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利用虛擬機(jī)技術(shù)構(gòu)建計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
擬機(jī)指的是通過(guò)軟件的模擬,使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在相對(duì)隔離的環(huán)境中運(yùn)行中具有完整的硬件系統(tǒng)功能。虛擬系統(tǒng)生成的操作系統(tǒng)是一種全新的虛擬鏡像,具有完整、真實(shí)的Windows系統(tǒng)相同的功能,并且在進(jìn)入新的系統(tǒng)后,所有的操作都不會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)真正的系統(tǒng)具有影響,這一系統(tǒng)的功能包括獨(dú)立安裝運(yùn)行軟件、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等。下面小編就為大家整理了關(guān)于的論文，歡迎大家借鑒哦!
摘 要：簡(jiǎn)要分析了虛擬機(jī)技術(shù)構(gòu)建計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的幾種策略， 且對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)用情況作了介紹。構(gòu)建的平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)各種操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬， 在該平臺(tái)上能夠完成各種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞： 虛擬機(jī)技術(shù);計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò);實(shí)驗(yàn)
目前， 虛擬機(jī)技術(shù)在計(jì)算機(jī)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如， 在安全領(lǐng)域， 可以利用虛擬機(jī)構(gòu)建“蜜罐”系統(tǒng)， 對(duì)互聯(lián)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)攻擊行為進(jìn)行分析研究; 在存儲(chǔ)領(lǐng)域， 可以利用虛擬機(jī)來(lái)減少服務(wù)器的數(shù)量， 簡(jiǎn)化服務(wù)器的管理， 將多種應(yīng)用整合到單臺(tái)服務(wù)器上完成; 在機(jī)房建設(shè)領(lǐng)域， 可以利用虛擬機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)房機(jī)器的多種用途， 而無(wú)需擔(dān)心主機(jī)系統(tǒng)與硬件的損壞。虛擬機(jī)在教學(xué)中的應(yīng)用也越來(lái)越受到重視， 我們則基于虛擬機(jī)在單機(jī)上構(gòu)建了一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 本文首先分析虛擬機(jī)的工作原理， 隨后闡述了所構(gòu)建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬的實(shí)現(xiàn)， 最后介紹了該平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用情況。
一、工作原理
虛擬機(jī)的概念是上個(gè)世紀(jì) 70 年代由 IBM 公司提出的， 當(dāng)時(shí)的虛擬機(jī)技術(shù)僅僅是在大型機(jī)上運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)虛擬工具， 通過(guò)搶先多任務(wù)方式為用戶提供同時(shí)操作多個(gè)會(huì)話的能力。這里提到的虛擬機(jī)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新興計(jì)算機(jī)技術(shù)， 其工作原理是通過(guò)進(jìn)入保護(hù)模式， 在物理機(jī)中運(yùn)轉(zhuǎn)的主機(jī)系統(tǒng)上創(chuàng)建出一個(gè)或多個(gè)虛擬的客戶系統(tǒng)， 使得客戶操作系統(tǒng)如同運(yùn)轉(zhuǎn)在一臺(tái)真正的機(jī)器上， 虛擬機(jī)的工作原理是：虛擬層是在保護(hù)模式下建立和維護(hù)的一個(gè)管理虛擬機(jī)的框架， 通過(guò)利用保護(hù)模式的特權(quán)級(jí)機(jī)制、分頁(yè)內(nèi)存管理機(jī)制， 任務(wù)切換機(jī)制， 為上一層客戶系統(tǒng)的內(nèi)存管理、中斷處理以及線程調(diào)度提供許多重要的服務(wù)。利用虛擬層提供的服務(wù)， 可以在主機(jī)系統(tǒng)上模擬出不同的客戶系統(tǒng)。每個(gè)客戶系統(tǒng)中都有一個(gè)虛擬機(jī)制約塊， 塊中包含當(dāng)前狀態(tài)方面的信息， 如執(zhí)行狀態(tài)， 調(diào)度優(yōu)先級(jí)以及復(fù)制的寄存器內(nèi)容等。這些客戶系統(tǒng)擁有獨(dú)立的虛擬硬件設(shè)備， 如 BIOS、內(nèi)存、硬盤(pán)、軟盤(pán)、顯卡、網(wǎng)卡等。