Deploy Windows with a VHDX (Native Boot)

Native boot enables Windows 10 virtual hard disks (VHDXs) to run on a computer without a virtual machine or hypervisor. A hypervisor is a layer of software under the operating system that runs virtual machines. Native boot for Windows 10 requires the .vhdx format, not the .vhd format.

What Is VHDX with Native Boot?

A virtual hard disk can be used as the running operating system on designated hardware without any other parent operating system, virtual machine, or hypervisor. Windows disk-management tools, the DiskPart tool and the Disk Management Microsoft Management Console (Diskmgmt.msc), can be used to create a VHDX file. A supported Windows image (.wim) file can be applied to a VHD, and the VHDX can be copied to multiple systems. The Windows boot manager can be configured to boot directly into the VHD.

The VHDX can also be connected to a virtual machine for use with the Hyper-V Role in WindowsВ Server.

Native-boot VHDXs are not designed or intended to replace full image deployment on all client or server systems. Enterprise environments already managing and using .vhdx files for virtual machine deployment will get the most benefit from the native-boot VHDX capabilities. Using the .vhdx file as a common image container format for virtual machines and designated hardware simplifies image management and deployment in an enterprise environment.

For more information about virtualization in Windows, see this Microsoft Web site. For more information about how to use VHDs with native boot, see this Microsoft Web site.

Common Scenarios

Using disk-management tools to create and attach a VHDX for offline image management. You can attach a VHDX by using the Attach vdisk command which activates the VHDX so that it appears on the host as a disk drive instead of as a .vhd file.

Mounting reference VHDX images on remote shares for image servicing.

Maintaining and deploying a common reference VHDX image to execute in either virtual or physical computers.

Configuring VHDX files for native boot without requiring a full parent installation.

Configuring a computer to boot multiple local VHDX files that contain different application workloads, without requiring separate disk partitions.

Using Windows Deployment Services (WDS) for network deployment of VHDX images to target computers for native boot.

Managing desktop image deployment.

Requirements

The local disk must have at least two partitions: a system partition that contains the WindowsВ boot-environment files and Boot Configuration Data (BCD) store, and a partition to store the VHDX file. The .vhd file format is supported for native boot on a computer with a WindowsВ 7 boot environment, but you will have to update the system partition to a WindowsВ 8 or Windows 10 environment to use the .vhdx file format. For more information about how to add a WindowsВ 8 or Windows 10 boot environment for native VHDX boot, see Boot to VHDX (Native Boot): Add a Virtual Hard Disk to the Boot Menu.

The local disk partition that contains the VHDX file must have enough free disk space for expanding a dynamic VHDX to its maximum size and for the page file created when booting the VHD. The page file is created outside the VHDX file, unlike with a virtual machine where the page file is contained inside the VHD.

Benefits

Using the same image-management tools for creating, deploying, and maintaining system images to be installed on designated hardware or on a virtual machine.

Deploying an image on a virtual machine or a designated computer, depending on capacity planning and availability.

Deploying Windows for multiple boot scenarios without requiring separate disk partitions.

Deploying supported Windows images in a VHDX container file for faster deployment of reusable development and testing environments.

Replacing VHDX images for server redeployment or recovery.

Limitations

Native VHXD disk management support can attach approximately 512В VHDX files concurrently.

Native VHDX boot does not support hibernation of the system, although sleep mode is supported.

VHDX files cannot be nested in other VHDX files.

Native VHDX boot is not supported over Server Message Block (SMB) shares.

WindowsВ BitLocker Drive Encryption cannot be used to encrypt the host volume that contains VHDX files that are used for native VHDX boot, and BitLocker cannot be used on volumes that are contained inside a VHD.

The parent partition of a VHDX file cannot be part of a volume snapshot.

An attached VHDX can’t be a dynamic disk. A dynamic disk provides features that basic disks do not, such as the ability to create volumes that span multiple disks (spanned and striped volumes), and the ability to create fault-tolerant volumes (mirrored and RAID-5 volumes). All volumes on dynamic disks are known as dynamic volumes.

The parent volume of the VHDX cannot be configured as a dynamic disk. Store the VHDX on a basic disk.

Types of Virtual Hard Disks

Three types of VHDX files can be created by using the disk-management tools:

Fixed size. A fixed size VHDX is a file that is allocated to the size of the virtual disk. For example, if you create a virtual hard disk that is 2В gigabytes (GB) in size, the system will create a host file approximately 2В GB in size. Fixed hard-disk images are recommended for production servers and working with customer data. Recommended for production servers, to increase performance and help protect user data

Dynamically expanding. A dynamically expanding VHDX is a file that is as large as the actual data written to it at any given time. As more data is written, the file dynamically increases in size. For example, the size of a file backing a virtual 2В GB hard disk is initially around 2В megabytes (MB) on the host file system. As data is written to this image, it grows with a maximum size of 2В GB.

