VmWare服务VMUSBArbService 实现原理详解

VMUSBArbService 的核心功能是 仲裁 USB 设备在主机和虚拟机之间的访问权，确保同一时间只有一个系统能控制 USB 设备。它的实现涉及 USB 设备重定向（USB Redirection） 和 虚拟化技术。

1. 架构与数据流

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|   Host OS (Windows) | <---> | VMUSBArbService     | <---> | Virtual Machine (VM) |
+---------------------+       | (仲裁服务)           |       +---------------------+
        |                     +---------------------+               |
        |                              |                            |
        v                              v                            v
+---------------------+       +---------------------+       +---------------------+
|   USB Device Stack  |       | Virtual USB Bus     |       |  VM USB Controller  |
| (主机USB驱动栈)      |       | (虚拟USB总线)        |       | (虚拟机USB控制器)    |
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        |                              |                            |
        +------------------------------+----------------------------+
                                      USB 设备数据流

关键组件说明：

1. Host OS USB Stack
   • 主机系统的 USB 驱动栈，负责检测和管理物理 USB 设备。
2. VMUSBArbService
   • 运行在主机上的服务，监听 USB 设备插拔事件，决定设备分配给主机还是虚拟机。
3. Virtual USB Bus
   • 虚拟化平台（如 Hyper-V、VMware）提供的虚拟 USB 总线，用于在主机和虚拟机之间传递 USB 数据。
4. VM USB Controller
   • 虚拟机内部的 USB 控制器，接收来自虚拟 USB 总线的数据，使虚拟机识别 USB 设备。

2. 核心工作流程

(1) USB 设备插入主机

1. 主机 USB 驱动栈检测到设备，并加载驱动。
2. VMUSBArbService 收到通知，检查是否有虚拟机请求该设备。
   • 如果 无虚拟机请求，设备由主机独占。
   • 如果 有虚拟机请求，进入仲裁流程。

(2) 设备仲裁（主机 vs 虚拟机）

• 主机优先模式：默认情况下，主机优先控制设备，除非手动分配给虚拟机。
• 虚拟机抢占模式：如果虚拟机请求设备，VMUSBArbService 会：
  1. 卸载主机驱动（防止冲突）。
  2. 将设备挂载到虚拟 USB 总线。
  3. 虚拟机识别设备，就像直接插在虚拟机上一样。

(3) 设备释放（虚拟机 → 主机）

• 当虚拟机释放设备（如安全弹出），VMUSBArbService 会：
  1. 从虚拟机卸载设备。
  2. 重新挂载到主机 USB 栈，主机重新识别设备。

3. 关键技术点

(1) USB 设备重定向（USB Redirection）

• 方法1：USB over IP（如 VMware USB Arbitrator）
  • 设备数据通过 TCP/IP 传输到虚拟机（适用于远程虚拟机）。
• 方法2：虚拟 USB 总线（Virtual USB Bus）
  • Hyper-V / VMware 提供的虚拟通道，直接映射 USB 设备到虚拟机。

(2) 设备劫持（Device Hijacking）

• 在主机上卸载 USB 驱动，防止主机和虚拟机同时访问设备。
• 使用 libusb 或 WinUSB 进行底层控制（避免系统自动加载驱动）。

(3) 事件监听（Plug & Play 事件）

• 使用 Windows RegisterDeviceNotification API 监听 USB 设备插拔。
• 使用 WMI (Windows Management Instrumentation) 监控设备状态。

4. 自己如何实现类似功能？

(1) 开发环境

• 语言：C/C++（Windows 驱动开发）或 C#（WMI 监听）。
• 工具：
  • Windows Driver Kit (WDK) – 用于 USB 驱动劫持。
  • LibUSB/WinUSB – 直接控制 USB 设备。
  • VirtualBox/Hyper-V API – 实现虚拟 USB 总线。

(2) 关键代码示例（C++）

① 监听 USB 设备插拔（WMI）

#include <windows.h>
#include <wmiutils.h>
#include <iostream>

// 监听 USB 设备插拔事件
void MonitorUSBEvents() {
    HRESULT hr = CoInitializeEx(0, COINIT_MULTITHREADED);
    IWbemLocator* pLoc = NULL;
    hr = CoCreateInstance(CLSID_WbemLocator, 0, CLSCTX_INPROC_SERVER, IID_IWbemLocator, (LPVOID*)&pLoc);

    // 连接到 WMI
    IWbemServices* pSvc = NULL;
    hr = pLoc->ConnectServer(_bstr_t(L"ROOT\\CIMV2"), NULL, NULL, 0, NULL, 0, 0, &pSvc);

    // 注册事件查询
    IWbemObjectSink* pSink = new EventSink();  // 自定义事件接收器
    hr = pSvc->ExecNotificationQueryAsync(
        _bstr_t("WQL"),
        _bstr_t("SELECT * FROM Win32_DeviceChangeEvent WHERE EventType = 2 OR EventType = 3"),
        WBEM_FLAG_SEND_STATUS, NULL, pSink);

    // 等待事件
    Sleep(INFINITE);
    pSvc->CancelAsyncCall(pSink);
    pLoc->Release();
    CoUninitialize();
}

② 卸载主机 USB 驱动（设备劫持）

#include <windows.h>
#include <setupapi.h>
#include <cfgmgr32.h>

bool UnloadUSBDriver(const char* deviceId) {
    DEVINST devInst;
    if (CM_Locate_DevNodeA(&devInst, (DEVINSTID_A)deviceId, CM_LOCATE_DEVNODE_NORMAL) != CR_SUCCESS) {
        return false;
    }
    return CM_Request_Device_Eject(devInst, NULL, NULL, 0, 0) == CR_SUCCESS;
}

③ 虚拟 USB 总线（模拟 Hyper-V 虚拟 USB）

• 可使用 USB/IP 开源项目（如 usbip-win）或 VirtualBox API 实现虚拟 USB 通道。

5. 优化与扩展

• 动态策略：允许用户自定义仲裁策略（如“自动分配给最后一个使用的系统”）。
• USB 透传（Passthrough）：让虚拟机直接接管 USB 控制器（类似 PCIe 直通）。
• 远程 USB：通过网络共享 USB 设备（类似 USB over Network）。

总结

如果要开发类似功能，建议先研究 libusb 和 USB/IP，再结合虚拟化平台 API（如 Hyper-V）实现完整方案。