利用虛擬機技術(shù)構建計算機互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗平臺
目前， 虛擬機技術(shù)在計算機的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應用。例如， 在安全領(lǐng)域， 可以利用虛擬機構建“蜜罐”系統， 對互聯(lián)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò )攻擊行為進(jìn)行分析研究; 在存儲領(lǐng)域， 可以利用虛擬機來(lái)減少服務(wù)器的數量， 簡(jiǎn)化服務(wù)器的管理， 將多種應用整合到單臺服務(wù)器上完成; 在機房建設領(lǐng)域， 可以利用虛擬機技術(shù)實(shí)現機房機器的多種用途， 而無(wú)需擔心主機系統與硬件的損壞。虛擬機在教學(xué)中的應用也越來(lái)越受到重視， 我們則基于虛擬機在單機上構建了一個(gè)計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)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(wǎng)絡(luò )實(shí)驗平臺中網(wǎng)絡(luò )設備虛擬的實(shí)現， 最后介紹了該平臺的實(shí)際應用情況。
一、工作原理
虛擬機的概念是上個(gè)世紀 70 年代由 IBM 公司提出的， 當時(shí)的虛擬機技術(shù)僅僅是在大型機上運行的一個(gè)虛擬工具， 通過(guò)搶先多任務(wù)方式為用戶(hù)提供同時(shí)操作多個(gè)會(huì )話(huà)的能力。這里提到的虛擬機是近年來(lái)出現的一種新興計算機技術(shù)， 其工作原理是通過(guò)進(jìn)入保護模式， 在物理機中運行的主機系統上創(chuàng )建出一個(gè)或多個(gè)虛擬的客戶(hù)系統， 使得客戶(hù)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(gè)管理虛擬機的框架， 通過(guò)利用保護模式的特權級機制、分頁(yè)內存管理機制， 任務(wù)切換機制， 為上一層客戶(hù)系統的內存管理、中斷處理以及線(xiàn)程調度提供許多重要的服務(wù)。利用虛擬層提供的服務(wù)， 可以在主機系統上模擬出不同的客戶(hù)系統。每個(gè)客戶(hù)系統中都有一個(gè)虛擬機控制塊， 塊中包含當前狀態(tài)方面的信息， 如執行狀態(tài)， 調度優(yōu)先級以及復制的寄存器內容等。這些客戶(hù)系統擁有獨立的虛擬硬件設備， 如 BIOS、內存、硬盤(pán)、軟盤(pán)、顯卡、網(wǎng)卡等。雖然從各個(gè)虛擬客戶(hù)系統角度看， 它們都是一個(gè)完整的系統， 但從主機系統的角度來(lái)看， 每個(gè)客戶(hù)系統都是其上獨立運行的應用進(jìn)程， 它們分別采用獨立的地址空間， 彼此之間沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)。不同的客戶(hù)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(huì )受到主機系統與其他客戶(hù)系統的影響。虛擬客戶(hù)系統的資源都來(lái)自于物理機， 例如每個(gè)客戶(hù)系統的內存來(lái)自于物理機的內存， 客戶(hù)系統里的硬盤(pán)也是虛擬的， 實(shí)際對應于物理硬盤(pán)上的文件。主機物理硬盤(pán)上可以創(chuàng )建不同的文件夾， 在其中存放各客戶(hù)系統啟動(dòng)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(shù)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(huán)境， 為在單機上構建一個(gè)計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)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(huán)境的建立。根據我們的實(shí)踐經(jīng)驗， 1G 內存的機器能夠以較好的性能同時(shí)運行五個(gè)虛擬操作系統， 完成絕大部分網(wǎng)絡(luò )實(shí)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(shí)運行更多的虛擬操作系統來(lái)構建更復雜的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境。
二、網(wǎng)絡(luò )設備虛擬的實(shí)現
