МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Московский государственный технический университет
«МАМИ»
Факультет: «Автоматизация и управление». Кафедра «Автоматика и процессы управления»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по выполнению лабораторных работ
по дисциплине «Вычислительные машины, системы и сети» для студентов, обучающихся по направлению 22020062 (550200) и специальностям 22020165
(210100).
Москва - 2010
Холодов Г.М., доцент,
Ступин B.C., ассистент.
Методические указания по дисциплине «Вычислительные машины, системы и сети» для студентов, обучающихся по направлению 220200.62 (550200) и специальностям 220201.65 (210100).
стр. 100, МАМИ, 2010г.
В методических указаниях представлена информация, необходимая для организации и выполнения студентами лабораторных работ. Тематика лабораторных работ охватывает актуальные вопросы по изучению локальных вычислительных сетей на базе семейства операционных систем Microsoft Windows, а так же технологий виртуализации.
Общие положения
Целью проведения лабораторных работ является конкретизация и закрепление основных теоретических положений, изложенных в лекциях по дисциплине «Вычислительные машины, системы и сети» и приобретение умений и навыков по работе с технологиями виртуализации и созданию ЛВС на базе семейства операционных систем Microsoft Windows.
В данных методических указаниях рассмотрены лабораторные работы по следующим темам:
Настройка виртуальных машин для работы в общей локальной сети;
Конфигурирование настроек стека TCP/IP;
Настройка службы Network Address Translation (NAT) и маршрутизации;
Настройка сервера системы доменных имён (DNS);
Настройка сервера динамической конфигурации хостов (DHCP);
Настройка файлового сервера.
Для защиты лабораторных работ необходимо будет предоставить:
Курс лекций по предмету «Вычислительные машины, системы и сети»
Полный конспект лабораторных работ, оформленных в семинарских тетрадях
Отчет о выполнении лабораторной работы с иллюстрациями и подробным описанием выполнения
Ответы на контрольные вопросы
Лабораторная работа № 1
«Настройка виртуальных машин для работы в общей локальной сети»
Цель работы: ознакомиться с процессом работы платформы виртуализации и виртуальных машин
Теоретическая часть
Алгоритм программной виртуализации в архитектуре х86
В архитектуре х86 существует четыре уровня привилегий (колец защиты). Выполнение инструкций в кольце 0 именуется привилегированным режимом. В этом кольце, имеющем максимальные привилегии, выполняется ядро основной операционной системы, поскольку имеется полный доступ к процессору. Привилегированные команды могут исполняться только на нулевом кольце. Кольца 1 и 2 не используются, а в кольце 3 работают приложения. Выполнение инструкций в кольце 3 называется пользовательским режимом.
хаб-оборудование
Рисунок
1 Реализация программной виртуализации
Приложение
Приложение
Гостевая ОС
Госгеван ОС
Виртувлизвцдонный софт Хостаеая операционная система
Г остевые операционные системы могут выполнять только непривилегированные инструкции, как и обычные приложения. Попытка гостевой ОС выполнить в пользовательском режиме привилегированную инструкцию вызовет исключение, которое перехватывается монитором виртуальных машин, называемым также гипервизором. Далее гипервизор будет эмулировать эту команду для виртуальной машины как бы от имени хостовой ОС. При этом сам гипервизор, как и хостовая операционная система, функционирует в нулевом кольце. Такой метод получил название ring-deprivileging.
Однако, этого недостаточно, поскольку необходимо решить, как поступать с проблемными инструкциями, которые гипервизор не может перехватить. Следовательно, гипервизор должен контролировать работу гостевой ОС, выявлять появление проблемных непривилегированных команд и не допускать их выполнения.
Существует два базовых метода реализации программной виртуализации: метод динамической трансляции и метод модификации гостевой ОС (паравиртуализация).
Динамическая трансляция
При динамической трансляции (используется также термин «бинарная трансляция») проблемные команды гостевой ОС перехватываются гипервизором и модифицируются (заменяются на безопасные команды), после чего управление возвращается гостевой ОС.
В результате гостевая операционная система вместе со всеми приложениями фактически становится одним «обычным» приложением хостовой операционной системы, из-под которой она запущена. Г остевой операционной системе попросту «подсовывается» виртуальная машина, очень напоминающая реальную х86-машину.
