lguest: update commentry
[linux-2.6] / Documentation / lguest / lguest.c
1 /*P:100
2  * This is the Launcher code, a simple program which lays out the "physical"
3  * memory for the new Guest by mapping the kernel image and the virtual
4  * devices, then opens /dev/lguest to tell the kernel about the Guest and
5  * control it.
6 :*/
7 #define _LARGEFILE64_SOURCE
8 #define _GNU_SOURCE
9 #include <stdio.h>
10 #include <string.h>
11 #include <unistd.h>
12 #include <err.h>
13 #include <stdint.h>
14 #include <stdlib.h>
15 #include <elf.h>
16 #include <sys/mman.h>
17 #include <sys/param.h>
18 #include <sys/types.h>
19 #include <sys/stat.h>
20 #include <sys/wait.h>
21 #include <sys/eventfd.h>
22 #include <fcntl.h>
23 #include <stdbool.h>
24 #include <errno.h>
25 #include <ctype.h>
26 #include <sys/socket.h>
27 #include <sys/ioctl.h>
28 #include <sys/time.h>
29 #include <time.h>
30 #include <netinet/in.h>
31 #include <net/if.h>
32 #include <linux/sockios.h>
33 #include <linux/if_tun.h>
34 #include <sys/uio.h>
35 #include <termios.h>
36 #include <getopt.h>
37 #include <zlib.h>
38 #include <assert.h>
39 #include <sched.h>
40 #include <limits.h>
41 #include <stddef.h>
42 #include <signal.h>
43 #include "linux/lguest_launcher.h"
44 #include "linux/virtio_config.h"
45 #include "linux/virtio_net.h"
46 #include "linux/virtio_blk.h"
47 #include "linux/virtio_console.h"
48 #include "linux/virtio_rng.h"
49 #include "linux/virtio_ring.h"
50 #include "asm/bootparam.h"
51 /*L:110
52  * We can ignore the 42 include files we need for this program, but I do want
53  * to draw attention to the use of kernel-style types.
54  *
55  * As Linus said, "C is a Spartan language, and so should your naming be."  I
56  * like these abbreviations, so we define them here.  Note that u64 is always
57  * unsigned long long, which works on all Linux systems: this means that we can
58  * use %llu in printf for any u64.
59  */
60 typedef unsigned long long u64;
61 typedef uint32_t u32;
62 typedef uint16_t u16;
63 typedef uint8_t u8;
64 /*:*/
65
66 #define PAGE_PRESENT 0x7        /* Present, RW, Execute */
67 #define BRIDGE_PFX "bridge:"
68 #ifndef SIOCBRADDIF
69 #define SIOCBRADDIF     0x89a2          /* add interface to bridge      */
70 #endif
71 /* We can have up to 256 pages for devices. */
72 #define DEVICE_PAGES 256
73 /* This will occupy 3 pages: it must be a power of 2. */
74 #define VIRTQUEUE_NUM 256
75
76 /*L:120
77  * verbose is both a global flag and a macro.  The C preprocessor allows
78  * this, and although I wouldn't recommend it, it works quite nicely here.
79  */
80 static bool verbose;
81 #define verbose(args...) \
82         do { if (verbose) printf(args); } while(0)
83 /*:*/
84
85 /* The pointer to the start of guest memory. */
86 static void *guest_base;
87 /* The maximum guest physical address allowed, and maximum possible. */
88 static unsigned long guest_limit, guest_max;
89 /* The /dev/lguest file descriptor. */
90 static int lguest_fd;
91
92 /* a per-cpu variable indicating whose vcpu is currently running */
93 static unsigned int __thread cpu_id;
94
95 /* This is our list of devices. */
96 struct device_list
97 {
98         /* Counter to assign interrupt numbers. */
99         unsigned int next_irq;
100
101         /* Counter to print out convenient device numbers. */
102         unsigned int device_num;
103
104         /* The descriptor page for the devices. */
105         u8 *descpage;
106
107         /* A single linked list of devices. */
108         struct device *dev;
109         /* And a pointer to the last device for easy append. */
110         struct device *lastdev;
111 };
112
113 /* The list of Guest devices, based on command line arguments. */
114 static struct device_list devices;
115
116 /* The device structure describes a single device. */
117 struct device
118 {
119         /* The linked-list pointer. */
120         struct device *next;
121
122         /* The device's descriptor, as mapped into the Guest. */
123         struct lguest_device_desc *desc;
124
125         /* We can't trust desc values once Guest has booted: we use these. */
126         unsigned int feature_len;
127         unsigned int num_vq;
128
129         /* The name of this device, for --verbose. */
130         const char *name;
131
132         /* Any queues attached to this device */
133         struct virtqueue *vq;
134
135         /* Is it operational */
136         bool running;
137
138         /* Device-specific data. */
139         void *priv;
140 };
141
142 /* The virtqueue structure describes a queue attached to a device. */
143 struct virtqueue
144 {
145         struct virtqueue *next;
146
147         /* Which device owns me. */
148         struct device *dev;
149
150         /* The configuration for this queue. */
151         struct lguest_vqconfig config;
152
153         /* The actual ring of buffers. */
154         struct vring vring;
155
156         /* Last available index we saw. */
157         u16 last_avail_idx;
158
159         /* How many are used since we sent last irq? */
160         unsigned int pending_used;
161
162         /* Eventfd where Guest notifications arrive. */
163         int eventfd;
164
165         /* Function for the thread which is servicing this virtqueue. */
166         void (*service)(struct virtqueue *vq);
167         pid_t thread;
168 };
169
170 /* Remember the arguments to the program so we can "reboot" */
171 static char **main_args;
172
173 /* The original tty settings to restore on exit. */
174 static struct termios orig_term;
175
176 /*
177  * We have to be careful with barriers: our devices are all run in separate
178  * threads and so we need to make sure that changes visible to the Guest happen
179  * in precise order.
180  */
181 #define wmb() __asm__ __volatile__("" : : : "memory")
182 #define mb() __asm__ __volatile__("" : : : "memory")
183
184 /*
185  * Convert an iovec element to the given type.
186  *
187  * This is a fairly ugly trick: we need to know the size of the type and
188  * alignment requirement to check the pointer is kosher.  It's also nice to
189  * have the name of the type in case we report failure.
190  *
191  * Typing those three things all the time is cumbersome and error prone, so we
192  * have a macro which sets them all up and passes to the real function.
193  */
194 #define convert(iov, type) \
195         ((type *)_convert((iov), sizeof(type), __alignof__(type), #type))
196
197 static void *_convert(struct iovec *iov, size_t size, size_t align,
198                       const char *name)
199 {
200         if (iov->iov_len != size)
201                 errx(1, "Bad iovec size %zu for %s", iov->iov_len, name);
202         if ((unsigned long)iov->iov_base % align != 0)
203                 errx(1, "Bad alignment %p for %s", iov->iov_base, name);
204         return iov->iov_base;
205 }
206
207 /* Wrapper for the last available index.  Makes it easier to change. */
208 #define lg_last_avail(vq)       ((vq)->last_avail_idx)
209
210 /*
211  * The virtio configuration space is defined to be little-endian.  x86 is
212  * little-endian too, but it's nice to be explicit so we have these helpers.
213  */
214 #define cpu_to_le16(v16) (v16)
215 #define cpu_to_le32(v32) (v32)
216 #define cpu_to_le64(v64) (v64)
217 #define le16_to_cpu(v16) (v16)
218 #define le32_to_cpu(v32) (v32)
219 #define le64_to_cpu(v64) (v64)
220
221 /* Is this iovec empty? */
222 static bool iov_empty(const struct iovec iov[], unsigned int num_iov)
223 {
224         unsigned int i;
225
226         for (i = 0; i < num_iov; i++)
227                 if (iov[i].iov_len)
228                         return false;
229         return true;
230 }
231
232 /* Take len bytes from the front of this iovec. */
233 static void iov_consume(struct iovec iov[], unsigned num_iov, unsigned len)
234 {
235         unsigned int i;
236
237         for (i = 0; i < num_iov; i++) {
238                 unsigned int used;
239
240                 used = iov[i].iov_len < len ? iov[i].iov_len : len;
241                 iov[i].iov_base += used;
242                 iov[i].iov_len -= used;
243                 len -= used;
244         }
245         assert(len == 0);
246 }
247
248 /* The device virtqueue descriptors are followed by feature bitmasks. */
249 static u8 *get_feature_bits(struct device *dev)
250 {
251         return (u8 *)(dev->desc + 1)
252                 + dev->num_vq * sizeof(struct lguest_vqconfig);
253 }
254
255 /*L:100
256  * The Launcher code itself takes us out into userspace, that scary place where
257  * pointers run wild and free!  Unfortunately, like most userspace programs,
258  * it's quite boring (which is why everyone likes to hack on the kernel!).
259  * Perhaps if you make up an Lguest Drinking Game at this point, it will get
260  * you through this section.  Or, maybe not.
261  *
262  * The Launcher sets up a big chunk of memory to be the Guest's "physical"
263  * memory and stores it in "guest_base".  In other words, Guest physical ==
264  * Launcher virtual with an offset.
