Учебно-методическое пособие. МДК 04.01 Ввод и обработка цифровой информации. Моделирование работы ОС в виртуальной среде VirtualBox (VMware)
методическая разработка на тему

Комитет образования Санкт-Петербурга

Государственное бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального образования

Санкт-Петербургский Колледж Информационных технологий

МДК 04.01 Ввод и обработка цифровой информации

Моделирование работы операционной системы

в виртуальной среде VirtualBox (VMware)

Учебно-методическое  пособие

Направление и профессия подготовки

квалифицированных рабочих:

Выполнение работ по рабочей профессии ОКПР 16199

 «Оператор электронно-вычислительных машин»

Санкт-Петербург

2012

1 Общие сведения о VirtualBox

VirtualBox – программный продукт виртуализации для операционных систем Microsoft Windows, DOS, GNU/Linux, Mac OS X и SUN Solaris/OpenSolaris.

Первая версия программы стала публично доступна 15 января 2007 года, выйдя из недр компании Innotek, а уже в феврале 2008 разработку приобрела компания Sun Microsystems. Изначально программа ориентировалась на запуск Windows и Linux. Дальнейшее развитие позволило организовать среду для «классических» ОС типа Solaris (Sun Microsystems), OpenSolaris (Sun Microsystems), и xBSD, в том числе и 64-битные гостевые системы (реализована поддержка всех аппаратных технологии виртуализации, которыми снабжаются современные процессоры). Существуют версии для Windows, Linux, Solaris/OpenSolaris/MacOS X.

Как было сказано выше, программа была создана компанией Innotek с использованием исходного кода Qemu. Существует две версии – свободная (OSE, англ. Open Source Edition), выпущенная под GNU GPL, и проприетарная (PUEL), различающиеся по функциональности; полнофункциональная проприетарная версия для личного использования распространяется бесплатно. После приобретения Innotek компанией Sun Microsystems, модель распространения VirtualBox не изменилась

Есть возможность выбора языка интерфейса (поддерживается и русскоязычный интерфейс).

К ключевым возможностям VirtualBox можно отнести:

– кроссплатформенность;

– модульность;

– поддержка USB 2.0, когда устройства хост-машины становятся доступными для гостевых ОС (только в проприетарной версии);

– поддержка 64-битных гостевых систем (начиная с версии 2.0), даже на 32-битных хост-системах (начиная с версии 2.1, для этого обязательна поддержка технологии виртуализации процессором);

– встроенный RDP-сервер, а также поддержка клиентских USB-устройств поверх протокола RDP (только в проприетарной версии);

– экспериментальная поддержка аппаратного 3D-ускорения;

– поддержка образов жестких дисков VMDK (VMware) и VHD (Microsoft Virtual PC), включая snapshots (начиная с версии 2.1);

– поддержка iSCSI (только в проприетарной версии);

– поддержка виртуализации аудиоустройств;

– поддержка различных видов сетевого взаимодействия (NAT, Host Networking via Bridged, Internal);

– поддержка цепочки сохраненных состояний виртуальной машины (snapshots), к которым может быть произведен откат из любого состояния гостевой системы;

– поддержка Shared Folders для простого обмена файлами между хостовой и гостевой системами.

Продукт VirtualBox эмулирует следующие компоненты аппаратного обеспечения в виртуальной машине:

– жесткие диски эмулируются в специальном формате контейнеров VDI (Virtual Disk Images), который в данный момент не совместим с форматами виртуальных дисков других производителей;

– видеоадаптер эмулируется как стандартный VESA с 8 Мб видеопамяти, при этом установка Guest VM Additions (только для Windows и Linux хостов) позволяет увеличить производительность виртуального видеоадаптера и динамически менять размер окна виртуальной машины;

– аудиоконтроллер на базе Intel ICH AC'97;

– сетевой адаптер эмулируется как интерфейс AMD PCNet;  

– в издании с закрытым исходным кодом эмулируются также контроллеры USB, при этом USB-устройства, вставленные в разъемы хоста, автоматически подхватываются в гостевой системе. Также если виртуальная машина действует как RDP (Remote Desktop Protocol) сервер, то в клиенте также будут видны USB-устройства.

Платформа VirtualBox исполняет код гостевой системы нативно (прямой передачей инструкций процессору хоста). Этот подход работает хорошо для кода, исполняющегося в кольце третьей гостевой системы, для кода гостевой системы, исполняющегося в нулевом кольце, требующего привилегированных инструкций, необходим его перехват платформой виртуализации. Для этой цели VirtualBox использует оригинальный подход: код, исполняющийся в нулевом кольце гостевой системы, исполняется в первом кольце хостовой системы, которое не используется в архитектуре Intel.

