lguest: try to batch interrupts on network receive
[linux-2.6] / Documentation / lguest / lguest.c
1 /*P:100 This is the Launcher code, a simple program which lays out the
2  * "physical" memory for the new Guest by mapping the kernel image and
3  * the virtual devices, then opens /dev/lguest to tell the kernel
4  * about the Guest and control it. :*/
5 #define _LARGEFILE64_SOURCE
6 #define _GNU_SOURCE
7 #include <stdio.h>
8 #include <string.h>
9 #include <unistd.h>
10 #include <err.h>
11 #include <stdint.h>
12 #include <stdlib.h>
13 #include <elf.h>
14 #include <sys/mman.h>
15 #include <sys/param.h>
16 #include <sys/types.h>
17 #include <sys/stat.h>
18 #include <sys/wait.h>
19 #include <sys/eventfd.h>
20 #include <fcntl.h>
21 #include <stdbool.h>
22 #include <errno.h>
23 #include <ctype.h>
24 #include <sys/socket.h>
25 #include <sys/ioctl.h>
26 #include <sys/time.h>
27 #include <time.h>
28 #include <netinet/in.h>
29 #include <net/if.h>
30 #include <linux/sockios.h>
31 #include <linux/if_tun.h>
32 #include <sys/uio.h>
33 #include <termios.h>
34 #include <getopt.h>
35 #include <zlib.h>
36 #include <assert.h>
37 #include <sched.h>
38 #include <limits.h>
39 #include <stddef.h>
40 #include <signal.h>
41 #include "linux/lguest_launcher.h"
42 #include "linux/virtio_config.h"
43 #include "linux/virtio_net.h"
44 #include "linux/virtio_blk.h"
45 #include "linux/virtio_console.h"
46 #include "linux/virtio_rng.h"
47 #include "linux/virtio_ring.h"
48 #include "asm/bootparam.h"
49 /*L:110 We can ignore the 39 include files we need for this program, but I do
50  * want to draw attention to the use of kernel-style types.
51  *
52  * As Linus said, "C is a Spartan language, and so should your naming be."  I
53  * like these abbreviations, so we define them here.  Note that u64 is always
54  * unsigned long long, which works on all Linux systems: this means that we can
55  * use %llu in printf for any u64. */
56 typedef unsigned long long u64;
57 typedef uint32_t u32;
58 typedef uint16_t u16;
59 typedef uint8_t u8;
60 /*:*/
61
62 #define PAGE_PRESENT 0x7        /* Present, RW, Execute */
63 #define BRIDGE_PFX "bridge:"
64 #ifndef SIOCBRADDIF
65 #define SIOCBRADDIF     0x89a2          /* add interface to bridge      */
66 #endif
67 /* We can have up to 256 pages for devices. */
68 #define DEVICE_PAGES 256
69 /* This will occupy 3 pages: it must be a power of 2. */
70 #define VIRTQUEUE_NUM 256
71
72 /*L:120 verbose is both a global flag and a macro.  The C preprocessor allows
73  * this, and although I wouldn't recommend it, it works quite nicely here. */
74 static bool verbose;
75 #define verbose(args...) \
76         do { if (verbose) printf(args); } while(0)
77 /*:*/
78
79 /* The pointer to the start of guest memory. */
80 static void *guest_base;
81 /* The maximum guest physical address allowed, and maximum possible. */
82 static unsigned long guest_limit, guest_max;
83 /* The /dev/lguest file descriptor. */
84 static int lguest_fd;
85
86 /* a per-cpu variable indicating whose vcpu is currently running */
87 static unsigned int __thread cpu_id;
88
89 /* This is our list of devices. */
90 struct device_list
91 {
92         /* Counter to assign interrupt numbers. */
93         unsigned int next_irq;
94
95         /* Counter to print out convenient device numbers. */
96         unsigned int device_num;
97
98         /* The descriptor page for the devices. */
99         u8 *descpage;
100
101         /* A single linked list of devices. */
102         struct device *dev;
103         /* And a pointer to the last device for easy append and also for
104          * configuration appending. */
105         struct device *lastdev;
106 };
107
108 /* The list of Guest devices, based on command line arguments. */
109 static struct device_list devices;
110
111 /* The device structure describes a single device. */
112 struct device
113 {
114         /* The linked-list pointer. */
115         struct device *next;
116
117         /* The device's descriptor, as mapped into the Guest. */
118         struct lguest_device_desc *desc;
119
120         /* We can't trust desc values once Guest has booted: we use these. */
121         unsigned int feature_len;
122         unsigned int num_vq;
123
124         /* The name of this device, for --verbose. */
125         const char *name;
126
127         /* Any queues attached to this device */
128         struct virtqueue *vq;
129
130         /* Is it operational */
131         bool running;
132
133         /* Device-specific data. */
134         void *priv;
135 };
136
137 /* The virtqueue structure describes a queue attached to a device. */
138 struct virtqueue
139 {
140         struct virtqueue *next;
141
142         /* Which device owns me. */
143         struct device *dev;
144
145         /* The configuration for this queue. */
146         struct lguest_vqconfig config;
147
148         /* The actual ring of buffers. */
149         struct vring vring;
150
151         /* Last available index we saw. */
152         u16 last_avail_idx;
153
154         /* How many are used since we sent last irq? */
155         unsigned int pending_used;
156
157         /* Eventfd where Guest notifications arrive. */
158         int eventfd;
159
160         /* Function for the thread which is servicing this virtqueue. */
161         void (*service)(struct virtqueue *vq);
162         pid_t thread;
163 };
164
165 /* Remember the arguments to the program so we can "reboot" */
166 static char **main_args;
167
168 /* The original tty settings to restore on exit. */
169 static struct termios orig_term;
170
171 /* We have to be careful with barriers: our devices are all run in separate
172  * threads and so we need to make sure that changes visible to the Guest happen
173  * in precise order. */
174 #define wmb() __asm__ __volatile__("" : : : "memory")
175
176 /* Convert an iovec element to the given type.
177  *
178  * This is a fairly ugly trick: we need to know the size of the type and
179  * alignment requirement to check the pointer is kosher.  It's also nice to
180  * have the name of the type in case we report failure.
181  *
182  * Typing those three things all the time is cumbersome and error prone, so we
183  * have a macro which sets them all up and passes to the real function. */
184 #define convert(iov, type) \
185         ((type *)_convert((iov), sizeof(type), __alignof__(type), #type))
186
187 static void *_convert(struct iovec *iov, size_t size, size_t align,
188                       const char *name)
189 {
190         if (iov->iov_len != size)
191                 errx(1, "Bad iovec size %zu for %s", iov->iov_len, name);
192         if ((unsigned long)iov->iov_base % align != 0)
193                 errx(1, "Bad alignment %p for %s", iov->iov_base, name);
194         return iov->iov_base;
195 }
196
197 /* Wrapper for the last available index.  Makes it easier to change. */
198 #define lg_last_avail(vq)       ((vq)->last_avail_idx)
199
200 /* The virtio configuration space is defined to be little-endian.  x86 is
201  * little-endian too, but it's nice to be explicit so we have these helpers. */
202 #define cpu_to_le16(v16) (v16)
203 #define cpu_to_le32(v32) (v32)
204 #define cpu_to_le64(v64) (v64)
205 #define le16_to_cpu(v16) (v16)
206 #define le32_to_cpu(v32) (v32)
207 #define le64_to_cpu(v64) (v64)
208
209 /* Is this iovec empty? */
210 static bool iov_empty(const struct iovec iov[], unsigned int num_iov)
211 {
212         unsigned int i;
213
214         for (i = 0; i < num_iov; i++)
215                 if (iov[i].iov_len)
216                         return false;
217         return true;
218 }
219
220 /* Take len bytes from the front of this iovec. */
221 static void iov_consume(struct iovec iov[], unsigned num_iov, unsigned len)
222 {
223         unsigned int i;
224
225         for (i = 0; i < num_iov; i++) {
226                 unsigned int used;
227
228                 used = iov[i].iov_len < len ? iov[i].iov_len : len;
229                 iov[i].iov_base += used;
230                 iov[i].iov_len -= used;
231                 len -= used;
232         }
233         assert(len == 0);
234 }
235
236 /* The device virtqueue descriptors are followed by feature bitmasks. */
237 static u8 *get_feature_bits(struct device *dev)
238 {
239         return (u8 *)(dev->desc + 1)
240                 + dev->num_vq * sizeof(struct lguest_vqconfig);
241 }
242
243 /*L:100 The Launcher code itself takes us out into userspace, that scary place
244  * where pointers run wild and free!  Unfortunately, like most userspace
245  * programs, it's quite boring (which is why everyone likes to hack on the
246  * kernel!).  Perhaps if you make up an Lguest Drinking Game at this point, it
247  * will get you through this section.  Or, maybe not.
