如何在VMware vSphere虚拟机中使用USB设备

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虚拟化技术的主要功能是在软件层面上模拟虚拟机使用的设备。例如虚拟控制器、磁盘、DVD-ROM、显卡、网卡、输入设备等，都是在虚拟机中创建的设备。但是如果你想连接打印机、扫描仪、USB闪存盘、USB硬盘、USB智能卡读卡器、安全加密狗、USB授权密钥等设备该怎么办呢？

对于带有USB接口的外部物理设备，您可以使用USB透传功能将它们连接到运行 VMware Workstation 或者 ESXi主机的虚拟机上。本文档介绍了如何在 VMware vSphere 中的 ESXi 主机上使用这一功能，包括连接USB设备的要求和步骤。

什么是USB透传？

VMware USB设备透传功能允许您将连接到物理ESXi主机USB端口的物理USB设备作为直接连接到虚拟机的USB设备进行连接。VMware透传功能从ESXi 4.1版本开始提供。

使用ESXi主机的USB设备直通到虚拟机客操作系统（OS）的原因各不相同。例如，如果您拥有一个较旧的扫描仪或打印机，它没有为最新版本的Windows操作系统提供驱动程序，您可以安装支持USB设备的旧版本Windows，并将此设备连接到虚拟机。此功能的另一个实际应用是，当您需要以高速直接从/到USB硬盘复制文件到/从虚拟机时。有时用户需要在虚拟机中使用受硬件USB许可证密钥保护的软件。

USB直通工作原理

USB直通工作需要三个主要组件：仲裁器、USB控制器和一个物理USB设备。

仲裁器是ESXi服务器上的一个专用服务。仲裁器扫描连接到物理服务器的物理USB设备，并负责在物理主机和虚拟机之间路由USB设备流量。一次只能有一个虚拟机访问USB设备。其他虚拟机无法访问连接到虚拟机的USB设备。USB仲裁器支持最多15个USB控制器（vSphere 7.0）。仲裁器服务在ESXi中默认启用。

一个USB控制器是连接到物理ESXi服务器上的物理USB端口的控制器。物理USB控制器与插入服务器物理USB端口上的物理USB设备协同工作。USB控制器可以是内置的（也称为集成，焊接到主板上的芯片上）或者外置的（作为PCI或PCIe卡插入服务器主板上相应的插槽中）。内置USB控制器充当USB总线和PCIe（或PCI）总线之间的桥梁。内置USB控制器通过适当数量的PCIe通道物理连接到主板芯片集。

虚拟USB控制器是为在虚拟化层上运行的虚拟机创建的仿真设备。当物理USB设备从物理ESXi主机传递到虚拟机中的客户操作系统时，虚拟USB控制器与物理USB控制器进行交互。在虚拟机配置中使用USB透传功能时，必须在VM配置中包含虚拟USB控制器。在一个ESXi主机上的虚拟机上，最多可以连接八个虚拟USB控制器。如果您需要从VM配置中移除虚拟USB控制器，您必须首先移除连接到该控制器的所有USB设备。在向虚拟机配置中添加虚拟USB控制器后，VMware USB驱动程序将安装在客户操作系统上。

物理USB设备是通过USB接口和USB端口连接到计算机的任何USB设备。单个虚拟机或ESXi主机上最多可以连接20个USB设备。

USB标准和控制器模式包括：

  • USB 2.0 和 USB 1.1（EHCI+UHCI）
  • USB 3.0（xHCI）虚拟机硬件版本 8 或更高版本

在将物理USB设备通过VMware USB直通功能连接到虚拟机后，您可能需要在虚拟机操作系统中为该USB设备安装驱动程序。

USB 3.0 要求

USB 3.0 从 VMware vSphere 5.5 更新 3 开始对 ESXi 服务器可用。这需要 VM 配置中的 USB xHCI 驱动程序。使用 USB 3.0 直通的操作系统要求如下：Windows 8.1 或更高版本，Windows Server 2012 R2 或更高版本，或 Linux 内核 2.6.35 或更高版本的 Linux。从 VMware vSphere 7.0 开始，支持以全速使用 USB 3.1 设备。

USB 直通限制

在开始使用 USB 直通功能之前，您应该了解一些限制：

  • USB 驱动器不能用作虚拟机的启动驱动器。
  • 如果使用 USB 驱动器启动 ESXi，则此 USB 驱动器不能连接到虚拟机。
  • 虚拟机需要虚拟硬件版本 7 或更高版本。

