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虚拟机的原理及应用
虚拟机的原理及应用
1、虚拟机的概念及原理
1.1虚拟机的概念
在计算机领域中,虚拟机(VirtualMachine)这个词被多方面使用;例如Java虚拟机,Windows虚拟机(注意:
不同于我们即将要讲的虚拟机),网站虚拟机等等。
本课程所讲的虚拟机,是指运行于物理计算机上的模拟出来的计算机,或称为逻辑上的计算机。
这里把涉及到的几个概念作一个解释。
虚拟机应用程序:
可以在一台计算机上模拟出若干台PC计算机的软件。
目前在PC机的windows平台上可用的有VMware和MSVPC。
宿主计算机:
HostPC,指物理存在的安装了虚拟机软件的计算机。
这台计算机上面安装的操作系统被称作宿主操作系统(HostOS)。
客户计算机:
GuestPC,指运行在虚拟机上的操作系统。
这个操作系统称为客户机操作系统(HostOS)。
1.2虚拟机的原理
虚拟机应用软件在宿主计算机的真实处理器和内存基础之上为虚拟机提供虚拟硬件仿真,这些仿真的硬件能够完全被安装在虚拟机上的操作系统认为是真实的硬件。
也就是说,从操作系统的运行特性来看,虚拟出的硬件和真实的硬件没有本质上的差别。
1.3虚拟机的用途
作为个人用户,可以通过在一台PC机上安装虚拟机,实现同时运行多个操作系统,而且不同重新启动计算机,只需点击鼠标即可以打开新的操作系统或是在操作系统之间进行切换。
总体来说,使用虚拟机可以有以下一些典型用途。
1.3.1质量评估
对于软件企业和公司而言,由于不同的操作系统版本和大量的配置项,软件产品的测试将耗费大量的管理费用,通过使用虚拟机及其丰富的特性,可以降低企业的采购和管理硬件的成本,并提高工作效率。
1.3.2程序开发与网络测试
程序员可以利用虚拟机的优越性实现跨平台开发不同操作系统下的应用程序,不需要重新启动计算机就可以完成整个开发阶段的试运行和调试(ProgramDebugging),因而节约大量的开发时间。
在网络测试方面,可以利用虚拟机的网络特性,利用一台计算机即可建立完整的,封闭性的网络,既不另外配置硬件设备又保证了数据安全。
1.3.3操作系统研发
开发操作系统时程序员遇到的第一个难题是操作系统需要不断编译调试,如何才能让被编译的内核程序在一个系统上进行测试。
这种测试以往很难在编写代码的同一台计算机上进行,因为不断重新启动计算机会大大干扰编写的进程。
另外,把要测试的内核代码转移到一台专用的测试机上需要使用可移动磁盘或软盘,也非常麻烦并增加费用。
此时使用虚拟机就是最佳的解决方案了。
可以把要调试的内核程序作为一个客户操作系统,编程间隙还可以把调试中的客户操作系统放大到全屏。
1.3.4教育培训和商务演示
IT培训或是自学计算机技术,都必然涉及到多个操作系统和多种类型的软件,这个时候使用虚拟机将有巨大的优越性。
IT销售人员推销的计算机软件产品经常可以跨越多个操作系统平台,有不同的版本,使用虚拟机就可以仅携带一台笔记本电脑到客户那里进行推销和演示了。
这个方法同样适用于技术支持和维护人员。
1.3.5服务器端产品
就虚拟机技术而言,最早是出现在大型机上的,已经有几十年的历史了,当时比尔·盖茨和他的朋友保罗·艾伦开发的最早的PC机BASIC语言环境,就是在大型机上模拟出完整的以Intel4004芯片为CPU的,仅有4KB内存的最原始的PC机而调试通过的。
目前,虚拟机服务器已经从大型机拓展到Intel平台,作为巩固数据中心的方法,它正在掀起一股空前的流行趋势。
Intel服务器虚拟机领域主要有三家公司在竞争,包括VMware、MSVPC(前身Connectix被MS收购)和Swsoft,他们都提供独特的解决方案。
1.4虚拟机应用软件的种类及介绍
目前流行的虚拟机应用程序有VMware、MSVPC和Swsoft。