248  *
249  * The Launcher sets up a big chunk of memory to be the Guest's "physical"
250  * memory and stores it in "guest_base".  In other words, Guest physical ==
251  * Launcher virtual with an offset.
252  *
253  * This can be tough to get your head around, but usually it just means that we
254  * use these trivial conversion functions when the Guest gives us it's
255  * "physical" addresses: */
256 static void *from_guest_phys(unsigned long addr)
257 {
258         return guest_base + addr;
259 }
260
261 static unsigned long to_guest_phys(const void *addr)
262 {
263         return (addr - guest_base);
264 }
265
266 /*L:130
267  * Loading the Kernel.
268  *
269  * We start with couple of simple helper routines.  open_or_die() avoids
270  * error-checking code cluttering the callers: */
271 static int open_or_die(const char *name, int flags)
272 {
273         int fd = open(name, flags);
274         if (fd < 0)
275                 err(1, "Failed to open %s", name);
276         return fd;
277 }
278
279 /* map_zeroed_pages() takes a number of pages. */
280 static void *map_zeroed_pages(unsigned int num)
281 {
282         int fd = open_or_die("/dev/zero", O_RDONLY);
283         void *addr;
284
285         /* We use a private mapping (ie. if we write to the page, it will be
286          * copied). */
287         addr = mmap(NULL, getpagesize() * num,
288                     PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE, fd, 0);
289         if (addr == MAP_FAILED)
290                 err(1, "Mmaping %u pages of /dev/zero", num);
291         close(fd);
292
293         return addr;
294 }
295
296 /* Get some more pages for a device. */
297 static void *get_pages(unsigned int num)
298 {
299         void *addr = from_guest_phys(guest_limit);
300
301         guest_limit += num * getpagesize();
302         if (guest_limit > guest_max)
303                 errx(1, "Not enough memory for devices");
304         return addr;
305 }
306
307 /* This routine is used to load the kernel or initrd.  It tries mmap, but if
308  * that fails (Plan 9's kernel file isn't nicely aligned on page boundaries),
309  * it falls back to reading the memory in. */
310 static void map_at(int fd, void *addr, unsigned long offset, unsigned long len)
311 {
312         ssize_t r;
313
314         /* We map writable even though for some segments are marked read-only.
315          * The kernel really wants to be writable: it patches its own
316          * instructions.
317          *
318          * MAP_PRIVATE means that the page won't be copied until a write is
319          * done to it.  This allows us to share untouched memory between
320          * Guests. */
321         if (mmap(addr, len, PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC,
322                  MAP_FIXED|MAP_PRIVATE, fd, offset) != MAP_FAILED)
323                 return;
324
325         /* pread does a seek and a read in one shot: saves a few lines. */
326         r = pread(fd, addr, len, offset);
327         if (r != len)
328                 err(1, "Reading offset %lu len %lu gave %zi", offset, len, r);
329 }
330
331 /* This routine takes an open vmlinux image, which is in ELF, and maps it into
332  * the Guest memory.  ELF = Embedded Linking Format, which is the format used
333  * by all modern binaries on Linux including the kernel.
334  *
335  * The ELF headers give *two* addresses: a physical address, and a virtual
336  * address.  We use the physical address; the Guest will map itself to the
337  * virtual address.
338  *
339  * We return the starting address. */
340 static unsigned long map_elf(int elf_fd, const Elf32_Ehdr *ehdr)
341 {
342         Elf32_Phdr phdr[ehdr->e_phnum];
343         unsigned int i;
344
345         /* Sanity checks on the main ELF header: an x86 executable with a
346          * reasonable number of correctly-sized program headers. */
347         if (ehdr->e_type != ET_EXEC
348             || ehdr->e_machine != EM_386
349             || ehdr->e_phentsize != sizeof(Elf32_Phdr)
350             || ehdr->e_phnum < 1 || ehdr->e_phnum > 65536U/sizeof(Elf32_Phdr))
351                 errx(1, "Malformed elf header");
352
353         /* An ELF executable contains an ELF header and a number of "program"
354          * headers which indicate which parts ("segments") of the program to
355          * load where. */
356
357         /* We read in all the program headers at once: */
358         if (lseek(elf_fd, ehdr->e_phoff, SEEK_SET) < 0)
359                 err(1, "Seeking to program headers");
360         if (read(elf_fd, phdr, sizeof(phdr)) != sizeof(phdr))
361                 err(1, "Reading program headers");
362
363         /* Try all the headers: there are usually only three.  A read-only one,
364          * a read-write one, and a "note" section which we don't load. */
365         for (i = 0; i < ehdr->e_phnum; i++) {
366                 /* If this isn't a loadable segment, we ignore it */
367                 if (phdr[i].p_type != PT_LOAD)
368                         continue;
369
370                 verbose("Section %i: size %i addr %p\n",
371                         i, phdr[i].p_memsz, (void *)phdr[i].p_paddr);
372
373                 /* We map this section of the file at its physical address. */
374                 map_at(elf_fd, from_guest_phys(phdr[i].p_paddr),
375                        phdr[i].p_offset, phdr[i].p_filesz);
376         }
377
378         /* The entry point is given in the ELF header. */
379         return ehdr->e_entry;
380 }
381
382 /*L:150 A bzImage, unlike an ELF file, is not meant to be loaded.  You're
383  * supposed to jump into it and it will unpack itself.  We used to have to
384  * perform some hairy magic because the unpacking code scared me.
385  *
386  * Fortunately, Jeremy Fitzhardinge convinced me it wasn't that hard and wrote
387  * a small patch to jump over the tricky bits in the Guest, so now we just read
388  * the funky header so we know where in the file to load, and away we go! */
389 static unsigned long load_bzimage(int fd)
390 {
391         struct boot_params boot;
392         int r;
393         /* Modern bzImages get loaded at 1M. */
394         void *p = from_guest_phys(0x100000);
395
396         /* Go back to the start of the file and read the header.  It should be
397          * a Linux boot header (see Documentation/x86/i386/boot.txt) */
398         lseek(fd, 0, SEEK_SET);
399         read(fd, &boot, sizeof(boot));
400
401         /* Inside the setup_hdr, we expect the magic "HdrS" */
402         if (memcmp(&boot.hdr.header, "HdrS", 4) != 0)
403                 errx(1, "This doesn't look like a bzImage to me");
404
405         /* Skip over the extra sectors of the header. */
406         lseek(fd, (boot.hdr.setup_sects+1) * 512, SEEK_SET);
407
408         /* Now read everything into memory. in nice big chunks. */
409         while ((r = read(fd, p, 65536)) > 0)
410                 p += r;
411
412         /* Finally, code32_start tells us where to enter the kernel. */
413         return boot.hdr.code32_start;
414 }
415
416 /*L:140 Loading the kernel is easy when it's a "vmlinux", but most kernels
417  * come wrapped up in the self-decompressing "bzImage" format.  With a little
418  * work, we can load those, too. */
419 static unsigned long load_kernel(int fd)
420 {
421         Elf32_Ehdr hdr;
422
423         /* Read in the first few bytes. */
424         if (read(fd, &hdr, sizeof(hdr)) != sizeof(hdr))
425                 err(1, "Reading kernel");
426
427         /* If it's an ELF file, it starts with "\177ELF" */
428         if (memcmp(hdr.e_ident, ELFMAG, SELFMAG) == 0)
429                 return map_elf(fd, &hdr);
430
431         /* Otherwise we assume it's a bzImage, and try to load it. */
432         return load_bzimage(fd);
433 }
434
435 /* This is a trivial little helper to align pages.  Andi Kleen hated it because
436  * it calls getpagesize() twice: "it's dumb code."
437  *
438  * Kernel guys get really het up about optimization, even when it's not
439  * necessary.  I leave this code as a reaction against that. */
440 static inline unsigned long page_align(unsigned long addr)
441 {
442         /* Add upwards and truncate downwards. */
443         return ((addr + getpagesize()-1) & ~(getpagesize()-1));
444 }
445
446 /*L:180 An "initial ram disk" is a disk image loaded into memory along with
447  * the kernel which the kernel can use to boot from without needing any
448  * drivers.  Most distributions now use this as standard: the initrd contains
449  * the code to load the appropriate driver modules for the current machine.
