虚拟机如何连接物理机USB？

让虚拟机“看见”你的真实设备：详解虚拟机使用物理机USB设备

你是否需要在虚拟机里使用U盘传输文件、连接加密狗进行开发、或者调试特定的USB硬件？虚拟机（如 VMware Workstation/Player, VirtualBox, Hyper-V）虽然创建了独立的计算环境，但它并非完全与物理世界隔绝，一个核心需求就是让运行在虚拟机内部的操作系统能够识别和使用物理主机上插入的USB设备，本文将深入浅出地讲解实现这一目标的不同方法、步骤、注意事项以及背后的原理,帮助你安全高效地完成操作。

核心原理：USB设备的“重定向”或“直通”

虚拟机软件通过在物理主机操作系统（宿主机）和虚拟机操作系统（客户机）之间扮演一个“中间人”的角色来实现USB设备的共享,其核心机制是：

1. 捕获（Capture）：当你在虚拟机软件界面或客户机系统中发出连接USB设备的指令时，虚拟机软件会通知宿主机操作系统暂时“释放”对该设备的控制权。
2. 重定向（Redirect）或直通（Pass-through）：虚拟机软件接管该USB设备的通信，并将其模拟（重定向）或直接传递（直通）给虚拟机内的操作系统。
3. 客户机识别：虚拟机内的操作系统检测到新设备插入（就像在物理机上插入一样），加载相应的驱动程序（如果客户机系统自带或已安装）,设备即可正常使用。
4. 释放（Release）：当你断开设备连接（通常在虚拟机软件界面操作）后,控制权会交还给宿主机操作系统。

主流虚拟机软件操作方法详解

以下是三大主流虚拟机软件（VMware Workstation/Player, Oracle VM VirtualBox, Microsoft Hyper-V）的具体操作步骤：

通过虚拟机软件界面连接（最常用）

1. 准备阶段：

   

   • 确保虚拟机处于关闭状态或已启动但未连接任何设备（首次操作建议关闭）。
   • 在宿主机上物理插入你需要使用的USB设备（U盘、打印机、手机、加密狗等）,确保宿主机能正常识别该设备。
   • 启动虚拟机,进入客户机操作系统桌面。

2. 连接设备（以VMware Workstation/Player为例）：

   • 将鼠标焦点移入虚拟机窗口（点击一下）。
   • 在VMware菜单栏中找到 虚拟机(V) -> 可移动设备(R)。
   • 在弹出的子菜单中，你会看到当前宿主机上所有已识别的USB设备列表（通常以设备名称或制造商标识）。
   • 找到你要使用的设备，点击它，菜单项旁边会显示一个勾选标记（√）,表示该设备已连接到虚拟机。
   • 稍等片刻，虚拟机操作系统会检测到新硬件并尝试安装驱动，完成后，设备即可在虚拟机内像本地设备一样使用（U盘出现在文件管理器中）。

3. 连接设备（以Oracle VM VirtualBox为例）：

   • 将鼠标焦点移入虚拟机窗口。
   • 在VirtualBox窗口底部的状态栏，找到一个 USB图标（通常带有一个三角符号或叉号）。
   • 点击该USB图标。
   • 在弹出的菜单中,你会看到当前宿主机上所有可用的USB设备列表。
   • 找到你要使用的设备，点击它，该设备名称旁边会出现一个勾选标记（√）。
   • 同样,稍等客户机系统识别和安装驱动即可使用。
   • 重要： VirtualBox 需要安装 VirtualBox Extension Pack 才能获得完整的 USB 2.0 (EHCI) 和 USB 3.0 (xHCI) 支持,请务必从官方下载并安装对应版本的扩展包。

