利用虛擬機技術構建計算機互聯網實驗平臺
目前， 虛擬機技術在計算機的各個領域得到了廣泛應用。例如， 在安全領域， 可以利用虛擬機構建“蜜罐”系統， 對互聯網上的網絡攻擊行為進行分析研究; 在存儲領域， 可以利用虛擬機來減少服務器的數量， 簡化服務器的管理， 將多種應用整合到單臺服務器上完成; 在機房建設領域， 可以利用虛擬機技術實現機房機器的多種用途， 而無需擔心主機系統與硬件的損壞。虛擬機在教學中的應用也越來越受到重視， 我們則基于虛擬機在單機上構建了一個計算機網絡實驗平臺， 本文首先分析虛擬機的工作原理， 隨后闡述了所構建計算機網絡實驗平臺中網絡設備虛擬的實現， 最后介紹了該平臺的實際應用情況。
一、工作原理
虛擬機的概念是上個世紀 70 年代由 IBM 公司提出的， 當時的虛擬機技術僅僅是在大型機上運行的一個虛擬工具， 通過搶先多任務方式為用戶提供同時操作多個會話的能力。這里提到的虛擬機是近年來出現的一種新興計算機技術， 其工作原理是通過進入保護模式， 在物理機中運行的主機系統上創建出一個或多個虛擬的客戶系統， 使得客戶操作系統如同運行在一臺真正的機器上， 虛擬機的工作原理是：虛擬層是在保護模式下建立和維護的一個管理虛擬機的框架， 通過利用保護模式的特權級機制、分頁內存管理機制， 任務切換機制， 為上一層客戶系統的內存管理、中斷處理以及線程調度提供許多重要的服務。利用虛擬層提供的服務， 可以在主機系統上模擬出不同的客戶系統。每個客戶系統中都有一個虛擬機控制塊， 塊中包含當前狀態方面的信息， 如執行狀態， 調度優先級以及復制的寄存器內容等。這些客戶系統擁有獨立的虛擬硬件設備， 如 BIOS、內存、硬盤、軟盤、顯卡、網卡等。雖然從各個虛擬客戶系統角度看， 它們都是一個完整的系統， 但從主機系統的角度來看， 每個客戶系統都是其上獨立運行的應用進程， 它們分別采用獨立的地址空間， 彼此之間沒有任何關聯。不同的客戶系統不知道彼此的存在， 其上的設備及 I/O 端口等都受到保護， 不會受到主機系統與其他客戶系統的影響。虛擬客戶系統的資源都來自于物理機， 例如每個客戶系統的內存來自于物理機的內存， 客戶系統里的硬盤也是虛擬的， 實際對應于物理硬盤上的文件。主機物理硬盤上可以創建不同的文件夾， 在其中存放各客戶系統啟動設置參數、日志文件等信息。因此， 只要主機系統的內存足夠大， CPU 性能足夠好， 理論上在主機系統上可以虛擬出不限數目的子系統。
虛擬機技術可以幫助我們在單機上建立各種常用操作系統的運行支持環境， 為在單機上構建一個計算機網絡實驗平臺提供必要的前提。在我們構建的平臺中， 采用了虛擬機軟件 Vmware作為常用操作系統的運行支持環境的建立。根據我們的實踐經驗， 1G 內存的機器能夠以較好的性能同時運行五個虛擬操作系統， 完成絕大部分網絡實驗。如果將每臺虛擬機的內存設小一些， 或是安裝一些不很占資源的操作系統 ， 這樣就可以同時運行更多的虛擬操作系統來構建更復雜的網絡環境。
二、網絡設備虛擬的實現
計算機網絡指的是利用通信鏈路和網絡設備將處于不同地理位置的計算機連接起來， 在網絡操作系統的控制下實現資源共享與信息交換的系統。由此可見， 僅僅通過虛擬機提供各種操作系統的運行支持環境是不夠的， 還需提供對常用網絡設備的虛擬， 常用的網絡設備主要有路由器與交換機， 下面分別介紹：
1.交換機的虛擬