雖然從各個(gè)虛擬客戶系統(tǒng)角度看， 它們都是一個(gè)完整的系統(tǒng)， 但從主機(jī)系統(tǒng)的角度來(lái)看， 每個(gè)客戶系統(tǒng)都是其上獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的應(yīng)用進(jìn)程， 它們分別采用獨(dú)立的地址空間， 彼此之間沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)。不同的客戶系統(tǒng)不知道彼此的存在， 其上的設(shè)備及 I/O 端口等都受到保護(hù)， 不會(huì)受到主機(jī)系統(tǒng)與其他客戶系統(tǒng)的影響。虛擬客戶系統(tǒng)的資源都來(lái)自于物理機(jī)， 例如每個(gè)客戶系統(tǒng)的內(nèi)存來(lái)自于物理機(jī)的內(nèi)存， 客戶系統(tǒng)里的硬盤(pán)也是虛擬的， 實(shí)際對(duì)應(yīng)于物理硬盤(pán)上的文件。主機(jī)物理硬盤(pán)上可以創(chuàng)建不同的文件夾， 在其中存放各客戶系統(tǒng)啟動(dòng)設(shè)置參數(shù)、日志文件等信息。因此， 只要主機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存足夠大， CPU 性能足夠好， 理論上在主機(jī)系統(tǒng)上可以虛擬出不限數(shù)目的子系統(tǒng)。
虛擬機(jī)技術(shù)可以幫助我們?cè)趩螜C(jī)上建立各種常用操作系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)支持環(huán)境， 為在單機(jī)上構(gòu)建一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供必要的前提。在我們構(gòu)建的平臺(tái)中， 采用了虛擬機(jī)軟件 Vmware作為常用操作系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)支持環(huán)境的建立。根據(jù)我們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)， 1G 內(nèi)存的機(jī)器能夠以較好的性能同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)五個(gè)虛擬操作系統(tǒng)， 完成絕大部分網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。如果將每臺(tái)虛擬機(jī)的內(nèi)存設(shè)小一些， 或是安裝一些不很占資源的操作系統(tǒng) ， 這樣就可以同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)更多的虛擬操作系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
二、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬的實(shí)現(xiàn)
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)指的是利用通信鏈路和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將處于不同地理位置的計(jì)算機(jī)連接起來(lái)， 在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的制約下實(shí)現(xiàn)資源共享與信息交換的系統(tǒng)。由此可見(jiàn)， 僅僅通過(guò)虛擬機(jī)提供各種操作系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)支持環(huán)境是不夠的， 還需提供對(duì)常用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬， 常用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要有路由器與交換機(jī)， 下面分別介紹：
1.交換機(jī)的虛擬
虛擬交換機(jī)的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單， 當(dāng)在主機(jī)上安裝虛擬機(jī)軟件Vmware 后， 系統(tǒng)會(huì)提供 VMnet0、VMnet1、VMnet2 等虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器件， 這些設(shè)備可以充當(dāng)交換機(jī)， 通過(guò)這些設(shè)備和虛擬網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)就可以組建交換式局域網(wǎng)， 連接到相同 VMnet 上的虛擬操作系統(tǒng)可看成是連接在同一個(gè)虛擬交換機(jī)上的主機(jī)。因此， 只要將各虛擬網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的網(wǎng)卡連接到對(duì)應(yīng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器， 即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)適配器連接虛擬交換機(jī)。
2.路由器的虛擬
