Example launcher handle guests not being ready for input
[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 the
3  * virtual devices, then reads repeatedly from /dev/lguest to run the Guest.
4 :*/
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 <fcntl.h>
20 #include <stdbool.h>
21 #include <errno.h>
22 #include <ctype.h>
23 #include <sys/socket.h>
24 #include <sys/ioctl.h>
25 #include <sys/time.h>
26 #include <time.h>
27 #include <netinet/in.h>
28 #include <net/if.h>
29 #include <linux/sockios.h>
30 #include <linux/if_tun.h>
31 #include <sys/uio.h>
32 #include <termios.h>
33 #include <getopt.h>
34 #include <zlib.h>
35 #include <assert.h>
36 #include <sched.h>
37 /*L:110 We can ignore the 30 include files we need for this program, but I do
38  * want to draw attention to the use of kernel-style types.
39  *
40  * As Linus said, "C is a Spartan language, and so should your naming be."  I
41  * like these abbreviations and the header we need uses them, so we define them
42  * here.
43  */
44 typedef unsigned long long u64;
45 typedef uint32_t u32;
46 typedef uint16_t u16;
47 typedef uint8_t u8;
48 #include "linux/lguest_launcher.h"
49 #include "linux/pci_ids.h"
50 #include "linux/virtio_config.h"
51 #include "linux/virtio_net.h"
52 #include "linux/virtio_blk.h"
53 #include "linux/virtio_console.h"
54 #include "linux/virtio_ring.h"
55 #include "asm-x86/e820.h"
56 /*:*/
57
58 #define PAGE_PRESENT 0x7        /* Present, RW, Execute */
59 #define NET_PEERNUM 1
60 #define BRIDGE_PFX "bridge:"
61 #ifndef SIOCBRADDIF
62 #define SIOCBRADDIF     0x89a2          /* add interface to bridge      */
63 #endif
64 /* We can have up to 256 pages for devices. */
65 #define DEVICE_PAGES 256
66 /* This fits nicely in a single 4096-byte page. */
67 #define VIRTQUEUE_NUM 127
68
69 /*L:120 verbose is both a global flag and a macro.  The C preprocessor allows
70  * this, and although I wouldn't recommend it, it works quite nicely here. */
71 static bool verbose;
72 #define verbose(args...) \
73         do { if (verbose) printf(args); } while(0)
74 /*:*/
75
76 /* The pipe to send commands to the waker process */
77 static int waker_fd;
78 /* The pointer to the start of guest memory. */
79 static void *guest_base;
80 /* The maximum guest physical address allowed, and maximum possible. */
81 static unsigned long guest_limit, guest_max;
82
83 /* This is our list of devices. */
84 struct device_list
85 {
86         /* Summary information about the devices in our list: ready to pass to
87          * select() to ask which need servicing.*/
88         fd_set infds;
89         int max_infd;
90
91         /* Counter to assign interrupt numbers. */
92         unsigned int next_irq;
93
94         /* Counter to print out convenient device numbers. */
95         unsigned int device_num;
96
97         /* The descriptor page for the devices. */
98         u8 *descpage;
99
100         /* The tail of the last descriptor. */
101         unsigned int desc_used;
102
103         /* A single linked list of devices. */
104         struct device *dev;
105         /* ... And an end pointer so we can easily append new devices */
106         struct device **lastdev;
107 };
108
109 /* The list of Guest devices, based on command line arguments. */
110 static struct device_list devices;
111
112 /* The device structure describes a single device. */
113 struct device
114 {
115         /* The linked-list pointer. */
116         struct device *next;
117
118         /* The this device's descriptor, as mapped into the Guest. */
119         struct lguest_device_desc *desc;
120
121         /* The name of this device, for --verbose. */
122         const char *name;
123
124         /* If handle_input is set, it wants to be called when this file
125          * descriptor is ready. */
126         int fd;
127         bool (*handle_input)(int fd, struct device *me);
128
129         /* Any queues attached to this device */
130         struct virtqueue *vq;
131
132         /* Device-specific data. */
133         void *priv;
134 };
135
136 /* The virtqueue structure describes a queue attached to a device. */
137 struct virtqueue
138 {
139         struct virtqueue *next;
140
141         /* Which device owns me. */
142         struct device *dev;
143
144         /* The configuration for this queue. */
145         struct lguest_vqconfig config;
146
147         /* The actual ring of buffers. */
148         struct vring vring;
149
150         /* Last available index we saw. */
151         u16 last_avail_idx;
152
153         /* The routine to call when the Guest pings us. */
154         void (*handle_output)(int fd, struct virtqueue *me);
155 };
156
157 /* Since guest is UP and we don't run at the same time, we don't need barriers.
158  * But I include them in the code in case others copy it. */
159 #define wmb()
160
161 /* Convert an iovec element to the given type.
162  *
163  * This is a fairly ugly trick: we need to know the size of the type and
164  * alignment requirement to check the pointer is kosher.  It's also nice to
165  * have the name of the type in case we report failure.
166  *
167  * Typing those three things all the time is cumbersome and error prone, so we
168  * have a macro which sets them all up and passes to the real function. */
169 #define convert(iov, type) \
170         ((type *)_convert((iov), sizeof(type), __alignof__(type), #type))
171
172 static void *_convert(struct iovec *iov, size_t size, size_t align,
173                       const char *name)
174 {
175         if (iov->iov_len != size)
176                 errx(1, "Bad iovec size %zu for %s", iov->iov_len, name);
177         if ((unsigned long)iov->iov_base % align != 0)
178                 errx(1, "Bad alignment %p for %s", iov->iov_base, name);
179         return iov->iov_base;
180 }
181
182 /* The virtio configuration space is defined to be little-endian.  x86 is
183  * little-endian too, but it's nice to be explicit so we have these helpers. */
184 #define cpu_to_le16(v16) (v16)
185 #define cpu_to_le32(v32) (v32)
186 #define cpu_to_le64(v64) (v64)
187 #define le16_to_cpu(v16) (v16)
188 #define le32_to_cpu(v32) (v32)
189 #define le64_to_cpu(v32) (v64)
190
191 /*L:100 The Launcher code itself takes us out into userspace, that scary place
192  * where pointers run wild and free!  Unfortunately, like most userspace
193  * programs, it's quite boring (which is why everyone likes to hack on the
194  * kernel!).  Perhaps if you make up an Lguest Drinking Game at this point, it
195  * will get you through this section.  Or, maybe not.
196  *
197  * The Launcher sets up a big chunk of memory to be the Guest's "physical"
198  * memory and stores it in "guest_base".  In other words, Guest physical ==
199  * Launcher virtual with an offset.
200  *
201  * This can be tough to get your head around, but usually it just means that we
202  * use these trivial conversion functions when the Guest gives us it's
203  * "physical" addresses: */
204 static void *from_guest_phys(unsigned long addr)
205 {
206         return guest_base + addr;
207 }
208
209 static unsigned long to_guest_phys(const void *addr)
210 {
211         return (addr - guest_base);
212 }
213
214 /*L:130
215  * Loading the Kernel.
216  *
217  * We start with couple of simple helper routines.  open_or_die() avoids
218  * error-checking code cluttering the callers: */
219 static int open_or_die(const char *name, int flags)
220 {
221         int fd = open(name, flags);
222         if (fd < 0)
223                 err(1, "Failed to open %s", name);
224         return fd;
225 }
226
227 /* map_zeroed_pages() takes a number of pages. */
228 static void *map_zeroed_pages(unsigned int num)
229 {
230         int fd = open_or_die("/dev/zero", O_RDONLY);
231         void *addr;
232
233         /* We use a private mapping (ie. if we write to the page, it will be
234          * copied). */
235         addr = mmap(NULL, getpagesize() * num,
236                     PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE, fd, 0);
237         if (addr == MAP_FAILED)
238                 err(1, "Mmaping %u pages of /dev/zero", num);
239
240         return addr;
241 }
242
243 /* Get some more pages for a device. */
244 static void *get_pages(unsigned int num)
245 {
246         void *addr = from_guest_phys(guest_limit);
247
248         guest_limit += num * getpagesize();
249         if (guest_limit > guest_max)
250                 errx(1, "Not enough memory for devices");
251         return addr;
252 }
253
254 /* To find out where to start we look for the magic Guest string, which marks
255  * the code we see in lguest_asm.S.  This is a hack which we are currently
256  * plotting to replace with the normal Linux entry point. */
257 static unsigned long entry_point(const void *start, const void *end)
258 {
259         const void *p;
260
261         /* The scan gives us the physical starting address.  We boot with
262          * pagetables set up with virtual and physical the same, so that's
263          * OK. */
264         for (p = start; p < end; p++)
265                 if (memcmp(p, "GenuineLguest", strlen("GenuineLguest")) == 0)
266                         return to_guest_phys(p + strlen("GenuineLguest"));
267
268         errx(1, "Is this image a genuine lguest?");
269 }
270
271 /* This routine is used to load the kernel or initrd.  It tries mmap, but if
272  * that fails (Plan 9's kernel file isn't nicely aligned on page boundaries),
273  * it falls back to reading the memory in. */
274 static void map_at(int fd, void *addr, unsigned long offset, unsigned long len)
275 {
276         ssize_t r;
277
278         /* We map writable even though for some segments are marked read-only.