265  *
266  * This can be tough to get your head around, but usually it just means that we
267  * use these trivial conversion functions when the Guest gives us it's
268  * "physical" addresses:
269  */
270 static void *from_guest_phys(unsigned long addr)
271 {
272         return guest_base + addr;
273 }
274
275 static unsigned long to_guest_phys(const void *addr)
276 {
277         return (addr - guest_base);
278 }
279
280 /*L:130
281  * Loading the Kernel.
282  *
283  * We start with couple of simple helper routines.  open_or_die() avoids
284  * error-checking code cluttering the callers:
285  */
286 static int open_or_die(const char *name, int flags)
287 {
288         int fd = open(name, flags);
289         if (fd < 0)
290                 err(1, "Failed to open %s", name);
291         return fd;
292 }
293
294 /* map_zeroed_pages() takes a number of pages. */
295 static void *map_zeroed_pages(unsigned int num)
296 {
297         int fd = open_or_die("/dev/zero", O_RDONLY);
298         void *addr;
299
300         /*
301          * We use a private mapping (ie. if we write to the page, it will be
302          * copied).
303          */
304         addr = mmap(NULL, getpagesize() * num,
305                     PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE, fd, 0);
306         if (addr == MAP_FAILED)
307                 err(1, "Mmaping %u pages of /dev/zero", num);
308
309         /*
310          * One neat mmap feature is that you can close the fd, and it
311          * stays mapped.
312          */
313         close(fd);
314
315         return addr;
316 }
317
318 /* Get some more pages for a device. */
319 static void *get_pages(unsigned int num)
320 {
321         void *addr = from_guest_phys(guest_limit);
322
323         guest_limit += num * getpagesize();
324         if (guest_limit > guest_max)
325                 errx(1, "Not enough memory for devices");
326         return addr;
327 }
328
329 /*
330  * This routine is used to load the kernel or initrd.  It tries mmap, but if
331  * that fails (Plan 9's kernel file isn't nicely aligned on page boundaries),
332  * it falls back to reading the memory in.
333  */
334 static void map_at(int fd, void *addr, unsigned long offset, unsigned long len)
335 {
336         ssize_t r;
337
338         /*
339          * We map writable even though for some segments are marked read-only.
340          * The kernel really wants to be writable: it patches its own
341          * instructions.
342          *
343          * MAP_PRIVATE means that the page won't be copied until a write is
344          * done to it.  This allows us to share untouched memory between
345          * Guests.
346          */
347         if (mmap(addr, len, PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC,
348                  MAP_FIXED|MAP_PRIVATE, fd, offset) != MAP_FAILED)
349                 return;
350
351         /* pread does a seek and a read in one shot: saves a few lines. */
352         r = pread(fd, addr, len, offset);
353         if (r != len)
354                 err(1, "Reading offset %lu len %lu gave %zi", offset, len, r);
355 }
356
357 /*
358  * This routine takes an open vmlinux image, which is in ELF, and maps it into
359  * the Guest memory.  ELF = Embedded Linking Format, which is the format used
360  * by all modern binaries on Linux including the kernel.
361  *
362  * The ELF headers give *two* addresses: a physical address, and a virtual
363  * address.  We use the physical address; the Guest will map itself to the
364  * virtual address.
365  *
366  * We return the starting address.
367  */
368 static unsigned long map_elf(int elf_fd, const Elf32_Ehdr *ehdr)
369 {
370         Elf32_Phdr phdr[ehdr->e_phnum];
371         unsigned int i;
372
373         /*
374          * Sanity checks on the main ELF header: an x86 executable with a
375          * reasonable number of correctly-sized program headers.
376          */
377         if (ehdr->e_type != ET_EXEC
378             || ehdr->e_machine != EM_386
379             || ehdr->e_phentsize != sizeof(Elf32_Phdr)
380             || ehdr->e_phnum < 1 || ehdr->e_phnum > 65536U/sizeof(Elf32_Phdr))
381                 errx(1, "Malformed elf header");
382
383         /*
384          * An ELF executable contains an ELF header and a number of "program"
385          * headers which indicate which parts ("segments") of the program to
386          * load where.
387          */
388
389         /* We read in all the program headers at once: */
390         if (lseek(elf_fd, ehdr->e_phoff, SEEK_SET) < 0)
391                 err(1, "Seeking to program headers");
392         if (read(elf_fd, phdr, sizeof(phdr)) != sizeof(phdr))
393                 err(1, "Reading program headers");
394
395         /*
396          * Try all the headers: there are usually only three.  A read-only one,
397          * a read-write one, and a "note" section which we don't load.
398          */
399         for (i = 0; i < ehdr->e_phnum; i++) {
400                 /* If this isn't a loadable segment, we ignore it */
401                 if (phdr[i].p_type != PT_LOAD)
402                         continue;
403
404                 verbose("Section %i: size %i addr %p\n",
405                         i, phdr[i].p_memsz, (void *)phdr[i].p_paddr);
406
407                 /* We map this section of the file at its physical address. */
408                 map_at(elf_fd, from_guest_phys(phdr[i].p_paddr),
409                        phdr[i].p_offset, phdr[i].p_filesz);
410         }
411
412         /* The entry point is given in the ELF header. */
413         return ehdr->e_entry;
414 }
415
416 /*L:150
417  * A bzImage, unlike an ELF file, is not meant to be loaded.  You're supposed
418  * to jump into it and it will unpack itself.  We used to have to perform some
419  * hairy magic because the unpacking code scared me.
420  *
421  * Fortunately, Jeremy Fitzhardinge convinced me it wasn't that hard and wrote
422  * a small patch to jump over the tricky bits in the Guest, so now we just read
423  * the funky header so we know where in the file to load, and away we go!
424  */
425 static unsigned long load_bzimage(int fd)
426 {
427         struct boot_params boot;
428         int r;
429         /* Modern bzImages get loaded at 1M. */
430         void *p = from_guest_phys(0x100000);
431
432         /*
433          * Go back to the start of the file and read the header.  It should be
434          * a Linux boot header (see Documentation/x86/i386/boot.txt)
435          */
436         lseek(fd, 0, SEEK_SET);
437         read(fd, &boot, sizeof(boot));
438
439         /* Inside the setup_hdr, we expect the magic "HdrS" */
440         if (memcmp(&boot.hdr.header, "HdrS", 4) != 0)
441                 errx(1, "This doesn't look like a bzImage to me");
442
443         /* Skip over the extra sectors of the header. */
444         lseek(fd, (boot.hdr.setup_sects+1) * 512, SEEK_SET);
445
446         /* Now read everything into memory. in nice big chunks. */
447         while ((r = read(fd, p, 65536)) > 0)
448                 p += r;
449
450         /* Finally, code32_start tells us where to enter the kernel. */
451         return boot.hdr.code32_start;
452 }
453
454 /*L:140
455  * Loading the kernel is easy when it's a "vmlinux", but most kernels
456  * come wrapped up in the self-decompressing "bzImage" format.  With a little
457  * work, we can load those, too.
458  */
459 static unsigned long load_kernel(int fd)
460 {
461         Elf32_Ehdr hdr;
462
463         /* Read in the first few bytes. */
464         if (read(fd, &hdr, sizeof(hdr)) != sizeof(hdr))
465                 err(1, "Reading kernel");
466
467         /* If it's an ELF file, it starts with "\177ELF" */
468         if (memcmp(hdr.e_ident, ELFMAG, SELFMAG) == 0)
469                 return map_elf(fd, &hdr);
470
471         /* Otherwise we assume it's a bzImage, and try to load it. */
472         return load_bzimage(fd);
473 }
474
475 /*
476  * This is a trivial little helper to align pages.  Andi Kleen hated it because
477  * it calls getpagesize() twice: "it's dumb code."
478  *
479  * Kernel guys get really het up about optimization, even when it's not
480  * necessary.  I leave this code as a reaction against that.
481  */
482 static inline unsigned long page_align(unsigned long addr)
483 {
484         /* Add upwards and truncate downwards. */
485         return ((addr + getpagesize()-1) & ~(getpagesize()-1));
486 }
487
488 /*L:180
489  * An "initial ram disk" is a disk image loaded into memory along with the
490  * kernel which the kernel can use to boot from without needing any drivers.
491  * Most distributions now use this as standard: the initrd contains the code to
492  * load the appropriate driver modules for the current machine.
493  *
494  * Importantly, James Morris works for RedHat, and Fedora uses initrds for its
495  * kernels.  He sent me this (and tells me when I break it).
496  */
497 static unsigned long load_initrd(const char *name, unsigned long mem)
498 {
499         int ifd;
500         struct stat st;
501         unsigned long len;
502
503         ifd = open_or_die(name, O_RDONLY);
504         /* fstat() is needed to get the file size. */
505         if (fstat(ifd, &st) < 0)
506                 err(1, "fstat() on initrd '%s'", name);
507
508         /*
509          * We map the initrd at the top of memory, but mmap wants it to be
510          * page-aligned, so we round the size up for that.
511          */
512         len = page_align(st.st_size);
513         map_at(ifd, from_guest_phys(mem - len), 0, st.st_size);
514         /*
515          * Once a file is mapped, you can close the file descriptor.  It's a
516          * little odd, but quite useful.