完成交換機(jī)的虛擬對(duì)于完成一般的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)足夠了， 但是不少重要的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)都需要路由器的支持才能進(jìn)行。由于路由器支持種類(lèi)豐富的路由協(xié)議， 如 RIP、OSPF、BGP 等， 因此路由器的虛擬是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過(guò)研究和摸索，我們基于 Michigan 大學(xué)和 Merit Network 聯(lián)合開(kāi)發(fā)的路由環(huán)境支持平臺(tái) MRT 實(shí)現(xiàn)了路由器的虛擬，對(duì) BGP4、OSPF、RIP 等路由協(xié)議提供了支持。MRT 是 Merit Network 公司在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助下開(kāi)發(fā)的一個(gè)開(kāi)放式路由環(huán)境支撐平臺(tái)，提供了許多與路由相關(guān)的庫(kù)函數(shù)以支持用戶開(kāi)發(fā)與路由相關(guān)的應(yīng)用。MRT 提供了兩類(lèi)庫(kù)函數(shù)， 一類(lèi)是底層的支持程序， 用于對(duì)各種路由相關(guān)實(shí)現(xiàn)， 如時(shí)間、接口、套接字規(guī)程提供支持。另一類(lèi)是和路由協(xié)議直接相關(guān)的庫(kù)函數(shù)， 這些庫(kù)函數(shù)提供對(duì) BGP、RIP等路由協(xié)議通信的支持， 可以訪問(wèn)相關(guān)路由協(xié)議的路由表。在我們對(duì)路由器虛擬時(shí)， 對(duì)于各種路由協(xié)議都需要實(shí)現(xiàn)的功能， 如定期發(fā)送 KEEPALIVE 報(bào)文、超時(shí)后刪除掉路由表中的某項(xiàng)、接收?qǐng)?bào)文、將發(fā)送的報(bào)文保存在緩沖區(qū)中以及記錄相關(guān)路由信息等， 均通過(guò) MRT 底層的支持程序完成。而對(duì)路由協(xié)議之間的交互操作， 則通過(guò) MRT 路由庫(kù)函數(shù)去實(shí)現(xiàn)， 例如 BGP 對(duì)等體連接建立等功能就利用了 Add_ BGP _Peer 函數(shù)， 該函數(shù)的參數(shù)是遠(yuǎn)端對(duì)等體的 IP 地址和自治系統(tǒng)號(hào)。MRT 還提供多種線程服務(wù)支持， 例如多種路由協(xié)議的同時(shí)支持是通過(guò)選擇服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 選擇服務(wù)在 MRT 模塊上執(zhí)行同步 I/O 多路復(fù)用， 在某個(gè)模塊處于阻塞時(shí)， 可以用另一種機(jī)制來(lái)處理 I/O 模塊。選擇線程還能監(jiān)視對(duì)象套接字描述， 一旦檢測(cè)到有 I/O 事件， 服務(wù)調(diào)用對(duì)象的回叫機(jī)制同時(shí)停止監(jiān)視套接字。當(dāng)對(duì)象完成套接字處理后， 會(huì)通知選擇進(jìn)程重新開(kāi)始監(jiān)控。至于路由協(xié)議中的一些定時(shí)警報(bào)可以通過(guò) MRT 中的時(shí)間線程來(lái)完成，由時(shí)間線程維護(hù)基于時(shí)間的事件以及相關(guān)的警報(bào)和回叫策略。
三、結(jié)論
實(shí)踐證明， 該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一致的操作、命令、功能和響應(yīng)， 不僅能對(duì)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)進(jìn)行模擬， 還能對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備( 如路由器、交換機(jī)) 進(jìn)行模擬， 具備真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的各種特征。與專(zhuān)門(mén)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比， 該平臺(tái)具有成本低、功能全、效率高、效果好、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。下一步， 我們將為該平臺(tái)添加自定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔δ埽?如添加所需要的虛擬系統(tǒng)、虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、線纜等， 讓用戶搭建出自己需要的網(wǎng)絡(luò)， 完成各種拓?fù)洵h(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)， 幫助他們更好地理解網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 更加深入地掌握網(wǎng)絡(luò)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理。
參考文獻(xiàn)：
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