279          * The kernel really wants to be writable: it patches its own
280          * instructions.
281          *
282          * MAP_PRIVATE means that the page won't be copied until a write is
283          * done to it.  This allows us to share untouched memory between
284          * Guests. */
285         if (mmap(addr, len, PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC,
286                  MAP_FIXED|MAP_PRIVATE, fd, offset) != MAP_FAILED)
287                 return;
288
289         /* pread does a seek and a read in one shot: saves a few lines. */
290         r = pread(fd, addr, len, offset);
291         if (r != len)
292                 err(1, "Reading offset %lu len %lu gave %zi", offset, len, r);
293 }
294
295 /* This routine takes an open vmlinux image, which is in ELF, and maps it into
296  * the Guest memory.  ELF = Embedded Linking Format, which is the format used
297  * by all modern binaries on Linux including the kernel.
298  *
299  * The ELF headers give *two* addresses: a physical address, and a virtual
300  * address.  We use the physical address; the Guest will map itself to the
301  * virtual address.
302  *
303  * We return the starting address. */
304 static unsigned long map_elf(int elf_fd, const Elf32_Ehdr *ehdr)
305 {
306         void *start = (void *)-1, *end = NULL;
307         Elf32_Phdr phdr[ehdr->e_phnum];
308         unsigned int i;
309
310         /* Sanity checks on the main ELF header: an x86 executable with a
311          * reasonable number of correctly-sized program headers. */
312         if (ehdr->e_type != ET_EXEC
313             || ehdr->e_machine != EM_386
314             || ehdr->e_phentsize != sizeof(Elf32_Phdr)
315             || ehdr->e_phnum < 1 || ehdr->e_phnum > 65536U/sizeof(Elf32_Phdr))
316                 errx(1, "Malformed elf header");
317
318         /* An ELF executable contains an ELF header and a number of "program"
319          * headers which indicate which parts ("segments") of the program to
320          * load where. */
321
322         /* We read in all the program headers at once: */
323         if (lseek(elf_fd, ehdr->e_phoff, SEEK_SET) < 0)
324                 err(1, "Seeking to program headers");
325         if (read(elf_fd, phdr, sizeof(phdr)) != sizeof(phdr))
326                 err(1, "Reading program headers");
327
328         /* Try all the headers: there are usually only three.  A read-only one,
329          * a read-write one, and a "note" section which isn't loadable. */
330         for (i = 0; i < ehdr->e_phnum; i++) {
331                 /* If this isn't a loadable segment, we ignore it */
332                 if (phdr[i].p_type != PT_LOAD)
333                         continue;
334
335                 verbose("Section %i: size %i addr %p\n",
336                         i, phdr[i].p_memsz, (void *)phdr[i].p_paddr);
337
338                 /* We track the first and last address we mapped, so we can
339                  * tell entry_point() where to scan. */
340                 if (from_guest_phys(phdr[i].p_paddr) < start)
341                         start = from_guest_phys(phdr[i].p_paddr);
342                 if (from_guest_phys(phdr[i].p_paddr) + phdr[i].p_filesz > end)
343                         end=from_guest_phys(phdr[i].p_paddr)+phdr[i].p_filesz;
344
345                 /* We map this section of the file at its physical address. */
346                 map_at(elf_fd, from_guest_phys(phdr[i].p_paddr),
347                        phdr[i].p_offset, phdr[i].p_filesz);
348         }
349
350         return entry_point(start, end);
351 }
352
353 /*L:160 Unfortunately the entire ELF image isn't compressed: the segments
354  * which need loading are extracted and compressed raw.  This denies us the
355  * information we need to make a fully-general loader. */
356 static unsigned long unpack_bzimage(int fd)
357 {
358         gzFile f;
359         int ret, len = 0;
360         /* A bzImage always gets loaded at physical address 1M.  This is
361          * actually configurable as CONFIG_PHYSICAL_START, but as the comment
362          * there says, "Don't change this unless you know what you are doing".
363          * Indeed. */
364         void *img = from_guest_phys(0x100000);
365
366         /* gzdopen takes our file descriptor (carefully placed at the start of
367          * the GZIP header we found) and returns a gzFile. */
368         f = gzdopen(fd, "rb");
369         /* We read it into memory in 64k chunks until we hit the end. */
370         while ((ret = gzread(f, img + len, 65536)) > 0)
371                 len += ret;
372         if (ret < 0)
373                 err(1, "reading image from bzImage");
374
375         verbose("Unpacked size %i addr %p\n", len, img);
376
377         return entry_point(img, img + len);
378 }
379
380 /*L:150 A bzImage, unlike an ELF file, is not meant to be loaded.  You're
381  * supposed to jump into it and it will unpack itself.  We can't do that
382  * because the Guest can't run the unpacking code, and adding features to
383  * lguest kills puppies, so we don't want to.
384  *
385  * The bzImage is formed by putting the decompressing code in front of the
386  * compressed kernel code.  So we can simple scan through it looking for the
387  * first "gzip" header, and start decompressing from there. */
388 static unsigned long load_bzimage(int fd)
389 {
390         unsigned char c;
391         int state = 0;
392
393         /* GZIP header is 0x1F 0x8B <method> <flags>... <compressed-by>. */
394         while (read(fd, &c, 1) == 1) {
395                 switch (state) {
396                 case 0:
397                         if (c == 0x1F)
398                                 state++;
399                         break;
400                 case 1:
401                         if (c == 0x8B)
402                                 state++;
403                         else
404                                 state = 0;
405                         break;
406                 case 2 ... 8:
407                         state++;
408                         break;
409                 case 9:
410                         /* Seek back to the start of the gzip header. */
411                         lseek(fd, -10, SEEK_CUR);
412                         /* One final check: "compressed under UNIX". */
413                         if (c != 0x03)
414                                 state = -1;
415                         else
416                                 return unpack_bzimage(fd);
417                 }
418         }
419         errx(1, "Could not find kernel in bzImage");
420 }
421
422 /*L:140 Loading the kernel is easy when it's a "vmlinux", but most kernels
423  * come wrapped up in the self-decompressing "bzImage" format.  With some funky
424  * coding, we can load those, too. */
425 static unsigned long load_kernel(int fd)
426 {
427         Elf32_Ehdr hdr;
428
429         /* Read in the first few bytes. */
430         if (read(fd, &hdr, sizeof(hdr)) != sizeof(hdr))
431                 err(1, "Reading kernel");
432
433         /* If it's an ELF file, it starts with "\177ELF" */
434         if (memcmp(hdr.e_ident, ELFMAG, SELFMAG) == 0)
435                 return map_elf(fd, &hdr);
436
437         /* Otherwise we assume it's a bzImage, and try to unpack it */
438         return load_bzimage(fd);
439 }
440
441 /* This is a trivial little helper to align pages.  Andi Kleen hated it because
442  * it calls getpagesize() twice: "it's dumb code."
443  *
444  * Kernel guys get really het up about optimization, even when it's not
445  * necessary.  I leave this code as a reaction against that. */
446 static inline unsigned long page_align(unsigned long addr)
447 {
448         /* Add upwards and truncate downwards. */
449         return ((addr + getpagesize()-1) & ~(getpagesize()-1));
450 }
451
452 /*L:180 An "initial ram disk" is a disk image loaded into memory along with
453  * the kernel which the kernel can use to boot from without needing any
454  * drivers.  Most distributions now use this as standard: the initrd contains
455  * the code to load the appropriate driver modules for the current machine.