Помимо стандартных функций, присущих большинству настольных систем виртуализации, платформа VirtualBox обладает также набором уникальных возможностей, присущих только ей:

– ярко выраженная модульность системы;

– платформа VirtualBox имеет модульную архитектуру с хорошо описанными компонентами и предоставляет удобные интерфейсы доступа к виртуальным машинам, которые позволяют контролировать гостевые системы как через GUI, так и через командную строку и удаленно. К тому же, компания InnoTek предоставляет отличный Software Development Kit, и поскольку код платформы открыт, не требуется дополнительных усилий, чтобы написать расширение к системе. В данный момент ведется большая работа по портированию продукта на различные хостовые платформы и разработчикам предоставляются все необходимые инструменты и интерфейсы для доработки VirtualBox;

–  виртуальная машина может действовать как RDP-сервер;

– в отличие от других платформ виртуализации, VirtualBox может действовать как RDP-сервер и управляться любым клиентом, поддерживающим протокол RDP. Также поддерживается функция USB over RDP. Стоит отметить, что компания VMware в вышедшей недавно платформе VMware Workstation 6 также предоставляет функцию Act as RDP Server, поэтому эту функцию VirtualBox на данный момент нельзя назвать такой уникальной.

– iSCSI initiator;

– компонент iSCSI initiator является одной из закрытых частей платформы VirtualBox. Он позволяет использовать внешние устройства по протоколу iSCSI в качестве виртуальных дисков в гостевой системе без дополнительной поддержки со стороны гостевой ОС.

Компания InnoTek и независимые разработчики, принимающие участие в доработке платформы VirtualBox, постоянно расширяют список поддерживаемых гостевых и хостовых систем. Список гостевых систем, поддерживаемых VirtualBox, весьма обширен и вполне может соперничать с коммерческими платформами виртуализации. На данный момент продуктом полноценно поддерживаются следующие хостовые ОС:

Операционные системы семейства Windows (2000/XP/2003/Vista)

Linux-платформы, включая:

Ubuntu 7.04 («Feisty Fawn»)

Ubuntu 6.10 («Edgy Eft»)

Ubuntu 6.06 LTS («Dapper Drake»)

Debian 3.1 («Sarge»)

Debian 4.0 («Etch»)

openSUSE 10.2

Mandriva Linux 2007.1

Red Hat Enterprise Linux 4

Univention Corporate Server 1.3-2

Mac OS X (в данный момент в стадии бета-тестирования)

OS/2 Warp (экспериментально)

Нужно отметить, что в данный момент портирование VirtualBox на платформу OS/2 еще не закончено, и на сайте разработчика присутствуют лишь общие инструкции по сборке системы. При использовании VirtualBox на этой платформе возникают многочисленные проблемы, которые предстоит решить разработчикам.

2 Принцип работы программы VirtualBox

2.1 Общие принципы работы

Графический интерфейс VirtualBox имеет два основных окна: главное и консоль виртуальной машины.

При старте виртуальной машины VirtualBox обычно запускается три процесса, которые можно наблюдать в диспетчере задач в Windows-системах или системном мониторе Linux:

– графический интерфейс окна управления. Еще один похожий процесс, запущенный с параметром startvm, который означает, что GUI будет работать в качестве оболочки для виртуальной машины;

– автоматически создаваемый сервисный процесс VBoxSVC, необходимый для того, чтобы отслеживать количество и статусы запущенных виртуальных машин (поскольку они могут быть запущены различными способами);

– виртуальная машина с запущенной в ней гостевой системой инкапсулирует в себе необходимые детали реализации гостевой ОС и ведет себя по отношению к хостовой системе как обычное приложение.

В гостевой системе реализация виртуальной машины VirtualBox представляется пользователю двумя способами:

– стандартная клиент-серверная архитектура, позволяющая контролировать поведение виртуальных машин различными способами, используя COM/XPCOM API. Например, гостевая система может быть запущена через GUI, а остановлена с помощью утилиты командной строки VboxManage. Эта утилита может также выполнять некоторые функции, которые не доступны из графического интерфейса пользователя;

– архитектура frontend/backend, представляющая собой инкапсуляцию x86-виртуализации в библиотеках VBoxVMM.dll на Windows платформе и VBoxVMM.so на Linux (backend) и реализацию управления виртуальными машинами несколькими способами (frontend):

– пользовательский GUI на основе Qt;

– утилита VboxManage;

– GUI, основанный на SDL, обладающий более широкими возможностями, чем GUI на Qt и направленный на использование виртуальных машин в производственной среде;

– возможность управления виртуальными машинами с помощью встроенного RDP-сервера в виртуальной машине.