517          */
518         close(ifd);
519         verbose("mapped initrd %s size=%lu @ %p\n", name, len, (void*)mem-len);
520
521         /* We return the initrd size. */
522         return len;
523 }
524 /*:*/
525
526 /*
527  * Simple routine to roll all the commandline arguments together with spaces
528  * between them.
529  */
530 static void concat(char *dst, char *args[])
531 {
532         unsigned int i, len = 0;
533
534         for (i = 0; args[i]; i++) {
535                 if (i) {
536                         strcat(dst+len, " ");
537                         len++;
538                 }
539                 strcpy(dst+len, args[i]);
540                 len += strlen(args[i]);
541         }
542         /* In case it's empty. */
543         dst[len] = '\0';
544 }
545
546 /*L:185
547  * This is where we actually tell the kernel to initialize the Guest.  We
548  * saw the arguments it expects when we looked at initialize() in lguest_user.c:
549  * the base of Guest "physical" memory, the top physical page to allow and the
550  * entry point for the Guest.
551  */
552 static void tell_kernel(unsigned long start)
553 {
554         unsigned long args[] = { LHREQ_INITIALIZE,
555                                  (unsigned long)guest_base,
556                                  guest_limit / getpagesize(), start };
557         verbose("Guest: %p - %p (%#lx)\n",
558                 guest_base, guest_base + guest_limit, guest_limit);
559         lguest_fd = open_or_die("/dev/lguest", O_RDWR);
560         if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
561                 err(1, "Writing to /dev/lguest");
562 }
563 /*:*/
564
565 /*L:200
566  * Device Handling.
567  *
568  * When the Guest gives us a buffer, it sends an array of addresses and sizes.
569  * We need to make sure it's not trying to reach into the Launcher itself, so
570  * we have a convenient routine which checks it and exits with an error message
571  * if something funny is going on:
572  */
573 static void *_check_pointer(unsigned long addr, unsigned int size,
574                             unsigned int line)
575 {
576         /*
577          * We have to separately check addr and addr+size, because size could
578          * be huge and addr + size might wrap around.
579          */
580         if (addr >= guest_limit || addr + size >= guest_limit)
581                 errx(1, "%s:%i: Invalid address %#lx", __FILE__, line, addr);
582         /*
583          * We return a pointer for the caller's convenience, now we know it's
584          * safe to use.
585          */
586         return from_guest_phys(addr);
587 }
588 /* A macro which transparently hands the line number to the real function. */
589 #define check_pointer(addr,size) _check_pointer(addr, size, __LINE__)
590
591 /*
592  * Each buffer in the virtqueues is actually a chain of descriptors.  This
593  * function returns the next descriptor in the chain, or vq->vring.num if we're
594  * at the end.
595  */
596 static unsigned next_desc(struct vring_desc *desc,
597                           unsigned int i, unsigned int max)
598 {
599         unsigned int next;
600
601         /* If this descriptor says it doesn't chain, we're done. */
602         if (!(desc[i].flags & VRING_DESC_F_NEXT))
603                 return max;
604
605         /* Check they're not leading us off end of descriptors. */
606         next = desc[i].next;
607         /* Make sure compiler knows to grab that: we don't want it changing! */
608         wmb();
609
610         if (next >= max)
611                 errx(1, "Desc next is %u", next);
612
613         return next;
614 }
615
616 /*
617  * This actually sends the interrupt for this virtqueue, if we've used a
618  * buffer.
619  */
620 static void trigger_irq(struct virtqueue *vq)
621 {
622         unsigned long buf[] = { LHREQ_IRQ, vq->config.irq };
623
624         /* Don't inform them if nothing used. */
625         if (!vq->pending_used)
626                 return;
627         vq->pending_used = 0;
628
629         /* If they don't want an interrupt, don't send one, unless empty. */
630         if ((vq->vring.avail->flags & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT)
631             && lg_last_avail(vq) != vq->vring.avail->idx)
632                 return;
633
634         /* Send the Guest an interrupt tell them we used something up. */
635         if (write(lguest_fd, buf, sizeof(buf)) != 0)
636                 err(1, "Triggering irq %i", vq->config.irq);
637 }
638
639 /*
640  * This looks in the virtqueue for the first available buffer, and converts
641  * it to an iovec for convenient access.  Since descriptors consist of some
642  * number of output then some number of input descriptors, it's actually two
643  * iovecs, but we pack them into one and note how many of each there were.
644  *
645  * This function waits if necessary, and returns the descriptor number found.
646  */
647 static unsigned wait_for_vq_desc(struct virtqueue *vq,
648                                  struct iovec iov[],
649                                  unsigned int *out_num, unsigned int *in_num)
650 {
651         unsigned int i, head, max;
652         struct vring_desc *desc;
653         u16 last_avail = lg_last_avail(vq);
654
655         /* There's nothing available? */
656         while (last_avail == vq->vring.avail->idx) {
657                 u64 event;
658
659                 /*
660                  * Since we're about to sleep, now is a good time to tell the
661                  * Guest about what we've used up to now.
662                  */
663                 trigger_irq(vq);
664
665                 /* OK, now we need to know about added descriptors. */
666                 vq->vring.used->flags &= ~VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
667
668                 /*
669                  * They could have slipped one in as we were doing that: make
670                  * sure it's written, then check again.
671                  */
672                 mb();
673                 if (last_avail != vq->vring.avail->idx) {
674                         vq->vring.used->flags |= VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
675                         break;
676                 }
677
678                 /* Nothing new?  Wait for eventfd to tell us they refilled. */
679                 if (read(vq->eventfd, &event, sizeof(event)) != sizeof(event))
680                         errx(1, "Event read failed?");
681
682                 /* We don't need to be notified again. */
683                 vq->vring.used->flags |= VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
684         }
685
686         /* Check it isn't doing very strange things with descriptor numbers. */
687         if ((u16)(vq->vring.avail->idx - last_avail) > vq->vring.num)
688                 errx(1, "Guest moved used index from %u to %u",
689                      last_avail, vq->vring.avail->idx);
690
691         /*
692          * Grab the next descriptor number they're advertising, and increment
693          * the index we've seen.
694          */
695         head = vq->vring.avail->ring[last_avail % vq->vring.num];
696         lg_last_avail(vq)++;
697
698         /* If their number is silly, that's a fatal mistake. */
699         if (head >= vq->vring.num)
700                 errx(1, "Guest says index %u is available", head);
701
702         /* When we start there are none of either input nor output. */
703         *out_num = *in_num = 0;
704
705         max = vq->vring.num;
706         desc = vq->vring.desc;
707         i = head;
708
709         /*
710          * If this is an indirect entry, then this buffer contains a descriptor
711          * table which we handle as if it's any normal descriptor chain.
712          */
713         if (desc[i].flags & VRING_DESC_F_INDIRECT) {
714                 if (desc[i].len % sizeof(struct vring_desc))
715                         errx(1, "Invalid size for indirect buffer table");
716
717                 max = desc[i].len / sizeof(struct vring_desc);
718                 desc = check_pointer(desc[i].addr, desc[i].len);
719                 i = 0;
720         }
721
722         do {
723                 /* Grab the first descriptor, and check it's OK. */
724                 iov[*out_num + *in_num].iov_len = desc[i].len;
725                 iov[*out_num + *in_num].iov_base
726                         = check_pointer(desc[i].addr, desc[i].len);
727                 /* If this is an input descriptor, increment that count. */
728                 if (desc[i].flags & VRING_DESC_F_WRITE)
729                         (*in_num)++;
730                 else {
731                         /*
732                          * If it's an output descriptor, they're all supposed
733                          * to come before any input descriptors.
734                          */
735                         if (*in_num)
736                                 errx(1, "Descriptor has out after in");
737                         (*out_num)++;
738                 }
739
740                 /* If we've got too many, that implies a descriptor loop. */
741                 if (*out_num + *in_num > max)
742                         errx(1, "Looped descriptor");
743         } while ((i = next_desc(desc, i, max)) != max);
744
745         return head;
746 }
747
748 /*
749  * After we've used one of their buffers, we tell the Guest about it.  Sometime
750  * later we'll want to send them an interrupt using trigger_irq(); note that
751  * wait_for_vq_desc() does that for us if it has to wait.
752  */
753 static void add_used(struct virtqueue *vq, unsigned int head, int len)
754 {
755         struct vring_used_elem *used;
756
757         /*
758          * The virtqueue contains a ring of used buffers.  Get a pointer to the
759          * next entry in that used ring.
760          */
761         used = &vq->vring.used->ring[vq->vring.used->idx % vq->vring.num];
762         used->id = head;
763         used->len = len;
764         /* Make sure buffer is written before we update index. */
765         wmb();
766         vq->vring.used->idx++;
767         vq->pending_used++;
768 }
769
770 /* And here's the combo meal deal.  Supersize me! */
771 static void add_used_and_trigger(struct virtqueue *vq, unsigned head, int len)
772 {
773         add_used(vq, head, len);
774         trigger_irq(vq);
775 }
776
777 /*
778  * The Console
779  *
780  * We associate some data with the console for our exit hack.