456  *
457  * Importantly, James Morris works for RedHat, and Fedora uses initrds for its
458  * kernels.  He sent me this (and tells me when I break it). */
459 static unsigned long load_initrd(const char *name, unsigned long mem)
460 {
461         int ifd;
462         struct stat st;
463         unsigned long len;
464
465         ifd = open_or_die(name, O_RDONLY);
466         /* fstat() is needed to get the file size. */
467         if (fstat(ifd, &st) < 0)
468                 err(1, "fstat() on initrd '%s'", name);
469
470         /* We map the initrd at the top of memory, but mmap wants it to be
471          * page-aligned, so we round the size up for that. */
472         len = page_align(st.st_size);
473         map_at(ifd, from_guest_phys(mem - len), 0, st.st_size);
474         /* Once a file is mapped, you can close the file descriptor.  It's a
475          * little odd, but quite useful. */
476         close(ifd);
477         verbose("mapped initrd %s size=%lu @ %p\n", name, len, (void*)mem-len);
478
479         /* We return the initrd size. */
480         return len;
481 }
482
483 /* Once we know how much memory we have, we can construct simple linear page
484  * tables which set virtual == physical which will get the Guest far enough
485  * into the boot to create its own.
486  *
487  * We lay them out of the way, just below the initrd (which is why we need to
488  * know its size). */
489 static unsigned long setup_pagetables(unsigned long mem,
490                                       unsigned long initrd_size)
491 {
492         unsigned long *pgdir, *linear;
493         unsigned int mapped_pages, i, linear_pages;
494         unsigned int ptes_per_page = getpagesize()/sizeof(void *);
495
496         mapped_pages = mem/getpagesize();
497
498         /* Each PTE page can map ptes_per_page pages: how many do we need? */
499         linear_pages = (mapped_pages + ptes_per_page-1)/ptes_per_page;
500
501         /* We put the toplevel page directory page at the top of memory. */
502         pgdir = from_guest_phys(mem) - initrd_size - getpagesize();
503
504         /* Now we use the next linear_pages pages as pte pages */
505         linear = (void *)pgdir - linear_pages*getpagesize();
506
507         /* Linear mapping is easy: put every page's address into the mapping in
508          * order.  PAGE_PRESENT contains the flags Present, Writable and
509          * Executable. */
510         for (i = 0; i < mapped_pages; i++)
511                 linear[i] = ((i * getpagesize()) | PAGE_PRESENT);
512
513         /* The top level points to the linear page table pages above. */
514         for (i = 0; i < mapped_pages; i += ptes_per_page) {
515                 pgdir[i/ptes_per_page]
516                         = ((to_guest_phys(linear) + i*sizeof(void *))
517                            | PAGE_PRESENT);
518         }
519
520         verbose("Linear mapping of %u pages in %u pte pages at %#lx\n",
521                 mapped_pages, linear_pages, to_guest_phys(linear));
522
523         /* We return the top level (guest-physical) address: the kernel needs
524          * to know where it is. */
525         return to_guest_phys(pgdir);
526 }
527
528 /* Simple routine to roll all the commandline arguments together with spaces
529  * between them. */
530 static void concat(char *dst, char *args[])
531 {
532         unsigned int i, len = 0;
533
534         for (i = 0; args[i]; i++) {
535                 strcpy(dst+len, args[i]);
536                 strcat(dst+len, " ");
537                 len += strlen(args[i]) + 1;
538         }
539         /* In case it's empty. */
540         dst[len] = '\0';
541 }
542
543 /* This is where we actually tell the kernel to initialize the Guest.  We saw
544  * the arguments it expects when we looked at initialize() in lguest_user.c:
545  * the base of guest "physical" memory, the top physical page to allow, the
546  * top level pagetable and the entry point for the Guest. */
547 static int tell_kernel(unsigned long pgdir, unsigned long start)
548 {
549         unsigned long args[] = { LHREQ_INITIALIZE,
550                                  (unsigned long)guest_base,
551                                  guest_limit / getpagesize(), pgdir, start };
552         int fd;
553
554         verbose("Guest: %p - %p (%#lx)\n",
555                 guest_base, guest_base + guest_limit, guest_limit);
556         fd = open_or_die("/dev/lguest", O_RDWR);
557         if (write(fd, args, sizeof(args)) < 0)
558                 err(1, "Writing to /dev/lguest");
559
560         /* We return the /dev/lguest file descriptor to control this Guest */
561         return fd;
562 }
563 /*:*/
564
565 static void add_device_fd(int fd)
566 {
567         FD_SET(fd, &devices.infds);
568         if (fd > devices.max_infd)
569                 devices.max_infd = fd;
570 }
571
572 /*L:200
573  * The Waker.
574  *
575  * With a console and network devices, we can have lots of input which we need
576  * to process.  We could try to tell the kernel what file descriptors to watch,
577  * but handing a file descriptor mask through to the kernel is fairly icky.
578  *
579  * Instead, we fork off a process which watches the file descriptors and writes
580  * the LHREQ_BREAK command to the /dev/lguest filedescriptor to tell the Host
581  * loop to stop running the Guest.  This causes it to return from the
582  * /dev/lguest read with -EAGAIN, where it will write to /dev/lguest to reset
583  * the LHREQ_BREAK and wake us up again.
584  *
585  * This, of course, is merely a different *kind* of icky.
586  */
587 static void wake_parent(int pipefd, int lguest_fd)
588 {
589         /* Add the pipe from the Launcher to the fdset in the device_list, so
590          * we watch it, too. */
591         add_device_fd(pipefd);
592
593         for (;;) {
594                 fd_set rfds = devices.infds;
595                 unsigned long args[] = { LHREQ_BREAK, 1 };
596
597                 /* Wait until input is ready from one of the devices. */
598                 select(devices.max_infd+1, &rfds, NULL, NULL, NULL);
599                 /* Is it a message from the Launcher? */
600                 if (FD_ISSET(pipefd, &rfds)) {
601                         int fd;
602                         /* If read() returns 0, it means the Launcher has
603                          * exited.  We silently follow. */
604                         if (read(pipefd, &fd, sizeof(fd)) == 0)
605                                 exit(0);
606                         /* Otherwise it's telling us to change what file
607                          * descriptors we're to listen to. */
608                         if (fd >= 0)
609                                 FD_SET(fd, &devices.infds);
610                         else
611                                 FD_CLR(-fd - 1, &devices.infds);
612                 } else /* Send LHREQ_BREAK command. */
613                         write(lguest_fd, args, sizeof(args));
614         }
615 }
616
617 /* This routine just sets up a pipe to the Waker process. */
618 static int setup_waker(int lguest_fd)
619 {
620         int pipefd[2], child;
621
622         /* We create a pipe to talk to the waker, and also so it knows when the
623          * Launcher dies (and closes pipe). */
624         pipe(pipefd);
625         child = fork();
626         if (child == -1)
627                 err(1, "forking");
628
629         if (child == 0) {
630                 /* Close the "writing" end of our copy of the pipe */
631                 close(pipefd[1]);
632                 wake_parent(pipefd[0], lguest_fd);
633         }
634         /* Close the reading end of our copy of the pipe. */
635         close(pipefd[0]);
636
637         /* Here is the fd used to talk to the waker. */
638         return pipefd[1];
639 }
640
641 /*L:210
642  * Device Handling.
643  *
644  * When the Guest sends DMA to us, it sends us an array of addresses and sizes.
645  * We need to make sure it's not trying to reach into the Launcher itself, so
646  * we have a convenient routine which check it and exits with an error message
647  * if something funny is going on:
648  */
649 static void *_check_pointer(unsigned long addr, unsigned int size,
650                             unsigned int line)
651 {
652         /* We have to separately check addr and addr+size, because size could
653          * be huge and addr + size might wrap around. */
654         if (addr >= guest_limit || addr + size >= guest_limit)
655                 errx(1, "%s:%i: Invalid address %#lx", __FILE__, line, addr);
656         /* We return a pointer for the caller's convenience, now we know it's
657          * safe to use. */
658         return from_guest_phys(addr);
659 }
660 /* A macro which transparently hands the line number to the real function. */
661 #define check_pointer(addr,size) _check_pointer(addr, size, __LINE__)
662
663 /* This function returns the next descriptor in the chain, or vq->vring.num. */
664 static unsigned next_desc(struct virtqueue *vq, unsigned int i)
665 {
666         unsigned int next;
667
668         /* If this descriptor says it doesn't chain, we're done. */
669         if (!(vq->vring.desc[i].flags & VRING_DESC_F_NEXT))
670                 return vq->vring.num;
671
672         /* Check they're not leading us off end of descriptors. */
673         next = vq->vring.desc[i].next;
674         /* Make sure compiler knows to grab that: we don't want it changing! */
675         wmb();
676
677         if (next >= vq->vring.num)
678                 errx(1, "Desc next is %u", next);
679
680         return next;
681 }
682
683 /* This looks in the virtqueue and for the first available buffer, and converts
684  * it to an iovec for convenient access.  Since descriptors consist of some
685  * number of output then some number of input descriptors, it's actually two
686  * iovecs, but we pack them into one and note how many of each there were.