Swsoft专注于Linux领域。
MSVPC专注于windows领域,而VMware在两个领域均有产品,且名声显赫。
VMware公司的虚拟机服务器产品是VMwareServer,VMwareServerESX是高阶产品,VMwareGSXServer是中阶产品;可以看作是拥有超级动力的虚拟机群,即同时运行很多个操作系统,而且,服务器产品提供了更高的性能,更接近底层的宿主操作系统特性(几乎做到无差别),能支持多CPU系统。
VMwareServer具有易于管理客户操作系统的特性,例如Web管理工具和远程虚拟监视器等。
VMwareWorkstation是VMware的普通产品。
从理论上讲,一台物理计算机能做什么,它模拟出的虚拟机就可以做什么,它只受硬件和想象力的限制。
VMware公司的虚拟机服务器产品和VMwareWorkstation兼容,即可以打开Workstation建立的虚拟机。
MSVPC是微软的虚拟机产品,是微软公司于2003年2月收购Connectix公司的VirtualPC后推出的产品。
VirtualPC最初专为Macintosh用户开发的,功能不断改进后,开始为windows用户开发产品并取得巨大的成功,直到被微软收购。
Parallels公司是SWsoft于2008年1月收购Parallels后公司改名而成。
以前SWsoft没有针对Windows服务器平台运行的产品,而如今,Parallels的虚拟产品包括桌面虚拟化和服务器虚拟化两大块,更是囊括了Mac、Windows和Linux等多种平台。
2、虚拟机的应用
2.1虚拟机的安装
在本教材中,我们以VMware公司的VMwareWorkstation为例进行教学、讲解。
2.1.1宿主机系统要求
毫无疑问,运行VMwareWorkstation的计算机,总体配置越好性能越高。
但是,很难给出一个统一的硬件配置标准,需要用户根据将要实施的客户机的实际情况综合考虑宿主机的配置。
大体上来说,要安装VMwareWorkstation,至少需要有一台有中等配置的标准pc机。
宿主操作系统建议用WindowsXP以上的操作系统。
2.1.2支持的客户操作系统
较新版的VMwareWorkstation6.5支持的客户操作系统种类和数量非常多,有Windows系列、Linux系列、NovellNetware系列和SunSolaris系列;另外还支持MS-DOS和FreeBSD等。
2.1.3安装VMwareWorkstation
无论在Linux还是在Windows上安装VMwareWorkstation都比较容易,安装过程很少需要用户配置。
需要注意的是由于虚拟软件的特殊性而出现的问题,即不能仅考虑宿主计算机能否安装上该软件,而不计划客户机的系统需求,若系统配置过于低,可能会导致客户机和宿主机系统效率低下,严重者直至系统崩溃。
另一个需要注意的是安装过程中需要提供序列号。
序列号可购买,也可以在VMware网站申请评估序列号,申请成功后,可以免费使用一个月。
安装过程很容易,通过投影演示给大家,大家自己随后自己动手实验。
2.2新建虚拟机及设置
我们将通过创建虚拟机的实例来学习创建及基本配置的整个过程。
在这个实例中,所使用的VMwareWorkstation版本为6.5。
创建虚拟机的步骤如下:
1、双击桌面上的VMwareWorkstation图标,运行时界面如下图2.1所示。
其实在该界面中,Favorites栏目中显示的是目前已经建立的虚拟机。
图2.1VMwareWorkstation的用户界面
2、依次单击菜单File\New\VirtualMachine…以启动新建虚拟机向导。
3、在如下对话窗口中选择Typical(recommended)选项。
以便在随后的步骤中选择默认的公共设备和选项。
图2.2选择适当的虚拟机设置
4、在接下来的图中,会询问你采用何种方式安装虚拟机操作系统。