781  */
782 struct console_abort
783 {
784         /* How many times have they hit ^C? */
785         int count;
786         /* When did they start? */
787         struct timeval start;
788 };
789
790 /* This is the routine which handles console input (ie. stdin). */
791 static void console_input(struct virtqueue *vq)
792 {
793         int len;
794         unsigned int head, in_num, out_num;
795         struct console_abort *abort = vq->dev->priv;
796         struct iovec iov[vq->vring.num];
797
798         /* Make sure there's a descriptor available. */
799         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
800         if (out_num)
801                 errx(1, "Output buffers in console in queue?");
802
803         /* Read into it.  This is where we usually wait. */
804         len = readv(STDIN_FILENO, iov, in_num);
805         if (len <= 0) {
806                 /* Ran out of input? */
807                 warnx("Failed to get console input, ignoring console.");
808                 /*
809                  * For simplicity, dying threads kill the whole Launcher.  So
810                  * just nap here.
811                  */
812                 for (;;)
813                         pause();
814         }
815
816         /* Tell the Guest we used a buffer. */
817         add_used_and_trigger(vq, head, len);
818
819         /*
820          * Three ^C within one second?  Exit.
821          *
822          * This is such a hack, but works surprisingly well.  Each ^C has to
823          * be in a buffer by itself, so they can't be too fast.  But we check
824          * that we get three within about a second, so they can't be too
825          * slow.
826          */
827         if (len != 1 || ((char *)iov[0].iov_base)[0] != 3) {
828                 abort->count = 0;
829                 return;
830         }
831
832         abort->count++;
833         if (abort->count == 1)
834                 gettimeofday(&abort->start, NULL);
835         else if (abort->count == 3) {
836                 struct timeval now;
837                 gettimeofday(&now, NULL);
838                 /* Kill all Launcher processes with SIGINT, like normal ^C */
839                 if (now.tv_sec <= abort->start.tv_sec+1)
840                         kill(0, SIGINT);
841                 abort->count = 0;
842         }
843 }
844
845 /* This is the routine which handles console output (ie. stdout). */
846 static void console_output(struct virtqueue *vq)
847 {
848         unsigned int head, out, in;
849         struct iovec iov[vq->vring.num];
850
851         /* We usually wait in here, for the Guest to give us something. */
852         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
853         if (in)
854                 errx(1, "Input buffers in console output queue?");
855
856         /* writev can return a partial write, so we loop here. */
857         while (!iov_empty(iov, out)) {
858                 int len = writev(STDOUT_FILENO, iov, out);
859                 if (len <= 0)
860                         err(1, "Write to stdout gave %i", len);
861                 iov_consume(iov, out, len);
862         }
863
864         /*
865          * We're finished with that buffer: if we're going to sleep,
866          * wait_for_vq_desc() will prod the Guest with an interrupt.
867          */
868         add_used(vq, head, 0);
869 }
870
871 /*
872  * The Network
873  *
874  * Handling output for network is also simple: we get all the output buffers
875  * and write them to /dev/net/tun.
876  */
877 struct net_info {
878         int tunfd;
879 };
880
881 static void net_output(struct virtqueue *vq)
882 {
883         struct net_info *net_info = vq->dev->priv;
884         unsigned int head, out, in;
885         struct iovec iov[vq->vring.num];
886
887         /* We usually wait in here for the Guest to give us a packet. */
888         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
889         if (in)
890                 errx(1, "Input buffers in net output queue?");
891         /*
892          * Send the whole thing through to /dev/net/tun.  It expects the exact
893          * same format: what a coincidence!
894          */
895         if (writev(net_info->tunfd, iov, out) < 0)
896                 errx(1, "Write to tun failed?");
897
898         /*
899          * Done with that one; wait_for_vq_desc() will send the interrupt if
900          * all packets are processed.
901          */
902         add_used(vq, head, 0);
903 }
904
905 /*
906  * Handling network input is a bit trickier, because I've tried to optimize it.
907  *
908  * First we have a helper routine which tells is if from this file descriptor
909  * (ie. the /dev/net/tun device) will block:
910  */
911 static bool will_block(int fd)
912 {
913         fd_set fdset;
914         struct timeval zero = { 0, 0 };
915         FD_ZERO(&fdset);
916         FD_SET(fd, &fdset);
917         return select(fd+1, &fdset, NULL, NULL, &zero) != 1;
918 }
919
920 /*
921  * This handles packets coming in from the tun device to our Guest.  Like all
922  * service routines, it gets called again as soon as it returns, so you don't
923  * see a while(1) loop here.
924  */
925 static void net_input(struct virtqueue *vq)
926 {
927         int len;
928         unsigned int head, out, in;
929         struct iovec iov[vq->vring.num];
930         struct net_info *net_info = vq->dev->priv;
931
932         /*
933          * Get a descriptor to write an incoming packet into.  This will also
934          * send an interrupt if they're out of descriptors.
935          */
936         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
937         if (out)
938                 errx(1, "Output buffers in net input queue?");
939
940         /*
941          * If it looks like we'll block reading from the tun device, send them
942          * an interrupt.
943          */
944         if (vq->pending_used && will_block(net_info->tunfd))
945                 trigger_irq(vq);
946
947         /*
948          * Read in the packet.  This is where we normally wait (when there's no
949          * incoming network traffic).
950          */
951         len = readv(net_info->tunfd, iov, in);
952         if (len <= 0)
953                 err(1, "Failed to read from tun.");
954
955         /*
956          * Mark that packet buffer as used, but don't interrupt here.  We want
957          * to wait until we've done as much work as we can.
958          */
959         add_used(vq, head, len);
960 }
961 /*:*/
962
963 /* This is the helper to create threads: run the service routine in a loop. */
964 static int do_thread(void *_vq)
965 {
966         struct virtqueue *vq = _vq;
967
968         for (;;)
969                 vq->service(vq);
970         return 0;
971 }
972
973 /*
974  * When a child dies, we kill our entire process group with SIGTERM.  This
975  * also has the side effect that the shell restores the console for us!
976  */
977 static void kill_launcher(int signal)
978 {
979         kill(0, SIGTERM);
980 }
981
982 static void reset_device(struct device *dev)
983 {
984         struct virtqueue *vq;
985
986         verbose("Resetting device %s\n", dev->name);
987
988         /* Clear any features they've acked. */
989         memset(get_feature_bits(dev) + dev->feature_len, 0, dev->feature_len);
990
991         /* We're going to be explicitly killing threads, so ignore them. */
992         signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
993
994         /* Zero out the virtqueues, get rid of their threads */
995         for (vq = dev->vq; vq; vq = vq->next) {
996                 if (vq->thread != (pid_t)-1) {
997                         kill(vq->thread, SIGTERM);
998                         waitpid(vq->thread, NULL, 0);
999                         vq->thread = (pid_t)-1;
1000                 }
1001                 memset(vq->vring.desc, 0,
1002                        vring_size(vq->config.num, LGUEST_VRING_ALIGN));
1003                 lg_last_avail(vq) = 0;
1004         }
1005         dev->running = false;
1006
1007         /* Now we care if threads die. */
1008         signal(SIGCHLD, (void *)kill_launcher);
1009 }
1010
1011 /*L:216
1012  * This actually creates the thread which services the virtqueue for a device.
1013  */
1014 static void create_thread(struct virtqueue *vq)
1015 {
1016         /*
1017          * Create stack for thread.  Since the stack grows upwards, we point
1018          * the stack pointer to the end of this region.
1019          */
1020         char *stack = malloc(32768);
1021         unsigned long args[] = { LHREQ_EVENTFD,
1022                                  vq->config.pfn*getpagesize(), 0 };
1023
1024         /* Create a zero-initialized eventfd. */
1025         vq->eventfd = eventfd(0, 0);
1026         if (vq->eventfd < 0)
1027                 err(1, "Creating eventfd");
1028         args[2] = vq->eventfd;
1029
1030         /*
1031          * Attach an eventfd to this virtqueue: it will go off when the Guest
1032          * does an LHCALL_NOTIFY for this vq.
1033          */
1034         if (write(lguest_fd, &args, sizeof(args)) != 0)
1035                 err(1, "Attaching eventfd");
1036
1037         /*
1038          * CLONE_VM: because it has to access the Guest memory, and SIGCHLD so
1039          * we get a signal if it dies.
1040          */
1041         vq->thread = clone(do_thread, stack + 32768, CLONE_VM | SIGCHLD, vq);
1042         if (vq->thread == (pid_t)-1)
1043                 err(1, "Creating clone");
1044
1045         /* We close our local copy now the child has it. */
1046         close(vq->eventfd);
1047 }
1048
1049 static void start_device(struct device *dev)
1050 {
1051         unsigned int i;
1052         struct virtqueue *vq;
1053
1054         verbose("Device %s OK: offered", dev->name);
1055         for (i = 0; i < dev->feature_len; i++)
1056                 verbose(" %02x", get_feature_bits(dev)[i]);
1057         verbose(", accepted");
1058         for (i = 0; i < dev->feature_len; i++)
1059                 verbose(" %02x", get_feature_bits(dev)
1060                         [dev->feature_len+i]);
1061
1062         for (vq = dev->vq; vq; vq = vq->next) {
1063                 if (vq->service)
1064                         create_thread(vq);
1065         }
1066         dev->running = true;
1067 }
1068
1069 static void cleanup_devices(void)
1070 {
1071         struct device *dev;
1072
1073         for (dev = devices.dev; dev; dev = dev->next)
1074                 reset_device(dev);
1075
1076         /* If we saved off the original terminal settings, restore them now. */
1077         if (orig_term.c_lflag & (ISIG|ICANON|ECHO))
1078                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &orig_term);
1079 }
1080
1081 /* When the Guest tells us they updated the status field, we handle it. */
1082 static void update_device_status(struct device *dev)
1083 {
1084         /* A zero status is a reset, otherwise it's a set of flags. */
1085         if (dev->desc->status == 0)
1086                 reset_device(dev);
1087         else if (dev->desc->status & VIRTIO_CONFIG_S_FAILED) {
1088                 warnx("Device %s configuration FAILED", dev->name);
1089                 if (dev->running)
1090                         reset_device(dev);
1091         } else if (dev->desc->status & VIRTIO_CONFIG_S_DRIVER_OK) {
1092                 if (!dev->running)
1093                         start_device(dev);
1094         }
1095 }
1096
1097 /*L:215
1098  * This is the generic routine we call when the Guest uses LHCALL_NOTIFY.  In
1099  * particular, it's used to notify us of device status changes during boot.