Dynamically expanding VHDXs are recommended only for development and testing environments becaise they can be more easily corrupted by a catastrophic system shutdown, such as a power outage.

Differencing. A differencing hard disk image describes a modification of a parent image. This type of hard-disk image is not independent; it depends on another hard-disk image to be fully functional. The parent hard disk image can be any of the mentioned hard-disk image types, including another differencing hard-disk image.

Differencing hard disk images are recommended only for development and testing environments.

VHD Native Boot снаружи и внутри

Цель настоящей статьи — рассказать о моем опыте работы с весьма полезной и не слишком хорошо известной функцией Windows, которая называется VHD Native Boot, то есть способности загружаться с виртуального жесткого диска формата VHD/VHDx.

Начиная с 7-й версии, в Windows появилась возможность создавать виртуальные диски VHD/VHDx (далее просто VHD), а также подсоединять и отсоединять их через графический интерфейс «Управление дисками» и утилиту командной строки diskpart. Кроме этого, Windows научилась с таких дисков загружаться, и все бы ничего, но этот самый Native Boot был доступен только обладателям старших версий, то есть от Pro и выше. Очевидно, что это было лишь маркетинговое ограничение, потому что с появлением Windows 10, а я проверял Anniversary Update (1607) и Creators Update (1703), никаких ограничений больше нет. Это работает и в Windows 10 Home, причем она может выступать как в роли хоста, так и в роли гостя. О том, как это выглядит и как это можно использовать, вы узнаете ниже.

С давних пор меня интересовала идея использования виртуализации применительно к рабочему компьютеру, внутренней виртуализации, если так можно выразиться. Как полезны и удобны виртуальные машины для разработчиков-программистов, специалистов по безопасности, тестированию. А вот до уровня домашнего/рабочего компьютера и его операционной системы это дело все никак не доходило. Ну, очевидно же, что если операционная система — такой сложный и чувствительный компонент, нельзя огульно доверять ее пользователю, он ее так и норовит чем-нибудь заразить или повредить. Да, есть резервное копирование и восстановление из точек восстановления (то есть из теневой копии), и это отличные вещи. Но это весьма чувствительные к ошибкам компоненты, и могут не спасти, кроме того, многие зловреды умеют удалять теневые копии, не оставляя пользователю шанса. Хотелось бы что-то простое и банальное на уровне copy-paste, чтобы «упавшую» или «испортившуюся» систему вернуть в рабочее состояние в течение нескольких минут. Конечно, идеально было бы, чтобы решение было в самой системе, просто заложено в ней. Hyper-V все же не совсем то, хотя может быть его и допилят до требуемого уровня. Ведь хочется, чтобы все возможности машины, все ее железо, вся мощь были доступны, с минимальными жертвами.

Использование виртуального жесткого диска вместо реального кажется вполне допустимой жертвой с учетом того, что вся система умещается в один файл, и достаточно этот файл время от времени копировать куда-то «в сторонку», и всё будет хорошо. Ведь копировать один файл, пусть и большой, явно проще, чем десятки тысяч. Кроме того, такой файл можно легко использовать для развертывания Windows в организации.

Когда есть несколько (немного) типов компьютеров, достаточно установить систему и все требуемое ПО на VHD, а потом просто скопировать этот файл на все аналогичные компьютеры, сведя работы на местах к минимуму. Неплохо было бы иметь некую оболочку, без загрузки Windows, что-то типа «консоли гипервизора», позволяющую попадать в нее и работать с VHD на уровне файлов, копировать, заменять, обновлять и т.д. Тем более, что сама Windows такую оболочку в своем составе имеет, и называется она Windows Recovery Environment, далее WinRE. Давайте посмотрим, как все это выглядит на практике.

1. Установка Windows на VHD с нуля

Эта тема широко освещена в Сети, существуют десятки толковых руководств (см. ссылки в конце статьи), поэтому я остановлюсь лишь вскользь, попутно рассматривая возможные варианты.
В целом все сводится к нажатию волшебной комбинации Shift-F10 в момент, когда компьютер загрузился с установочного диска. Параллельно открывается окошко командной строки, где следует, используя diskpart, отформатировать и разметить реальный жесткий диск (если компьютер/диск новый) и создать VHD требуемого объема. Для простоты я буду рассматривать установку 64-разрядной версии и жесткие диски с MBR.

Итак, жесткий диск разбит, папка VHDs на соответствующем томе создана, теперь в diskpart надо создать виртуальный жесткий диск в этой папке, дав ему понятное имя, и выполнить присоединение, тогда тому виртуального диска будет присвоена очередная буква. Теперь можно вернуться в окно установки Windows и выбрать именно эту букву для установки. Всё, дальше программа установки все сделает сама. В том числе и добавит нужную запись в файл BCD.