虛擬交換機的實現相對簡單， 當在主機上安裝虛擬機軟件Vmware 后， 系統會提供 VMnet0、VMnet1、VMnet2 等虛擬網絡適配器件， 這些設備可以充當交換機， 通過這些設備和虛擬網絡操作系統就可以組建交換式局域網， 連接到相同 VMnet 上的虛擬操作系統可看成是連接在同一個虛擬交換機上的主機。因此， 只要將各虛擬網絡操作系統的網卡連接到對應的虛擬網絡適配器， 即可實現網絡適配器連接虛擬交換機。
2.路由器的虛擬
完成交換機的虛擬對于完成一般的網絡實驗已經足夠了， 但是不少重要的網絡實驗都需要路由器的支持才能進行。由于路由器支持種類豐富的路由協議， 如 RIP、OSPF、BGP 等， 因此路由器的虛擬是網絡設備虛擬中的一個重點和難點。通過研究和摸索，我們基于 Michigan 大學和 Merit Network 聯合開發的路由環境支持平臺 MRT 實現了路由器的虛擬，對 BGP4、OSPF、RIP 等路由協議提供了支持。MRT 是 Merit Network 公司在美國國家科學基金會資助下開發的一個開放式路由環境支撐平臺，提供了許多與路由相關的庫函數以支持用戶開發與路由相關的應用。MRT 提供了兩類庫函數， 一類是底層的支持程序， 用于對各種路由相關實現， 如時間、接口、套接字規程提供支持。另一類是和路由協議直接相關的庫函數， 這些庫函數提供對 BGP、RIP等路由協議通信的支持， 可以訪問相關路由協議的路由表。在我們對路由器虛擬時， 對于各種路由協議都需要實現的功能， 如定期發送 KEEPALIVE 報文、超時后刪除掉路由表中的某項、接收報文、將發送的報文保存在緩沖區中以及記錄相關路由信息等， 均通過 MRT 底層的支持程序完成。而對路由協議之間的交互操作， 則通過 MRT 路由庫函數去實現， 例如 BGP 對等體連接建立等功能就利用了 Add_ BGP _Peer 函數， 該函數的參數是遠端對等體的 IP 地址和自治系統號。MRT 還提供多種線程服務支持， 例如多種路由協議的同時支持是通過選擇服務來實現的， 選擇服務在 MRT 模塊上執行同步 I/O 多路復用， 在某個模塊處于阻塞時， 可以用另一種機制來處理 I/O 模塊。選擇線程還能監視對象套接字描述， 一旦檢測到有 I/O 事件， 服務調用對象的回叫機制同時停止監視套接字。當對象完成套接字處理后， 會通知選擇進程重新開始監控。至于路由協議中的一些定時警報可以通過 MRT 中的時間線程來完成，由時間線程維護基于時間的事件以及相關的警報和回叫方法。
三、結論
實踐證明， 該實驗平臺具有與真實網絡系統一致的操作、命令、功能和響應， 不僅能對網絡操作系統進行模擬， 還能對各種網絡設備( 如路由器、交換機) 進行模擬， 具備真實網絡環境下的各種特征。與專門構建的網絡系統相比， 該平臺具有成本低、功能全、效率高、效果好、實用性強的特點。下一步， 我們將為該平臺添加自定義網絡拓撲功能， 如添加所需要的虛擬系統、虛擬網絡設備、線纜等， 讓用戶搭建出自己需要的網絡， 完成各種拓撲環境下的網絡實驗， 幫助他們更好地理解網絡結構， 更加深入地掌握網絡運行機理。
【利用虛擬機技術構建計算機互聯網實驗平臺】相關文章：
初探虛擬機在計算機網絡實驗中的應用11-21
虛擬機應用的中職計算機教學應用論文02-25
構建實驗教學信息平臺加強醫學本科生創新能力培養論文03-03
淺談虛擬現實實訓平臺的構建與實踐11-18
互聯網視角下的計算機信息技術應用分析11-30
高職生特點的勵志教育平臺構建研究論文03-10
構建中職學校汽車技術創新實驗室的實踐11-19
國際貿易實驗室的構建研究03-27
- 相關推薦