虚拟化技术在中职计算机实验中的应用研究

张进岳

(集美工业学校 福建 厦门 361022)

0 引言

中职计算机实验注重学生的实践能力培养,通常采用实验相结合的方式,即教师先讲解实验操作流程,然后辅导学生逐步完成操作,让学生掌握实验操作的技能。中职计算机实验的实验科目多、实验量大,有大量的专业实验需要考虑。但中职实验还面临着很多实际问题,比如实验设备老化和不足、实验环境不够安全等[1],采用虚拟化技术可以有效缓解这些问题。

虚拟化技术可以将同一设备虚拟出多个独立的操作系统环境,实现资源共享。通过虚拟化技术也可以在同一台设备上安全地进行多个实验[2],在中职校园都可以方便地进行管理,同时避免实验以及学习过程中的安全问题。因此,虚拟化技术可以在节省实验设备成本的同时,提高实验的灵活性和效率,并且提高学生的实验体验和能力。

虚拟化技术在实验中的应用不仅能够解决实验成功的问题,同时具有更多的优势。虚拟化技术模拟的整个实验过程更加科学和规范,避免了实物过程中存在的安全隐患,提高了实验质量和安全性[3]。虚拟化技术还能够为学生在实验过程中提供更高水平的实验体验,增强学生的学习动力和学习兴趣。

1 虚拟化技术概述

虚拟化技术是指将一台或多台计算机或其他设备的功能、资源、接口等虚拟化,利用虚拟化层所提供的抽象层接口,使用户可以在所有接口、特性和资源的帮助下,通过与虚拟层(软件层)进行交互,从而达到将一台或多台计算机、服务器等设备变成多台虚拟计算机、虚拟服务器等设备的目的[4]。虚拟化技术的出现可以充分利用计算、存储和网络等资源,提高设备的使用效率,提高设备的安全性和可靠性,提升应用系统的可移植性,降低应用系统的成本。

2 虚拟化技术在中职计算机实验中的应用场景

虚拟化技术可以将一台计算机分为多个虚拟硬件环境,每个环境可以模拟不同的操作系统和硬件环境,以达到节省资源、降低成本、提高效率等优点。虚拟化技术在中职计算机实验中的应用场景包括:

(1)虚拟化技术在实验环境中的应用

计算机实验需要丰富的实验环境和操作体验,使用虚拟化技术可以帮助学生快速搭建实验环境,避免了实验环境不统一带来的难题。比如,VMware等[5]虚拟软件可以将不同操作系统的环境在同一台计算机上模拟出来,学生可以快速地切换环境,实验不同的应用,从而帮助学生更好地理解理论知识,开拓视野。

(2)虚拟化技术对计算机安全的保护

在计算机实验中,虚拟化技术可以对计算机病毒和漏洞进行防护和控制。计算机实验中,学生容易在操作中不慎感染病毒,虚拟化技术能够帮助远程回收或清洗虚拟环境,防止病毒的持续扩散[6]。虚拟化技术还可以拓展病毒分析和安全实验课,提升学生解决实际问题的能力,促进实验质量的提升。

(3)虚拟化技术在教师管理上的应用

虚拟化技术还提供了采用远程共享和监控虚拟机环境的方式进行实验。教师可以轻松地控制整个实验环境,避免了学生对计算机硬件的损坏和误操作的风险。在虚拟机内,教师可以进行远程管理和控制,实时监控学生成绩和学习情况,从而能够及时进行反馈和指导,提高实验效果。

(4)虚拟化技术在探索新技术上的应用

虚拟化技术可以模拟不同的操作系统和硬件环境,在网络攻击环境和机器学习等特定的领域中进行拓展实验。在这样的实验中,学生可以进行手动实验,增强实践能力和对实际环境的理解。这些实验不仅可以挖掘学生的创新思维,提高学生的动手能力,还可以培养学生的分析和解决问题的能力。

(5)虚拟化技术在远程课程中的应用

虚拟化技术还可以模拟不同的操作系统和硬件环境,在高并发和计算密集型的环境中进行远程体验式学习。使用虚拟化技术进行远程课程教学,可以让学生在校园座位上进行电脑维护、安全控制等实践操作,提高学生的实践能力和对计算机科学的理解。