Г остевая ОС принимает виртуальную машину за реальный компьютер и начинает на этой виртуальной машине, имитируемой хостовой ОС, работать.
Паравиртуализация
В методе паравиртуализации частично подвергается модификации исходный код гостевой операционной системы. Перед выполнением программный код гостевой ОС просматривается на наличие проблемных инструкций и в спорных местах вставляются команды перехода на гипервизор (так называемые гипервызовы (hypercalls)), где специальный генератор кода заменяет проблемные инструкции. В результате удается избежать появления проблемных команд. В методе паравиртуализации модифицируется только ядро операционной системы, а библиотеки и приложения уровня пользователя остаются неизменными. Гипервизор предоставляет гостевой ОС специальный API, с которым она и взаимодействует, вместо того чтобы обращаться напрямую к таким ресурсам, как таблица страниц памяти.
Метод паравиртуализации позволяет добиться более высокой производительности, чем метод динамической трансляции. В то же время нужно отметить, что метод паравиртуализации применим лишь в том случае, если гостевые ОС имеют открытые исходные коды (например, ОС семейства Linux) — их можно модифицировать согласно лицензии. Однако для ОС семейства Windows с закрытыми кодами использование метода паравиртуализации невозможно.
Как уже отмечалось, процессоры с архитектурой х86 не поддерживают виртуализацию на аппаратном уровне и для ее реализации применяются различные программные ухищрения. Тем не менее такая ситуация сохранялась вплоть до 2005 года, когда компания Intel разработала аппаратную поддержку виртуализации в своих новых процессорах. Данная технология, получившая название Intel VT-x (кодовое название Vanderpool), поддерживается практически всеми (за исключением младших моделей) новыми процессорами Intel семейства Intel Core 2 Duo и процессорами семейства Intel Core 2 Quad.
Позднее и компания AMD реализовала аппаратную поддержку виртуализации в своих процессорах, которая получила название AMD Pacific.
В отличие от программной виртуализации, с помощью аппаратной виртуализации возможно получение изолированных гостевых систем, управляемых гипервизором напрямую. Такой подход может обеспечить простоту реализации платформы виртуализации и увеличить надежность платформы с несколькими одновременно запущенными гостевыми системами. Более того, аппаратная поддержка виртуализации теоретически должна повысить производительность виртуальных машин, поскольку в этом случае исключены потери производительности на обслуживание хостовой системы. Такая модель позволяет приблизить производительность гостевых систем к реальным и сократить затраты производительности на поддержание хостовой платформы.
Технологии Intel VT-x и AMD Pacific реализованы совершенно по-разному, хотя и приводят к единому результату. Фактически в обоих случаях речь идет не о переделке микроархитектуры процессора, а о программных «заплатках», позволяющих скрыть некоторые недостатки архитектуры х86. То есть в обоих случаях аппаратная поддержка виртуализации подразумевает некоторый дополнительный набор инструкций, облегчающих выполнение на аппаратном уровне операций, которые до этого можно было выполнять только программно, затрачивая дополнительные вычислительные ресурсы. Если говорить более конкретно, то речь идет об инструкциях процессора для предоставления прямого доступа к ресурсам процессора из гостевых систем, то есть об инструкциях, которые позволяют выполнять привилегированные инструкции, генерируемые гостевой ОС.
Впрочем, аппаратная поддержка виртуализации на уровне процессора не означает, что теперь можно обойтись без гипервизора. Более того, для того чтобы воспользоваться преимуществами аппаратной поддержки виртуализации, потребуется гипервизор, который поддерживал бы технологии аппаратной виртуализации Intel VT и AMD Pacific.
Практическая часть
Запускаем главное окно программы
Рисунок
2 Главное окно программы
Жмем кнопку «Создать» и переходим к процессу создания новой виртуальной машины
Создать новую виртуальную машину
Нажмите
кнопку Дал ее г
чтобы перейти к следующей странице
мастера,, или кнопку Назад для возврата
на предыдущую страницу,
Этот
мастер поможет Вам выполнить шаги,
необходимые для создания новой
виртуальной машины для VirtualBox.
