如何让虚拟机直接使用物理硬盘？

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虚拟机使用物理硬盘（直通/透传）：深入解析与操作指南

在虚拟化环境中,虚拟机（VM）通常使用存储在主机文件系统上的虚拟磁盘文件（如.vmdk, .vdi, .qcow2），对于追求极致性能、需要直接访问硬件特性（如TRIM指令、特定RAID功能），或者需要虚拟机直接接管整个物理磁盘/分区（例如运行另一个操作系统或访问特定数据）的高级用户，将物理硬盘直接分配给虚拟机是一种强大的技术，这种技术通常被称为物理硬盘直通（Physical Disk Passthrough） 或透传（Passthrough）。

核心概念：绕过虚拟化层

• 常规虚拟磁盘： 虚拟机对磁盘的读写请求，需要经过宿主机的虚拟化软件（Hypervisor）处理，最终由宿主机操作系统（Host OS）的存储驱动与物理硬件交互，这中间存在一定的性能开销和抽象层。
• 物理硬盘直通： Hypervisor 直接将整个物理硬盘或特定物理分区的控制权交给指定的虚拟机，虚拟机内的操作系统（Guest OS）能够直接与该物理硬盘的硬件控制器通信，几乎就像该硬盘是直接安装在虚拟机内部一样，Hypervisor 在此过程中扮演的角色主要是初始化的“传递者”，后续的I/O操作很大程度上绕过了宿主机的软件栈。

为什么选择物理硬盘直通？主要优势：

1. 性能最大化： 消除了虚拟磁盘层的抽象和转换开销，尤其对于高I/O负载（如数据库服务器、高性能计算、视频编辑）、需要低延迟访问（如某些游戏）或使用高速NVMe SSD的场景，能获得接近原生硬件的性能。
2. 直接硬件访问：
   • 支持原生TRIM/UNMAP指令（对SSD寿命和性能至关重要）。
   • 能够利用硬盘特有的高级功能（如某些企业级硬盘的缓存策略）。
   • 虚拟机可以直接识别和使用硬盘的SMART健康信息。
3. 特定场景兼容性：
   • 安装/运行原生操作系统： 直接在物理硬盘上安装一个操作系统（如Windows/Linux），然后通过虚拟机启动它，获得接近双启动的体验，同时享受虚拟化的便利（快照、迁移等需注意限制）。
   • 访问特定数据分区： 安全地将宿主机上的某个非系统数据分区（例如存放大型媒体文件或项目数据的独立硬盘）直接交给虚拟机独占读写。
   • 磁盘工具兼容性： 运行需要直接访问磁盘底层结构的工具（如某些磁盘克隆、恢复、低级格式化工具），在虚拟磁盘环境下可能无法正常工作。
   • 直通磁盘控制器： 更高级的用法是将整个SATA/AHCI或NVMe控制器直通给虚拟机，这样连接在该控制器上的所有磁盘都会被虚拟机直接管理。

重要前提与限制：

1. Hypervisor 支持： 并非所有虚拟化软件都支持此功能，主流方案如：
   • VMware Workstation/Player： 支持（通过添加物理磁盘向导）。
   • VMware ESXi： 支持（通过Raw Device Mapping – RDM）。
   • Oracle VirtualBox： 支持（使用VBoxManage命令行工具创建rawdisk VMDK）。
   • Microsoft Hyper-V： 支持（通过“直通磁盘”功能）。
   • KVM (Linux)： 支持（通过virt-manager GUI 或 virsh/qemu-img 命令行配置）。
2. 管理员权限： 配置物理硬盘直通通常需要宿主机的管理员/root权限。
3. 数据安全风险 – 极高！
   • 独占访问： 被直通的物理硬盘或分区在虚拟机运行时，宿主机将完全失去对其的访问能力，如果虚拟机崩溃或配置错误，宿主机可能无法访问该磁盘上的数据。
   • 文件系统损坏： 如果同一个物理分区同时在宿主机和虚拟机中被挂载（即使只读），极有可能导致文件系统严重损坏和数据丢失。绝对避免将宿主机系统盘或正在被宿主机使用的分区直通给虚拟机！
   • 误操作风险： 虚拟机内的操作（如格式化、分区）会直接作用于物理硬盘，没有虚拟磁盘的缓冲保护。
4. 启动依赖：
   • 如果虚拟机被配置为从直通的物理硬盘启动,那么该虚拟机必须依赖于这块特定的物理硬盘存在于宿主机上，迁移虚拟机到另一台宿主机时，这块硬盘也必须随之迁移或目标主机有兼容的硬盘。
   • 快照功能通常无法应用于直通的物理硬盘，快照只能捕获虚拟机的内存状态和配置，无法捕获物理磁盘的瞬间状态。
5. 硬件兼容性与驱动： 虚拟机内的操作系统需要具备访问该物理硬盘所需的驱动程序，就像在物理机上一样。
6. VT-d/AMD-Vi (IOMMU) 支持 (对于PCIe/NVMe直通尤其重要)： 要将整个磁盘控制器（如NVMe控制器）直通给虚拟机（常见于ESXi, KVM），宿主机的CPU和主板芯片组必须支持并启用 Intel VT-d 或 AMD-Vi (IOMMU) 技术，这在BIOS/UEFI设置中通常需要手动开启，对于直接传递单个磁盘（非控制器），此要求通常不是必须的（如VMware Workstation/VirtualBox的方式）。