某些 USB 设备可能不受 VMware 支持：

  • USB 集线器
  • 使用异步数据传输的音频设备和视频摄像头
  • 某些 USB 键盘和鼠标（详细信息请参阅 VMware 文章 1021345）
  • 使用CCID的一些智能卡可能需要额外的配置才能连接到虚拟机。

vMotion功能对连接了USB直通设备的虚拟机是可行的。在您正确配置虚拟机并启用vMotion之后，USB设备在迁移到另一个ESXi主机后仍然会连接到虚拟机。

使用USB直通硬盘的虚拟机存在一些vMotion限制：

  • 由于在未断开虚拟机上的USB设备之前，ESXi主机无法通过DPM关闭以节省电力（如果使用DPM关闭主机，则主机会断开与虚拟机的USB设备连接），因此不支持分布式电源管理（DPM）。应在这些主机上禁用DPM。
  • 不支持容错。
  • 虚拟机不能挂起或关闭（否则，USB设备会从虚拟机中断开，并且只有在将虚拟机迁移到最初连接USB设备的ESXi主机后才能重新连接）。当需要启动此虚拟机时，必须手动将虚拟机迁移到连接了USB设备的ESXi主机。在重新连接后，恢复的Linux客户机可以在不同的挂载点挂载USB设备。
  • 具有USB直通设备的虚拟机的ESXi主机必须通过虚拟机内核接口（用于管理网络的vmk0）和TCP端口902可用。

在使用热添加功能以及添加CPU、内存或PCI设备之前，请先从虚拟机中断开USB设备。否则，在使用热添加功能时USB设备会自动断开，可能会丢失一些数据。如果您挂起了一个虚拟机（VM），然后重新启动它，USB设备会被断开，然后重新连接到虚拟机。

至于创建VMware虚拟USB驱动器或虚拟U盘，以附加到运行ESXi或VMware Workstation的虚拟机，就像您会挂载虚拟软盘或CD/DVD盘一样，这个选项目前是不支持的。

如何将USB设备连接到虚拟机

现在我们已经熟悉了理论，我们可以进入实践部分，并在VMware vSphere中查看配置。

  1. 将USB设备插入ESXi服务器上的USB端口。在我的情况下，我要插入一个U盘。
  2. 然后，您可以在ESXi命令行界面中检查USB设备是否已连接到ESXi：

    lsusb

  3. 如以下屏幕截图所示，我的U盘现在已连接到ESXi服务器。

  4. USB仲裁服务必须正在运行。您可以使用命令检查服务的状态：

    chkconfig usbarbitrator --list

  5. 如果USB仲裁器已停止，您可以使用以下命令启动它：

    /etc/init.d/usbarbitrator start

    注意： 在博客文章中了解更多关于ESXiCLI的信息。

    在我的示例中，虚拟机位于由管理的ESXi主机上。我在虚拟机上安装了Windows作为客户操作系统。打开VMware vSphere客户端，进入主机和集群。在导航窗格中选择一个您想要使用直通功能连接USB设备的虚拟机。虚拟机必须已关闭电源。您必须在客户操作系统中安装VMware Tools。

  6. 选择虚拟机后，点击操作 > 编辑设置。

  7. 在编辑设置窗口中，检查虚拟机设置中是否有一个USB控制器。如果缺少USB控制器，点击添加新设备 > USB控制器，并选择USB控制器类型（USB 2.0或USB 3.0）。
  8. 如果USB控制器已存在，您需要将连接到ESXi主机的USB设备添加到您的虚拟机中。点击添加新设备 > 主机USB设备。
  9. 在虚拟机配置中添加了一个新字符串。在新建USB主机设备字符串中，选择一个您想要连接到虚拟机的USB设备。我现在在我的物理ESXi服务器上连接了两个USB闪存驱动器，并将Verbatim闪存驱动器连接到我的虚拟机（Verbatim产品0x0302）。如果您需要启用vMotion支持，请展开新建USB主机设备，并选择“设备连接时支持vMotion”复选框。请注意vMotion的要求和限制。点击确定以保存设置并关闭此窗口。
  10. 启动虚拟机。一旦客户端操作系统加载完毕，等待它初始化并安装USB闪存驱动器。接下来，打开Windows设备管理器。右键单击我的电脑，从上下文菜单中单击管理。在计算机管理窗口中，单击设备管理器并展开磁盘驱动器部分（因为我们连接了一个USB闪存驱动器，这个设备应该出现在这个设备类别中）。我们可以看到Verbatim USB设备，这是通过VMware USB Passthrough功能连接到虚拟机的我的USB驱动器的名称。
  11. 在计算机管理窗口中打开磁盘管理，确保USB闪存驱动器已分配有磁盘驱动器。在我的情况下，一切都很正确，现在我可以将USB闪存驱动器中的数据复制到Windows宿主中的虚拟机的虚拟磁盘，反之亦然。