1100  */
1101 static void handle_output(unsigned long addr)
1102 {
1103         struct device *i;
1104
1105         /* Check each device. */
1106         for (i = devices.dev; i; i = i->next) {
1107                 struct virtqueue *vq;
1108
1109                 /*
1110                  * Notifications to device descriptors mean they updated the
1111                  * device status.
1112                  */
1113                 if (from_guest_phys(addr) == i->desc) {
1114                         update_device_status(i);
1115                         return;
1116                 }
1117
1118                 /*
1119                  * Devices *can* be used before status is set to DRIVER_OK.
1120                  * The original plan was that they would never do this: they
1121                  * would always finish setting up their status bits before
1122                  * actually touching the virtqueues.  In practice, we allowed
1123                  * them to, and they do (eg. the disk probes for partition
1124                  * tables as part of initialization).
1125                  *
1126                  * If we see this, we start the device: once it's running, we
1127                  * expect the device to catch all the notifications.
1128                  */
1129                 for (vq = i->vq; vq; vq = vq->next) {
1130                         if (addr != vq->config.pfn*getpagesize())
1131                                 continue;
1132                         if (i->running)
1133                                 errx(1, "Notification on running %s", i->name);
1134                         /* This just calls create_thread() for each virtqueue */
1135                         start_device(i);
1136                         return;
1137                 }
1138         }
1139
1140         /*
1141          * Early console write is done using notify on a nul-terminated string
1142          * in Guest memory.  It's also great for hacking debugging messages
1143          * into a Guest.
1144          */
1145         if (addr >= guest_limit)
1146                 errx(1, "Bad NOTIFY %#lx", addr);
1147
1148         write(STDOUT_FILENO, from_guest_phys(addr),
1149               strnlen(from_guest_phys(addr), guest_limit - addr));
1150 }
1151
1152 /*L:190
1153  * Device Setup
1154  *
1155  * All devices need a descriptor so the Guest knows it exists, and a "struct
1156  * device" so the Launcher can keep track of it.  We have common helper
1157  * routines to allocate and manage them.
1158  */
1159
1160 /*
1161  * The layout of the device page is a "struct lguest_device_desc" followed by a
1162  * number of virtqueue descriptors, then two sets of feature bits, then an
1163  * array of configuration bytes.  This routine returns the configuration
1164  * pointer.
1165  */
1166 static u8 *device_config(const struct device *dev)
1167 {
1168         return (void *)(dev->desc + 1)
1169                 + dev->num_vq * sizeof(struct lguest_vqconfig)
1170                 + dev->feature_len * 2;
1171 }
1172
1173 /*
1174  * This routine allocates a new "struct lguest_device_desc" from descriptor
1175  * table page just above the Guest's normal memory.  It returns a pointer to
1176  * that descriptor.
1177  */
1178 static struct lguest_device_desc *new_dev_desc(u16 type)
1179 {
1180         struct lguest_device_desc d = { .type = type };
1181         void *p;
1182
1183         /* Figure out where the next device config is, based on the last one. */
1184         if (devices.lastdev)
1185                 p = device_config(devices.lastdev)
1186                         + devices.lastdev->desc->config_len;
1187         else
1188                 p = devices.descpage;
1189
1190         /* We only have one page for all the descriptors. */
1191         if (p + sizeof(d) > (void *)devices.descpage + getpagesize())
1192                 errx(1, "Too many devices");
1193
1194         /* p might not be aligned, so we memcpy in. */
1195         return memcpy(p, &d, sizeof(d));
1196 }
1197
1198 /*
1199  * Each device descriptor is followed by the description of its virtqueues.  We
1200  * specify how many descriptors the virtqueue is to have.
1201  */
1202 static void add_virtqueue(struct device *dev, unsigned int num_descs,
1203                           void (*service)(struct virtqueue *))
1204 {
1205         unsigned int pages;
1206         struct virtqueue **i, *vq = malloc(sizeof(*vq));
1207         void *p;
1208
1209         /* First we need some memory for this virtqueue. */
1210         pages = (vring_size(num_descs, LGUEST_VRING_ALIGN) + getpagesize() - 1)
1211                 / getpagesize();
1212         p = get_pages(pages);
1213
1214         /* Initialize the virtqueue */
1215         vq->next = NULL;
1216         vq->last_avail_idx = 0;
1217         vq->dev = dev;
1218
1219         /*
1220          * This is the routine the service thread will run, and its Process ID
1221          * once it's running.
1222          */
1223         vq->service = service;
1224         vq->thread = (pid_t)-1;
1225
1226         /* Initialize the configuration. */
1227         vq->config.num = num_descs;
1228         vq->config.irq = devices.next_irq++;
1229         vq->config.pfn = to_guest_phys(p) / getpagesize();
1230
1231         /* Initialize the vring. */
1232         vring_init(&vq->vring, num_descs, p, LGUEST_VRING_ALIGN);
1233
1234         /*
1235          * Append virtqueue to this device's descriptor.  We use
1236          * device_config() to get the end of the device's current virtqueues;
1237          * we check that we haven't added any config or feature information
1238          * yet, otherwise we'd be overwriting them.
1239          */
1240         assert(dev->desc->config_len == 0 && dev->desc->feature_len == 0);
1241         memcpy(device_config(dev), &vq->config, sizeof(vq->config));
1242         dev->num_vq++;
1243         dev->desc->num_vq++;
1244
1245         verbose("Virtqueue page %#lx\n", to_guest_phys(p));
1246
1247         /*
1248          * Add to tail of list, so dev->vq is first vq, dev->vq->next is
1249          * second.
1250          */
1251         for (i = &dev->vq; *i; i = &(*i)->next);
1252         *i = vq;
1253 }
1254
1255 /*
1256  * The first half of the feature bitmask is for us to advertise features.  The
1257  * second half is for the Guest to accept features.
1258  */
1259 static void add_feature(struct device *dev, unsigned bit)
1260 {
1261         u8 *features = get_feature_bits(dev);
1262
1263         /* We can't extend the feature bits once we've added config bytes */
1264         if (dev->desc->feature_len <= bit / CHAR_BIT) {
1265                 assert(dev->desc->config_len == 0);
1266                 dev->feature_len = dev->desc->feature_len = (bit/CHAR_BIT) + 1;
1267         }
1268
1269         features[bit / CHAR_BIT] |= (1 << (bit % CHAR_BIT));
1270 }
1271
1272 /*
1273  * This routine sets the configuration fields for an existing device's
1274  * descriptor.  It only works for the last device, but that's OK because that's
1275  * how we use it.
1276  */
1277 static void set_config(struct device *dev, unsigned len, const void *conf)
1278 {
1279         /* Check we haven't overflowed our single page. */
1280         if (device_config(dev) + len > devices.descpage + getpagesize())
1281                 errx(1, "Too many devices");
1282
1283         /* Copy in the config information, and store the length. */
1284         memcpy(device_config(dev), conf, len);
1285         dev->desc->config_len = len;
1286
1287         /* Size must fit in config_len field (8 bits)! */
1288         assert(dev->desc->config_len == len);
1289 }
1290
1291 /*
1292  * This routine does all the creation and setup of a new device, including
1293  * calling new_dev_desc() to allocate the descriptor and device memory.  We
1294  * don't actually start the service threads until later.
1295  *
1296  * See what I mean about userspace being boring?
1297  */
1298 static struct device *new_device(const char *name, u16 type)
1299 {
1300         struct device *dev = malloc(sizeof(*dev));
1301
1302         /* Now we populate the fields one at a time. */
1303         dev->desc = new_dev_desc(type);
1304         dev->name = name;
1305         dev->vq = NULL;
1306         dev->feature_len = 0;
1307         dev->num_vq = 0;
1308         dev->running = false;
1309
1310         /*
1311          * Append to device list.  Prepending to a single-linked list is
1312          * easier, but the user expects the devices to be arranged on the bus
1313          * in command-line order.  The first network device on the command line
1314          * is eth0, the first block device /dev/vda, etc.
