USB协议及私有云架构的设计与实践

USB包括控制器和外设，控制器位于主机上且一个主机可同时拥有多个USB控制器，控制器通过root hub提供接口供其他USB设备连接，而这些USB设备又可以分为hub、存储、智能卡、加密狗、打印机等。目前常用的USB协议有1.1、2.0、3.0、3.1（Type-C）等。

在QEMU中，我们一般可以对USB控制器进行透传，外设进行透传或重定向。

1.控制器透传

首先USB控制器也位于PCI总线上，所以我们将整个控制器及其上面的hub、外设全部透传至虚拟机中，可以参考上一节中的相关域定义，不同的是我们需要找到USB控制器对应的PCI总线地址，如下所示。

然后选择要透传的USB控制器，我们需要查看主机线路简图或外设简图以确定要透传的USB接口，如果是对主机直接操作需避免将连有USB键盘鼠标设备的控制器透传至虚拟机，否则会造成后续操作的不便。

参考上一节中的驱动绑定，使用vfio-pci对USB控制器进行透传，假设要透传的控制器为2号控制器，它的总线地址为00：1a.0，设备ID为8086：8d26。

最后在QEMU中添加参数形如“-device vfio-pci，host＝00：1a.0，id＝hostdev0，bus＝pci.0，multifunction＝on，addr＝0x9”即可。

2.外设透传

QEMU下USB外设的透传相对比较容易，只需要在域定义中添加对应的USB外设的厂商与设备ID即可，以透传USB-Key为例。

对应到QEMU的参数即是“-device usb-host，vendorid＝0x04b9，productid＝0x8001”或者“-device usb-host，hostbus＝1，hostaddr＝3，id＝hostdev0”，也可是“-usbdevice host：0529：0001”等形式。(www.xing528.com)

3.外设重定向

USB外设的重定向是私有桌面云的必备功能之一，目前其实现方法包括硬件和软件两种，其中软件实现最为常用的是USB over TCP/IP，即通过TCP/IP协议重定向客户端USB外设到虚拟机中。QEMU桌面协议spice里的对应实现是spice USB Redirection，即通过添加一个专用的通道用于客户端到虚拟机的USB重定向。

USB over TCP/IP的一般实现如图9-1所示，其中PDD为具体的USB外设驱动（Peripheral Device Driver），HCD为USB控制器驱动（Host Controller Driver），Stub Driver为客户端USB外设的统一驱动，VHCIDriver为虚拟机中的USB控制器驱动。当客户端插入USB外设时，系统会对其使用Stub驱动，设备重定向后USB请求与数据会被Stub驱动封装，经由TCP/IP传递至虚拟机的VHCI驱动，反过来亦如此。

接下来笔者使用usbredir-server工具，将Ubuntu客户端的U盘重定向至另一主机中的虚拟机。

图9-1　USB over IP原理

首先在Ubuntu中确定U盘的设备ID，安装usbredir-server并在44444端口监听。

然后在另一台主机中启动虚拟机，并添加如下设备定义。

虚拟机启动后，可以看到对应的QEMU命令中多了一个特殊的usb-redir设备，形似“-chardev socket，id＝charredir2，host＝192.168.0.58，port＝44444-device usb-redir，chardev＝charredir2，id＝redir2”。这个设备即是QEMU的USB重定向设备后端，它可用在USB over TCP/IP中，也可作为spice USB channel的设备后端。

需要注意的是，上述实现中hypervisor会主动发送请求到客户端端口（spice USB Redirection无此要求），而这在实际场景中往往比较难以实现。采用这种实现的私有云厂平台会在特定服务器（也可以是hypervisor）中启用代理网关或者网络隧道，客户端将网络端口映射到其上的某个端口，hypervisor再与服务器连接，从而完成双方间接通信，技术细节可以参考spice协议的squid代理实现。