450  *
451  * Importantly, James Morris works for RedHat, and Fedora uses initrds for its
452  * kernels.  He sent me this (and tells me when I break it). */
453 static unsigned long load_initrd(const char *name, unsigned long mem)
454 {
455         int ifd;
456         struct stat st;
457         unsigned long len;
458
459         ifd = open_or_die(name, O_RDONLY);
460         /* fstat() is needed to get the file size. */
461         if (fstat(ifd, &st) < 0)
462                 err(1, "fstat() on initrd '%s'", name);
463
464         /* We map the initrd at the top of memory, but mmap wants it to be
465          * page-aligned, so we round the size up for that. */
466         len = page_align(st.st_size);
467         map_at(ifd, from_guest_phys(mem - len), 0, st.st_size);
468         /* Once a file is mapped, you can close the file descriptor.  It's a
469          * little odd, but quite useful. */
470         close(ifd);
471         verbose("mapped initrd %s size=%lu @ %p\n", name, len, (void*)mem-len);
472
473         /* We return the initrd size. */
474         return len;
475 }
476 /*:*/
477
478 /* Simple routine to roll all the commandline arguments together with spaces
479  * between them. */
480 static void concat(char *dst, char *args[])
481 {
482         unsigned int i, len = 0;
483
484         for (i = 0; args[i]; i++) {
485                 if (i) {
486                         strcat(dst+len, " ");
487                         len++;
488                 }
489                 strcpy(dst+len, args[i]);
490                 len += strlen(args[i]);
491         }
492         /* In case it's empty. */
493         dst[len] = '\0';
494 }
495
496 /*L:185 This is where we actually tell the kernel to initialize the Guest.  We
497  * saw the arguments it expects when we looked at initialize() in lguest_user.c:
498  * the base of Guest "physical" memory, the top physical page to allow and the
499  * entry point for the Guest. */
500 static void tell_kernel(unsigned long start)
501 {
502         unsigned long args[] = { LHREQ_INITIALIZE,
503                                  (unsigned long)guest_base,
504                                  guest_limit / getpagesize(), start };
505         verbose("Guest: %p - %p (%#lx)\n",
506                 guest_base, guest_base + guest_limit, guest_limit);
507         lguest_fd = open_or_die("/dev/lguest", O_RDWR);
508         if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
509                 err(1, "Writing to /dev/lguest");
510 }
511 /*:*/
512
513 /*
514  * Device Handling.
515  *
516  * When the Guest gives us a buffer, it sends an array of addresses and sizes.
517  * We need to make sure it's not trying to reach into the Launcher itself, so
518  * we have a convenient routine which checks it and exits with an error message
519  * if something funny is going on:
520  */
521 static void *_check_pointer(unsigned long addr, unsigned int size,
522                             unsigned int line)
523 {
524         /* We have to separately check addr and addr+size, because size could
525          * be huge and addr + size might wrap around. */
526         if (addr >= guest_limit || addr + size >= guest_limit)
527                 errx(1, "%s:%i: Invalid address %#lx", __FILE__, line, addr);
528         /* We return a pointer for the caller's convenience, now we know it's
529          * safe to use. */
530         return from_guest_phys(addr);
531 }
532 /* A macro which transparently hands the line number to the real function. */
533 #define check_pointer(addr,size) _check_pointer(addr, size, __LINE__)
534
535 /* Each buffer in the virtqueues is actually a chain of descriptors.  This
536  * function returns the next descriptor in the chain, or vq->vring.num if we're
537  * at the end. */
538 static unsigned next_desc(struct virtqueue *vq, unsigned int i)
539 {
540         unsigned int next;
541
542         /* If this descriptor says it doesn't chain, we're done. */
543         if (!(vq->vring.desc[i].flags & VRING_DESC_F_NEXT))
544                 return vq->vring.num;
545
546         /* Check they're not leading us off end of descriptors. */
547         next = vq->vring.desc[i].next;
548         /* Make sure compiler knows to grab that: we don't want it changing! */
549         wmb();
550
551         if (next >= vq->vring.num)
552                 errx(1, "Desc next is %u", next);
553
554         return next;
555 }
556
557 /* This actually sends the interrupt for this virtqueue */
558 static void trigger_irq(struct virtqueue *vq)
559 {
560         unsigned long buf[] = { LHREQ_IRQ, vq->config.irq };
561
562         /* Don't inform them if nothing used. */
563         if (!vq->pending_used)
564                 return;
565         vq->pending_used = 0;
566
567         /* If they don't want an interrupt, don't send one, unless empty. */
568         if ((vq->vring.avail->flags & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT)
569             && lg_last_avail(vq) != vq->vring.avail->idx)
570                 return;
571
572         /* Send the Guest an interrupt tell them we used something up. */
573         if (write(lguest_fd, buf, sizeof(buf)) != 0)
574                 err(1, "Triggering irq %i", vq->config.irq);
575 }
576
577 /* This looks in the virtqueue and for the first available buffer, and converts
578  * it to an iovec for convenient access.  Since descriptors consist of some
579  * number of output then some number of input descriptors, it's actually two
580  * iovecs, but we pack them into one and note how many of each there were.
581  *
582  * This function returns the descriptor number found. */
583 static unsigned wait_for_vq_desc(struct virtqueue *vq,
584                                  struct iovec iov[],
585                                  unsigned int *out_num, unsigned int *in_num)
586 {
587         unsigned int i, head;
588         u16 last_avail = lg_last_avail(vq);
589
590         while (last_avail == vq->vring.avail->idx) {
591                 u64 event;
592
593                 /* OK, tell Guest about progress up to now. */
594                 trigger_irq(vq);
595
596                 /* Nothing new?  Wait for eventfd to tell us they refilled. */
597                 if (read(vq->eventfd, &event, sizeof(event)) != sizeof(event))
598                         errx(1, "Event read failed?");
599         }
600
601         /* Check it isn't doing very strange things with descriptor numbers. */
602         if ((u16)(vq->vring.avail->idx - last_avail) > vq->vring.num)
603                 errx(1, "Guest moved used index from %u to %u",
604                      last_avail, vq->vring.avail->idx);
605
606         /* Grab the next descriptor number they're advertising, and increment
607          * the index we've seen. */
608         head = vq->vring.avail->ring[last_avail % vq->vring.num];
609         lg_last_avail(vq)++;
610
611         /* If their number is silly, that's a fatal mistake. */
612         if (head >= vq->vring.num)
613                 errx(1, "Guest says index %u is available", head);
614
615         /* When we start there are none of either input nor output. */
616         *out_num = *in_num = 0;
617
618         i = head;
619         do {
620                 /* Grab the first descriptor, and check it's OK. */
621                 iov[*out_num + *in_num].iov_len = vq->vring.desc[i].len;
622                 iov[*out_num + *in_num].iov_base
623                         = check_pointer(vq->vring.desc[i].addr,
624                                         vq->vring.desc[i].len);
625                 /* If this is an input descriptor, increment that count. */
626                 if (vq->vring.desc[i].flags & VRING_DESC_F_WRITE)
627                         (*in_num)++;
628                 else {
629                         /* If it's an output descriptor, they're all supposed
630                          * to come before any input descriptors. */
631                         if (*in_num)
632                                 errx(1, "Descriptor has out after in");
633                         (*out_num)++;
634                 }
635
636                 /* If we've got too many, that implies a descriptor loop. */
637                 if (*out_num + *in_num > vq->vring.num)
638                         errx(1, "Looped descriptor");
639         } while ((i = next_desc(vq, i)) != vq->vring.num);
640
641         return head;
642 }
643
644 /* After we've used one of their buffers, we tell them about it.  We'll then
645  * want to send them an interrupt, using trigger_irq(). */
646 static void add_used(struct virtqueue *vq, unsigned int head, int len)
647 {
648         struct vring_used_elem *used;
649
650         /* The virtqueue contains a ring of used buffers.  Get a pointer to the
651          * next entry in that used ring. */
652         used = &vq->vring.used->ring[vq->vring.used->idx % vq->vring.num];
653         used->id = head;
654         used->len = len;
655         /* Make sure buffer is written before we update index. */
656         wmb();
657         vq->vring.used->idx++;
658         vq->pending_used++;
659 }
660
661 /* And here's the combo meal deal.  Supersize me! */
662 static void add_used_and_trigger(struct virtqueue *vq, unsigned head, int len)
663 {
664         add_used(vq, head, len);
665         trigger_irq(vq);
666 }
667
668 /*
669  * The Console
670  *
671  * We associate some data with the console for our exit hack. */
672 struct console_abort
673 {
674         /* How many times have they hit ^C? */
675         int count;
676         /* When did they start? */
677         struct timeval start;
678 };
679
680 /* This is the routine which handles console input (ie. stdin). */
681 static void console_input(struct virtqueue *vq)
682 {
683         int len;
684         unsigned int head, in_num, out_num;
685         struct console_abort *abort = vq->dev->priv;
686         struct iovec iov[vq->vring.num];
687
688         /* Make sure there's a descriptor waiting. */
689         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
690         if (out_num)
691                 errx(1, "Output buffers in console in queue?");
692
693         /* Read it in. */
694         len = readv(STDIN_FILENO, iov, in_num);
695         if (len <= 0) {
696                 /* Ran out of input? */
697                 warnx("Failed to get console input, ignoring console.");
698                 /* For simplicity, dying threads kill the whole Launcher.  So
699                  * just nap here. */
700                 for (;;)
701                         pause();
702         }
703
704         add_used_and_trigger(vq, head, len);
705
706         /* Three ^C within one second?  Exit.
