虚拟机如何直通USB设备？

在虚拟化技术日益普及的今天，许多用户需要在虚拟机（VM）中直接访问和使用连接在物理主机上的USB设备，无论是为了开发调试硬件、使用特定的USB加密狗、连接打印机/扫描仪，还是进行数据恢复，实现物理USB设备在虚拟机内的“直通”访问（USB Passthrough）都是一项非常实用的功能，本文将详细解释其原理、实现方法、常见问题及最佳实践,帮助您安全高效地完成操作。

为什么需要虚拟机访问物理USB设备？

虚拟机虽然提供了隔离的软件环境，但默认情况下，物理主机上的USB端口和设备是由主机操作系统管理和控制的，虚拟机无法直接“看到”或操作这些物理设备,以下场景需要打破这种隔离：

1. 专用硬件支持： 使用需要特定USB加密狗（如软件许可证狗、银行U盾）的软件。
2. 设备开发与调试： 开发USB设备固件或驱动程序时,需要在虚拟机环境中测试设备。
3. 数据迁移与恢复： 从物理USB存储设备（U盘、移动硬盘）直接向虚拟机内导入或导出数据，尤其当虚拟机工具（如VirtualBox Guest Additions / VMware Tools）的共享文件夹功能无法满足需求时。
4. 使用特殊外设： 连接虚拟机内软件所需的特定USB设备，如某些编程器、工业控制器、医疗设备接口、高精度鼠标/键盘（用于游戏或设计）等。
5. 安全隔离测试： 在隔离的虚拟机环境中测试可能包含反面软件的USB设备,保护主机安全。

实现原理：USB Passthrough / 直通

核心思想是将物理USB设备的控制权暂时从主机操作系统转移给虚拟机管理程序（Hypervisor），再由管理程序将设备“直通”给指定的虚拟机,在这个过程中：

• 主机操作系统释放设备： 当您将设备“连接”到虚拟机时，主机操作系统会卸载（Unload）该设备的驱动程序,放弃对它的控制。
• 虚拟机管理程序接管： Hypervisor（如VirtualBox, VMware Workstation/Player, Hyper-V）捕获该设备。
• 虚拟机获得控制权： Hypervisor将设备模拟或直接映射给目标虚拟机，虚拟机内的操作系统会像检测到一个新插入的USB设备一样,加载相应的驱动程序并进行识别使用。
• 断开连接： 当您在虚拟机界面中“断开”设备或关闭虚拟机时，控制权会交还给主机操作系统,主机重新加载驱动并识别设备。

主流虚拟机软件的操作方法

以下以最常用的 Oracle VM VirtualBox 和 VMware Workstation/Player 为例进行说明（操作界面可能因版本略有差异）：

A. 使用 Oracle VM VirtualBox

1. 安装扩展包： 这是关键前提！VirtualBox主程序本身不支持USB 2.0/3.0设备，您必须下载并安装对应版本的 VirtualBox Extension Pack (来自Oracle官方下载页),安装时需关闭所有正在运行的VirtualBox程序。
2. 配置虚拟机USB设置：
   • 关闭目标虚拟机（如果正在运行）。
   • 打开虚拟机设置 -> USB 选项卡。
   • 启用USB控制器： 勾选 启用USB控制器。
   • 选择控制器版本： 根据您的需求和主机支持情况，选择合适的USB版本（USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0/xHCI），建议优先选择USB 3.0以获得更好性能和兼容性（如果主机和虚拟机OS支持）。
3. 添加USB设备筛选器（推荐）：
   • 在USB设置页面，点击右侧的 (添加筛选器) 按钮。
   • 从下拉列表中选择您希望该虚拟机自动连接的USB设备（如您的U盘、加密狗等），设备通常按名称和VendorID/ProductID标识。
   • 作用： 创建筛选器后，当该设备插入主机时，VirtualBox会尝试自动将其连接到这台虚拟机（即使虚拟机正在运行中）,您可以创建多个筛选器对应多个设备。
4. 运行时手动连接设备（可选）：
   • 启动目标虚拟机。
   • 在虚拟机窗口的菜单栏，点击 设备 -> USB。
   • 您会看到一个列表,显示当前主机上已连接且未被占用的USB设备。
   • 点击您想要在虚拟机中使用的设备名称，设备名称旁边会出现一个勾选标记，表示它已连接到虚拟机,此时主机通常会提示设备被安全移除。
   • 虚拟机操作系统会识别到新插入的设备。
   • 断开设备： 再次点击菜单栏 设备 -> USB -> 已连接的设备名称（带勾选的），勾选消失即断开,设备返回主机。

B. 使用 VMware Workstation / VMware Player

1. 安装VMware Tools： 在虚拟机操作系统中安装 VMware Tools 是获得最佳USB性能和功能（如自动连接）的基础,确保已安装最新版本。
2. 运行时连接设备：
   • 启动目标虚拟机。
   • 将USB设备插入物理主机的USB端口。
   • 在VMware虚拟机窗口的菜单栏或状态栏，找到 USB设备图标 (通常是一个USB插头形状 )。
   • 点击该图标,会弹出当前可用的USB设备列表。
   • 将鼠标悬停在您要连接的设备名称上。
   • 选择 连接 (断开与主机的连接) 或类似的选项（选项文字可能因版本而异），设备将从主机断开,并连接到虚拟机。
   • 虚拟机操作系统会识别到新插入的设备。
   • 断开设备： 再次点击USB图标，找到已连接的设备，选择 断开连接 (连接到主机) 或类似选项。
3. 设置虚拟机USB控制器（可选/高级）：
   • 关闭虚拟机。
   • 打开虚拟机设置 -> 硬件 选项卡 -> 选择 USB控制器。
   • 可以调整USB兼容性（USB 2.0, USB 3.x），建议选择最高版本以获得最佳性能和兼容性（如果主机和虚拟机OS支持）。
   • 可以勾选 显示所有USB输入设备 等选项（如需要将鼠标键盘完全传递给虚拟机）。