Процесс установки гостевой системы на платформе VirtualBox весьма прост и не требует от пользователя дополнительных усилий. При создании виртуальной машины необходимо выбрать тип устанавливаемой гостевой системы, определить количество выделяемой ей оперативной памяти и создать виртуальный диск фиксированного размера или динамически расширяющийся по мере его заполнения в гостевой системе. Дальнейший процесс установки происходит так же, как и в других платформах виртуализации. После того, как гостевая ОС будет установлена, необходимо также установить Guest VM Additions в целях оптимизации гостевой системы и улучшения ее взаимодействия с хостовой ОС.

Для каждой виртуальной машины может быть установлено до четырех виртуальных сетевых интерфейсов, но самое главное в том, что работать они могут в разных режимах. Режим, в котором интерфейс будет функционировать, выбирается в свойствах виртуальной машины из следующих вариантов:

– Not attached (Не подключен);

– Network Address Translation (NAT);

– Bridged networking (Сетевой мост);

– Internal networking (Внутренняя сеть);

– Host-only networking (Виртуальная сеть хоста).

Сетевое взаимодействие между самими виртуальными машинами в VirtualBox, соответственно, может быть трех типов: NAT (виртуальная машина «прячется» за NAT-сервером хоста и может инициировать соединения во внешнюю по отношению к нему сеть, но из внешней сети инициировать соединение с такой виртуальной машиной нельзя); Host Interface Networking (в этом случае виртуальная машина разделяет ресурсы физического адаптера с хостовой операционной системой и доступна из внешней сети как независимый компьютер); Internal Networking. (тип сетевого взаимодействия для построения виртуальной сети в пределах хоста, когда не требуется выход из виртуальной машины во внешнюю сеть и доступ к ней извне).

2.2 Связь эмулятора виртуальных машин QEMU и VirtualBox

Компания InnoTek, на протяжении нескольких лет разрабатывавшая платформу VirtualBox, опиралась в своих разработках на один из старейших эмуляторов виртуальных машин QEMU. Проект VirtualBox связан с этой платформой в двух отношениях:

– при создании эмулируемых устройств компания InnoTek ориентировалась на представления виртуального оборудования в QEMU;

– InnoTek в сотрудничестве с создателями QEMU использовала механизм рекомпиляции в качестве обработчика исключительных ситуаций, когда монитор виртуальных машин (Virtual Machine Monitor) платформы VirtualBox не может корректно обработать исключительную ситуацию при выполнении кода гостевой системы в real mode.

По заявлениям разработчиков VirtualBox техники, заимствованные ими из QEMU, позволили им сэкономить значительное количество времени и повысить надежность платформы.

2.3 Алгоритм создания виртуальной машины

Создание новой виртуальной машины выполняется в несколько этапов, при помощи встроенного мастера. Этапы создания виртуальной машины представлены на рисунках 1…6.

Рисунок 1 –  Список гостевых ОС

Рисунок 2 –  Мастер создание гостевой ОС

Рисунок 3 –  Выбор поддерживаемой гостевой ОС

Рисунок 4 –  Выбор объема оперативной памяти

Рисунок 5 –  Создание виртуального жесткого диска

Рисунок 6 –  Подключение файла образа дискеты 1,41 Мб

3 Практическая часть

3.1 Задания

3.1.1 Работа с ОС MenuetOS v. 0.76

Загрузить в виртуальную машину операционную систему MenuetOS v. 0.76 из образа диска menuet.img. При создании виртуальной машины установить: 32 Мб ОЗУ, виртуальный жесткий диск не создавать, тип операционной системы – Other,  версия Other/Unknown. Указать сетевой путь к образу дискеты, который находится в домашней папке пользователя. Запустить виртуальную машину. Ознакомиться с графической средой.

3.1.2 Работа с ОС QNX demodisk (qnx 4.0)

Загрузить в виртуальную машину операционную систему QNX demodisk из образа диска qnx4.img. При создании виртуальной машины установить 32 Мб ОЗУ, виртуальный жесткий диск не создавать, тип операционной системы – Other,  версия QNX. Указать сетевой путь к образу дискеты, который находится в домашней папке пользователя. Запустить виртуальную машину. Ознакомиться с графической средой.