4. 连接设备（以Microsoft Hyper-V为例 – 较复杂）：

   • 默认限制： Hyper-V 本身不直接支持通过简单菜单将USB设备传递给虚拟机（Gen 1 和 Gen 2 VM），这是它与VMware/VirtualBox的一个显著区别。
   • 解决方案：
     • USB重定向软件： 需要借助第三方工具，如 USB Network Gate (FlexiHub), VirtualHere, 或 Eltenet USB over Network，这些软件在宿主机安装服务端，在虚拟机内安装客户端，通过网络（即使是本地虚拟网络）实现USB设备的共享。（注意：此方法非Hyper-V原生支持，需额外付费或使用免费版，并可能涉及网络配置）
     • RemoteFX USB重定向 (仅限特定环境)： 如果你通过 RDP (远程桌面协议) 连接到Hyper-V虚拟机，并且宿主机是Windows Server或支持RemoteFX的Windows 10/11专业版/企业版，可能可以在RDP连接设置中启用USB设备重定向，但这依赖于RDP连接,并非虚拟机本身直接访问。
     • 直通物理USB控制器 (高级)： 在支持 Discrete Device Assignment (DDA) 或 PCI Passthrough 的Hyper-V环境（通常是Windows Server）中，可以将整个物理USB控制器卡（非单个设备）直接分配给虚拟机，这需要特定的硬件（支持IOMMU/VT-d的CPU和主板）和复杂的配置，适用于需要独占高性能USB设备（如采集卡）的场景,不适合普通用户日常使用。

5. 断开设备：

   • 至关重要： 在物理拔出USB设备之前，务必先在虚拟机软件中“安全移除”它！
   • VMware/VirtualBox: 再次点击菜单 虚拟机(V) -> 可移动设备(R) -> [你的设备名] (VMware) 或 点击状态栏USB图标 -> [你的设备名] (VirtualBox)，取消勾选，等待虚拟机操作系统提示“可以安全移除硬件”或设备图标消失。
   • Hyper-V (通过第三方软件)： 在第三方软件的客户端界面中断开设备连接。
   • 完成软件端断开后，才能安全地在物理主机上拔出USB设备。直接拔出可能导致虚拟机系统崩溃、数据丢失或设备损坏！

配置虚拟机永久连接特定设备（过滤器）

如果你希望某个USB设备在虚拟机启动时自动连接（例如专用的加密狗）,可以设置USB设备过滤器：

1. VMware Workstation/Player:

   

   • 关闭虚拟机。
   • 右键点击虚拟机 -> 设置。
   • 选择 USB控制器。
   • 在右侧勾选 显示所有USB输入设备 (如果设备是输入设备如鼠标键盘) 或确保USB兼容性设置正确（如USB 3.0）。
   • 点击 添加...。
   • 从列表中选择你要自动连接的设备（根据供应商ID、产品ID或名称）,可以添加多个设备过滤器。
   • 启动虚拟机，只要该设备已插入宿主机,就会自动连接到虚拟机。

2. Oracle VM VirtualBox:

   • 关闭虚拟机。
   • 右键点击虚拟机 -> 设置。
   • 选择 USB。
   • 在右侧，点击带 号的USB插头图标。
   • 从列表中选择你要自动连接的设备（根据名称）,可以添加多个设备过滤器。
   • 启动虚拟机，只要该设备已插入宿主机,就会自动连接到虚拟机。