<
Назад
|
Далее:
Первая созданная виртуальная машина будет работать под Windows «ХР». Выбираем соответствующие пункты
11
в Г
Имя машины и тип ОС
Тип
ОС
Операционная
система: Microsoft
Windows
Введите
имя для новой виртуальной машины и
выберите тип гостевой операционной
системы, которую Вы планируете установить
на эту машину,
Имя
виртуальной машины обычно отражает
ее программную и аппаратную конфигурацию.
Это имя будет использоваться всеми
приложениями VirtualBox
для обозначения созданной виртуальной
машины.
Имя
Версия:
Windows
ХР
Далее
>
<
Назад
Рисунок 4 Выбор типа устанавливаемой операционной системы
Устанавливаем максимальное количество оперативной памяти, с которой будет работать виртуальная машина (оперативная память ВМ будет резервироваться из реальной оперативной памяти компьютера)
Создать новую виртуальную машину
Память
Выберите количество основной памяти (RAM) в мегабайтах, выделяемой виртуальной машине.
Рекомендуемый размер основной памяти: 192 Мб.
Размер основной памяти
l—Q 256 МБ
Назад Далее > Отмена
Подключаем виртуальный жесткий диск. Жмем кнопку «Существующий» и переходим к окну «Менеджер виртуальных носителей»
Создать новую виртуальную машину
Виртуальный
жесткий диск
Выберите жесткий диск, который будет загрузочным диском виртуальной машины. Вы можете создать новый жесткий диск, нажав кнопку Создать,, либо выбрать существующий из выпадающего списка или из Менеджера виртуальных носителей (который откроется при нажатии на кнопку Существующий).
Если Вам требуется более сложная конфигурация жестких дисков, то можно пропустить этот шаг и подсоединить жесткие диски позднее с помощью диалога Свойств машины.
Рекомендуемый размер загрузочного жесткого диска: 10240 Мб.
[У] Загрузочный жесткий диск (первичный мастер)
[ <нет носителей > ▼ |
Создать... Существующий...
Назад Далее > Отмена
Рисунок 6 Окно выбора виртуального жесткого диска
В окне менеджера виртуальных носителей жмем кнопку «Добавить»
у
1—а-Г
носителем
Жесткие
диски ^
Образы
дискет
Расположение:
Тип (Формат): Подсоединен к:
Добавить
существующий носитель
На данном этапе производим поиск файл - образа искомой операционной системы
Выберите файл образа жесткоп
"3
а о- &
№
Жанр
Папка:
backup
Имя
□aro.vd,
Недавние места ■ jXP.vdi
Исполнит... Альбом
Рабочий стол
|
Администратор
Л
Компьютер
-т:1
|Все
образыжестких дисков (*.vmdk
J
vdi
*.v
'*] Отмена
Тип Файлов:
Рисунок 8 Окно поиска образов виртуальных жестких дисков
Повторяем процедуру, проделанную в пунктах 6-7, для виртуального жесткого диска с установленной Windows 2003, результат показан на рисунке 9
1
I у )]
ых
носителей
Действия
&
И мл |
|
Вирт, размер |
Фаю-, размер |
2003,vdi |
|
5,00 GB |
1,40 GB |
■ XP.vdi |
|
5,00 GB |
1,46 GB |
|
|
|
|
Создать
Добавить Удалить Освободить Обновить
Жесткие
диски
у
Образы CD/DVD
В
Обдазы
i
Расположение:
Di^ackupViP.vdi
Тип (Формат): Обычный
(VDI)
Подсоединен
к: fie
подсоединен
Справка
Возвращаемся к окну выбора виртуального жесткого диска и на выпадающем меню выбираем файл образ XP.vdi
Создать новую виртуальную машину
Виртуальный
жесткий диск
Выберите жесткий диск, который будет загрузочным диском виртуальной машины. Вы можете создать новый жесткий диск, нажав кнопку Создать,, либо выбрать существующий из выпадающего списка или из Менеджера виртуальных носителей (который откроется при нажатии на кнопку Существующий).
Если Вам требуется более сложная конфигурация жестких дисков, то можно пропустить этот шаг и подсоединить жесткие диски позднее с помощью диалога Свойств машины.
Рекомендуемый размер загрузочного жесткого диска: 10240 Мб.