这里有三个选择:
宿主机的物理光驱,用安装磁盘的镜像文件和不安装操作系统。
这里我们选择不安装操作系统。
图2.3选择安装方式
5、在接下来的对话框中,会询问你将创建那一类操作系统,并要求你选择具体的操作系统版本。
可以根据你自己的需要选择,这里我选择WindowsXPProfessional。
图2.4选择客户机操作系统
6、接下来会要求你给虚拟机定义一个名字以便区别,并询问虚拟文件保存在什么位置。
这里一定要根据你的虚拟机的用途综合考虑,比如客户机操作系统的大小,应用软件需求的磁盘可能关键等。
图2.5命名新建的虚拟机
7、下图中会询问你给客户系统多大的磁盘空间,这个空间相当于宿主机的物理硬盘。
另外还询问你当虚拟机磁盘文件大于2G的时候是否按2G分割该文件。
2.6设定虚拟机磁盘大小
8、至此界面,虚拟机已经建立并设置好了出现概览信息,确认是否有问题,若需更改,可点击“ 若没问题,点击“Finish”结束向导。 图2.7概览信息 2.3客户机操作系统的安装 安装客户操作系统的方法与在物理计算机上安装操作系统的方法基本上一致,但安装方式更加灵活。 基本步骤如下。 1、启动VMwareWorkstation。 2、决定安装安装方式,然后进行相应的准备。 具体来说就是决定安装源文件是什么样的格式: 是从安装光盘安装或是从镜像文件安装。 按照不同的安装方式进行设置。 设置方式如下: 在Favorites列表里面找到新建立的虚拟机并单击,在右边会显示该虚拟机的一些基本属性,见图2.8。 点击该界面右边的“EditVirtualMachineSetting”,弹出图2.9,在该界面中可配置虚拟机的各项硬件设备。 这里我们主要需要设置以解决安装源文件问题,所以点击列表中的第三项“CD/DVD”即可打开如图2.10的界面。 默认是使用宿主机的光驱,也可以设置为利用安装盘的镜像文件安装。 3、点击工具条上面的启动按钮启动虚拟机开始安装系统。 如果需要,可能还要修改虚拟机的BIOS设置以更改启动顺序。 VMware的BIOS的COMS设置工具是Phoenix的,这个BIOS的进入方式是,打开虚拟机电源并且内存自检时,按下F2键,几秒后,就进入了设置界面,设置方法这里就不介绍了。 4、一切顺利的话,windows安装向导将启动并引导安装过程,整个安装过程跟在物理机上安装系统完全一样,包括磁盘分区,磁盘格式化,拷贝安装文件,重新启动并安装等,这里不多介绍了。 5、为了提高虚拟机的系统性能,并使用一些新特性(例如可以提高显示和音频性能,能在宿主机和虚拟机之间共享数据),安装完客户操作系统后,应该安装VMwareTools。 VMware可以在客户机第一次启动时自动检测并提示安装VMwareTools,也可以通过VM菜单下的“InstallVMwareTools…”命令启动安装向导。 图2.8虚拟机基本信息 图2.9虚拟机设置界面 图2.10虚拟机光驱设置 3、虚拟机的进阶使用 现在,我们已经对VMware有了一个大概的了解。 随后我们将通过进一步的学习,掌握更多的技巧,以充分利用VMware的功能。 3.1更改虚拟机设备 通过前面的学习,我们已经了解到,每新建一台虚拟机,就相当于购置了一套新的电脑硬件系统。 而虚拟机相对于物理计算机的优越性之一就是,更改它的硬件配置非常方便。 在VMwareWorkstation中,要更改、增加或删除虚拟机的硬件设备,可以通过虚拟机控制面板来实现。 下面作详细介绍。 调用虚拟机控制面板的方式比较多。 打开虚拟机控制面板,默认显示“Hardware”选项卡,见下图3.1该界面列出了虚拟机的8类硬件设备,不管选中那种设备,其列表下部都有“Add”和“Remove”两个按钮,通过这两个按钮可以调用更改硬件向导以完成更改、增加或删除硬件设备工作。 需要注意的是,在对硬件设备进行更改前,最好将虚拟机的电源关闭。 