3.1.3 Работа с ОС PuppyRus-1.20

        Загрузить в виртуальную машину операционную систему PuppyRus-1.20 из образа диска PuppyRus-1.20U-Lite-M.iso. При создании виртуальной машины установить 192 Мб ОЗУ, виртуальный жесткий диск не создавать, тип операционной системы – Linux,  версия Other. Указать сетевой путь к образу оптического диска, который находится в домашней папке пользователя. Запустить виртуальную машину. Ознакомиться с графической средой. Настроить получение динамического IP-адреса от DHCP-сервера, следуя рекомендациям преподавателя. Загрузить Web-страницу: www.mail.ru.

3.1.4 Работа с ОС dsl-4.4.10

        Загрузить в виртуальную машину операционную систему dsl-4.4.10 из образа диска dsl-4.4.10.iso. При создании виртуальной машины установить 128 Мб ОЗУ, виртуальный жесткий диск не создавать, тип операционной системы – Linux,  версия Debian. Указать сетевой путь к образу оптического диска, который находится в домашней папке пользователя. Запустить виртуальную машину. Ознакомиться с графической средой. Настроить получение динамического IP-адреса от DHCP-сервера, следуя рекомендациям преподавателя. Загрузить Web-страницу: www.mail.ru.

3.1.5 Работа с KolibriOS v.0.7.5.0

Загрузить в виртуальную машину операционную систему KolibriOS v.0.7.5. из образа диска kolibri.iso. При создании виртуальной машины установить 48 Мб ОЗУ, виртуальный жесткий диск не создавать, тип операционной системы – Other,  версия Other/Unknown.

Ознакомиться с графической средой. Настроить получение динамического IP-адреса от DHCP-сервера, следуя рекомендациям преподавателя.

3.2 Методические рекомендации к выполнению практической работы

Цель работы:  

– овладеть навыками работы в программе VirtualBox;

– научиться создавать виртуальные машины;

– овладеть основными методами настройки ОС для эффективной работы в виртуальной машине, а также настраивать гостевые ОС для работы в локальных и глобальных сетях.

В рамках практической работы рассматриваются пять ОС:

–   MenuetOS v. 0.76;

QNX demodisk (qnx 4.0);

PuppyRus-1.20;

dsl-4.4.10;

KolibriOS.

MenuetOS – любительская операционная система для ПК, полностью написанная на ассемблере fasm. Эта ОС способствует написанию приложений на 32-битном и 64-битном ассемблере x86, поскольку в результате программы получаются как правило более быстрые, более компактные и менее требовательные к ресурсам.

Ранее 32-битная версия MenuetOS распространялась на условиях GPL. Сейчас же 64-битная версия распространяется на условиях собственной лицензии. MenuetOS не основана ни на Unix и стандарте POSIX, ни на какой-либо другой операционной системе. Задача проекта – исключить дополнительные уровни между различными частями ОС, которые обычно усложняют программирование и порождают ошибки.

29 октября 2008 года была выпущена 64-битная версия 0.89D. В последних версиях была добавлена поддержка USB-периферии – такой как флеш-носители, web-камеры и прочее.

29 декабря 2008 года выпущена версия 0.90E, в которой появилась программа для просмотра изображений в форматах PNG, GIF и JPEG.

Существует также операционная система KolibriOS, которая является продолжением MenuetOS от сторонних разработчиков.

QNX – коммерческая POSIX-совместимая операционная система реального времени, предназначенная преимущественно для встраиваемых систем. Считается одной из лучших реализаций концепции микроядерных операционных систем. Qnx demodisk – это урезанный однодисковый вариант qnx realtime os. Достаточно распространённой и довольно дорогой операционной системы, основанной на unix, первые варианты которой были разработаны еще в 1981 г. С тех пор система непрерывно развивается, и сейчас используется во многих местах, где требуется высокая надёжность: научные и военные центры, распределённые системы вычислений, встраиваемые системы и т.д. На одной трехдюймовой дискете уместились os qnx (практически единственная в мире с настоящей микроядерной архитектурой), графическая оконная оболочка photon microgui и несколько программ: файловый менеджер, текстовый редактор и полноценный веб-браузер voyager. Этот браузер полностью поддерживает html спецификации 3.2, включая фреймы, javascript и анимированные gif-рисунки. Кроме этого, в системе имеется встроенный веб-сервер, конфигуратор экрана, диалер и небольшое векторное демо.

Qnx demodisk не работает ни с одним типом накопителей информации. Это означает, что вы сможете запустить эту ОС, но не сможете добавить в нее свои программы или сохранить результаты своей работы. Что ж, похожие ограничения имеются в демо-версиях многих программ. Некоторые утилиты можно загрузить из Интернета, но вам будет некуда их сохранить, и в следующий раз вам придется загружать их снова.