[Vi Загрузочный жесткий диск (первичный мастер)
[XP.vdi (Обычный, 5,QQ GB) ▼ |
Создать... Существующий.,,
Назад I Далее > Отмена
Рисунок 10 Выбор виртуального жесткого диска
"Ш
По завершению процесса создания виртуальной машины проверяем её настройки и жмем кнопку «Готово»
Создать новую виртуальную машину
Итог
Вы собираетесь создать виртуальную машину со следующими параметрами:
Имя: ХР
Тип ОС: Windows ХР
Основная память: 256 МБ
Загрузочный жесткий диск: XP.vdi (Обычный, 5,00 GB)
Если приведенная выше информация верна, нажмите кнопку Готово. После этого будет создана новая виртуальная машина.
Обратите внимание, что эти и другие параметры созданной машины можно будет изменить в любое время с помощью диалога Свойства, доступ к которому можно получить через меню главного окна.
Назад
Повторяем процедуру, проделанную в пунктах 2-4 и 9-10 для
операционной системы Windows 2003 с соответствующими изменениями. В результате в главном окне программы видим созданные виртуальные машины
Рисунок
12 Главное окно программы
Ш ш I]
Производим настройку будущего сервера ЛВС. Сервер имеет 2 сетевых адаптера, один из которых присоединен к WAN (через VirtualBox подключен к внешнему миру), а другой к LAN (наша локальная вычислительная сеть). В свойствах ВМ Win2003, переходим на вкладку «Сеть» и настраиваем внешний сетевой адаптер
Ш
Общие ^ Жесткие диски О CD/DVD-ROM
В Дискета ®В Аудио
Адаптер!. | Адаптер 2 | Адаптер 3~ Адаптер 4
[^1 Включить сетевой адаптер
Хип адаптера: | Intel PRO/IOOO Т Server (82543GC)
Подсоединен
к: [NAT
^
СОМ-порты $
USB
(3
Общие папки Ш
Урр
л ен н ы й ди сп л ей
Имя
сети: Ian
[сгенерировать|
МАС-а^рес:
Q800270D833Q
[VI
Кабель подключен
Хост-интерфейсы -
Realtek RTL8168/8111 Family PCI-Е Gigabit Ethernet NIC (NDIS6.0)
Справка
Щ
Общие ^ Жестки е ди оси 0
CD/DVD-ROM
0
Дискета Аудио [■Р Сеть ^ СОМ-порты $
USB
[3
Общие папки Ш
ен н ы й ди сп л ей
Переходим
на вкладку «Адаптер 2» и настраиваем
сетевую карту для
работы
во внутренней сети, подключая её к сети
«1ап», и принимаем изменения настройки
ВМ, нажав клавишу «ОК»
©
2003 - Свойства
[У1 Включить сетевой адаптер
Хип адаптера: [pCnet-FAST III (Am79C973) ~ Подсоединен к: [ Внутренняя сеть
[сгенерировать]
MAC-aflpec: 080027СВ'ЮВ0
0 Кабель подключен
Хост-интерфейсы -
Realtek RTLS16S/8111 Family РС1-Е Gigabit Ethernet NIC (NDIS6.0)
Показывает имя внутренней сети, выбранной для этого адаптера.
Справка
Рисунок 14 Настройка внутреннего сетевого адаптера сервера
Л I У I
Производим настройку сетевого адаптера для ВМ с Windows ХР, так же подключая её к сети «1ап»
С*} ХР - Свойства
Щ
Общие ^ Жестки е ди ски 0
CD/DVD-ROM
а
Дискета
Аудио |ир Сеть ^ СОМ-порты $
USB
[Э
Общие папки Ш
ifra
л ен н ы й ди сп л ей
[У1 Включить сетевой адаптер
Хип адаптера: [PCnet-FAST III (Am79C973) ~ Подсоединен к: [ Внутренняя сеть
Имя сети: 1ап
[Сгенерировать|
[71 Кабель подключен
Хост-интерфейсы -
Realtek RTL816S/8111 Family PCI-E Gigabit Ethernet NIC (NDIS6.0)
Справка
Таким образом, созданная нами локальная вычислительная сеть имеет следующий вид:
Рисунок
16 Сеть для лабораторного практикума