687  *
688  * This function returns the descriptor number found, or vq->vring.num (which
689  * is never a valid descriptor number) if none was found. */
690 static unsigned get_vq_desc(struct virtqueue *vq,
691                             struct iovec iov[],
692                             unsigned int *out_num, unsigned int *in_num)
693 {
694         unsigned int i, head;
695
696         /* Check it isn't doing very strange things with descriptor numbers. */
697         if ((u16)(vq->vring.avail->idx - vq->last_avail_idx) > vq->vring.num)
698                 errx(1, "Guest moved used index from %u to %u",
699                      vq->last_avail_idx, vq->vring.avail->idx);
700
701         /* If there's nothing new since last we looked, return invalid. */
702         if (vq->vring.avail->idx == vq->last_avail_idx)
703                 return vq->vring.num;
704
705         /* Grab the next descriptor number they're advertising, and increment
706          * the index we've seen. */
707         head = vq->vring.avail->ring[vq->last_avail_idx++ % vq->vring.num];
708
709         /* If their number is silly, that's a fatal mistake. */
710         if (head >= vq->vring.num)
711                 errx(1, "Guest says index %u is available", head);
712
713         /* When we start there are none of either input nor output. */
714         *out_num = *in_num = 0;
715
716         i = head;
717         do {
718                 /* Grab the first descriptor, and check it's OK. */
719                 iov[*out_num + *in_num].iov_len = vq->vring.desc[i].len;
720                 iov[*out_num + *in_num].iov_base
721                         = check_pointer(vq->vring.desc[i].addr,
722                                         vq->vring.desc[i].len);
723                 /* If this is an input descriptor, increment that count. */
724                 if (vq->vring.desc[i].flags & VRING_DESC_F_WRITE)
725                         (*in_num)++;
726                 else {
727                         /* If it's an output descriptor, they're all supposed
728                          * to come before any input descriptors. */
729                         if (*in_num)
730                                 errx(1, "Descriptor has out after in");
731                         (*out_num)++;
732                 }
733
734                 /* If we've got too many, that implies a descriptor loop. */
735                 if (*out_num + *in_num > vq->vring.num)
736                         errx(1, "Looped descriptor");
737         } while ((i = next_desc(vq, i)) != vq->vring.num);
738
739         return head;
740 }
741
742 /* Once we've used one of their buffers, we tell them about it.  We'll then
743  * want to send them an interrupt, using trigger_irq(). */
744 static void add_used(struct virtqueue *vq, unsigned int head, int len)
745 {
746         struct vring_used_elem *used;
747
748         /* Get a pointer to the next entry in the used ring. */
749         used = &vq->vring.used->ring[vq->vring.used->idx % vq->vring.num];
750         used->id = head;
751         used->len = len;
752         /* Make sure buffer is written before we update index. */
753         wmb();
754         vq->vring.used->idx++;
755 }
756
757 /* This actually sends the interrupt for this virtqueue */
758 static void trigger_irq(int fd, struct virtqueue *vq)
759 {
760         unsigned long buf[] = { LHREQ_IRQ, vq->config.irq };
761
762         if (vq->vring.avail->flags & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT)
763                 return;
764
765         /* Send the Guest an interrupt tell them we used something up. */
766         if (write(fd, buf, sizeof(buf)) != 0)
767                 err(1, "Triggering irq %i", vq->config.irq);
768 }
769
770 /* And here's the combo meal deal.  Supersize me! */
771 static void add_used_and_trigger(int fd, struct virtqueue *vq,
772                                  unsigned int head, int len)
773 {
774         add_used(vq, head, len);
775         trigger_irq(fd, vq);
776 }
777
778 /* Here is the input terminal setting we save, and the routine to restore them
779  * on exit so the user can see what they type next. */
780 static struct termios orig_term;
781 static void restore_term(void)
782 {
783         tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &orig_term);
784 }
785
786 /* We associate some data with the console for our exit hack. */
787 struct console_abort
788 {
789         /* How many times have they hit ^C? */
790         int count;
791         /* When did they start? */
792         struct timeval start;
793 };
794
795 /* This is the routine which handles console input (ie. stdin). */
796 static bool handle_console_input(int fd, struct device *dev)
797 {
798         int len;
799         unsigned int head, in_num, out_num;
800         struct iovec iov[dev->vq->vring.num];
801         struct console_abort *abort = dev->priv;
802
803         /* First we need a console buffer from the Guests's input virtqueue. */
804         head = get_vq_desc(dev->vq, iov, &out_num, &in_num);
805
806         /* If they're not ready for input, stop listening to this file
807          * descriptor.  We'll start again once they add an input buffer. */
808         if (head == dev->vq->vring.num)
809                 return false;
810
811         if (out_num)
812                 errx(1, "Output buffers in console in queue?");
813
814         /* This is why we convert to iovecs: the readv() call uses them, and so
815          * it reads straight into the Guest's buffer. */
816         len = readv(dev->fd, iov, in_num);
817         if (len <= 0) {
818                 /* This implies that the console is closed, is /dev/null, or
819                  * something went terribly wrong. */
820                 warnx("Failed to get console input, ignoring console.");
821                 /* Put the input terminal back. */
822                 restore_term();
823                 /* Remove callback from input vq, so it doesn't restart us. */
824                 dev->vq->handle_output = NULL;
825                 /* Stop listening to this fd: don't call us again. */
826                 return false;
827         }
828
829         /* Tell the Guest about the new input. */
830         add_used_and_trigger(fd, dev->vq, head, len);
831
832         /* Three ^C within one second?  Exit.
833          *
834          * This is such a hack, but works surprisingly well.  Each ^C has to be
835          * in a buffer by itself, so they can't be too fast.  But we check that
836          * we get three within about a second, so they can't be too slow. */
837         if (len == 1 && ((char *)iov[0].iov_base)[0] == 3) {
838                 if (!abort->count++)
839                         gettimeofday(&abort->start, NULL);
840                 else if (abort->count == 3) {
841                         struct timeval now;
842                         gettimeofday(&now, NULL);
843                         if (now.tv_sec <= abort->start.tv_sec+1) {
844                                 unsigned long args[] = { LHREQ_BREAK, 0 };
845                                 /* Close the fd so Waker will know it has to
846                                  * exit. */
847                                 close(waker_fd);
848                                 /* Just in case waker is blocked in BREAK, send
849                                  * unbreak now. */
850                                 write(fd, args, sizeof(args));
851                                 exit(2);
852                         }
853                         abort->count = 0;
854                 }
855         } else
856                 /* Any other key resets the abort counter. */
857                 abort->count = 0;
858
859         /* Everything went OK! */
860         return true;
861 }
862
863 /* Handling output for console is simple: we just get all the output buffers
864  * and write them to stdout. */
865 static void handle_console_output(int fd, struct virtqueue *vq)
866 {
867         unsigned int head, out, in;
868         int len;