707          *
708          * This is such a hack, but works surprisingly well.  Each ^C has to
709          * be in a buffer by itself, so they can't be too fast.  But we check
710          * that we get three within about a second, so they can't be too
711          * slow. */
712         if (len != 1 || ((char *)iov[0].iov_base)[0] != 3) {
713                 abort->count = 0;
714                 return;
715         }
716
717         abort->count++;
718         if (abort->count == 1)
719                 gettimeofday(&abort->start, NULL);
720         else if (abort->count == 3) {
721                 struct timeval now;
722                 gettimeofday(&now, NULL);
723                 /* Kill all Launcher processes with SIGINT, like normal ^C */
724                 if (now.tv_sec <= abort->start.tv_sec+1)
725                         kill(0, SIGINT);
726                 abort->count = 0;
727         }
728 }
729
730 /* This is the routine which handles console output (ie. stdout). */
731 static void console_output(struct virtqueue *vq)
732 {
733         unsigned int head, out, in;
734         struct iovec iov[vq->vring.num];
735
736         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
737         if (in)
738                 errx(1, "Input buffers in console output queue?");
739         while (!iov_empty(iov, out)) {
740                 int len = writev(STDOUT_FILENO, iov, out);
741                 if (len <= 0)
742                         err(1, "Write to stdout gave %i", len);
743                 iov_consume(iov, out, len);
744         }
745         add_used(vq, head, 0);
746 }
747
748 /*
749  * The Network
750  *
751  * Handling output for network is also simple: we get all the output buffers
752  * and write them to /dev/net/tun.
753  */
754 struct net_info {
755         int tunfd;
756 };
757
758 static void net_output(struct virtqueue *vq)
759 {
760         struct net_info *net_info = vq->dev->priv;
761         unsigned int head, out, in;
762         struct iovec iov[vq->vring.num];
763
764         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
765         if (in)
766                 errx(1, "Input buffers in net output queue?");
767         if (writev(net_info->tunfd, iov, out) < 0)
768                 errx(1, "Write to tun failed?");
769         add_used(vq, head, 0);
770 }
771
772 /* Will reading from this file descriptor block? */
773 static bool will_block(int fd)
774 {
775         fd_set fdset;
776         struct timeval zero = { 0, 0 };
777         FD_ZERO(&fdset);
778         FD_SET(fd, &fdset);
779         return select(fd+1, &fdset, NULL, NULL, &zero) != 1;
780 }
781
782 /* This is where we handle packets coming in from the tun device to our
783  * Guest. */
784 static void net_input(struct virtqueue *vq)
785 {
786         int len;
787         unsigned int head, out, in;
788         struct iovec iov[vq->vring.num];
789         struct net_info *net_info = vq->dev->priv;
790
791         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
792         if (out)
793                 errx(1, "Output buffers in net input queue?");
794
795         /* Deliver interrupt now, since we're about to sleep. */
796         if (vq->pending_used && will_block(net_info->tunfd))
797                 trigger_irq(vq);
798
799         len = readv(net_info->tunfd, iov, in);
800         if (len <= 0)
801                 err(1, "Failed to read from tun.");
802         add_used(vq, head, len);
803 }
804
805 /* This is the helper to create threads. */
806 static int do_thread(void *_vq)
807 {
808         struct virtqueue *vq = _vq;
809
810         for (;;)
811                 vq->service(vq);
812         return 0;
813 }
814
815 /* When a child dies, we kill our entire process group with SIGTERM.  This
816  * also has the side effect that the shell restores the console for us! */
817 static void kill_launcher(int signal)
818 {
819         kill(0, SIGTERM);
820 }
821
822 static void reset_device(struct device *dev)
823 {
824         struct virtqueue *vq;
825
826         verbose("Resetting device %s\n", dev->name);
827
828         /* Clear any features they've acked. */
829         memset(get_feature_bits(dev) + dev->feature_len, 0, dev->feature_len);
830
831         /* We're going to be explicitly killing threads, so ignore them. */
832         signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
833
834         /* Zero out the virtqueues, get rid of their threads */
835         for (vq = dev->vq; vq; vq = vq->next) {
836                 if (vq->thread != (pid_t)-1) {
837                         kill(vq->thread, SIGTERM);
838                         waitpid(vq->thread, NULL, 0);
839                         vq->thread = (pid_t)-1;
840                 }
841                 memset(vq->vring.desc, 0,
842                        vring_size(vq->config.num, LGUEST_VRING_ALIGN));
843                 lg_last_avail(vq) = 0;
844         }
845         dev->running = false;
846
847         /* Now we care if threads die. */
848         signal(SIGCHLD, (void *)kill_launcher);
849 }
850
851 static void create_thread(struct virtqueue *vq)
852 {
853         /* Create stack for thread and run it.  Since stack grows
854          * upwards, we point the stack pointer to the end of this
855          * region. */
856         char *stack = malloc(32768);
857         unsigned long args[] = { LHREQ_EVENTFD,
858                                  vq->config.pfn*getpagesize(), 0 };
859
860         /* Create a zero-initialized eventfd. */
861         vq->eventfd = eventfd(0, 0);
862         if (vq->eventfd < 0)
863                 err(1, "Creating eventfd");
864         args[2] = vq->eventfd;
865
866         /* Attach an eventfd to this virtqueue: it will go off
867          * when the Guest does an LHCALL_NOTIFY for this vq. */
868         if (write(lguest_fd, &args, sizeof(args)) != 0)
869                 err(1, "Attaching eventfd");
870
871         /* CLONE_VM: because it has to access the Guest memory, and
872          * SIGCHLD so we get a signal if it dies. */
873         vq->thread = clone(do_thread, stack + 32768, CLONE_VM | SIGCHLD, vq);
874         if (vq->thread == (pid_t)-1)
875                 err(1, "Creating clone");
876         /* We close our local copy, now the child has it. */
877         close(vq->eventfd);
878 }
879
880 static void start_device(struct device *dev)
881 {
882         unsigned int i;
883         struct virtqueue *vq;
884
885         verbose("Device %s OK: offered", dev->name);
886         for (i = 0; i < dev->feature_len; i++)
887                 verbose(" %02x", get_feature_bits(dev)[i]);
888         verbose(", accepted");
889         for (i = 0; i < dev->feature_len; i++)
890                 verbose(" %02x", get_feature_bits(dev)
891                         [dev->feature_len+i]);
892
893         for (vq = dev->vq; vq; vq = vq->next) {
894                 if (vq->service)
895                         create_thread(vq);
896         }
897         dev->running = true;
898 }
899
900 static void cleanup_devices(void)
901 {
902         struct device *dev;
903
904         for (dev = devices.dev; dev; dev = dev->next)
905                 reset_device(dev);
906
907         /* If we saved off the original terminal settings, restore them now. */
908         if (orig_term.c_lflag & (ISIG|ICANON|ECHO))
909                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &orig_term);
910 }
911
912 /* When the Guest tells us they updated the status field, we handle it. */
913 static void update_device_status(struct device *dev)
914 {
915         /* A zero status is a reset, otherwise it's a set of flags. */
916         if (dev->desc->status == 0)
917                 reset_device(dev);
918         else if (dev->desc->status & VIRTIO_CONFIG_S_FAILED) {
919                 warnx("Device %s configuration FAILED", dev->name);
920                 if (dev->running)
921                         reset_device(dev);
922         } else if (dev->desc->status & VIRTIO_CONFIG_S_DRIVER_OK) {
923                 if (!dev->running)
924                         start_device(dev);
925         }
926 }
927
928 /* This is the generic routine we call when the Guest uses LHCALL_NOTIFY. */
929 static void handle_output(unsigned long addr)
930 {
931         struct device *i;
932
933         /* Check each device. */
934         for (i = devices.dev; i; i = i->next) {
935                 struct virtqueue *vq;
936
937                 /* Notifications to device descriptors update device status. */
938                 if (from_guest_phys(addr) == i->desc) {
939                         update_device_status(i);
940                         return;
941                 }
942
943                 /* Devices *can* be used before status is set to DRIVER_OK. */
944                 for (vq = i->vq; vq; vq = vq->next) {
945                         if (addr != vq->config.pfn*getpagesize())
946                                 continue;
947                         if (i->running)
948                                 errx(1, "Notification on running %s", i->name);
949                         start_device(i);
950                         return;
951                 }
952         }
953
954         /* Early console write is done using notify on a nul-terminated string
955          * in Guest memory. */
956         if (addr >= guest_limit)
957                 errx(1, "Bad NOTIFY %#lx", addr);
958
959         write(STDOUT_FILENO, from_guest_phys(addr),
960               strnlen(from_guest_phys(addr), guest_limit - addr));
961 }
962
963 /*L:190
964  * Device Setup
965  *
966  * All devices need a descriptor so the Guest knows it exists, and a "struct
967  * device" so the Launcher can keep track of it.  We have common helper
968  * routines to allocate and manage them.