3 虚拟化技术在各类实验中的具体应用

3.1 虚拟化技术在计算机组成原理实验中的应用

计算机组成原理是计算机科学中的重要基础课程,作为学生掌握计算机硬件知识的重要途径之一,实验在其中的作用非常重要。虚拟化技术在计算机组成原理实验中可以被广泛应用,其应用场景包括虚拟机环境搭建、硬件实践操作、性能分析等。教师们可以轻松地创建和分享虚拟机的环境,实现动态地对虚拟机的操作系统、硬件资源进行修改,降低资源占用和管理成本的同时提高效率[7]。虚拟化技术可以帮助实现虚拟硬件环境并模拟具体的实际硬件环境,例如模拟ARM处理器的操作、设置CPU模拟器的操作、重新设计计算机操作系统、开发新硬件系统等,让教师和学生更好地掌握计算机体系结构和指令系统的设计原理。

3.2 虚拟化技术在计算机网络实验中的应用

虚拟化技术在计算机网络实验中的应用可以帮助学生更好地了解计算机网络的基本原理和实践操作。通过使用虚拟化技术可以在一台计算机上构建多个虚拟机,将它们联接在一起,形成一个虚拟计算机网络。在这种虚拟环境下,实验者可以自由搭建各种网络拓扑结构,如星型、环形、分布式等,比较真实地模拟出各种复杂的网络环境。在网络协议实验中,虚拟化技术可以帮助教师和学生进行漏洞攻击和防御实验,并通过观察虚拟机拦截器的日志,来教授学生保护网站免受攻击的知识。在路由器配置实验中,虚拟化技术可以帮助快速配置虚拟路由器,并使用网络协议进行实验[8]。在虚拟化计算机网络中,可以在各个虚拟机中部署各种网络服务,如Web服务器、FTP服务器、DNS服务器等。实验者可以通过无需物理设备的方式,模拟出各种网络服务场景,在实验过程中进行功能测试和改进。通过虚拟化技术的应用,能够帮助教师和学生构建完善的实验环境,让学生更好地掌握计算机网络的理论知识和实践操作经验。

3.3 虚拟化技术在操作系统实验中的应用

虚拟化技术在操作系统实验中的应用可以帮助学生更好地理解操作系统的基本原理与实践操作。通过创建虚拟机实验环境,学生可以进行多重进程与多线程、内存管理、系统调用、文件系统等实验。虚拟化技术的应用能够让学生更好地掌握操作系统理论知识和实践操作经验[9-10]。首先,虚拟机环境可以随时改变虚拟机的运行环境,以满足各种不同的实验需求。例如学生可以动态地改变内存、磁盘、网络等环境条件,来模拟真实的操作系统运行环境。其次,虚拟机环境可以提供多个隔离的操作系统副本。这样,学生可以在虚拟机中同时运行多个操作系统实例,来学习多种操作系统原理和技术。同时,它也避免了多操作系统之间的冲突和干扰,保证了学习效果和实验安全。不仅可以进行多重进程和多线程的操作,还可以实现内存管理、系统调用、文件系统等多种功能。

3.4 虚拟化技术在数据库实验中的应用

虚拟化技术在数据库实验中的应用有助于增强学生对数据库管理系统(database management system, DBMS)的概念和实践理解。通过创建虚拟机实验环境,学生可以对多个不同的DBMS进行操作、测试和比较,掌握数据库管理技术的基本原理,如结构化查询语言编程、数据建模、查询处理和分析。首先,虚拟化技术可以向学生提供高效而又灵活的实验环境,各种类型的数据库管理系统可以随时被部署和管理。学生可以根据自身的学习进度,选择合适的虚拟机环境进行实验,模拟数据库的各种场景,加深对DBMS的数据管理技能的学习和理解。其次,虚拟机可以实现对多种DBMS进行操作和对比,既避免了更新数据库结构时数据备份的困难,又帮助学生尝试和比较不同DBMS各自的优缺点。如MySQL和Oracle都很受欢迎,但各自处理大量信息的特点和优化技术有所不同。最后,虚拟化环境还可以实现对DBMS实验场景的模拟和可视化,增加了操作场景的真实感。