图3.1虚拟机控制面板 3.2虚拟机状态备份/恢复 这里我们介绍一下虚拟机的暂停及恢复功能、快照及回复功能。 暂停及恢复功能相当于物理计算机的暂停和恢复功能。 当虚拟机启动后开始运行的过程中,点击工具栏上的“Suspend”命令时,VMware会创建文件扩展名为.vmss的文件,这个文件包含虚拟机的完整状态信息。 当恢复虚拟机状态时,状态由.vmss文件重建。 快照和回复功能类似于WindowsXP和WindowsServer2003等操作系统具有的系统还原功能。 该功能可以使虚拟机在多次地在任意时刻返回保存状态的时刻。 保存快照后,将建立扩展名为.vmem和.vmsn的两个文件。 可以创建多份快照,可以通过“M\Snapshot”菜单对快照进行管理,见下图3.2。 把虚拟机回复到保存快照时的状态后,将把保存快照后的所有数据变化都撤销掉。 利用快照功能,可以放心地在虚拟机中进行一些危险的操作(比如测试新软件、检查病毒等),还可以实现使虚拟机在同一状态开机。 图3.2快照管理面板 3.3虚拟机移动/共享 为了实验或测试的目的,可能需要将虚拟机文件在宿主机内不同位置或不同的宿主机之间移动。 又或者为了节约大量的时间和精力配置客户操作系统,我们需要把它共享出来为不同的用户使用,这个时候就涉及到虚拟机的移动和共享问题。 3.3.1虚拟机的移动 由于VMware创建虚拟机文件时使用了相对路径,所以要移动虚拟机的工作其实比较容易。 如果是在同一台宿主机的不同位置移动虚拟机,只需要把虚拟机关闭,然后直接将保存虚拟机所有文件的文件夹复制或移动到新位置,然后利用VMware菜单中的“File\Open…”命令打开新位置的虚拟机即可。 如果是在不同的宿主机之间移动虚拟机,需要先在目标宿主机上安装好VMwareWorkstation软件,然后将虚拟机用到的全部文件通过网络或移动设备转移过去,一定要注意相对路径不能改变。 之后利用“File\Open…”命令打开扩展名为“.vmx”的文件即可启动新虚拟机。 3.3.2虚拟机的共享 如果要与其他用户共享创建的虚拟机,主要需要考虑的问题是访问权限问题,即虚拟机文件必须放置在其他用户可以访问的位置上。 3.4虚拟机联网 通过VMwareWorkstation的虚拟联网技术,可以创建各种类型的联网结构。 3.4.1虚拟联网技术构成 VMwareWorkstation的虚拟联网技术由以下几部分组成,下面分别介绍。 1、虚拟转换 如同物理交换机一样,虚拟转换可以与其他联网组建连接到一起。 在VMwareWorkstation下可以按照需要创建虚拟转换,最多可以创建10个。 在一个虚拟转换上可以连接一个或多个虚拟机。 一些虚拟转换及其关联的网络被VMware命名并进行了特殊配置。 默认情况下,网桥网络使用名为VMnet0的虚拟转换,仅主机网络使用名为VMnet1的虚拟转换,网络地址转换(NAT)网络使用名为VMnet8的虚拟转换。 其他可以使用的网络被简单的命名为VMnet2、VMnet3等。 2、网桥 通过网桥,可以把虚拟机连接到宿主机连接到宿主机所在的LAN中。 这种方式直接把虚拟机的虚拟网络适配器连接到宿主机的物理以太网卡上,此时虚拟网卡和宿主机上的物理网卡处于同等地位。 在VMwareWorkstation安装时,网桥就被安装,当创建了一个新的虚拟机,并且设置为使用网桥网络时,网桥被自动设置。 3、宿主虚拟网络适配器 它是一个出现在宿主操作系统中的虚拟以太网卡。 在Windows宿主机上,作为一个VMware的虚拟以太网卡。 通过宿主虚拟网络适配器,就可以在宿主机和这台宿主机上的虚拟机之间进行通信。 在仅主机和NAT虚拟转换网络设置中,都使用宿主虚拟网络适配器。 宿主虚拟网络适配器并不连接任何外部的网络,除非在宿主机上进行特殊的软件设置。 4、NAT(网络地址转换)设备 当在一个宿主机连接的外部物理网络上,仅给宿主机分配一个IP地址的时候,NAT设备可以把虚拟机连接到外部网络。 