869         struct iovec iov[vq->vring.num];
870
871         /* Keep getting output buffers from the Guest until we run out. */
872         while ((head = get_vq_desc(vq, iov, &out, &in)) != vq->vring.num) {
873                 if (in)
874                         errx(1, "Input buffers in output queue?");
875                 len = writev(STDOUT_FILENO, iov, out);
876                 add_used_and_trigger(fd, vq, head, len);
877         }
878 }
879
880 /* Handling output for network is also simple: we get all the output buffers
881  * and write them (ignoring the first element) to this device's file descriptor
882  * (stdout). */
883 static void handle_net_output(int fd, struct virtqueue *vq)
884 {
885         unsigned int head, out, in;
886         int len;
887         struct iovec iov[vq->vring.num];
888
889         /* Keep getting output buffers from the Guest until we run out. */
890         while ((head = get_vq_desc(vq, iov, &out, &in)) != vq->vring.num) {
891                 if (in)
892                         errx(1, "Input buffers in output queue?");
893                 /* Check header, but otherwise ignore it (we said we supported
894                  * no features). */
895                 (void)convert(&iov[0], struct virtio_net_hdr);
896                 len = writev(vq->dev->fd, iov+1, out-1);
897                 add_used_and_trigger(fd, vq, head, len);
898         }
899 }
900
901 /* This is where we handle a packet coming in from the tun device to our
902  * Guest. */
903 static bool handle_tun_input(int fd, struct device *dev)
904 {
905         unsigned int head, in_num, out_num;
906         int len;
907         struct iovec iov[dev->vq->vring.num];
908         struct virtio_net_hdr *hdr;
909
910         /* First we need a network buffer from the Guests's recv virtqueue. */
911         head = get_vq_desc(dev->vq, iov, &out_num, &in_num);
912         if (head == dev->vq->vring.num) {
913                 /* Now, it's expected that if we try to send a packet too
914                  * early, the Guest won't be ready yet.  Wait until the device
915                  * status says it's ready. */
916                 /* FIXME: Actually want DRIVER_ACTIVE here. */
917                 if (dev->desc->status & VIRTIO_CONFIG_S_DRIVER_OK)
918                         warn("network: no dma buffer!");
919                 /* We'll turn this back on if input buffers are registered. */
920                 return false;
921         } else if (out_num)
922                 errx(1, "Output buffers in network recv queue?");
923
924         /* First element is the header: we set it to 0 (no features). */
925         hdr = convert(&iov[0], struct virtio_net_hdr);
926         hdr->flags = 0;
927         hdr->gso_type = VIRTIO_NET_HDR_GSO_NONE;
928
929         /* Read the packet from the device directly into the Guest's buffer. */
930         len = readv(dev->fd, iov+1, in_num-1);
931         if (len <= 0)
932                 err(1, "reading network");
933
934         /* Tell the Guest about the new packet. */
935         add_used_and_trigger(fd, dev->vq, head, sizeof(*hdr) + len);
936
937         verbose("tun input packet len %i [%02x %02x] (%s)\n", len,
938                 ((u8 *)iov[1].iov_base)[0], ((u8 *)iov[1].iov_base)[1],
939                 head != dev->vq->vring.num ? "sent" : "discarded");
940
941         /* All good. */
942         return true;
943 }
944
945 /* This callback ensures we try again, in case we stopped console or net
946  * delivery because Guest didn't have any buffers. */
947 static void enable_fd(int fd, struct virtqueue *vq)
948 {
949         add_device_fd(vq->dev->fd);
950         /* Tell waker to listen to it again */
951         write(waker_fd, &vq->dev->fd, sizeof(vq->dev->fd));
952 }
953
954 /* This is the generic routine we call when the Guest uses LHCALL_NOTIFY. */
955 static void handle_output(int fd, unsigned long addr)
956 {
957         struct device *i;
958         struct virtqueue *vq;
959
960         /* Check each virtqueue. */
961         for (i = devices.dev; i; i = i->next) {
962                 for (vq = i->vq; vq; vq = vq->next) {
963                         if (vq->config.pfn == addr/getpagesize()
964                             && vq->handle_output) {
965                                 verbose("Output to %s\n", vq->dev->name);
966                                 vq->handle_output(fd, vq);
967                                 return;
968                         }
969                 }
970         }
971
972         /* Early console write is done using notify on a nul-terminated string
973          * in Guest memory. */
974         if (addr >= guest_limit)
975                 errx(1, "Bad NOTIFY %#lx", addr);
976
977         write(STDOUT_FILENO, from_guest_phys(addr),
978               strnlen(from_guest_phys(addr), guest_limit - addr));
979 }
980
981 /* This is called when the waker wakes us up: check for incoming file
982  * descriptors. */
983 static void handle_input(int fd)
984 {
985         /* select() wants a zeroed timeval to mean "don't wait". */
986         struct timeval poll = { .tv_sec = 0, .tv_usec = 0 };
987
988         for (;;) {
989                 struct device *i;
990                 fd_set fds = devices.infds;
991
992                 /* If nothing is ready, we're done. */
993                 if (select(devices.max_infd+1, &fds, NULL, NULL, &poll) == 0)
994                         break;
995
996                 /* Otherwise, call the device(s) which have readable
997                  * file descriptors and a method of handling them.  */
998                 for (i = devices.dev; i; i = i->next) {
999                         if (i->handle_input && FD_ISSET(i->fd, &fds)) {
1000                                 int dev_fd;
1001                                 if (i->handle_input(fd, i))
1002                                         continue;
1003
1004                                 /* If handle_input() returns false, it means we
1005                                  * should no longer service it.  Networking and
1006                                  * console do this when there's no input
1007                                  * buffers to deliver into.  Console also uses
1008                                  * it when it discovers that stdin is
1009                                  * closed. */
1010                                 FD_CLR(i->fd, &devices.infds);
1011                                 /* Tell waker to ignore it too, by sending a
1012                                  * negative fd number (-1, since 0 is a valid
1013                                  * FD number). */
1014                                 dev_fd = -i->fd - 1;
1015                                 write(waker_fd, &dev_fd, sizeof(dev_fd));
1016                         }
1017                 }
1018         }
1019 }
1020
1021 /*L:190
1022  * Device Setup
1023  *
1024  * All devices need a descriptor so the Guest knows it exists, and a "struct
1025  * device" so the Launcher can keep track of it.  We have common helper
1026  * routines to allocate them.
1027  *
1028  * This routine allocates a new "struct lguest_device_desc" from descriptor
1029  * table just above the Guest's normal memory.  It returns a pointer to that
1030  * descriptor. */
1031 static struct lguest_device_desc *new_dev_desc(u16 type)
1032 {
1033         struct lguest_device_desc *d;
1034
1035         /* We only have one page for all the descriptors. */
1036         if (devices.desc_used + sizeof(*d) > getpagesize())
1037                 errx(1, "Too many devices");
1038
1039         /* We don't need to set config_len or status: page is 0 already. */
1040         d = (void *)devices.descpage + devices.desc_used;
1041         d->type = type;
1042         devices.desc_used += sizeof(*d);
1043
1044         return d;
1045 }
1046
1047 /* Each device descriptor is followed by some configuration information.
1048  * The first byte is a "status" byte for the Guest to report what's happening.
1049  * After that are fields: u8 type, u8 len, [... len bytes...].