969  */
970
971 /* The layout of the device page is a "struct lguest_device_desc" followed by a
972  * number of virtqueue descriptors, then two sets of feature bits, then an
973  * array of configuration bytes.  This routine returns the configuration
974  * pointer. */
975 static u8 *device_config(const struct device *dev)
976 {
977         return (void *)(dev->desc + 1)
978                 + dev->num_vq * sizeof(struct lguest_vqconfig)
979                 + dev->feature_len * 2;
980 }
981
982 /* This routine allocates a new "struct lguest_device_desc" from descriptor
983  * table page just above the Guest's normal memory.  It returns a pointer to
984  * that descriptor. */
985 static struct lguest_device_desc *new_dev_desc(u16 type)
986 {
987         struct lguest_device_desc d = { .type = type };
988         void *p;
989
990         /* Figure out where the next device config is, based on the last one. */
991         if (devices.lastdev)
992                 p = device_config(devices.lastdev)
993                         + devices.lastdev->desc->config_len;
994         else
995                 p = devices.descpage;
996
997         /* We only have one page for all the descriptors. */
998         if (p + sizeof(d) > (void *)devices.descpage + getpagesize())
999                 errx(1, "Too many devices");
1000
1001         /* p might not be aligned, so we memcpy in. */
1002         return memcpy(p, &d, sizeof(d));
1003 }
1004
1005 /* Each device descriptor is followed by the description of its virtqueues.  We
1006  * specify how many descriptors the virtqueue is to have. */
1007 static void add_virtqueue(struct device *dev, unsigned int num_descs,
1008                           void (*service)(struct virtqueue *))
1009 {
1010         unsigned int pages;
1011         struct virtqueue **i, *vq = malloc(sizeof(*vq));
1012         void *p;
1013
1014         /* First we need some memory for this virtqueue. */
1015         pages = (vring_size(num_descs, LGUEST_VRING_ALIGN) + getpagesize() - 1)
1016                 / getpagesize();
1017         p = get_pages(pages);
1018
1019         /* Initialize the virtqueue */
1020         vq->next = NULL;
1021         vq->last_avail_idx = 0;
1022         vq->dev = dev;
1023         vq->service = service;
1024         vq->thread = (pid_t)-1;
1025
1026         /* Initialize the configuration. */
1027         vq->config.num = num_descs;
1028         vq->config.irq = devices.next_irq++;
1029         vq->config.pfn = to_guest_phys(p) / getpagesize();
1030
1031         /* Initialize the vring. */
1032         vring_init(&vq->vring, num_descs, p, LGUEST_VRING_ALIGN);
1033
1034         /* Append virtqueue to this device's descriptor.  We use
1035          * device_config() to get the end of the device's current virtqueues;
1036          * we check that we haven't added any config or feature information
1037          * yet, otherwise we'd be overwriting them. */
1038         assert(dev->desc->config_len == 0 && dev->desc->feature_len == 0);
1039         memcpy(device_config(dev), &vq->config, sizeof(vq->config));
1040         dev->num_vq++;
1041         dev->desc->num_vq++;
1042
1043         verbose("Virtqueue page %#lx\n", to_guest_phys(p));
1044
1045         /* Add to tail of list, so dev->vq is first vq, dev->vq->next is
1046          * second.  */
1047         for (i = &dev->vq; *i; i = &(*i)->next);
1048         *i = vq;
1049 }
1050
1051 /* The first half of the feature bitmask is for us to advertise features.  The
1052  * second half is for the Guest to accept features. */
1053 static void add_feature(struct device *dev, unsigned bit)
1054 {
1055         u8 *features = get_feature_bits(dev);
1056
1057         /* We can't extend the feature bits once we've added config bytes */
1058         if (dev->desc->feature_len <= bit / CHAR_BIT) {
1059                 assert(dev->desc->config_len == 0);
1060                 dev->feature_len = dev->desc->feature_len = (bit/CHAR_BIT) + 1;
1061         }
1062
1063         features[bit / CHAR_BIT] |= (1 << (bit % CHAR_BIT));
1064 }
1065
1066 /* This routine sets the configuration fields for an existing device's
1067  * descriptor.  It only works for the last device, but that's OK because that's
1068  * how we use it. */
1069 static void set_config(struct device *dev, unsigned len, const void *conf)
1070 {
1071         /* Check we haven't overflowed our single page. */
1072         if (device_config(dev) + len > devices.descpage + getpagesize())
1073                 errx(1, "Too many devices");
1074
1075         /* Copy in the config information, and store the length. */
1076         memcpy(device_config(dev), conf, len);
1077         dev->desc->config_len = len;
1078 }
1079
1080 /* This routine does all the creation and setup of a new device, including
1081  * calling new_dev_desc() to allocate the descriptor and device memory.
1082  *
1083  * See what I mean about userspace being boring? */
1084 static struct device *new_device(const char *name, u16 type)
1085 {
1086         struct device *dev = malloc(sizeof(*dev));
1087
1088         /* Now we populate the fields one at a time. */
1089         dev->desc = new_dev_desc(type);
1090         dev->name = name;
1091         dev->vq = NULL;
1092         dev->feature_len = 0;
1093         dev->num_vq = 0;
1094         dev->running = false;
1095
1096         /* Append to device list.  Prepending to a single-linked list is
1097          * easier, but the user expects the devices to be arranged on the bus
1098          * in command-line order.  The first network device on the command line
1099          * is eth0, the first block device /dev/vda, etc. */
1100         if (devices.lastdev)
1101                 devices.lastdev->next = dev;
1102         else
1103                 devices.dev = dev;
1104         devices.lastdev = dev;
1105
1106         return dev;
1107 }
1108
1109 /* Our first setup routine is the console.  It's a fairly simple device, but
1110  * UNIX tty handling makes it uglier than it could be. */
1111 static void setup_console(void)
1112 {
1113         struct device *dev;
1114
1115         /* If we can save the initial standard input settings... */
1116         if (tcgetattr(STDIN_FILENO, &orig_term) == 0) {
1117                 struct termios term = orig_term;
1118                 /* Then we turn off echo, line buffering and ^C etc.  We want a
1119                  * raw input stream to the Guest. */
1120                 term.c_lflag &= ~(ISIG|ICANON|ECHO);
1121                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &term);
1122         }
1123
1124         dev = new_device("console", VIRTIO_ID_CONSOLE);
1125
1126         /* We store the console state in dev->priv, and initialize it. */
1127         dev->priv = malloc(sizeof(struct console_abort));
1128         ((struct console_abort *)dev->priv)->count = 0;
1129
1130         /* The console needs two virtqueues: the input then the output.  When
1131          * they put something the input queue, we make sure we're listening to
1132          * stdin.  When they put something in the output queue, we write it to
1133          * stdout. */
1134         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, console_input);
1135         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, console_output);
1136
1137         verbose("device %u: console\n", ++devices.device_num);
1138 }
1139 /*:*/
1140
1141 /*M:010 Inter-guest networking is an interesting area.  Simplest is to have a
1142  * --sharenet=<name> option which opens or creates a named pipe.  This can be
1143  * used to send packets to another guest in a 1:1 manner.
