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