1315          */
1316         if (devices.lastdev)
1317                 devices.lastdev->next = dev;
1318         else
1319                 devices.dev = dev;
1320         devices.lastdev = dev;
1321
1322         return dev;
1323 }
1324
1325 /*
1326  * Our first setup routine is the console.  It's a fairly simple device, but
1327  * UNIX tty handling makes it uglier than it could be.
1328  */
1329 static void setup_console(void)
1330 {
1331         struct device *dev;
1332
1333         /* If we can save the initial standard input settings... */
1334         if (tcgetattr(STDIN_FILENO, &orig_term) == 0) {
1335                 struct termios term = orig_term;
1336                 /*
1337                  * Then we turn off echo, line buffering and ^C etc: We want a
1338                  * raw input stream to the Guest.
1339                  */
1340                 term.c_lflag &= ~(ISIG|ICANON|ECHO);
1341                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &term);
1342         }
1343
1344         dev = new_device("console", VIRTIO_ID_CONSOLE);
1345
1346         /* We store the console state in dev->priv, and initialize it. */
1347         dev->priv = malloc(sizeof(struct console_abort));
1348         ((struct console_abort *)dev->priv)->count = 0;
1349
1350         /*
1351          * The console needs two virtqueues: the input then the output.  When
1352          * they put something the input queue, we make sure we're listening to
1353          * stdin.  When they put something in the output queue, we write it to
1354          * stdout.
1355          */
1356         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, console_input);
1357         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, console_output);
1358
1359         verbose("device %u: console\n", ++devices.device_num);
1360 }
1361 /*:*/
1362
1363 /*M:010
1364  * Inter-guest networking is an interesting area.  Simplest is to have a
1365  * --sharenet=<name> option which opens or creates a named pipe.  This can be
1366  * used to send packets to another guest in a 1:1 manner.
1367  *
1368  * More sopisticated is to use one of the tools developed for project like UML
1369  * to do networking.
1370  *
1371  * Faster is to do virtio bonding in kernel.  Doing this 1:1 would be
1372  * completely generic ("here's my vring, attach to your vring") and would work
1373  * for any traffic.  Of course, namespace and permissions issues need to be
1374  * dealt with.  A more sophisticated "multi-channel" virtio_net.c could hide
1375  * multiple inter-guest channels behind one interface, although it would
1376  * require some manner of hotplugging new virtio channels.
1377  *
1378  * Finally, we could implement a virtio network switch in the kernel.
1379 :*/
1380
1381 static u32 str2ip(const char *ipaddr)
1382 {
1383         unsigned int b[4];
1384
1385         if (sscanf(ipaddr, "%u.%u.%u.%u", &b[0], &b[1], &b[2], &b[3]) != 4)
1386                 errx(1, "Failed to parse IP address '%s'", ipaddr);
1387         return (b[0] << 24) | (b[1] << 16) | (b[2] << 8) | b[3];
1388 }
1389
1390 static void str2mac(const char *macaddr, unsigned char mac[6])
1391 {
1392         unsigned int m[6];
1393         if (sscanf(macaddr, "%02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x",
1394                    &m[0], &m[1], &m[2], &m[3], &m[4], &m[5]) != 6)
1395                 errx(1, "Failed to parse mac address '%s'", macaddr);
1396         mac[0] = m[0];
1397         mac[1] = m[1];
1398         mac[2] = m[2];
1399         mac[3] = m[3];
1400         mac[4] = m[4];
1401         mac[5] = m[5];
1402 }
1403
1404 /*
1405  * This code is "adapted" from libbridge: it attaches the Host end of the
1406  * network device to the bridge device specified by the command line.
1407  *
1408  * This is yet another James Morris contribution (I'm an IP-level guy, so I
1409  * dislike bridging), and I just try not to break it.
1410  */
1411 static void add_to_bridge(int fd, const char *if_name, const char *br_name)
1412 {
1413         int ifidx;
1414         struct ifreq ifr;
1415
1416         if (!*br_name)
1417                 errx(1, "must specify bridge name");
1418
1419         ifidx = if_nametoindex(if_name);
1420         if (!ifidx)
1421                 errx(1, "interface %s does not exist!", if_name);
1422
1423         strncpy(ifr.ifr_name, br_name, IFNAMSIZ);
1424         ifr.ifr_name[IFNAMSIZ-1] = '\0';
1425         ifr.ifr_ifindex = ifidx;
1426         if (ioctl(fd, SIOCBRADDIF, &ifr) < 0)
1427                 err(1, "can't add %s to bridge %s", if_name, br_name);
1428 }
1429
1430 /*
1431  * This sets up the Host end of the network device with an IP address, brings
1432  * it up so packets will flow, the copies the MAC address into the hwaddr
1433  * pointer.
1434  */
1435 static void configure_device(int fd, const char *tapif, u32 ipaddr)
1436 {
1437         struct ifreq ifr;
1438         struct sockaddr_in *sin = (struct sockaddr_in *)&ifr.ifr_addr;
1439
1440         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
1441         strcpy(ifr.ifr_name, tapif);
1442
1443         /* Don't read these incantations.  Just cut & paste them like I did! */
1444         sin->sin_family = AF_INET;
1445         sin->sin_addr.s_addr = htonl(ipaddr);
1446         if (ioctl(fd, SIOCSIFADDR, &ifr) != 0)
1447                 err(1, "Setting %s interface address", tapif);
1448         ifr.ifr_flags = IFF_UP;
1449         if (ioctl(fd, SIOCSIFFLAGS, &ifr) != 0)
1450                 err(1, "Bringing interface %s up", tapif);
1451 }
1452
1453 static int get_tun_device(char tapif[IFNAMSIZ])
1454 {
1455         struct ifreq ifr;
1456         int netfd;
1457
1458         /* Start with this zeroed.  Messy but sure. */
1459         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
1460
1461         /*
1462          * We open the /dev/net/tun device and tell it we want a tap device.  A
1463          * tap device is like a tun device, only somehow different.  To tell
1464          * the truth, I completely blundered my way through this code, but it
1465          * works now!
1466          */
1467         netfd = open_or_die("/dev/net/tun", O_RDWR);
1468         ifr.ifr_flags = IFF_TAP | IFF_NO_PI | IFF_VNET_HDR;
1469         strcpy(ifr.ifr_name, "tap%d");
1470         if (ioctl(netfd, TUNSETIFF, &ifr) != 0)
1471                 err(1, "configuring /dev/net/tun");
1472
1473         if (ioctl(netfd, TUNSETOFFLOAD,
1474                   TUN_F_CSUM|TUN_F_TSO4|TUN_F_TSO6|TUN_F_TSO_ECN) != 0)
1475                 err(1, "Could not set features for tun device");
1476
1477         /*
1478          * We don't need checksums calculated for packets coming in this
1479          * device: trust us!
1480          */
1481         ioctl(netfd, TUNSETNOCSUM, 1);
1482
1483         memcpy(tapif, ifr.ifr_name, IFNAMSIZ);
1484         return netfd;
1485 }
1486
1487 /*L:195
1488  * Our network is a Host<->Guest network.  This can either use bridging or
1489  * routing, but the principle is the same: it uses the "tun" device to inject
1490  * packets into the Host as if they came in from a normal network card.  We
1491  * just shunt packets between the Guest and the tun device.
1492  */
1493 static void setup_tun_net(char *arg)
1494 {
1495         struct device *dev;
1496         struct net_info *net_info = malloc(sizeof(*net_info));
1497         int ipfd;
1498         u32 ip = INADDR_ANY;
1499         bool bridging = false;
1500         char tapif[IFNAMSIZ], *p;
1501         struct virtio_net_config conf;
1502
1503         net_info->tunfd = get_tun_device(tapif);
1504
1505         /* First we create a new network device. */
1506         dev = new_device("net", VIRTIO_ID_NET);
1507         dev->priv = net_info;
1508
1509         /* Network devices need a recv and a send queue, just like console. */
1510         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, net_input);
1511         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, net_output);
1512
1513         /*
1514          * We need a socket to perform the magic network ioctls to bring up the
1515          * tap interface, connect to the bridge etc.  Any socket will do!