1144  *
1145  * More sopisticated is to use one of the tools developed for project like UML
1146  * to do networking.
1147  *
1148  * Faster is to do virtio bonding in kernel.  Doing this 1:1 would be
1149  * completely generic ("here's my vring, attach to your vring") and would work
1150  * for any traffic.  Of course, namespace and permissions issues need to be
1151  * dealt with.  A more sophisticated "multi-channel" virtio_net.c could hide
1152  * multiple inter-guest channels behind one interface, although it would
1153  * require some manner of hotplugging new virtio channels.
1154  *
1155  * Finally, we could implement a virtio network switch in the kernel. :*/
1156
1157 static u32 str2ip(const char *ipaddr)
1158 {
1159         unsigned int b[4];
1160
1161         if (sscanf(ipaddr, "%u.%u.%u.%u", &b[0], &b[1], &b[2], &b[3]) != 4)
1162                 errx(1, "Failed to parse IP address '%s'", ipaddr);
1163         return (b[0] << 24) | (b[1] << 16) | (b[2] << 8) | b[3];
1164 }
1165
1166 static void str2mac(const char *macaddr, unsigned char mac[6])
1167 {
1168         unsigned int m[6];
1169         if (sscanf(macaddr, "%02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x",
1170                    &m[0], &m[1], &m[2], &m[3], &m[4], &m[5]) != 6)
1171                 errx(1, "Failed to parse mac address '%s'", macaddr);
1172         mac[0] = m[0];
1173         mac[1] = m[1];
1174         mac[2] = m[2];
1175         mac[3] = m[3];
1176         mac[4] = m[4];
1177         mac[5] = m[5];
1178 }
1179
1180 /* This code is "adapted" from libbridge: it attaches the Host end of the
1181  * network device to the bridge device specified by the command line.
1182  *
1183  * This is yet another James Morris contribution (I'm an IP-level guy, so I
1184  * dislike bridging), and I just try not to break it. */
1185 static void add_to_bridge(int fd, const char *if_name, const char *br_name)
1186 {
1187         int ifidx;
1188         struct ifreq ifr;
1189
1190         if (!*br_name)
1191                 errx(1, "must specify bridge name");
1192
1193         ifidx = if_nametoindex(if_name);
1194         if (!ifidx)
1195                 errx(1, "interface %s does not exist!", if_name);
1196
1197         strncpy(ifr.ifr_name, br_name, IFNAMSIZ);
1198         ifr.ifr_name[IFNAMSIZ-1] = '\0';
1199         ifr.ifr_ifindex = ifidx;
1200         if (ioctl(fd, SIOCBRADDIF, &ifr) < 0)
1201                 err(1, "can't add %s to bridge %s", if_name, br_name);
1202 }
1203
1204 /* This sets up the Host end of the network device with an IP address, brings
1205  * it up so packets will flow, the copies the MAC address into the hwaddr
1206  * pointer. */
1207 static void configure_device(int fd, const char *tapif, u32 ipaddr)
1208 {
1209         struct ifreq ifr;
1210         struct sockaddr_in *sin = (struct sockaddr_in *)&ifr.ifr_addr;
1211
1212         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
1213         strcpy(ifr.ifr_name, tapif);
1214
1215         /* Don't read these incantations.  Just cut & paste them like I did! */
1216         sin->sin_family = AF_INET;
1217         sin->sin_addr.s_addr = htonl(ipaddr);
1218         if (ioctl(fd, SIOCSIFADDR, &ifr) != 0)
1219                 err(1, "Setting %s interface address", tapif);
1220         ifr.ifr_flags = IFF_UP;
1221         if (ioctl(fd, SIOCSIFFLAGS, &ifr) != 0)
1222                 err(1, "Bringing interface %s up", tapif);
1223 }
1224
1225 static int get_tun_device(char tapif[IFNAMSIZ])
1226 {
1227         struct ifreq ifr;
1228         int netfd;
1229
1230         /* Start with this zeroed.  Messy but sure. */
1231         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
1232
1233         /* We open the /dev/net/tun device and tell it we want a tap device.  A
1234          * tap device is like a tun device, only somehow different.  To tell
1235          * the truth, I completely blundered my way through this code, but it
1236          * works now! */
1237         netfd = open_or_die("/dev/net/tun", O_RDWR);
1238         ifr.ifr_flags = IFF_TAP | IFF_NO_PI | IFF_VNET_HDR;
1239         strcpy(ifr.ifr_name, "tap%d");
1240         if (ioctl(netfd, TUNSETIFF, &ifr) != 0)
1241                 err(1, "configuring /dev/net/tun");
1242
1243         if (ioctl(netfd, TUNSETOFFLOAD,
1244                   TUN_F_CSUM|TUN_F_TSO4|TUN_F_TSO6|TUN_F_TSO_ECN) != 0)
1245                 err(1, "Could not set features for tun device");
1246
1247         /* We don't need checksums calculated for packets coming in this
1248          * device: trust us! */
1249         ioctl(netfd, TUNSETNOCSUM, 1);
1250
1251         memcpy(tapif, ifr.ifr_name, IFNAMSIZ);
1252         return netfd;
1253 }
1254
1255 /*L:195 Our network is a Host<->Guest network.  This can either use bridging or
1256  * routing, but the principle is the same: it uses the "tun" device to inject
1257  * packets into the Host as if they came in from a normal network card.  We
1258  * just shunt packets between the Guest and the tun device. */
1259 static void setup_tun_net(char *arg)
1260 {
1261         struct device *dev;
1262         struct net_info *net_info = malloc(sizeof(*net_info));
1263         int ipfd;
1264         u32 ip = INADDR_ANY;
1265         bool bridging = false;
1266         char tapif[IFNAMSIZ], *p;
1267         struct virtio_net_config conf;
1268
1269         net_info->tunfd = get_tun_device(tapif);
1270
1271         /* First we create a new network device. */
1272         dev = new_device("net", VIRTIO_ID_NET);
1273         dev->priv = net_info;
1274
1275         /* Network devices need a receive and a send queue, just like
1276          * console. */
1277         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, net_input);
1278         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, net_output);
1279
1280         /* We need a socket to perform the magic network ioctls to bring up the
1281          * tap interface, connect to the bridge etc.  Any socket will do! */
1282         ipfd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_IP);
1283         if (ipfd < 0)
1284                 err(1, "opening IP socket");
1285
1286         /* If the command line was --tunnet=bridge:<name> do bridging. */
1287         if (!strncmp(BRIDGE_PFX, arg, strlen(BRIDGE_PFX))) {
1288                 arg += strlen(BRIDGE_PFX);
1289                 bridging = true;
1290         }
1291
1292         /* A mac address may follow the bridge name or IP address */
1293         p = strchr(arg, ':');
1294         if (p) {
1295                 str2mac(p+1, conf.mac);
1296                 add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_MAC);
1297                 *p = '\0';
1298         }
1299
1300         /* arg is now either an IP address or a bridge name */
1301         if (bridging)
1302                 add_to_bridge(ipfd, tapif, arg);
1303         else
1304                 ip = str2ip(arg);
1305
1306         /* Set up the tun device. */
1307         configure_device(ipfd, tapif, ip);
1308
1309         add_feature(dev, VIRTIO_F_NOTIFY_ON_EMPTY);
1310         /* Expect Guest to handle everything except UFO */
1311         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_CSUM);
1312         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_CSUM);
1313         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_TSO4);
1314         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_TSO6);
1315         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_ECN);
1316         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_TSO4);
1317         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_TSO6);
1318         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_ECN);
1319         set_config(dev, sizeof(conf), &conf);
1320
1321         /* We don't need the socket any more; setup is done. */
1322         close(ipfd);
1323
1324         devices.device_num++;
1325
1326         if (bridging)
1327                 verbose("device %u: tun %s attached to bridge: %s\n",
1328                         devices.device_num, tapif, arg);
1329         else
1330                 verbose("device %u: tun %s: %s\n",
1331                         devices.device_num, tapif, arg);
1332 }
1333
1334 /* Our block (disk) device should be really simple: the Guest asks for a block
1335  * number and we read or write that position in the file.  Unfortunately, that
1336  * was amazingly slow: the Guest waits until the read is finished before
1337  * running anything else, even if it could have been doing useful work.