Сразу скажу, что использовать bcdedit мне показалось уж слишком жестоким самоистязанием, поэтому я позволил себе использование одного стороннего инструмента для манипуляций, это утилита Bootice соответствующей разрядности. Предположим, он у вас есть на том же установочном диске. Если нет, в дальнейшем я покажу, как его можно «закинуть» в нашу оболочку «гипервизора».

Итак, для демонстрации пусть у меня есть один жесткий диск 25 Gb (я воспользуюсь любимым Virtualbox для показа), в нем один раздел, там папка VHDs, где я создал виртуальный диск, а на него установил Windows 10.

Вот так будет выглядеть меню загрузки системы в Bootice (раздел BCD, Easy Mode)

Здесь 25 Gb C: это тот «физический» диск, на котором я создал виртуальный размером 20 Gb и куда установил Windows 10. Все прекрасно, но дальше нам нужно создать оболочку для управления. Как известно, WinRE всегда устанавливается вместе с Windows и приходит на помощь тогда, когда обнаруживаются проблемы с загрузкой. Нам же она нужна для другой цели, я хочу попадать туда для работы с VHD-файлами. Добавим пункт WinRE в меню загрузки. Для этого в Bootice воспользуемся Professional Mode, последний объект в списке слева это как раз Windows Recovery, справа видно его расположение на VHD:

Этот объект, вернее, ссылку на него, надо добавить в список меню загрузки, выберем вверху слева ветвь Windows Boot Manager, в правой панели выберем пункт Display Order и добавим пункт про WinRE из выпадающего списка:

Теперь пункт Windows Recovery Environment будет показываться в загрузочном меню системы, в чем мы можем убедиться, вернувшись в Easy Mode:

Осталось перезагрузиться и выбрать второй пункт, начнется загрузка WinRE, а там нас интересует только пункт Поиск и устранение неисправностей, Дополнительные параметры, Командная строка. Все это напоминает и программу установки Windows, и прародителя WinRE, широко известную Windows Preinstallation Environment. Отсюда, собственно, и начинается работа с оболочкой, и не так важно, какую именно вы выберете, поскольку там все приблизительно одно и то же.

Наш основной жесткий диск оказывается в ней диском C:, в его папке VHDs обнаруживается наш master.vhd, и мы можем спокойно его куда-нибудь скопировать. В WinRE волшебной командой мы подключаем сеть:

автоматически выбирается и запускается драйвер сетевого адаптера, получается ip-адрес от сервера DHCP, и мы можем работать с сетью. В Virtualbox я могу подключить сетевую папку такой командой:

и оттуда уже скопировать необходимые инструменты для работы в оболочке. Так как выбрана версия x64, то и программы, запускаемые в WinRE, должны быть x64, никакие суррогаты не запустятся.

Помимо Bootice легко добавляются Far Manager, 7-zip, а с ними уже как-то повеселее. Мне удалось найти даже работающий веб-браузер Palemoon Portable, а уж с ним загрузить из Сети необходимые компоненты совсем легко. Прекрасно установился cygwin64, что открывает путь для ssh/rsync в смешанных средах. Дальше понятно, у нас есть возможность спокойно архивировать и копировать файлы vhd. Если что-то не так в master.vhd, мы загружаемся в WinRE и забираем его резервную копию из сетевого хранилища, затем выходим из WinRE и получаем нашу систему обратно.

Прямо из оболочки WinRE при помощи diskpart или Bootice можно создать новый VHD диск, запустить программу установки Windows, если хочется добавить какую-то иную версию и установить эту новую Windows на новый VHD, нужный пункт в меню загрузки ОС добавится сам.

Осталось только подстраховаться на тот случай, если с master.vhd все настолько плохо, что и в оболочку WinRE не загрузишься, ведь она часть этого диска. Конечно, это не смертельно, всегда можно загрузиться с установочного диска Windows и нажать Shift-F10, но приложив определенные усилия, можно сделать так, чтобы WinRE находилась на нашем хост-диске, и грузиться в нее оттуда. Загрузочное меню будет выглядеть так:

2. Установка Windows на VHD на работающем компьютере

Не представляет никакой проблемы добавить на имеющемся компьютере дополнительную операционную систему, создав новый VHD и присоединив его, а затем запустив программу установки и выбрав букву, назначенную для присоединенного диска. Намного более сложной задачей будет перенос текущей конфигурации, уже установленной на физическом диске системы на диск виртуальный. Здесь приходит на ум несколько вариантов. Первый, о котором я вспомнил, это использовать Windows Backup, ведь он как раз создает файл VHD (vhdx) в режиме создания образа системы. Казалось бы, всё, что требуется — это добавить ссылку на такой VHD в меню загрузки и посмотреть, что выйдет. Так я и сделал, при первой загрузке Windows выдала ошибку, а при всех последующих старательно что-то загружалось, очень долго, и даже промелькивало окошко с картинкой экрана блокировки первоначальной системы, но так и исчезало опять. Не знаю почему, но с VHD-диска, полученного из backup’а, Windows загрузить не удается. Пришлось идти иным путем, воспользоваться Disk2vhd из комплекта Sysinternals.