1516          */
1517         ipfd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_IP);
1518         if (ipfd < 0)
1519                 err(1, "opening IP socket");
1520
1521         /* If the command line was --tunnet=bridge:<name> do bridging. */
1522         if (!strncmp(BRIDGE_PFX, arg, strlen(BRIDGE_PFX))) {
1523                 arg += strlen(BRIDGE_PFX);
1524                 bridging = true;
1525         }
1526
1527         /* A mac address may follow the bridge name or IP address */
1528         p = strchr(arg, ':');
1529         if (p) {
1530                 str2mac(p+1, conf.mac);
1531                 add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_MAC);
1532                 *p = '\0';
1533         }
1534
1535         /* arg is now either an IP address or a bridge name */
1536         if (bridging)
1537                 add_to_bridge(ipfd, tapif, arg);
1538         else
1539                 ip = str2ip(arg);
1540
1541         /* Set up the tun device. */
1542         configure_device(ipfd, tapif, ip);
1543
1544         add_feature(dev, VIRTIO_F_NOTIFY_ON_EMPTY);
1545         /* Expect Guest to handle everything except UFO */
1546         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_CSUM);
1547         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_CSUM);
1548         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_TSO4);
1549         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_TSO6);
1550         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_ECN);
1551         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_TSO4);
1552         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_TSO6);
1553         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_ECN);
1554         /* We handle indirect ring entries */
1555         add_feature(dev, VIRTIO_RING_F_INDIRECT_DESC);
1556         set_config(dev, sizeof(conf), &conf);
1557
1558         /* We don't need the socket any more; setup is done. */
1559         close(ipfd);
1560
1561         devices.device_num++;
1562
1563         if (bridging)
1564                 verbose("device %u: tun %s attached to bridge: %s\n",
1565                         devices.device_num, tapif, arg);
1566         else
1567                 verbose("device %u: tun %s: %s\n",
1568                         devices.device_num, tapif, arg);
1569 }
1570 /*:*/
1571
1572 /* This hangs off device->priv. */
1573 struct vblk_info
1574 {
1575         /* The size of the file. */
1576         off64_t len;
1577
1578         /* The file descriptor for the file. */
1579         int fd;
1580
1581         /* IO thread listens on this file descriptor [0]. */
1582         int workpipe[2];
1583
1584         /* IO thread writes to this file descriptor to mark it done, then
1585          * Launcher triggers interrupt to Guest. */
1586         int done_fd;
1587 };
1588
1589 /*L:210
1590  * The Disk
1591  *
1592  * The disk only has one virtqueue, so it only has one thread.  It is really
1593  * simple: the Guest asks for a block number and we read or write that position
1594  * in the file.
1595  *
1596  * Before we serviced each virtqueue in a separate thread, that was unacceptably
1597  * slow: the Guest waits until the read is finished before running anything
1598  * else, even if it could have been doing useful work.
1599  *
1600  * We could have used async I/O, except it's reputed to suck so hard that
1601  * characters actually go missing from your code when you try to use it.
1602  */
1603 static void blk_request(struct virtqueue *vq)
1604 {
1605         struct vblk_info *vblk = vq->dev->priv;
1606         unsigned int head, out_num, in_num, wlen;
1607         int ret;
1608         u8 *in;
1609         struct virtio_blk_outhdr *out;
1610         struct iovec iov[vq->vring.num];
1611         off64_t off;
1612
1613         /*
1614          * Get the next request, where we normally wait.  It triggers the
1615          * interrupt to acknowledge previously serviced requests (if any).
1616          */
1617         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
1618
1619         /*
1620          * Every block request should contain at least one output buffer
1621          * (detailing the location on disk and the type of request) and one
1622          * input buffer (to hold the result).
1623          */
1624         if (out_num == 0 || in_num == 0)
1625                 errx(1, "Bad virtblk cmd %u out=%u in=%u",
1626                      head, out_num, in_num);
1627
1628         out = convert(&iov[0], struct virtio_blk_outhdr);
1629         in = convert(&iov[out_num+in_num-1], u8);
1630         /*
1631          * For historical reasons, block operations are expressed in 512 byte
1632          * "sectors".
1633          */
1634         off = out->sector * 512;
1635
1636         /*
1637          * The block device implements "barriers", where the Guest indicates
1638          * that it wants all previous writes to occur before this write.  We
1639          * don't have a way of asking our kernel to do a barrier, so we just
1640          * synchronize all the data in the file.  Pretty poor, no?
1641          */
1642         if (out->type & VIRTIO_BLK_T_BARRIER)
1643                 fdatasync(vblk->fd);
1644
1645         /*
1646          * In general the virtio block driver is allowed to try SCSI commands.
1647          * It'd be nice if we supported eject, for example, but we don't.
1648          */
1649         if (out->type & VIRTIO_BLK_T_SCSI_CMD) {
1650                 fprintf(stderr, "Scsi commands unsupported\n");
1651                 *in = VIRTIO_BLK_S_UNSUPP;
1652                 wlen = sizeof(*in);
1653         } else if (out->type & VIRTIO_BLK_T_OUT) {
1654                 /*
1655                  * Write
1656                  *
1657                  * Move to the right location in the block file.  This can fail
1658                  * if they try to write past end.
1659                  */
1660                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
1661                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out->sector);
1662
1663                 ret = writev(vblk->fd, iov+1, out_num-1);
1664                 verbose("WRITE to sector %llu: %i\n", out->sector, ret);
1665
1666                 /*
1667                  * Grr... Now we know how long the descriptor they sent was, we
1668                  * make sure they didn't try to write over the end of the block
1669                  * file (possibly extending it).
1670                  */
1671                 if (ret > 0 && off + ret > vblk->len) {
1672                         /* Trim it back to the correct length */
1673                         ftruncate64(vblk->fd, vblk->len);
1674                         /* Die, bad Guest, die. */
1675                         errx(1, "Write past end %llu+%u", off, ret);
1676                 }
1677                 wlen = sizeof(*in);
1678                 *in = (ret >= 0 ? VIRTIO_BLK_S_OK : VIRTIO_BLK_S_IOERR);
1679         } else {
1680                 /*
1681                  * Read
1682                  *
1683                  * Move to the right location in the block file.  This can fail
1684                  * if they try to read past end.
1685                  */
1686                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
1687                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out->sector);
1688
1689                 ret = readv(vblk->fd, iov+1, in_num-1);
1690                 verbose("READ from sector %llu: %i\n", out->sector, ret);
1691                 if (ret >= 0) {
1692                         wlen = sizeof(*in) + ret;
1693                         *in = VIRTIO_BLK_S_OK;
1694                 } else {
1695                         wlen = sizeof(*in);
1696                         *in = VIRTIO_BLK_S_IOERR;
1697                 }
1698         }
1699
1700         /*
1701          * OK, so we noted that it was pretty poor to use an fdatasync as a
1702          * barrier.  But Christoph Hellwig points out that we need a sync
1703          * *afterwards* as well: "Barriers specify no reordering to the front
1704          * or the back."  And Jens Axboe confirmed it, so here we are:
1705          */
1706         if (out->type & VIRTIO_BLK_T_BARRIER)
1707                 fdatasync(vblk->fd);
1708
1709         /* Finished that request. */
1710         add_used(vq, head, wlen);
1711 }
1712
1713 /*L:198 This actually sets up a virtual block device. */
1714 static void setup_block_file(const char *filename)
1715 {
1716         struct device *dev;
1717         struct vblk_info *vblk;
1718         struct virtio_blk_config conf;
1719
1720         /* Creat the device. */
1721         dev = new_device("block", VIRTIO_ID_BLOCK);
1722
1723         /* The device has one virtqueue, where the Guest places requests. */
1724         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, blk_request);
1725
1726         /* Allocate the room for our own bookkeeping */
1727         vblk = dev->priv = malloc(sizeof(*vblk));
1728
1729         /* First we open the file and store the length. */
1730         vblk->fd = open_or_die(filename, O_RDWR|O_LARGEFILE);
1731         vblk->len = lseek64(vblk->fd, 0, SEEK_END);
1732
1733         /* We support barriers. */
1734         add_feature(dev, VIRTIO_BLK_F_BARRIER);
1735
1736         /* Tell Guest how many sectors this device has. */
1737         conf.capacity = cpu_to_le64(vblk->len / 512);
1738
1739         /*
1740          * Tell Guest not to put in too many descriptors at once: two are used
1741          * for the in and out elements.
1742          */
1743         add_feature(dev, VIRTIO_BLK_F_SEG_MAX);
1744         conf.seg_max = cpu_to_le32(VIRTQUEUE_NUM - 2);
1745
1746         /* Don't try to put whole struct: we have 8 bit limit. */
1747         set_config(dev, offsetof(struct virtio_blk_config, geometry), &conf);
1748
1749         verbose("device %u: virtblock %llu sectors\n",
1750                 ++devices.device_num, le64_to_cpu(conf.capacity));
1751 }
1752
1753 /*L:211
1754  * Our random number generator device reads from /dev/random into the Guest's
1755  * input buffers.  The usual case is that the Guest doesn't want random numbers
1756  * and so has no buffers although /dev/random is still readable, whereas
1757  * console is the reverse.
1758  *
1759  * The same logic applies, however.
1760  */
1761 struct rng_info {
1762         int rfd;
1763 };
1764
1765 static void rng_input(struct virtqueue *vq)
1766 {
1767         int len;
1768         unsigned int head, in_num, out_num, totlen = 0;
1769         struct rng_info *rng_info = vq->dev->priv;
1770         struct iovec iov[vq->vring.num];
1771
1772         /* First we need a buffer from the Guests's virtqueue. */
1773         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
1774         if (out_num)
1775                 errx(1, "Output buffers in rng?");
1776
1777         /*
1778          * Just like the console write, we loop to cover the whole iovec.
1779          * In this case, short reads actually happen quite a bit.
1780          */
1781         while (!iov_empty(iov, in_num)) {
1782                 len = readv(rng_info->rfd, iov, in_num);
1783                 if (len <= 0)
1784                         err(1, "Read from /dev/random gave %i", len);
1785                 iov_consume(iov, in_num, len);
1786                 totlen += len;
1787         }
1788
1789         /* Tell the Guest about the new input. */
1790         add_used(vq, head, totlen);
1791 }
1792
1793 /*L:199
1794  * This creates a "hardware" random number device for the Guest.