1050  *
1051  * This routine adds a new field to an existing device's descriptor.  It only
1052  * works for the last device, but that's OK because that's how we use it. */
1053 static void add_desc_field(struct device *dev, u8 type, u8 len, const void *c)
1054 {
1055         /* This is the last descriptor, right? */
1056         assert(devices.descpage + devices.desc_used
1057                == (u8 *)(dev->desc + 1) + dev->desc->config_len);
1058
1059         /* We only have one page of device descriptions. */
1060         if (devices.desc_used + 2 + len > getpagesize())
1061                 errx(1, "Too many devices");
1062
1063         /* Copy in the new config header: type then length. */
1064         devices.descpage[devices.desc_used++] = type;
1065         devices.descpage[devices.desc_used++] = len;
1066         memcpy(devices.descpage + devices.desc_used, c, len);
1067         devices.desc_used += len;
1068
1069         /* Update the device descriptor length: two byte head then data. */
1070         dev->desc->config_len += 2 + len;
1071 }
1072
1073 /* This routine adds a virtqueue to a device.  We specify how many descriptors
1074  * the virtqueue is to have. */
1075 static void add_virtqueue(struct device *dev, unsigned int num_descs,
1076                           void (*handle_output)(int fd, struct virtqueue *me))
1077 {
1078         unsigned int pages;
1079         struct virtqueue **i, *vq = malloc(sizeof(*vq));
1080         void *p;
1081
1082         /* First we need some pages for this virtqueue. */
1083         pages = (vring_size(num_descs) + getpagesize() - 1) / getpagesize();
1084         p = get_pages(pages);
1085
1086         /* Initialize the configuration. */
1087         vq->config.num = num_descs;
1088         vq->config.irq = devices.next_irq++;
1089         vq->config.pfn = to_guest_phys(p) / getpagesize();
1090
1091         /* Initialize the vring. */
1092         vring_init(&vq->vring, num_descs, p);
1093
1094         /* Add the configuration information to this device's descriptor. */
1095         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_F_VIRTQUEUE,
1096                        sizeof(vq->config), &vq->config);
1097
1098         /* Add to tail of list, so dev->vq is first vq, dev->vq->next is
1099          * second.  */
1100         for (i = &dev->vq; *i; i = &(*i)->next);
1101         *i = vq;
1102
1103         /* Link virtqueue back to device. */
1104         vq->dev = dev;
1105
1106         /* Set up handler. */
1107         vq->handle_output = handle_output;
1108         if (!handle_output)
1109                 vq->vring.used->flags = VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
1110 }
1111
1112 /* This routine does all the creation and setup of a new device, including
1113  * caling new_dev_desc() to allocate the descriptor and device memory. */
1114 static struct device *new_device(const char *name, u16 type, int fd,
1115                                  bool (*handle_input)(int, struct device *))
1116 {
1117         struct device *dev = malloc(sizeof(*dev));
1118
1119         /* Append to device list.  Prepending to a single-linked list is
1120          * easier, but the user expects the devices to be arranged on the bus
1121          * in command-line order.  The first network device on the command line
1122          * is eth0, the first block device /dev/lgba, etc. */
1123         *devices.lastdev = dev;
1124         dev->next = NULL;
1125         devices.lastdev = &dev->next;
1126
1127         /* Now we populate the fields one at a time. */
1128         dev->fd = fd;
1129         /* If we have an input handler for this file descriptor, then we add it
1130          * to the device_list's fdset and maxfd. */
1131         if (handle_input)
1132                 add_device_fd(dev->fd);
1133         dev->desc = new_dev_desc(type);
1134         dev->handle_input = handle_input;
1135         dev->name = name;
1136         return dev;
1137 }
1138
1139 /* Our first setup routine is the console.  It's a fairly simple device, but
1140  * UNIX tty handling makes it uglier than it could be. */
1141 static void setup_console(void)
1142 {
1143         struct device *dev;
1144
1145         /* If we can save the initial standard input settings... */
1146         if (tcgetattr(STDIN_FILENO, &orig_term) == 0) {
1147                 struct termios term = orig_term;
1148                 /* Then we turn off echo, line buffering and ^C etc.  We want a
1149                  * raw input stream to the Guest. */
1150                 term.c_lflag &= ~(ISIG|ICANON|ECHO);
1151                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &term);
1152                 /* If we exit gracefully, the original settings will be
1153                  * restored so the user can see what they're typing. */
1154                 atexit(restore_term);
1155         }
1156
1157         dev = new_device("console", VIRTIO_ID_CONSOLE,
1158                          STDIN_FILENO, handle_console_input);
1159         /* We store the console state in dev->priv, and initialize it. */
1160         dev->priv = malloc(sizeof(struct console_abort));
1161         ((struct console_abort *)dev->priv)->count = 0;
1162
1163         /* The console needs two virtqueues: the input then the output.  When
1164          * they put something the input queue, we make sure we're listening to
1165          * stdin.  When they put something in the output queue, we write it to
1166          * stdout.  */
1167         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, enable_fd);
1168         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, handle_console_output);
1169
1170         verbose("device %u: console\n", devices.device_num++);
1171 }
1172 /*:*/
1173
1174 /*M:010 Inter-guest networking is an interesting area.  Simplest is to have a
1175  * --sharenet=<name> option which opens or creates a named pipe.  This can be
1176  * used to send packets to another guest in a 1:1 manner.
1177  *
1178  * More sopisticated is to use one of the tools developed for project like UML
1179  * to do networking.
1180  *
1181  * Faster is to do virtio bonding in kernel.  Doing this 1:1 would be
1182  * completely generic ("here's my vring, attach to your vring") and would work
1183  * for any traffic.  Of course, namespace and permissions issues need to be
1184  * dealt with.  A more sophisticated "multi-channel" virtio_net.c could hide
1185  * multiple inter-guest channels behind one interface, although it would
1186  * require some manner of hotplugging new virtio channels.
1187  *
1188  * Finally, we could implement a virtio network switch in the kernel. :*/
1189
1190 static u32 str2ip(const char *ipaddr)
1191 {
1192         unsigned int byte[4];
1193
1194         sscanf(ipaddr, "%u.%u.%u.%u", &byte[0], &byte[1], &byte[2], &byte[3]);
1195         return (byte[0] << 24) | (byte[1] << 16) | (byte[2] << 8) | byte[3];
1196 }
1197
1198 /* This code is "adapted" from libbridge: it attaches the Host end of the
1199  * network device to the bridge device specified by the command line.
1200  *
1201  * This is yet another James Morris contribution (I'm an IP-level guy, so I
1202  * dislike bridging), and I just try not to break it. */
1203 static void add_to_bridge(int fd, const char *if_name, const char *br_name)
1204 {
1205         int ifidx;
1206         struct ifreq ifr;
1207
1208         if (!*br_name)
1209                 errx(1, "must specify bridge name");
1210
1211         ifidx = if_nametoindex(if_name);
1212         if (!ifidx)
1213                 errx(1, "interface %s does not exist!", if_name);
1214
1215         strncpy(ifr.ifr_name, br_name, IFNAMSIZ);
1216         ifr.ifr_ifindex = ifidx;
1217         if (ioctl(fd, SIOCBRADDIF, &ifr) < 0)
1218                 err(1, "can't add %s to bridge %s", if_name, br_name);
1219 }
1220
1221 /* This sets up the Host end of the network device with an IP address, brings
1222  * it up so packets will flow, the copies the MAC address into the hwaddr
1223  * pointer. */
1224 static void configure_device(int fd, const char *devname, u32 ipaddr,
1225                              unsigned char hwaddr[6])
1226 {
1227         struct ifreq ifr;
1228         struct sockaddr_in *sin = (struct sockaddr_in *)&ifr.ifr_addr;
1229
1230         /* Don't read these incantations.  Just cut & paste them like I did! */
1231         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
1232         strcpy(ifr.ifr_name, devname);
1233         sin->sin_family = AF_INET;
1234         sin->sin_addr.s_addr = htonl(ipaddr);
1235         if (ioctl(fd, SIOCSIFADDR, &ifr) != 0)
1236                 err(1, "Setting %s interface address", devname);
1237         ifr.ifr_flags = IFF_UP;
1238         if (ioctl(fd, SIOCSIFFLAGS, &ifr) != 0)
1239                 err(1, "Bringing interface %s up", devname);
1240
1241         /* SIOC stands for Socket I/O Control.  G means Get (vs S for Set
1242          * above).  IF means Interface, and HWADDR is hardware address.
1243          * Simple! */
1244         if (ioctl(fd, SIOCGIFHWADDR, &ifr) != 0)
1245                 err(1, "getting hw address for %s", devname);
1246         memcpy(hwaddr, ifr.ifr_hwaddr.sa_data, 6);
1247 }
1248
1249 /*L:195 Our network is a Host<->Guest network.  This can either use bridging or
1250  * routing, but the principle is the same: it uses the "tun" device to inject
1251  * packets into the Host as if they came in from a normal network card.  We
1252  * just shunt packets between the Guest and the tun device. */
1253 static void setup_tun_net(const char *arg)
1254 {
1255         struct device *dev;
1256         struct ifreq ifr;
1257         int netfd, ipfd;
1258         u32 ip;
1259         const char *br_name = NULL;
1260         u8 hwaddr[6];
1261
1262         /* We open the /dev/net/tun device and tell it we want a tap device.  A
1263          * tap device is like a tun device, only somehow different.  To tell
1264          * the truth, I completely blundered my way through this code, but it
1265          * works now! */
1266         netfd = open_or_die("/dev/net/tun", O_RDWR);
1267         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
1268         ifr.ifr_flags = IFF_TAP | IFF_NO_PI;
1269         strcpy(ifr.ifr_name, "tap%d");
1270         if (ioctl(netfd, TUNSETIFF, &ifr) != 0)
1271                 err(1, "configuring /dev/net/tun");
1272         /* We don't need checksums calculated for packets coming in this
1273          * device: trust us! */
1274         ioctl(netfd, TUNSETNOCSUM, 1);
1275
1276         /* First we create a new network device. */
1277         dev = new_device("net", VIRTIO_ID_NET, netfd, handle_tun_input);
1278
1279         /* Network devices need a receive and a send queue, just like
1280          * console. */
1281         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, enable_fd);
1282         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, handle_net_output);
1283
1284         /* We need a socket to perform the magic network ioctls to bring up the
1285          * tap interface, connect to the bridge etc.  Any socket will do! */
1286         ipfd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_IP);
1287         if (ipfd < 0)
1288                 err(1, "opening IP socket");
1289
1290         /* If the command line was --tunnet=bridge:<name> do bridging. */
1291         if (!strncmp(BRIDGE_PFX, arg, strlen(BRIDGE_PFX))) {
1292                 ip = INADDR_ANY;
1293                 br_name = arg + strlen(BRIDGE_PFX);
1294                 add_to_bridge(ipfd, ifr.ifr_name, br_name);
1295         } else /* It is an IP address to set up the device with */
1296                 ip = str2ip(arg);
1297
1298         /* Set up the tun device, and get the mac address for the interface. */
1299         configure_device(ipfd, ifr.ifr_name, ip, hwaddr);
1300
1301         /* Tell Guest what MAC address to use. */
1302         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_NET_MAC_F, sizeof(hwaddr), hwaddr);
1303
1304         /* We don't seed the socket any more; setup is done. */
1305         close(ipfd);
1306
1307         verbose("device %u: tun net %u.%u.%u.%u\n",
1308                 devices.device_num++,
1309                 (u8)(ip>>24),(u8)(ip>>16),(u8)(ip>>8),(u8)ip);
1310         if (br_name)
1311                 verbose("attached to bridge: %s\n", br_name);
1312 }
1313
1314
1315 /*
1316  * Block device.
