量批量部署虚拟环境。v e i d s t a r t=3 3 2 0 lc o u n t=1l e ti p s t a r t=2 0 1e c h oe c h o-苏州市职业大学远程虚拟网络实验平台=e c h oI _实验环境配置界面=e c h o r e a d P”请输入需创建的虚拟环境数量：”V P S n u mi ff($V P S n u m =l&$V P

24、 S n u m =1 0 0)；t h e nf o r(v e i d=$v e i d s t a r t；v e i d ($v e i d s t a r t+S V P S n u m)；v e i d+，c o u n t+)；d ol e tV P S i p a d d=$i p s t a r t+$c o u n tv z c t lc r e a t e$v e i d 一一o s t e m p l a t e”f e d o m 一1 0-x 8 6”v z c dg t a r tS v e i dv z c t ls e t$v e i d 一一i p a d

25、d1 7 2 1 8 3 3$V P S i p a d d-h o s t-n a m er e m o t e n e d a b”$c o u n t j s s v c e d u c n 一一n a m e s e r v e r1 7 2 1 8 0 1 0 一一s a v ev z c t ls e t$v e i d 一一u s e r p a s s w dr o o t：1 2 31 2 3 一一s a v ed o n ee c h o。=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=e c h on$V P S n u m 个虚拟环境成功创建”e c h o=：=：=：=：=

26、：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：=：v z l i s t ae l s ee c h o”s o r r y y o us h o u de n t e rt h en u m b e rb e t w e e n1a n d1 0 0”f i在经过一段时间的实验后，如学生对实验环境进行了各种配置操作，安装测试了多种软件，导致系统文件错误或系统稳定性降低等情况时，系统管理员可以停止、撤销该虚拟环境，并进行重建，以恢复干净的实验环境。【r o o t r e m o t e l a b s e r v e r 一#v

27、 z c t ls t o p3 3 2 0 1 r o o t r e m o t e-l a b-s e r v e r-#v z e t ld e s t r o y3 3 2 0 1五、结束语对比其他一些虚拟实验环境，以操作系统虚拟化技术创建的远程虚拟网络实验平台具有显著的优势，是高职网络实践教学改革的有益尝试，具有推广意义，具体表现为：1 能够提供完全真实的操作环境，功能全面，实验不受空间、时间限制。学生可自由地在机房、宿舍甚至校园草坪上，以任意配置的计算机通过S S H 软件登录该平台进行实验。在校外，学生也可通过V P N 接入校园网登录实验平台。2 实验平台建设软硬件成本低。软

28、件方面全部使张震，刘昭斌姒茂新：利用操作系统虚拟化技术构建虚拟网络实验平台武汉职业技术学院学报二OO年第九卷第一期一总第四十四期v 万方数据电子与计算机技术E l e c t r o n i ca n dC o m p u t e rT e c h n o l o g y用开源软件，硬件方面只需使用一台物理服务器即可，对于一些拥有老服务器的高校而言，也可以利用老服务器来实现虚拟网络实验平台，做到物尽其用，充分发挥设备的使用效能。3 性能优越，与使用独立的物理服务器相比，仅有1 一3 的性能损耗。一台O p e n V Z 虚拟环境只是一套运行在类似c h r o o t 环境中的程序，它仅消耗

29、运行这些程序所需要的C P U 和内存。一台运行W e b 的V P S(如A p a c h eW e b 服务器、S s h d、S e n d m a i l 和s y s l o g d)大约只有1 0 个程序。4 所有虚拟实验环境均是独立的，隔离的，一台虚拟环境出现故障不会影响到物瑚服务器系统及其它虚拟环境。实验指导教师可以直接针对故障虚拟环境进行重新部署，实验管理较为方便。5 可以服务于计算机相关专业的多门课程，如L i n u x 网络操作系统，A p a c h e 十m y s q l+p h p 网站开发、L i n u x 平台c 语言程序设计、J A V A 语言开发、