5、DHCPServer(动态主机配置协议服务器) 对于非网桥连接方式的虚拟机,DHCP服务器可以自动为虚拟机分配IP网络地址,以用于仅主机和NAT网络。 6、网络适配器 在使用新建虚拟机向导创建虚拟机的过程中,无论选择了哪种虚拟转换网络连接方式,都会为虚拟机创建虚拟网络适配器(也就是虚拟网卡),它会在客户操作系统中显示为一个网卡。 可以根据需要为虚拟机创建多个虚拟网络适配器。 3.4.2基本联网设置 VMwareWorkstation含有3种标准的虚拟转换网络连接方式,也就是网桥、仅主机和NAT。 这三种联网设置配置很灵活,重新调整类型也很方便。 下面介绍VMware提供的三种联网设置。 1、网桥联网 如果在新虚拟机中选择的是网桥联网方式,网桥将被自动设置。 此时虚拟机将可以自动从宿主机所在的网络中的DHCPServer获取一个IP地址。 如果创建虚拟机时使用了其他的联网方式,可以方便地改回网桥联网方式。 这样的修改不用关闭虚拟机就可以立即生效。 要更改联网方式,可以通过虚拟机控制面板中的NetworkAdapter项目来进行简单的更改。 2、网络地址转换 在使用新建虚拟机向导创建新虚拟机过程中,可以选择NAT联网方式,或通过虚拟机控制面板把虚拟机连接到NAT虚拟转换上。 如果使用NAT方式联网,虚拟机在外部网络上没有自己的IP地址,作为替代,宿主机和虚拟机之间建立了一个被隔开的私用网络。 在这个私用网络上,虚拟机通过VMware的虚拟DHCPServer得到了IP地址。 VMware的NAT设备可以在一个或多个虚拟机与外部网络之间传递数据。 NAT设备自动鉴别发入私用网络中的多个虚拟机中的数据包,保证这些数据包到达正确的虚拟机网络适配器上。 默认情况下,虚拟机不允许作为Web服务器供外部网络的计算机访问,无法向外部发送Web页面。 如果在新建虚拟机时选择了另外的联网方式,可以在虚拟机控制面板中重新更改到NAT联网方式。 3、仅为主机 在新建虚拟机的过程中如果选择了仅为主机的联网方式,那么仅为主机网络将自动安装。 该方式创建的网络仅在宿主机内部,也就是说,仅在宿主机与虚拟机之间进行通信。 这种联网方是对于想建立一个完全隔离独立的虚拟网络非常有用。 想学习网络技术的计算机爱好者完全可以构建一个这样的虚拟网络,以便进行各种网络实验,这样不仅成本低,而且即使操作有误,也不会对外部网络造成任何危害。 使用这种联网方式,虚拟机和宿主机的虚拟网络适配器构建了一个私用的TCP/IP网络,各个虚拟机都由VMware的虚拟DHCPServer提供IP地址(宿主机也一样)。 如果在新建虚拟机时选择了另外的联网方式,可以在虚拟机控制面板中重新更改到仅为主机(Host-only)联网方式。 3.4.3修改联网配置 在学习本节课程之前,需要同学们对Windows操作系统有比较深入的了解,特别是对操作系统网络设置有较为深入的了解。 有了这个基础,我们就能非常容易地利用VMWorkstation提供的虚拟联网组件创建复杂的虚拟网络。 虚拟网络可以连接一个或多个外部网络,也可以在宿主机内不运行。 这里举一个较为综合的例子用以表述利用VMWorkstation网络组件组合虚拟网络的过程。 如下图3.3所示,一个Web服务器(VM2)通过网络防火墙连接到外部网络,一个管理员的计算机(VM4)能能通过第二个防火墙(VM3)连接到Web服务器。 下面详细说明构建该虚拟网络的详细步骤。 图3.3复杂网络结构 1、在VMWorkstation下使用新建虚拟机向导,创建4个虚拟机。 创建第一个虚拟机时采用网桥联网方式,以便他能够使用宿主机的物理网卡连接到外部的以太网络。 另外三个虚拟机选择“Donotuseanetworkconnection”选项,这四个虚拟机分别编号为VM1、VM2、VM3和VM4。 