1317  *
1318  * Serving a block device is really easy: the Guest asks for a block number and
1319  * we read or write that position in the file.
1320  *
1321  * Unfortunately, this is amazingly slow: the Guest waits until the read is
1322  * finished before running anything else, even if it could be doing useful
1323  * work.  We could use async I/O, except it's reputed to suck so hard that
1324  * characters actually go missing from your code when you try to use it.
1325  *
1326  * So we farm the I/O out to thread, and communicate with it via a pipe. */
1327
1328 /* This hangs off device->priv, with the data. */
1329 struct vblk_info
1330 {
1331         /* The size of the file. */
1332         off64_t len;
1333
1334         /* The file descriptor for the file. */
1335         int fd;
1336
1337         /* IO thread listens on this file descriptor [0]. */
1338         int workpipe[2];
1339
1340         /* IO thread writes to this file descriptor to mark it done, then
1341          * Launcher triggers interrupt to Guest. */
1342         int done_fd;
1343 };
1344
1345 /* This is the core of the I/O thread.  It returns true if it did something. */
1346 static bool service_io(struct device *dev)
1347 {
1348         struct vblk_info *vblk = dev->priv;
1349         unsigned int head, out_num, in_num, wlen;
1350         int ret;
1351         struct virtio_blk_inhdr *in;
1352         struct virtio_blk_outhdr *out;
1353         struct iovec iov[dev->vq->vring.num];
1354         off64_t off;
1355
1356         head = get_vq_desc(dev->vq, iov, &out_num, &in_num);
1357         if (head == dev->vq->vring.num)
1358                 return false;
1359
1360         if (out_num == 0 || in_num == 0)
1361                 errx(1, "Bad virtblk cmd %u out=%u in=%u",
1362                      head, out_num, in_num);
1363
1364         out = convert(&iov[0], struct virtio_blk_outhdr);
1365         in = convert(&iov[out_num+in_num-1], struct virtio_blk_inhdr);
1366         off = out->sector * 512;
1367
1368         /* This is how we implement barriers.  Pretty poor, no? */
1369         if (out->type & VIRTIO_BLK_T_BARRIER)
1370                 fdatasync(vblk->fd);
1371
1372         if (out->type & VIRTIO_BLK_T_SCSI_CMD) {
1373                 fprintf(stderr, "Scsi commands unsupported\n");
1374                 in->status = VIRTIO_BLK_S_UNSUPP;
1375                 wlen = sizeof(in);
1376         } else if (out->type & VIRTIO_BLK_T_OUT) {
1377                 /* Write */
1378
1379                 /* Move to the right location in the block file.  This can fail
1380                  * if they try to write past end. */
1381                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
1382                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out->sector);
1383
1384                 ret = writev(vblk->fd, iov+1, out_num-1);
1385                 verbose("WRITE to sector %llu: %i\n", out->sector, ret);
1386
1387                 /* Grr... Now we know how long the descriptor they sent was, we
1388                  * make sure they didn't try to write over the end of the block
1389                  * file (possibly extending it). */
1390                 if (ret > 0 && off + ret > vblk->len) {
1391                         /* Trim it back to the correct length */
1392                         ftruncate64(vblk->fd, vblk->len);
1393                         /* Die, bad Guest, die. */
1394                         errx(1, "Write past end %llu+%u", off, ret);
1395                 }
1396                 wlen = sizeof(in);
1397                 in->status = (ret >= 0 ? VIRTIO_BLK_S_OK : VIRTIO_BLK_S_IOERR);
1398         } else {
1399                 /* Read */
1400
1401                 /* Move to the right location in the block file.  This can fail
1402                  * if they try to read past end. */
1403                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
1404                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out->sector);
1405
1406                 ret = readv(vblk->fd, iov+1, in_num-1);
1407                 verbose("READ from sector %llu: %i\n", out->sector, ret);
1408                 if (ret >= 0) {
1409                         wlen = sizeof(in) + ret;
1410                         in->status = VIRTIO_BLK_S_OK;
1411                 } else {
1412                         wlen = sizeof(in);
1413                         in->status = VIRTIO_BLK_S_IOERR;
1414                 }
1415         }
1416
1417         /* We can't trigger an IRQ, because we're not the Launcher.  It does
1418          * that when we tell it we're done. */
1419         add_used(dev->vq, head, wlen);
1420         return true;
1421 }
1422
1423 /* This is the thread which actually services the I/O. */
1424 static int io_thread(void *_dev)
1425 {
1426         struct device *dev = _dev;
1427         struct vblk_info *vblk = dev->priv;
1428         char c;
1429
1430         /* Close other side of workpipe so we get 0 read when main dies. */
1431         close(vblk->workpipe[1]);
1432         /* Close the other side of the done_fd pipe. */
1433         close(dev->fd);
1434
1435         /* When this read fails, it means Launcher died, so we follow. */
1436         while (read(vblk->workpipe[0], &c, 1) == 1) {
1437                 /* We acknowledge each request immediately, to reduce latency,
1438                  * rather than waiting until we've done them all.  I haven't
1439                  * measured to see if it makes any difference. */
1440                 while (service_io(dev))
1441                         write(vblk->done_fd, &c, 1);
1442         }
1443         return 0;
1444 }
1445
1446 /* When the thread says some I/O is done, we interrupt the Guest. */
1447 static bool handle_io_finish(int fd, struct device *dev)
1448 {
1449         char c;
1450
1451         /* If child died, presumably it printed message. */
1452         if (read(dev->fd, &c, 1) != 1)
1453                 exit(1);
1454
1455         /* It did some work, so trigger the irq. */
1456         trigger_irq(fd, dev->vq);
1457         return true;
1458 }
1459
1460 /* When the Guest submits some I/O, we wake the I/O thread. */
1461 static void handle_virtblk_output(int fd, struct virtqueue *vq)
1462 {
1463         struct vblk_info *vblk = vq->dev->priv;
1464         char c = 0;
1465
1466         /* Wake up I/O thread and tell it to go to work! */
1467         if (write(vblk->workpipe[1], &c, 1) != 1)
1468                 /* Presumably it indicated why it died. */
1469                 exit(1);
1470 }
1471
1472 /* This creates a virtual block device. */
1473 static void setup_block_file(const char *filename)
1474 {
1475         int p[2];
1476         struct device *dev;
1477         struct vblk_info *vblk;
1478         void *stack;
1479         u64 cap;
1480         unsigned int val;
1481
1482         /* This is the pipe the I/O thread will use to tell us I/O is done. */
1483         pipe(p);
1484
1485         /* The device responds to return from I/O thread. */
1486         dev = new_device("block", VIRTIO_ID_BLOCK, p[0], handle_io_finish);
1487
1488         /* The device has a virtqueue. */
1489         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, handle_virtblk_output);
1490
1491         /* Allocate the room for our own bookkeeping */
1492         vblk = dev->priv = malloc(sizeof(*vblk));
1493
1494         /* First we open the file and store the length. */
1495         vblk->fd = open_or_die(filename, O_RDWR|O_LARGEFILE);
1496         vblk->len = lseek64(vblk->fd, 0, SEEK_END);
1497
1498         /* Tell Guest how many sectors this device has. */
1499         cap = cpu_to_le64(vblk->len / 512);
1500         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_BLK_F_CAPACITY, sizeof(cap), &cap);
1501
1502         /* Tell Guest not to put in too many descriptors at once: two are used
1503          * for the in and out elements. */
1504         val = cpu_to_le32(VIRTQUEUE_NUM - 2);
1505         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_BLK_F_SEG_MAX, sizeof(val), &val);
1506
1507         /* The I/O thread writes to this end of the pipe when done. */
1508         vblk->done_fd = p[1];
1509
1510         /* This is how we tell the I/O thread about more work. */
1511         pipe(vblk->workpipe);
1512
1513         /* Create stack for thread and run it */
1514         stack = malloc(32768);
1515         if (clone(io_thread, stack + 32768, CLONE_VM, dev) == -1)
1516                 err(1, "Creating clone");
1517
1518         /* We don't need to keep the I/O thread's end of the pipes open. */
1519         close(vblk->done_fd);
1520         close(vblk->workpipe[0]);
1521
1522         verbose("device %u: virtblock %llu sectors\n",
1523                 devices.device_num, cap);
1524 }
1525 /* That's the end of device setup. */
1526
1527 /*L:220 Finally we reach the core of the Launcher, which runs the Guest, serves
1528  * its input and output, and finally, lays it to rest. */
1529 static void __attribute__((noreturn)) run_guest(int lguest_fd)
1530 {
1531         for (;;) {
1532                 unsigned long args[] = { LHREQ_BREAK, 0 };
1533                 unsigned long notify_addr;
1534                 int readval;
1535
1536                 /* We read from the /dev/lguest device to run the Guest. */
1537                 readval = read(lguest_fd, &notify_addr, sizeof(notify_addr));
1538
1539                 /* One unsigned long means the Guest did HCALL_NOTIFY */
1540                 if (readval == sizeof(notify_addr)) {
1541                         verbose("Notify on address %#lx\n", notify_addr);
1542                         handle_output(lguest_fd, notify_addr);
1543                         continue;
1544                 /* ENOENT means the Guest died.  Reading tells us why. */
1545                 } else if (errno == ENOENT) {
1546                         char reason[1024] = { 0 };
1547                         read(lguest_fd, reason, sizeof(reason)-1);
1548                         errx(1, "%s", reason);
1549                 /* EAGAIN means the waker wanted us to look at some input.