4 中职计算机实验中虚拟化资源分配和优化问题

在虚拟化技术应用研究中,资源分配和优化问题一直是一个热点和难点。当虚拟环境中的任务负载变得越来越复杂,对资源的需求也越来越高,如何在不同的实验场景中,合理地分配和调度资源,是一个迫切需要解决的问题。针对此问题,本文提出了一种利用遗传算法来实现虚拟化资源优化调度的方法。

遗传算法是一种通用的优化算法,用于解决组合优化问题,它模拟了自然进化的过程,用染色体来编码问题的解空间,通过遗传算子实现种群的选择、交叉、变异等进化过程,不断优化种群中的个体,最终找到问题的最优解。基于遗传算法的虚拟化资源调度方法,主要分为4个步骤,分别是个体编码、适应度函数、遗传算子和停止条件。

(1)个体编码:虚拟机作为调度的基本单位,采用二进制编码方式,将每个虚拟机的CPU、内存、存储大小以及网络带宽等资源转换成0和1的编码方式,构成一个二进制串作为个体。

(2)适应度函数:对每个个体计算适应度函数,通过量化函数的转换,将优化目标转化为个体适应度值,即个体排名的权重,越优秀的个体,其适应度值越大。虚拟化资源调度方法中,遗传算法是其中关键的算法之一,其适应度函数的计算公式如式(1)所示:

(1)

其中,x为编码后的虚拟机个体,n为编码长度,m为虚拟机数量。ai表示第i个虚拟机的优化目标系数,xi表示第i个虚拟机的二进制编码值。bj表示第j个指标的优化目标系数,Ej,x表示在当前虚拟化系统资源条件下,第j个指标的期望值。适应度函数f(x)的计算公式可以量化优化的目标,是在后续遗传算子运算中进行选择和优化的重要因素之一。

在虚拟化系统中,对CPU利用率、存储利用率和网络带宽利用率进行优化,需分别设定相应的权重a1、a2、a3,并采集虚拟机的实时数据,如CPU利用率、存储利用率和网络带宽利用率等。假设在当前资源分配下,第j个虚拟机的CPU利用率、存储利用率和网络带宽利用率分别为cj、mj和bj,那么虚拟机个体x的适应度函数可以表示为式(2):

(2)

式(2)中,n为虚拟机数量,xi表示第i台虚拟机的二进制编码值,Ej,x表示在虚拟环境下,第j个指标的期望值,如式(3)、式(4)、式(5)所示:

(3)

(4)

(5)

通过用适应度函数计算虚拟化系统中每个虚拟机的适应度,可以用遗传算法有效地优化虚拟化资源调度。

(3)遗传算子:在进化过程中应用遗传算子,包括选择、交叉和变异3种操作。对于选择操作,采用轮盘赌算法获取优秀的个体;对于交叉和变异操作,采用交叉操作实现2个个体的基因交换,变异操作则随机对个体的某一位进行取反操作。

(4)停止条件:当种群遗传迭代次数到达预设的最大值或者适应度值达到一定阈值时,停止迭代,输出最优解。

通过以上4个步骤,可以得到一个高效的虚拟化资源调度方案。该方法具有许多优点,如实现方式简单易于理解,适应性强,且求解结果可靠,而且可以动态地适用于不同的实验场景中。

5 结语

本文基于虚拟化技术探讨了其在中职计算机实验中的应用,从计算机组成原理、网络、数据库以及操作系统等实验角度进行了分析和论证。通过对相关实验的案例分析和应用比较,本文得出了虚拟化技术在中职计算机实验中应用的机遇和挑战。尤其是在网络和数据库实验中,虚拟化技术的应用可以极大地降低实验成本、提升实验效率和安全性。同时,本文对未来虚拟化技术的发展趋势和其在中职计算机实验中的持续应用进行了展望和分析。虚拟化技术在中职计算机实验中的应用前景广阔,对未来实验模式的改革和创新有着积极的推动作用。