Для работы системе достаточно 80386 процессора с 8 Мб памяти, мыши и vga или vesa 2.0 видеокарты. Желателен также модем. Но многие современные, такие как win-модемы или софт-модемы, не будут определены системой.

PuppyRus (ПаппиРус) – дистрибутив открытой операционной системы GNU/Linux, распространяемый на LiveCD и LiveUSB. Данная операционная система основана на дистрибутиве Puppy Linux версии 3.01 и локализована для русскоязычных пользователей. Она представляет собой компактный дистрибутив (размером около 115 МБ), оптимизированный для обеспечения высокой скорости работы компьютера и обладающий очень низкими требованиями к оборудованию. PuppyRus ориентирован, прежде всего, на настольные компьютеры с процессорами, совместимыми с архитектурой x86. При наличии у компьютера ОЗУ размером от 128 МБ, основная часть дистрибутива целиком загружается в оперативную память, существенно увеличивая таким образом быстродействие PuppyRus. Несмотря на маленький размер, LiveCD содержит большой набор прикладных программ, обеспечивающих комфортную ежедневную работу пользователей. Одной из особенностей этого дистрибутива является «root ориентированность», т. е по умолчанию он подразумевает постоянную работу только от суперпользователя.

Damn Small Linux (DSL; русск. Черто́вски ма́ленький Ли́нукс) – дистрибутив Linux на основе Debian для архитектуры x86, загружаемый с LiveCD-"визитки". Также он может быть установлен на жёсткий диск, USB Flash Drive и т. п. Создавался для использования на старых компьютерах, поскольку имеет низкие требования к процессору и оперативной памяти и имеет маленький размер (50 мегабайт). Раньше Damn Small Linux разрабатывался только Джоном Эндрюсом (англ. Andrews), но позднее к разработке дистрибутива подключилось множество других людей. Среди них особенно отличился Роберт Шинглдекер (англ. Robert Shingledecker), автор системы MyDSL, DSL Control Panel, и многого другого.

Раньше Damn Small Linux базировался на Model K, 22 MiB редакции дистрибутива Knoppix, теперь в его основе лежит Knoppix, что позволяет легко переделывать и улучшать DSL. Последняя версия Damn Small Linux — 4.4.10 (18 ноября 2008).

Если пользователь захочет поменять какие-то настройки или у него автоматически не определилось оборудование, то в этом случае могут помочь скрытые опции загрузки. С помощью них можно убрать автоматическое определение оборудования, указать его настройки. Многие опции также влияют на GUI. Список опций можно найти на зеркалах Knoppix, а также доступен во время загрузки.

        Чтобы установить язык, отличный от языка по умолчанию (английский), надо набрать код языка на экране загрузки. Для американского английского строка выглядит так: dsl lang=us.

Расширения и серверы MyDSL поддерживает Ke4nt. Сами расширения располагаются на серверах различных организаций (Ibiblio и Belgium’s Belnet).

Есть два вида серверов MyDSL: стабильный (англ. regular) и нестабильный (англ. testing). Стабильные расширения предназначены для повседневного использования и разделяются на несколько категорий: приложения, сеть, система и другие. Нестабильные расширения могут содержать ошибки, поскольку их выпустили не так давно.

DSL включает в себя несколько скриптов, которые позволяют запустить и установить DSL с разных носителей и операционных систем:

– загрузка DSL с USB Flash Drive;

– загрузка DSL с CD;

– загрузка DSL с дискеты;

– загрузка DSL из Linux;

– при помощи QEMU – загрузка DSL из Microsoft Windows.

Damn Small Linux был портирован на Xbox. Это стало возможным благодаря низким требованиям DSL к памяти. Он может быть запущен как LiveCD на модифицированном Xbox или установлен на жёсткий диск. DSL автоматически загружает X-сервер, где можно управлять курсором при помощи контроллера Xbox и виртуальной клавиатурой для ввода текста.

Рабочий стол X-DSL основан на Fluxbox с приложениями для электронной почты, проигрывания музыки и многого другого. Также можно установить новые приложения, загрузив расширения MyDSL.

KolibriOS (англ. KolibriOS)  – непрофессиональная операционная система для ПК, полностью написанная на ассемблере fasm, распространяемая на условиях лицензии GPL. Создана на основе MenuetOS. Является альтернативной операционной системой, так как она использует собственные стандарты и не основана на POSIX. Система рассчитана на использование ассемблера для написания приложений, но есть и программы, написанные на языках высокого уровня (Си, C++, C--, Free Pascal, Forth).