3. Hyper-V: 原生不支持此功能，如果使用第三方USB重定向软件,通常在其配置中设置自动连接。

重要注意事项与最佳实践

1. 独占性： 当一个USB设备连接到虚拟机后，宿主机操作系统将暂时无法访问该设备，直到你在虚拟机软件中断开连接,反之亦然。
2. 安全移除： 再次强调，永远不要在虚拟机正在访问设备时（或未在虚拟机软件中安全断开时）直接从物理主机拔出USB设备！ 这极有可能导致数据损坏、虚拟机崩溃甚至物理设备损坏。
3. 驱动程序： 虚拟机内的操作系统需要安装该USB设备对应的驱动程序才能正常使用，客户机系统通常自带常见USB存储设备（U盘、移动硬盘）的驱动，对于特殊设备（如特定打印机、扫描仪、编程器、加密狗），你需要在客户机操作系统内手动安装其驱动程序,就像在物理机上安装一样。
4. USB版本兼容性：
   • USB 1.1/2.0： 所有主流虚拟机软件都良好支持。
   • USB 3.x (SuperSpeed)： VMware Workstation/Player (需虚拟机硬件版本支持，如9以上) 和 VirtualBox (必须安装Extension Pack) 都支持USB 3.x，在虚拟机设置中，需要将USB控制器类型明确设置为 USB 3.x 或 xHCI，Hyper-V原生不支持，依赖第三方软件或RDP重定向（可能受限）。
5. 设备类型限制： 绝大多数USB设备都可以重定向，包括存储设备、HID（键盘鼠标）、打印机、扫描仪、串口转换器、摄像头、音频设备、加密狗等，但一些需要极低延迟或特殊系统级驱动的设备（如某些高精度实时数据采集卡、需要独占访问的硬件加密设备）可能无法完美工作或不被支持。
6. 性能： USB重定向会引入少量性能开销（网络传输、协议转换），但对于大多数日常设备（U盘、打印机、普通外设）这种开销微乎其微，对于高速USB 3.x设备，确保虚拟机设置启用了USB 3.x支持。
7. 安全考量： 将USB设备连接到虚拟机时，需注意虚拟机本身的安全性，避免将包含敏感数据的设备连接到不信任的虚拟机,使用设备过滤器可以防止意外连接。
8. Hyper-V用户的现实选择： 对于普通Windows用户需要在Hyper-V虚拟机中方便地使用USB设备，使用VMware Workstation/Player或VirtualBox通常是更简单直接的选择，如果必须使用Hyper-V，第三方USB重定向软件是目前最实用的解决方案（需权衡成本、配置和性能）。

专家提示：

• 优先尝试方法一（菜单连接），它最灵活,按需连接断开。
• 对于工作必需的固定设备（如开发加密狗），设置USB设备过滤器能省去每次手动连接的麻烦。
• 遇到设备无法识别时：
  • 检查虚拟机软件是否成功捕获了设备（菜单项是否勾选）。
  • 检查客户机操作系统是否安装了正确的驱动（查看设备管理器）。
  • 尝试重启虚拟机。
  • 确保安装了虚拟机工具（VMware Tools/VirtualBox Guest Additions/Hyper-V Integration Services）,它们优化了硬件交互。
  • 对于VirtualBox，确认已安装Extension Pack并启用了USB控制器（设置->USB）。
  • 尝试更换USB端口或线缆（排除物理故障）。
• 保持虚拟机软件和客户机操作系统更新,以获得最佳的兼容性和性能。

虚拟机使用物理机USB设备的核心在于虚拟机软件的“重定向”或“直通”功能，通过虚拟机软件提供的用户界面（菜单或状态栏图标），你可以方便地按需连接或断开USB设备，并在客户机操作系统中安装驱动后正常使用，对于需要开机即用的设备，配置USB设备过滤器是理想选择，牢记“安全移除”的操作规范至关重要，虽然Hyper-V的原生支持较弱，但通过第三方工具也能实现需求，理解这些方法和注意事项，你将能无缝地在虚拟环境中利用各种USB外设,提升工作效率和灵活性。

引用说明：

• 本文所述操作方法和概念基于以下主流虚拟机软件的官方文档和广泛用户实践：
  • VMware Workstation / Player User Documentation
  • Oracle VM VirtualBox User Manual
  • Microsoft Hyper-V Documentation (Windows)
• 关于USB协议版本兼容性、安全移除的重要性、驱动需求等,依据计算机硬件与外设交互的通用原理和最佳实践。
• Hyper-V USB解决方案部分参考了常见第三方工具（如USB Network Gate, VirtualHere）的功能描述和用户社区经验。