1550                  * Anything else means a bug or incompatible change. */
1551                 } else if (errno != EAGAIN)
1552                         err(1, "Running guest failed");
1553
1554                 /* Service input, then unset the BREAK which releases
1555                  * the Waker. */
1556                 handle_input(lguest_fd);
1557                 if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
1558                         err(1, "Resetting break");
1559         }
1560 }
1561 /*
1562  * This is the end of the Launcher.
1563  *
1564  * But wait!  We've seen I/O from the Launcher, and we've seen I/O from the
1565  * Drivers.  If we were to see the Host kernel I/O code, our understanding
1566  * would be complete... :*/
1567
1568 static struct option opts[] = {
1569         { "verbose", 0, NULL, 'v' },
1570         { "tunnet", 1, NULL, 't' },
1571         { "block", 1, NULL, 'b' },
1572         { "initrd", 1, NULL, 'i' },
1573         { NULL },
1574 };
1575 static void usage(void)
1576 {
1577         errx(1, "Usage: lguest [--verbose] "
1578              "[--tunnet=(<ipaddr>|bridge:<bridgename>)\n"
1579              "|--block=<filename>|--initrd=<filename>]...\n"
1580              "<mem-in-mb> vmlinux [args...]");
1581 }
1582
1583 /*L:105 The main routine is where the real work begins: */
1584 int main(int argc, char *argv[])
1585 {
1586         /* Memory, top-level pagetable, code startpoint and size of the
1587          * (optional) initrd. */
1588         unsigned long mem = 0, pgdir, start, initrd_size = 0;
1589         /* A temporary and the /dev/lguest file descriptor. */
1590         int i, c, lguest_fd;
1591         /* The boot information for the Guest. */
1592         void *boot;
1593         /* If they specify an initrd file to load. */
1594         const char *initrd_name = NULL;
1595
1596         /* First we initialize the device list.  Since console and network
1597          * device receive input from a file descriptor, we keep an fdset
1598          * (infds) and the maximum fd number (max_infd) with the head of the
1599          * list.  We also keep a pointer to the last device, for easy appending
1600          * to the list.  Finally, we keep the next interrupt number to hand out
1601          * (1: remember that 0 is used by the timer). */
1602         FD_ZERO(&devices.infds);
1603         devices.max_infd = -1;
1604         devices.lastdev = &devices.dev;
1605         devices.next_irq = 1;
1606
1607         /* We need to know how much memory so we can set up the device
1608          * descriptor and memory pages for the devices as we parse the command
1609          * line.  So we quickly look through the arguments to find the amount
1610          * of memory now. */
1611         for (i = 1; i < argc; i++) {
1612                 if (argv[i][0] != '-') {
1613                         mem = atoi(argv[i]) * 1024 * 1024;
1614                         /* We start by mapping anonymous pages over all of
1615                          * guest-physical memory range.  This fills it with 0,
1616                          * and ensures that the Guest won't be killed when it
1617                          * tries to access it. */
1618                         guest_base = map_zeroed_pages(mem / getpagesize()
1619                                                       + DEVICE_PAGES);
1620                         guest_limit = mem;
1621                         guest_max = mem + DEVICE_PAGES*getpagesize();
1622                         devices.descpage = get_pages(1);
1623                         break;
1624                 }
1625         }
1626
1627         /* The options are fairly straight-forward */
1628         while ((c = getopt_long(argc, argv, "v", opts, NULL)) != EOF) {
1629                 switch (c) {
1630                 case 'v':
1631                         verbose = true;
1632                         break;
1633                 case 't':
1634                         setup_tun_net(optarg);
1635                         break;
1636                 case 'b':
1637                         setup_block_file(optarg);
1638                         break;
1639                 case 'i':
1640                         initrd_name = optarg;
1641                         break;
1642                 default:
1643                         warnx("Unknown argument %s", argv[optind]);
1644                         usage();
1645                 }
1646         }
1647         /* After the other arguments we expect memory and kernel image name,
1648          * followed by command line arguments for the kernel. */
1649         if (optind + 2 > argc)
1650                 usage();
1651
1652         verbose("Guest base is at %p\n", guest_base);
1653
1654         /* We always have a console device */
1655         setup_console();
1656
1657         /* Now we load the kernel */
1658         start = load_kernel(open_or_die(argv[optind+1], O_RDONLY));
1659
1660         /* Boot information is stashed at physical address 0 */
1661         boot = from_guest_phys(0);
1662
1663         /* Map the initrd image if requested (at top of physical memory) */
1664         if (initrd_name) {
1665                 initrd_size = load_initrd(initrd_name, mem);
1666                 /* These are the location in the Linux boot header where the
1667                  * start and size of the initrd are expected to be found. */
1668                 *(unsigned long *)(boot+0x218) = mem - initrd_size;
1669                 *(unsigned long *)(boot+0x21c) = initrd_size;
1670                 /* The bootloader type 0xFF means "unknown"; that's OK. */
1671                 *(unsigned char *)(boot+0x210) = 0xFF;
1672         }
1673
1674         /* Set up the initial linear pagetables, starting below the initrd. */
1675         pgdir = setup_pagetables(mem, initrd_size);
1676
1677         /* The Linux boot header contains an "E820" memory map: ours is a
1678          * simple, single region. */
1679         *(char*)(boot+E820NR) = 1;
1680         *((struct e820entry *)(boot+E820MAP))
1681                 = ((struct e820entry) { 0, mem, E820_RAM });
1682         /* The boot header contains a command line pointer: we put the command
1683          * line after the boot header (at address 4096) */
1684         *(u32 *)(boot + 0x228) = 4096;
1685         concat(boot + 4096, argv+optind+2);
1686
1687         /* The guest type value of "1" tells the Guest it's under lguest. */
1688         *(int *)(boot + 0x23c) = 1;
1689
1690         /* We tell the kernel to initialize the Guest: this returns the open
1691          * /dev/lguest file descriptor. */
1692         lguest_fd = tell_kernel(pgdir, start);
1693
1694         /* We fork off a child process, which wakes the Launcher whenever one
1695          * of the input file descriptors needs attention.  Otherwise we would
1696          * run the Guest until it tries to output something. */
1697         waker_fd = setup_waker(lguest_fd);
1698
1699         /* Finally, run the Guest.  This doesn't return. */
1700         run_guest(lguest_fd);
1701 }
1702 /*:*/
1703
1704 /*M:999
1705  * Mastery is done: you now know everything I do.
1706  *
1707  * But surely you have seen code, features and bugs in your wanderings which
1708  * you now yearn to attack?  That is the real game, and I look forward to you
1709  * patching and forking lguest into the Your-Name-Here-visor.
1710  *
1711  * Farewell, and good coding!
1712  * Rusty Russell.
1713  */