30、S h e l l 编程、嵌入式系统开发等。参考文献：1 徐红，刘羽计算机专业虚拟实验教学环境的改革与实践 J 实验技术与管理，2 0 0 9，(2)：9 0 9 2 2 刘昭斌，刘文芝，李金祥高职院校网络教学资源建设与共享的现状及实施 J 苏州市职业大学学报，2 0 0 8，(2)：1 1 5-1 1 8 3 廖勇，琚生根，周刚，等高校计算机专业实验室建设探讨 J 实验技术与管理，2 0 0 9，(5)：1 4 7 1 4 9 4 王太成，蔡勇利用虚拟机技术完成复杂网络实验 J 计算机技术与发展，2 0 0 9，(4)：2 4 6 2 4 9 5 刘昌华，丰洪才多元化多业务网络工程实验室的建

31、设与规划 J 武汉职业技术学院学报，2 0 0 9，(1)：8 0-8 2 6 徐红，刘羽，王林网络虚拟实验室建设的研究 J 实验科学与技术，2 0 0 7，(4)：1 3 2 1 4 7 7 阮越L i n u x 教学实验系统的一种构建方法 J 计算机技术与发展，2 0 0 9，(3)：2 2 7 2 3 4【责任编辑：刘骋】B u i l d i n gaV i r t u a lN e t w o r kL a bP l a t f o r mU s i n gO p e r a t i o nS y s t e mV i r t u a l i z a t i o nT e c h

32、n o l o g yZ H A N GZ h e n，L I UZ h a o-b i n，S IM a o-x i n(D e p a r t m e n to fC o m p u t e rE n g i n e e r i n g，S u z h o uV o c a t i o n a lU n i v e r s i t y，S u z h o u 2 1 5 1 0 4，C h i n a)A b s t r a c t：W i t hl i m i t e de x p e r i m e n t a lr e s o u r c ea n de x p e r i m e

33、n t a lt e a c h i n gc o n d i t i o n，t h et r a d i t i o n a le x p e r i m e n tm e t h o d sc a n n o ts a t i s f yt h ed e v e l o p m e n to ft e a c h i n g T h ec o n s t r u c t i o no ft h ev i r t u a le x p e r i m e n tp l a t f o r mw i l lb et h en e wb e n do fn e t w o r ke x p e

34、 r i m e n tr e f o r m I nt h i sp a p e r,w eb u i l dav i r t u a ln e t w o r kl a bp l a t f o r mu s i n gt h et e c h n o l o g yo fo p e r a t i o ns y s t e mv i r t u a l i z a t i o nd u r i n gt h et e a c h i n g T h ea r t i c l ed e s c r i b e st h ed e t a i l so fm e t h o d s K e

35、yw o r d s：v i r t u a l i z a t i o n；O S l e v e lv i r t u a l i z a t i o n；n e t w o r ke x p e r i m e n t a lt e a c h i n g；v i r t u a ll a bp l a t f o r m；0 p e n V Z张震，刘昭斌，姒茂新：利用操作系统虚拟化技术构建虚拟网络实验平台_武汉职业技术学院学报二。一。年第九卷第一期一总第四十四期一 万方数据利用操作系统虚拟化技术构建虚拟网络实验平台利用操作系统虚拟化技术构建虚拟网络实验平台作者：张震，刘昭斌，姒茂新作

36、者单位：苏州市职业大学,计算机工程系,江苏,苏州,215104刊名：武汉职业技术学院学报英文刊名：JOURNAL OF WUHAN INSTITUTE OF TECHNOLGOY年，卷(期)：2010,9(1)参考文献(7条)参考文献(7条)1.阮越 Linux教学实验系统的一种构建方法期刊论文-计算机技术与发展 2009(03)2.徐红;刘羽;王林 网络虚拟实验室建设的研究期刊论文-实验科学与技术 2007(04)3.刘昌华;丰洪才 多元化多业务网络工程实验室的建设与规划期刊论文-武汉职业技术学院学报 2009(01)4.王太成;蔡勇 利用虚拟机技术完成复杂网络实验期刊论文-计算机技术与发展 2009(04)5.廖勇;琚生根;周刚 高校计算机专业实验室建设探讨期刊论文-实验技术与管理 2009(05)6.刘昭斌;刘文芝;李金祥 高职院校网络教学资源建设与共享的现状及实施期刊论文-苏州市职业大学学报2008(02)7.徐红;刘羽 计算机专业虚拟实验教学环境的改革与实践期刊论文-实验技术与管理 2009(02)本文链接：http:/