VMware PCI 透传

如果您想要使用VMware USB 透传功能连接到虚拟机的USB设备不受VMware支持，您可以尝试使用PCI 透传功能，并将具有PCI 接口的物理USB控制器整个连接到虚拟机。

如果您的ESXi服务器有一个USB控制器插入到PCI 插槽中，您可以将这个PCI 设备传递给虚拟机。VMware PCI 透传也称为VMDirectPass。这种方法不如使用USB透传方便，但它可以帮助您完成任务。

要求

服务器硬件必须支持Intel 直接I/O或AMD I/O 虚拟化技术（AMD IOMMU），并在UEFI/BIOS 中启用。如果您在服务器上只有一个USB控制器，您应该连接一个额外的USB控制器以避免失去对物理ESXi 主机的USB设备连接。

限制和局限：

  • 您无法挂起虚拟机。
  • 虚拟机无法使用vMotion 迁移到其他ESXi 主机。
  • 不支持虚拟机快照。

让我们看看使用PCI直通连接USB设备到虚拟机和将连接USB设备的整个USB控制器到虚拟机的工作流程。

  1. 要识别USB设备和连接到USB设备上的USB控制器（如果您的服务器上安装了多个USB控制器），请使用此命令：

    lsusb -v | grep -e Bus -e iSerial

  2. 找到带有您连接的USB设备名称的USB控制器字符串，并识别控制器ID（例如bus002）。
  3. 当您将USB设备连接到ESXi服务器时，您可以检查VMkernel日志：

    tail -f /var/log/vmkernel.log | grep -i USB

  4. 打开VMware vSphere客户端，并前往主机和集群。
  5. 选择您虚拟机所在（您需要连接USB设备的）ESXi主机。
  6. 单击配置选项卡，在硬件部分选择PCI设备。
  7. 使用您之前检测到的ID，从PCI设备列表中找到并选择所需的USB控制器。
  8. 现在，所选驱动程序的状态应该更改为可用。
  9. 单击确定以保存设置。
  10. 重启ESXi主机以使更改生效。
  11. 确保您的虚拟机已经关闭。前往VM设置，点击添加新设备 > PCI设备 > 添加。从下拉菜单中选择您的USB控制器，使用正确的ID。
  12. 启动虚拟机。在来宾操作系统中检查设备。如果虚拟机上安装了Windows，请打开设备管理器并检查驱动程序和存储设备。

USB智能卡连接

一些具有适当CCID类的USB设备默认可能不支持连接到虚拟机。错误信息显示为“无法连接‘path:0/1/6/1’到此虚拟机。找不到设备”。在日志中，您可以看到以下信息：

(vmx-vcpu-0) 在使用之前没有声明接口0

PCSCD是控制智能卡读取器的ESXi守护进程。为了避免冲突，USB智能卡的访问对虚拟机是禁用的，因为ESXi主机需要智能卡。因此，在默认设置下无法使用USB直通。您必须编辑ESXi主机配置以启用USB智能卡的直通。

  1. 关闭虚拟机。打开虚拟机设置，选择虚拟机选项标签，然后点击编辑配置。

  2. 在配置参数窗口中，点击添加配置参数。

    另外，您还可以通过使用SSH客户端连接到ESXi控制台，在命令行界面编辑虚拟机的VMX配置文件。

  3. 如果参数不存在，请编辑或添加此行到虚拟机配置中：

    usb.generic.allowCCID = "TRUE"

  4. 保存虚拟机设置。
  5. 使用以下命令在ESXi命令行上停止PCSCD服务：

    sudo /etc/init.d/pcscd stop

  6. 确保PCSCD服务没有运行：

    ps | grep pcscd

  7. 启动虚拟机，并检查设备以验证USB智能卡读卡器是否已连接到虚拟机。

结论

您可以连接到物理ESXi主机上USB端口的各类设备，直接将它们用于虚拟机中的客户操作系统，就像在常规物理计算机上使用这些USB设备一样。您甚至可以通过vMotion将连接到主ESXi主机的外部USB设备的虚拟机迁移到另一台主机。尽管存在一些限制，VMware的USB直通功能在不同情况下增加了更多的能力和灵活性。

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Source:
https://www.nakivo.com/blog/vmware-administration-essentials-configuring-esxi-vm-networks-2/