1338  *
1339  * We could use async I/O, except it's reputed to suck so hard that characters
1340  * actually go missing from your code when you try to use it.
1341  *
1342  * So we farm the I/O out to thread, and communicate with it via a pipe. */
1343
1344 /* This hangs off device->priv. */
1345 struct vblk_info
1346 {
1347         /* The size of the file. */
1348         off64_t len;
1349
1350         /* The file descriptor for the file. */
1351         int fd;
1352
1353         /* IO thread listens on this file descriptor [0]. */
1354         int workpipe[2];
1355
1356         /* IO thread writes to this file descriptor to mark it done, then
1357          * Launcher triggers interrupt to Guest. */
1358         int done_fd;
1359 };
1360
1361 /*L:210
1362  * The Disk
1363  *
1364  * Remember that the block device is handled by a separate I/O thread.  We head
1365  * straight into the core of that thread here:
1366  */
1367 static void blk_request(struct virtqueue *vq)
1368 {
1369         struct vblk_info *vblk = vq->dev->priv;
1370         unsigned int head, out_num, in_num, wlen;
1371         int ret;
1372         u8 *in;
1373         struct virtio_blk_outhdr *out;
1374         struct iovec iov[vq->vring.num];
1375         off64_t off;
1376
1377         /* Get the next request. */
1378         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
1379
1380         /* Every block request should contain at least one output buffer
1381          * (detailing the location on disk and the type of request) and one
1382          * input buffer (to hold the result). */
1383         if (out_num == 0 || in_num == 0)
1384                 errx(1, "Bad virtblk cmd %u out=%u in=%u",
1385                      head, out_num, in_num);
1386
1387         out = convert(&iov[0], struct virtio_blk_outhdr);
1388         in = convert(&iov[out_num+in_num-1], u8);
1389         off = out->sector * 512;
1390
1391         /* The block device implements "barriers", where the Guest indicates
1392          * that it wants all previous writes to occur before this write.  We
1393          * don't have a way of asking our kernel to do a barrier, so we just
1394          * synchronize all the data in the file.  Pretty poor, no? */
1395         if (out->type & VIRTIO_BLK_T_BARRIER)
1396                 fdatasync(vblk->fd);
1397
1398         /* In general the virtio block driver is allowed to try SCSI commands.
1399          * It'd be nice if we supported eject, for example, but we don't. */
1400         if (out->type & VIRTIO_BLK_T_SCSI_CMD) {
1401                 fprintf(stderr, "Scsi commands unsupported\n");
1402                 *in = VIRTIO_BLK_S_UNSUPP;
1403                 wlen = sizeof(*in);
1404         } else if (out->type & VIRTIO_BLK_T_OUT) {
1405                 /* Write */
1406
1407                 /* Move to the right location in the block file.  This can fail
1408                  * if they try to write past end. */
1409                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
1410                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out->sector);
1411
1412                 ret = writev(vblk->fd, iov+1, out_num-1);
1413                 verbose("WRITE to sector %llu: %i\n", out->sector, ret);
1414
1415                 /* Grr... Now we know how long the descriptor they sent was, we
1416                  * make sure they didn't try to write over the end of the block
1417                  * file (possibly extending it). */
1418                 if (ret > 0 && off + ret > vblk->len) {
1419                         /* Trim it back to the correct length */
1420                         ftruncate64(vblk->fd, vblk->len);
1421                         /* Die, bad Guest, die. */
1422                         errx(1, "Write past end %llu+%u", off, ret);
1423                 }
1424                 wlen = sizeof(*in);
1425                 *in = (ret >= 0 ? VIRTIO_BLK_S_OK : VIRTIO_BLK_S_IOERR);
1426         } else {
1427                 /* Read */
1428
1429                 /* Move to the right location in the block file.  This can fail
1430                  * if they try to read past end. */
1431                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
1432                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out->sector);
1433
1434                 ret = readv(vblk->fd, iov+1, in_num-1);
1435                 verbose("READ from sector %llu: %i\n", out->sector, ret);
1436                 if (ret >= 0) {
1437                         wlen = sizeof(*in) + ret;
1438                         *in = VIRTIO_BLK_S_OK;
1439                 } else {
1440                         wlen = sizeof(*in);
1441                         *in = VIRTIO_BLK_S_IOERR;
1442                 }
1443         }
1444
1445         /* OK, so we noted that it was pretty poor to use an fdatasync as a
1446          * barrier.  But Christoph Hellwig points out that we need a sync
1447          * *afterwards* as well: "Barriers specify no reordering to the front
1448          * or the back."  And Jens Axboe confirmed it, so here we are: */
1449         if (out->type & VIRTIO_BLK_T_BARRIER)
1450                 fdatasync(vblk->fd);
1451
1452         add_used(vq, head, wlen);
1453 }
1454
1455 /*L:198 This actually sets up a virtual block device. */
1456 static void setup_block_file(const char *filename)
1457 {
1458         struct device *dev;
1459         struct vblk_info *vblk;
1460         struct virtio_blk_config conf;
1461
1462         /* The device responds to return from I/O thread. */
1463         dev = new_device("block", VIRTIO_ID_BLOCK);
1464
1465         /* The device has one virtqueue, where the Guest places requests. */
1466         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, blk_request);
1467
1468         /* Allocate the room for our own bookkeeping */
1469         vblk = dev->priv = malloc(sizeof(*vblk));
1470
1471         /* First we open the file and store the length. */
1472         vblk->fd = open_or_die(filename, O_RDWR|O_LARGEFILE);
1473         vblk->len = lseek64(vblk->fd, 0, SEEK_END);
1474
1475         /* We support barriers. */
1476         add_feature(dev, VIRTIO_BLK_F_BARRIER);
1477
1478         /* Tell Guest how many sectors this device has. */
1479         conf.capacity = cpu_to_le64(vblk->len / 512);
1480
1481         /* Tell Guest not to put in too many descriptors at once: two are used
1482          * for the in and out elements. */
1483         add_feature(dev, VIRTIO_BLK_F_SEG_MAX);
1484         conf.seg_max = cpu_to_le32(VIRTQUEUE_NUM - 2);
1485
1486         set_config(dev, sizeof(conf), &conf);
1487
1488         verbose("device %u: virtblock %llu sectors\n",
1489                 ++devices.device_num, le64_to_cpu(conf.capacity));
1490 }
1491
1492 struct rng_info {
1493         int rfd;
1494 };
1495
1496 /* Our random number generator device reads from /dev/random into the Guest's
1497  * input buffers.  The usual case is that the Guest doesn't want random numbers
1498  * and so has no buffers although /dev/random is still readable, whereas
1499  * console is the reverse.