关键注意事项与最佳实践（确保安全与稳定）

1. 一次只能被一个系统访问： 一个物理USB设备在同一时间只能被主机操作系统或一个虚拟机访问,不能同时被两者访问。
2. 安全移除： 在虚拟机内使用USB存储设备（U盘、移动硬盘）时，务必像在物理机上一样，使用操作系统提供的“安全移除硬件”或“弹出”功能，确保所有数据写入完成后，再在虚拟机界面断开设备或在主机上拔下设备,强行断开可能导致数据损坏。
3. 主机连接状态： 当设备连接到虚拟机后，在主机操作系统中通常会看到该设备被“安全移除”的提示，这是正常现象,表示控制权已转移。
4. 设备兼容性： 绝大多数标准USB设备（HID如键鼠、大容量存储设备、USB网卡/声卡）兼容性良好。极少数高度依赖特定主机驱动或进行复杂底层操作的设备（如某些需要特殊驱动的硬件加密狗、部分USB显卡扩展坞）可能无法正常工作。
5. USB 3.0支持： 确保主机硬件（主板、端口）、虚拟机软件设置（启用xHCI/USB 3.0控制器）和虚拟机操作系统都支持USB 3.0，Windows 7 SP1需要单独安装USB 3.0驱动。
6. 禁用主机自动挂载（针对存储设备）： 为了避免主机和虚拟机同时尝试访问USB存储设备导致冲突（虽然直通后主机会断开，但预防更好），可以在主机操作系统中设置插入USB存储设备时不自动打开文件夹/不自动播放，这通常可以在操作系统设置（如Windows的“自动播放”设置）中配置。
7. 虚拟机状态： 通常需要在虚拟机运行状态下进行设备的连接和断开操作,VirtualBox的筛选器可以在启动时自动连接。
8. 权限问题： 在Linux主机上，确保运行VirtualBox/VMware的用户有权限访问USB设备（通常需要加入vboxusers或usbfs等用户组）。
9. 备用方案 – 共享文件夹： 如果只是需要在虚拟机和主机间传输文件，使用虚拟机软件提供的共享文件夹功能通常是更简单、更安全（避免数据损坏风险）的选择,无需使用USB直通。

常见问题排查

• 虚拟机里看不到USB设备？
  • 检查是否安装了必要的扩展包（VirtualBox）或VMware Tools（VMware）。
  • 检查虚拟机设置中USB控制器是否已启用，并选择了正确的版本（如USB 3.0）。
  • 确保在虚拟机运行时进行了连接操作（点击菜单或图标）。
  • 检查主机是否识别到了该设备？尝试换个USB端口。
  • 重启虚拟机或主机试试。
  • 检查是否有其他程序（主机或虚拟机）占用了该设备。
• 连接设备时虚拟机卡死或无响应？
  • 尝试更换USB端口（特别是换到主板原生USB端口）。
  • 降低USB控制器版本（如从USB 3.0 降为 USB 2.0）。
  • 检查设备本身是否有问题（在主机上单独使用是否正常）。
  • 更新虚拟机软件到最新版本。
  • 更新主机主板芯片组驱动和USB驱动。
• 设备连接后性能很差？
  • 确保USB控制器设置为最高可用版本（如USB 3.0）。
  • 确保虚拟机内安装了正确的驱动（特别是USB 3.0设备在旧OS如Win7中）。
  • 尝试将设备连接到主机背板的USB端口（通常供电和信号更稳定）。
• “Failed to attach the USB device” 等错误？
  • 最常见原因是设备已被主机或其他程序占用,关闭可能使用该设备的主机程序。
  • 权限问题（Linux主机常见）,检查用户组和权限。
  • 尝试重启虚拟机软件或主机。

虚拟机访问物理USB设备（USB Passthrough）是一项强大且实用的功能，通过VirtualBox或VMware等主流虚拟机软件可以相对方便地实现，成功的关键在于正确安装必要的组件（扩展包、VMware Tools）、合理配置虚拟机设置（启用并选择合适的USB控制器）、遵循正确的连接/断开流程（尤其注意安全移除存储设备），并了解其限制和注意事项，掌握这项技能，将极大地扩展虚拟机应用的灵活性和实用性，让您在虚拟环境中也能无缝使用关键的物理硬件设备，遇到问题时,请参考本文的排查步骤或查阅虚拟机软件的官方文档。

引用说明：

• 本文所述功能原理及操作步骤基于 Oracle VM VirtualBox 和 VMware Workstation/Player 的官方文档及通用技术实践。
• VirtualBox Extension Pack 信息来源于 Oracle 官方下载页面： https://www.virtualbox.org/wiki/Downloads
• USB 设备直通的核心概念（Passthrough）是虚拟化技术（如Intel VT-d, AMD-Vi）在I/O层面的应用体现，相关背景知识可参考 Intel 和 AMD 的虚拟化技术白皮书。
• 关于操作系统对USB支持的具体细节（如Windows USB驱动），可参考 Microsoft Docs 相关文档。
• 安全操作实践（如安全移除硬件）是数据存储设备使用的通用准则,被所有主要操作系统厂商强调。