2、打开VM1的虚拟机控制面板,给它添加第二个网络适配器,并把它的虚拟转换设置为VMnet2。 如下图。 图3.4设置虚拟转换类型 3、打开VM2的虚拟机控制面板,并为它添加一个网络适配器,把它的虚拟转换类型设置为VMnet2。 4、打开VM3的虚拟机控制面板,并为它添加一个网络适配器,把它的虚拟转换类型设置为VMnet2。 再为这个虚拟机添加第二个网络适配器,把这个网络适配器的虚拟转换类型设置为VMnet3。 5、打开VM4的虚拟机控制面板,并为它添加一个网络适配器,把它的虚拟转换类型设置为VMnet3。 6、为VM2和VM3分配网络地址。 在这个例子中,我们使用VMwareWorkstation的DHCPServer自动设置VMnet2和VMnet3的网络地址。 从“Edit”菜单中选择“virtualNetworkSettings”命令,打开VMware的虚拟网络编辑器(virtualNetworkeditor),选择“DHCP”选项卡,把虚拟转换VMnet2和VMnet3添加到DHCPServer服务对象列表中,完成后如下图。 图3.5DHCP界面 VMware的DHCPServer网络组件预先为网络转换分配好了IP段。 要查看虚拟转换设置状况,可以在上图中选定一个虚拟转换,然后点击“Properties”按钮查看IP分配,下图为VMnet2的IP分配情况。 图3.6VMnet2IP分配情况 7、在每个虚拟机中安装适当的操作系统(例如,在VM1和VM4中安装windowsXP;在VM2和VM3中安装windows2003企业版),并做适当的配置(例如,在VM2中建立一个用于测试的网站)。 8、在每个客户操作系统中设置联网。 对于VM1的网桥对应的虚拟网卡,设置其连接到外部网所需要的网络设置。 如果它已经从外部网络上的DHCPServer上得到了IP地址,就不需要另外设置了。 对于VM1的第2个网卡,手工指定一个VMnet2子网范围内的IP地址,基于本例子,指定的IP为: 192.168.44.129,子网掩码为: 255.255.255.0,网关和DNS均设为: 192.168.44.128(即第VM2的IP)。 对于VM2,手工指定一个VMnet2子网范围内的IP地址。 例如IP为: 192.168.44.128,子网掩码为: 255.255.255.0,网关和DNS均可不设置。 对于VM3,因为它通过两个网卡分别连接到VMnet2和VMnet3虚拟转换上,所以就需要分别为他们指定分属于VMnet2和VMnet3子网范围内的IP地址。 例如第一块网卡(即VMNnet2)IP为: 192.168.44.130,子网掩码为: 255.255.255.0,网关可不设置;DNS设置为127.0.0.1。 第二块网卡(即VMNnet3)IP为: 192.168.89.129,子网掩码为: 255.255.255.0,网关可不设置;DNS设置为192.168.44.130(即VM2上Vmnet2的IP)。 对于VM4,为网卡指定一个Vmnet3子网范围内的IP地址。 例如IP为: 192.168.89.128,子网掩码为: 255.255.255.0,网关和DNS均设置为192.168.89.129。 9、启动两台windows2003的路由功能并设置路由信息。 第一台机器的路由信息应为(方法见附录): 接口: “本地连接”,目标: 192.168.89.0,网络掩码: 255.255.255.0,网关为: 192.168.44.130。 第二台机器的路由信息应为: 接口: “本地连接2”,目标: 192.168.44.0,网络掩码: 255.255.255.0,网关为: 192.168.44.130。 10、启动4台虚拟机以测试结果。 如果这四台机器能够互相ping通,则表明
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