1795  */
1796 static void setup_rng(void)
1797 {
1798         struct device *dev;
1799         struct rng_info *rng_info = malloc(sizeof(*rng_info));
1800
1801         /* Our device's privat info simply contains the /dev/random fd. */
1802         rng_info->rfd = open_or_die("/dev/random", O_RDONLY);
1803
1804         /* Create the new device. */
1805         dev = new_device("rng", VIRTIO_ID_RNG);
1806         dev->priv = rng_info;
1807
1808         /* The device has one virtqueue, where the Guest places inbufs. */
1809         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, rng_input);
1810
1811         verbose("device %u: rng\n", devices.device_num++);
1812 }
1813 /* That's the end of device setup. */
1814
1815 /*L:230 Reboot is pretty easy: clean up and exec() the Launcher afresh. */
1816 static void __attribute__((noreturn)) restart_guest(void)
1817 {
1818         unsigned int i;
1819
1820         /*
1821          * Since we don't track all open fds, we simply close everything beyond
1822          * stderr.
1823          */
1824         for (i = 3; i < FD_SETSIZE; i++)
1825                 close(i);
1826
1827         /* Reset all the devices (kills all threads). */
1828         cleanup_devices();
1829
1830         execv(main_args[0], main_args);
1831         err(1, "Could not exec %s", main_args[0]);
1832 }
1833
1834 /*L:220
1835  * Finally we reach the core of the Launcher which runs the Guest, serves
1836  * its input and output, and finally, lays it to rest.
1837  */
1838 static void __attribute__((noreturn)) run_guest(void)
1839 {
1840         for (;;) {
1841                 unsigned long notify_addr;
1842                 int readval;
1843
1844                 /* We read from the /dev/lguest device to run the Guest. */
1845                 readval = pread(lguest_fd, &notify_addr,
1846                                 sizeof(notify_addr), cpu_id);
1847
1848                 /* One unsigned long means the Guest did HCALL_NOTIFY */
1849                 if (readval == sizeof(notify_addr)) {
1850                         verbose("Notify on address %#lx\n", notify_addr);
1851                         handle_output(notify_addr);
1852                 /* ENOENT means the Guest died.  Reading tells us why. */
1853                 } else if (errno == ENOENT) {
1854                         char reason[1024] = { 0 };
1855                         pread(lguest_fd, reason, sizeof(reason)-1, cpu_id);
1856                         errx(1, "%s", reason);
1857                 /* ERESTART means that we need to reboot the guest */
1858                 } else if (errno == ERESTART) {
1859                         restart_guest();
1860                 /* Anything else means a bug or incompatible change. */
1861                 } else
1862                         err(1, "Running guest failed");
1863         }
1864 }
1865 /*L:240
1866  * This is the end of the Launcher.  The good news: we are over halfway
1867  * through!  The bad news: the most fiendish part of the code still lies ahead
1868  * of us.
1869  *
1870  * Are you ready?  Take a deep breath and join me in the core of the Host, in
1871  * "make Host".
1872 :*/
1873
1874 static struct option opts[] = {
1875         { "verbose", 0, NULL, 'v' },
1876         { "tunnet", 1, NULL, 't' },
1877         { "block", 1, NULL, 'b' },
1878         { "rng", 0, NULL, 'r' },
1879         { "initrd", 1, NULL, 'i' },
1880         { NULL },
1881 };
1882 static void usage(void)
1883 {
1884         errx(1, "Usage: lguest [--verbose] "
1885              "[--tunnet=(<ipaddr>:<macaddr>|bridge:<bridgename>:<macaddr>)\n"
1886              "|--block=<filename>|--initrd=<filename>]...\n"
1887              "<mem-in-mb> vmlinux [args...]");
1888 }
1889
1890 /*L:105 The main routine is where the real work begins: */
1891 int main(int argc, char *argv[])
1892 {
1893         /* Memory, code startpoint and size of the (optional) initrd. */
1894         unsigned long mem = 0, start, initrd_size = 0;
1895         /* Two temporaries. */
1896         int i, c;
1897         /* The boot information for the Guest. */
1898         struct boot_params *boot;
1899         /* If they specify an initrd file to load. */
1900         const char *initrd_name = NULL;
1901
1902         /* Save the args: we "reboot" by execing ourselves again. */
1903         main_args = argv;
1904
1905         /*
1906          * First we initialize the device list.  We keep a pointer to the last
1907          * device, and the next interrupt number to use for devices (1:
1908          * remember that 0 is used by the timer).
1909          */
1910         devices.lastdev = NULL;
1911         devices.next_irq = 1;
1912
1913         /* We're CPU 0.  In fact, that's the only CPU possible right now. */
1914         cpu_id = 0;
1915
1916         /*
1917          * We need to know how much memory so we can set up the device
1918          * descriptor and memory pages for the devices as we parse the command
1919          * line.  So we quickly look through the arguments to find the amount
1920          * of memory now.
1921          */
1922         for (i = 1; i < argc; i++) {
1923                 if (argv[i][0] != '-') {
1924                         mem = atoi(argv[i]) * 1024 * 1024;
1925                         /*
1926                          * We start by mapping anonymous pages over all of
1927                          * guest-physical memory range.  This fills it with 0,
1928                          * and ensures that the Guest won't be killed when it
1929                          * tries to access it.
1930                          */
1931                         guest_base = map_zeroed_pages(mem / getpagesize()
1932                                                       + DEVICE_PAGES);
1933                         guest_limit = mem;
1934                         guest_max = mem + DEVICE_PAGES*getpagesize();
1935                         devices.descpage = get_pages(1);
1936                         break;
1937                 }
1938         }
1939
1940         /* The options are fairly straight-forward */
1941         while ((c = getopt_long(argc, argv, "v", opts, NULL)) != EOF) {
1942                 switch (c) {
1943                 case 'v':
1944                         verbose = true;
1945                         break;
1946                 case 't':
1947                         setup_tun_net(optarg);
1948                         break;
1949                 case 'b':
1950                         setup_block_file(optarg);
1951                         break;
1952                 case 'r':
1953                         setup_rng();
1954                         break;
1955                 case 'i':
1956                         initrd_name = optarg;
1957                         break;
1958                 default:
1959                         warnx("Unknown argument %s", argv[optind]);
1960                         usage();
1961                 }
1962         }
1963         /*
1964          * After the other arguments we expect memory and kernel image name,
1965          * followed by command line arguments for the kernel.
1966          */
1967         if (optind + 2 > argc)
1968                 usage();
1969
1970         verbose("Guest base is at %p\n", guest_base);
1971
1972         /* We always have a console device */
1973         setup_console();
1974
1975         /* Now we load the kernel */
1976         start = load_kernel(open_or_die(argv[optind+1], O_RDONLY));
1977
1978         /* Boot information is stashed at physical address 0 */
1979         boot = from_guest_phys(0);
1980
1981         /* Map the initrd image if requested (at top of physical memory) */
1982         if (initrd_name) {
1983                 initrd_size = load_initrd(initrd_name, mem);
1984                 /*
1985                  * These are the location in the Linux boot header where the
1986                  * start and size of the initrd are expected to be found.
1987                  */
1988                 boot->hdr.ramdisk_image = mem - initrd_size;
1989                 boot->hdr.ramdisk_size = initrd_size;
1990                 /* The bootloader type 0xFF means "unknown"; that's OK. */
1991                 boot->hdr.type_of_loader = 0xFF;
1992         }
1993
1994         /*
1995          * The Linux boot header contains an "E820" memory map: ours is a
1996          * simple, single region.
1997          */
1998         boot->e820_entries = 1;
1999         boot->e820_map[0] = ((struct e820entry) { 0, mem, E820_RAM });
2000         /*
2001          * The boot header contains a command line pointer: we put the command
2002          * line after the boot header.
2003          */
2004         boot->hdr.cmd_line_ptr = to_guest_phys(boot + 1);
2005         /* We use a simple helper to copy the arguments separated by spaces. */
2006         concat((char *)(boot + 1), argv+optind+2);
2007
2008         /* Boot protocol version: 2.07 supports the fields for lguest. */
2009         boot->hdr.version = 0x207;
2010
2011         /* The hardware_subarch value of "1" tells the Guest it's an lguest. */
2012         boot->hdr.hardware_subarch = 1;
2013
2014         /* Tell the entry path not to try to reload segment registers. */
2015         boot->hdr.loadflags |= KEEP_SEGMENTS;
2016
2017         /*
2018          * We tell the kernel to initialize the Guest: this returns the open
2019          * /dev/lguest file descriptor.
2020          */
2021         tell_kernel(start);
2022
2023         /* Ensure that we terminate if a device-servicing child dies. */
2024         signal(SIGCHLD, kill_launcher);
2025
2026         /* If we exit via err(), this kills all the threads, restores tty. */
2027         atexit(cleanup_devices);
2028
2029         /* Finally, run the Guest.  This doesn't return. */
2030         run_guest();
2031 }
2032 /*:*/
2033
2034 /*M:999
2035  * Mastery is done: you now know everything I do.
2036  *
2037  * But surely you have seen code, features and bugs in your wanderings which
2038  * you now yearn to attack?  That is the real game, and I look forward to you
2039  * patching and forking lguest into the Your-Name-Here-visor.
2040  *
2041  * Farewell, and good coding!
2042  * Rusty Russell.
2043  */