通用操作步骤（概念性指南，具体请查阅对应Hypervisor文档）：

严重警告：操作前务必备份所有重要数据！错误操作极易导致数据丢失。

1. 识别目标磁盘：

   • 在宿主机操作系统中,使用磁盘管理工具（如Windows磁盘管理、Linux lsblk/fdisk -l）精确确定要直通的物理硬盘或分区的标识符（例如在Windows上是\.PhysicalDriveX，在Linux上是/dev/sdX 或 /dev/nvmeXnY）。
   • 关键： 确认该磁盘/分区未被宿主机挂载或使用，对于分区，可能需要先在宿主机卸载(umount)它。

2. 配置虚拟机：

   • 关闭目标虚拟机。
   • 打开虚拟机的设置界面。
   • 添加新硬盘： 选择添加硬盘的选项。
   • 选择“物理磁盘”/“使用物理磁盘”/“直通磁盘”等类似选项： 不同Hypervisor的命名可能不同。
   • 指定目标磁盘： 根据第一步获取的标识符，选择要直通的物理硬盘或特定分区。
   • 配置访问模式： 通常选择“独占”或“读写”模式（只读模式应用场景较少）。
   • 确认并保存： 仔细检查选择的磁盘无误后保存虚拟机配置。

3. 启动虚拟机：

   • 启动该虚拟机。
   • 在虚拟机操作系统内：
     • 打开磁盘管理工具（如Windows磁盘管理、Linux fdisk/gparted）。
     • 虚拟机应该能看到这块直通的物理硬盘,就像一块新插入的硬盘。
     • 初始化、分区、格式化（如果需要）： 如果这是一块新硬盘或需要重新分区，在虚拟机内进行操作。注意：这会永久改变物理硬盘上的数据！
     • 挂载使用： 将分区挂载到虚拟机内的目录（Linux）或分配盘符（Windows）即可使用。

关键风险再强调与最佳实践：

• 备份！备份！备份！ 操作物理磁盘直通前，备份目标磁盘和宿主机关键数据是铁律。
• 绝对隔离： 确保直通的磁盘/分区在虚拟机运行时不被宿主机以任何方式访问（包括自动挂载服务），在Linux上，卸载(umount)后最好使用udisksctl power-off -b /dev/sdX（如果支持）彻底关闭磁盘电源，防止宿主机扫描。
• 明确用途： 仅对非系统盘、独立数据盘或专门用于启动该虚拟机的盘使用此技术，避免直通宿主机系统盘或包含重要共享数据的分区。
• 理解启动依赖： 如果虚拟机依赖直通物理盘启动，迁移和备份策略需要特殊考虑。
• 放弃快照： 接受对直通磁盘无法使用虚拟机快照功能的事实。
• 查阅官方文档： 强烈推荐在进行操作前，仔细阅读你所使用的虚拟化软件（VMware, VirtualBox, Hyper-V, KVM）关于物理磁盘直通/透传/RDM的最新官方文档，遵循其特定的步骤和警告。

虚拟机物理硬盘直通是一项强大的高级功能,为特定需求（极致性能、直接硬件访问、运行原生系统）提供了解决方案，它伴随着显著的数据安全风险和操作复杂性（独占访问、无快照、启动依赖）。它并非适合普通用户或常规虚拟化任务。 在决定使用之前，务必充分评估需求、理解风险、做好备份，并严格遵循所选Hypervisor的官方指南，对于大多数日常应用，性能良好、管理方便、安全性更高的虚拟磁盘文件通常是更优、更安全的选择。

引用说明：

• 本文核心概念、操作逻辑和风险提示基于广泛认可的虚拟化技术原理和行业最佳实践。
• 具体实现细节（如命令行语法、配置路径）需参考各虚拟化平台官方文档：
  • VMware Workstation/Player: VMware Knowledge Base 文章 (搜索 “Adding a physical disk to a virtual machine”)
  • VMware ESXi: VMware vSphere 文档 – Raw Device Mapping (RDM) 章节
  • Oracle VirtualBox: VirtualBox User Manual – “Advanced storage configuration” / “Using a raw host hard disk”
  • Microsoft Hyper-V: Microsoft Docs – “Hyper-V: Configure pass-through disks”
  • KVM (Linux): virt-manager 文档 / libvirt 文档 (<disk type='block'> device) / QEMU 文档 (-drive file=/dev/sdX, ...)
• VT-d/AMD-Vi 的技术细节参考 Intel 和 AMD 官方处理器及芯片组技术文档。