計算機網(wǎng)絡(luò )指的是利用通信鏈路和網(wǎng)絡(luò )設備將處于不同地理位置的計算機連接起來(lái)， 在網(wǎng)絡(luò )操作系統的控制下實(shí)現資源共享與信息交換的系統。由此可見(jiàn)， 僅僅通過(guò)虛擬機提供各種操作系統的運行支持環(huán)境是不夠的， 還需提供對常用網(wǎng)絡(luò )設備的虛擬， 常用的網(wǎng)絡(luò )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(shí)現相對簡(jiǎn)單， 當在主機上安裝虛擬機軟件Vmware 后， 系統會(huì )提供 VMnet0、VMnet1、VMnet2 等虛擬網(wǎng)絡(luò )適配器件， 這些設備可以充當交換機， 通過(guò)這些設備和虛擬網(wǎng)絡(luò )操作系統就可以組建交換式局域網(wǎng)， 連接到相同 VMnet 上的虛擬操作系統可看成是連接在同一個(gè)虛擬交換機上的主機。因此， 只要將各虛擬網(wǎng)絡(luò )操作系統的網(wǎng)卡連接到對應的虛擬網(wǎng)絡(luò )適配器， 即可實(shí)現網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )實(shí)驗已經(jīng)足夠了， 但是不少重要的網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗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 MRT 實(shí)現了路由器的虛擬，對 BGP4、OSPF、RIP 等路由協(xié)議提供了支持。MRT 是 Merit Network 公司在美國國家科學(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，提供了許多與路由相關(guān)的庫函數以支持用戶(hù)開(kāi)發(fā)與路由相關(guān)的應用。MRT 提供了兩類(lèi)庫函數， 一類(lèi)是底層的支持程序， 用于對各種路由相關(guān)實(shí)現， 如時(shí)間、接口、套接字規程提供支持。另一類(lèi)是和路由協(xié)議直接相關(guān)的庫函數， 這些庫函數提供對 BGP、RIP等路由協(xié)議通信的支持， 可以訪(fǎng)問(wèn)相關(guān)路由協(xié)議的路由表。在我們對路由器虛擬時(shí)， 對于各種路由協(xié)議都需要實(shí)現的功能， 如定期發(fā)送 KEEPALIVE 報文、超時(shí)后刪除掉路由表中的某項、接收報文、將發(fā)送的報文保存在緩沖區中以及記錄相關(guān)路由信息等， 均通過(guò) MRT 底層的支持程序完成。而對路由協(xié)議之間的交互操作， 則通過(guò) MRT 路由庫函數去實(shí)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(xiàn)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)現的， 選擇服務(wù)在 MRT 模塊上執行同步 I/O 多路復用， 在某個(gè)模塊處于阻塞時(shí)， 可以用另一種機制來(lái)處理 I/O 模塊。選擇線(xiàn)程還能監視對象套接字描述， 一旦檢測到有 I/O 事件， 服務(wù)調用對象的回叫機制同時(shí)停止監視套接字。當對象完成套接字處理后， 會(huì )通知選擇進(jìn)程重新開(kāi)始監控。至于路由協(xié)議中的一些定時(shí)警報可以通過(guò) MRT 中的時(shí)間線(xiàn)程來(lái)完成，由時(shí)間線(xiàn)程維護基于時(shí)間的事件以及相關(guān)的警報和回叫方法。
三、結論
實(shí)踐證明， 該實(shí)驗平臺具有與真實(shí)網(wǎng)絡(luò )系統一致的操作、命令、功能和響應， 不僅能對網(wǎng)絡(luò )操作系統進(jìn)行模擬， 還能對各種網(wǎng)絡(luò )設備( 如路由器、交換機) 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)構建的網(wǎng)絡(luò )系統相比， 該平臺具有成本低、功能全、效率高、效果好、實(shí)用性強的特點(diǎn)。下一步， 我們將為該平臺添加自定義網(wǎng)絡(luò )拓撲功能， 如添加所需要的虛擬系統、虛擬網(wǎng)絡(luò )設備、線(xiàn)纜等， 讓用戶(hù)搭建出自己需要的網(wǎng)絡(luò )， 完成各種拓撲環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗， 幫助他們更好地理解網(wǎng)絡(luò )結構， 更加深入地掌握網(wǎng)絡(luò )運行機理。
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