Все довольно просто, выбираешь раздел физического диска, или весь диск, и Disk2vhd делает из него VHD-файл:

Но дальше начинаются неудобства. Получившийся VHD, какого бы он ни был реального размера, сообщает о себе, что он размером с весь наш физический диск. То есть если у меня был физический диск 180 Gb, а я выбрал только первый раздел размером 100 Gb, VHD-файл получился около 50 Gb, но сообщает он о себе как о 180-гигабайтном. Проблема здесь в том, что если с такого VHD загрузиться, то Windows потребует 180 Гб места для его работы. То есть как его ни оптимизируй (defrag, sdelete -z), как ни сжимай (compact vdisk, shrink), от первоначальных характеристик, снятых Disk2vhd никак не избавиться. Пришлось пойти на сложное преобразование, создать пустой VHD, загрузить в Virtualbox PartedMagic, подсунув тому преобразованный и пустой VHD и при помощи Gparted (и Clonezilla, если не хочется возится с bootrec) перенести раздел. В результате получился VHD 20 Gb, с которого я сейчас и пишу данную статью.

3. Использование дифференциальных VHD

В особо ненадежных средах, на публичных компьютерах или при проведении каких-то опасных экспериментов, может пригодиться возможность использования дифференциальных VHD-дисков, на которых записывается только разница, изменившаяся информация, а оригинальный VHD остается без изменений. Ясно, что для начала надо уже иметь работающую систему на VHD-диске, а потом добавить вариант с дифференциальным диском. Создать такой диск можно в diskpart или все в том же Bootice. Пусть master.vhd наш основной диск, создадим для него дифференциальный child.vhd, нажав кнопку Create:

Теперь нужно добавить/исправить в BCD пункт, отвечающий за загрузку с VHD, указав вместо master.vhd дифференциальный child.vhd.

Для этого воспользуемся Professional Mode в Bootice, сделаем копию имеющегося пункта Windows 10 (правая кнопка мыши, Duplicate this entry) и переименуем новый в Windows 10 Child VHD. Теперь в этом пункте исправим ApplicationDevice и OsDevice, изменив имя vhd-файла:

Всё, теперь нужный пункт добавлен в загрузочное меню. Если выбрать Windows 10 Child VHD, Windows запустится и с этого момента будет все изменения записывать в child.vhd. Следует учесть, что под child.vhd в момент загрузки будет зарезервировано столько же места, сколько указано в master.vhd, то есть в нашем случае 20 Gb, пусть его реальный размер в сотни раз меньше. Время от времени имеет смысл выполнять процедуру слияния (merge), то есть отправлять накопленную разницу из child в master, чтобы ничего не потерять. Дело в том, что стоит вам загрузиться не в child, а в master или даже WinRE на основе master.vhd, то связь между master и child будет нарушена, придется чинить child, но Bootice и это умеет:

4. Рекомендуемая конфигурация физического диска при работе с загрузочными VHD

Я бы предложил разметить физический диск следующим образом.

Один раздел, достаточно большой, оставить под хранение файлов VHD, тут все зависит от того, сколько разных VHD вам понадобится. Минимально для установки Windows x64 требуется 20 Гб, можно создавать динамические диски, то есть увеличивающие свой реальный размер только по мере их внутреннего наполнения. Но еще раз подчеркну, в момент загрузки динамического VHD Windows резервирует под него место в соответствии с указанным максимальным размером.

Microsoft советует использовать VHD фиксированного размера в производственной среде, а динамические — только для тестов, но я особой потери производительности у динамических VHD не ощутил.

Второй раздел я бы предпочел создать для данных пользователя и набора портативных приложений, если требуется, например, загружаться с разных VHD, а работать с одними и теми же файлами и программами. Такое деление может быть полезным еще и для того, чтобы раздел с VHD вообще скрыть, во избежание неразумных действий конечного пользователя.

А скрыть раздел можно при помощи вот такого нехитрого сценария для diskpart, с учетом выбранного диска и раздела для хранения VHD.

Теперь раздел скрыт, буква ему не присвоена, однако Windows все равно будет грузиться с VHD, хранящегося в этом разделе. Единственный нюанс — выбор места на физическом диске для файла подкачки. Если он выбирается системой, и это как раз тот раздел, который будет скрыт, каждый раз при старте Windows будет спрашивать, где же создавать файл подкачки.

А чтобы вернуть ларчик назад, достаточно в diskpart выполнить команду