1500  *
1501  * The same logic applies, however. */
1502 static void rng_input(struct virtqueue *vq)
1503 {
1504         int len;
1505         unsigned int head, in_num, out_num, totlen = 0;
1506         struct rng_info *rng_info = vq->dev->priv;
1507         struct iovec iov[vq->vring.num];
1508
1509         /* First we need a buffer from the Guests's virtqueue. */
1510         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
1511         if (out_num)
1512                 errx(1, "Output buffers in rng?");
1513
1514         /* This is why we convert to iovecs: the readv() call uses them, and so
1515          * it reads straight into the Guest's buffer.  We loop to make sure we
1516          * fill it. */
1517         while (!iov_empty(iov, in_num)) {
1518                 len = readv(rng_info->rfd, iov, in_num);
1519                 if (len <= 0)
1520                         err(1, "Read from /dev/random gave %i", len);
1521                 iov_consume(iov, in_num, len);
1522                 totlen += len;
1523         }
1524
1525         /* Tell the Guest about the new input. */
1526         add_used(vq, head, totlen);
1527 }
1528
1529 /* And this creates a "hardware" random number device for the Guest. */
1530 static void setup_rng(void)
1531 {
1532         struct device *dev;
1533         struct rng_info *rng_info = malloc(sizeof(*rng_info));
1534
1535         rng_info->rfd = open_or_die("/dev/random", O_RDONLY);
1536
1537         /* The device responds to return from I/O thread. */
1538         dev = new_device("rng", VIRTIO_ID_RNG);
1539         dev->priv = rng_info;
1540
1541         /* The device has one virtqueue, where the Guest places inbufs. */
1542         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, rng_input);
1543
1544         verbose("device %u: rng\n", devices.device_num++);
1545 }
1546 /* That's the end of device setup. */
1547
1548 /*L:230 Reboot is pretty easy: clean up and exec() the Launcher afresh. */
1549 static void __attribute__((noreturn)) restart_guest(void)
1550 {
1551         unsigned int i;
1552
1553         /* Since we don't track all open fds, we simply close everything beyond
1554          * stderr. */
1555         for (i = 3; i < FD_SETSIZE; i++)
1556                 close(i);
1557
1558         /* Reset all the devices (kills all threads). */
1559         cleanup_devices();
1560
1561         execv(main_args[0], main_args);
1562         err(1, "Could not exec %s", main_args[0]);
1563 }
1564
1565 /*L:220 Finally we reach the core of the Launcher which runs the Guest, serves
1566  * its input and output, and finally, lays it to rest. */
1567 static void __attribute__((noreturn)) run_guest(void)
1568 {
1569         for (;;) {
1570                 unsigned long notify_addr;
1571                 int readval;
1572
1573                 /* We read from the /dev/lguest device to run the Guest. */
1574                 readval = pread(lguest_fd, &notify_addr,
1575                                 sizeof(notify_addr), cpu_id);
1576
1577                 /* One unsigned long means the Guest did HCALL_NOTIFY */
1578                 if (readval == sizeof(notify_addr)) {
1579                         verbose("Notify on address %#lx\n", notify_addr);
1580                         handle_output(notify_addr);
1581                 /* ENOENT means the Guest died.  Reading tells us why. */
1582                 } else if (errno == ENOENT) {
1583                         char reason[1024] = { 0 };
1584                         pread(lguest_fd, reason, sizeof(reason)-1, cpu_id);
1585                         errx(1, "%s", reason);
1586                 /* ERESTART means that we need to reboot the guest */
1587                 } else if (errno == ERESTART) {
1588                         restart_guest();
1589                 /* Anything else means a bug or incompatible change. */
1590                 } else
1591                         err(1, "Running guest failed");
1592         }
1593 }
1594 /*L:240
1595  * This is the end of the Launcher.  The good news: we are over halfway
1596  * through!  The bad news: the most fiendish part of the code still lies ahead
1597  * of us.
1598  *
1599  * Are you ready?  Take a deep breath and join me in the core of the Host, in
1600  * "make Host".
1601  :*/
1602
1603 static struct option opts[] = {
1604         { "verbose", 0, NULL, 'v' },
1605         { "tunnet", 1, NULL, 't' },
1606         { "block", 1, NULL, 'b' },
1607         { "rng", 0, NULL, 'r' },
1608         { "initrd", 1, NULL, 'i' },
1609         { NULL },
1610 };
1611 static void usage(void)
1612 {
1613         errx(1, "Usage: lguest [--verbose] "
1614              "[--tunnet=(<ipaddr>:<macaddr>|bridge:<bridgename>:<macaddr>)\n"
1615              "|--block=<filename>|--initrd=<filename>]...\n"
1616              "<mem-in-mb> vmlinux [args...]");
1617 }
1618
1619 /*L:105 The main routine is where the real work begins: */
1620 int main(int argc, char *argv[])
1621 {
1622         /* Memory, top-level pagetable, code startpoint and size of the
1623          * (optional) initrd. */
1624         unsigned long mem = 0, start, initrd_size = 0;
1625         /* Two temporaries. */
1626         int i, c;
1627         /* The boot information for the Guest. */
1628         struct boot_params *boot;
1629         /* If they specify an initrd file to load. */
1630         const char *initrd_name = NULL;
1631
1632         /* Save the args: we "reboot" by execing ourselves again. */
1633         main_args = argv;
1634
1635         /* First we initialize the device list.  We keep a pointer to the last
1636          * device, and the next interrupt number to use for devices (1:
1637          * remember that 0 is used by the timer). */
1638         devices.lastdev = NULL;
1639         devices.next_irq = 1;
1640
1641         cpu_id = 0;
1642         /* We need to know how much memory so we can set up the device
1643          * descriptor and memory pages for the devices as we parse the command
1644          * line.  So we quickly look through the arguments to find the amount
1645          * of memory now. */
1646         for (i = 1; i < argc; i++) {
1647                 if (argv[i][0] != '-') {
1648                         mem = atoi(argv[i]) * 1024 * 1024;
1649                         /* We start by mapping anonymous pages over all of
1650                          * guest-physical memory range.  This fills it with 0,
1651                          * and ensures that the Guest won't be killed when it
1652                          * tries to access it. */
1653                         guest_base = map_zeroed_pages(mem / getpagesize()
1654                                                       + DEVICE_PAGES);
1655                         guest_limit = mem;
1656                         guest_max = mem + DEVICE_PAGES*getpagesize();
1657                         devices.descpage = get_pages(1);
1658                         break;
1659                 }
1660         }
1661
1662         /* The options are fairly straight-forward */
1663         while ((c = getopt_long(argc, argv, "v", opts, NULL)) != EOF) {
1664                 switch (c) {
1665                 case 'v':
1666                         verbose = true;
1667                         break;
1668                 case 't':
1669                         setup_tun_net(optarg);
1670                         break;
1671                 case 'b':
1672                         setup_block_file(optarg);
1673                         break;
1674                 case 'r':
1675                         setup_rng();
1676                         break;
1677                 case 'i':
1678                         initrd_name = optarg;
1679                         break;
1680                 default:
1681                         warnx("Unknown argument %s", argv[optind]);
1682                         usage();
1683                 }
1684         }
1685         /* After the other arguments we expect memory and kernel image name,
1686          * followed by command line arguments for the kernel. */
1687         if (optind + 2 > argc)
1688                 usage();
1689
1690         verbose("Guest base is at %p\n", guest_base);
1691
1692         /* We always have a console device */
1693         setup_console();
1694
1695         /* Now we load the kernel */
1696         start = load_kernel(open_or_die(argv[optind+1], O_RDONLY));
1697
1698         /* Boot information is stashed at physical address 0 */
1699         boot = from_guest_phys(0);
1700
1701         /* Map the initrd image if requested (at top of physical memory) */
1702         if (initrd_name) {
1703                 initrd_size = load_initrd(initrd_name, mem);
1704                 /* These are the location in the Linux boot header where the
1705                  * start and size of the initrd are expected to be found. */
1706                 boot->hdr.ramdisk_image = mem - initrd_size;
1707                 boot->hdr.ramdisk_size = initrd_size;
1708                 /* The bootloader type 0xFF means "unknown"; that's OK. */
1709                 boot->hdr.type_of_loader = 0xFF;
1710         }
1711
1712         /* The Linux boot header contains an "E820" memory map: ours is a
1713          * simple, single region. */
1714         boot->e820_entries = 1;
1715         boot->e820_map[0] = ((struct e820entry) { 0, mem, E820_RAM });
1716         /* The boot header contains a command line pointer: we put the command
1717          * line after the boot header. */
1718         boot->hdr.cmd_line_ptr = to_guest_phys(boot + 1);
1719         /* We use a simple helper to copy the arguments separated by spaces. */
1720         concat((char *)(boot + 1), argv+optind+2);
1721
1722         /* Boot protocol version: 2.07 supports the fields for lguest. */
1723         boot->hdr.version = 0x207;
1724
1725         /* The hardware_subarch value of "1" tells the Guest it's an lguest. */
1726         boot->hdr.hardware_subarch = 1;
1727
1728         /* Tell the entry path not to try to reload segment registers. */
1729         boot->hdr.loadflags |= KEEP_SEGMENTS;
1730
1731         /* We tell the kernel to initialize the Guest: this returns the open
1732          * /dev/lguest file descriptor. */
1733         tell_kernel(start);
1734
1735         /* Ensure that we terminate if a child dies. */
1736         signal(SIGCHLD, kill_launcher);
1737
1738         /* If we exit via err(), this kills all the threads, restores tty. */
1739         atexit(cleanup_devices);
1740
1741         /* Finally, run the Guest.  This doesn't return. */
1742         run_guest();
1743 }
1744 /*:*/
1745
1746 /*M:999
1747  * Mastery is done: you now know everything I do.
1748  *
1749  * But surely you have seen code, features and bugs in your wanderings which
1750  * you now yearn to attack?  That is the real game, and I look forward to you
1751  * patching and forking lguest into the Your-Name-Here-visor.
1752  *
1753  * Farewell, and good coding!
1754  * Rusty Russell.
1755  */