Merge git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/wim/linux-2.6-watchdog
[pandora-kernel.git] / Documentation / lguest / lguest.c
1 /*P:100 This is the Launcher code, a simple program which lays out the
2  * "physical" memory for the new Guest by mapping the kernel image and the
3  * virtual devices, then reads repeatedly from /dev/lguest to run the Guest.
4 :*/
5 #define _LARGEFILE64_SOURCE
6 #define _GNU_SOURCE
7 #include <stdio.h>
8 #include <string.h>
9 #include <unistd.h>
10 #include <err.h>
11 #include <stdint.h>
12 #include <stdlib.h>
13 #include <elf.h>
14 #include <sys/mman.h>
15 #include <sys/param.h>
16 #include <sys/types.h>
17 #include <sys/stat.h>
18 #include <sys/wait.h>
19 #include <fcntl.h>
20 #include <stdbool.h>
21 #include <errno.h>
22 #include <ctype.h>
23 #include <sys/socket.h>
24 #include <sys/ioctl.h>
25 #include <sys/time.h>
26 #include <time.h>
27 #include <netinet/in.h>
28 #include <net/if.h>
29 #include <linux/sockios.h>
30 #include <linux/if_tun.h>
31 #include <sys/uio.h>
32 #include <termios.h>
33 #include <getopt.h>
34 #include <zlib.h>
35 #include <assert.h>
36 #include <sched.h>
37 /*L:110 We can ignore the 30 include files we need for this program, but I do
38  * want to draw attention to the use of kernel-style types.
39  *
40  * As Linus said, "C is a Spartan language, and so should your naming be."  I
41  * like these abbreviations and the header we need uses them, so we define them
42  * here.
43  */
44 typedef unsigned long long u64;
45 typedef uint32_t u32;
46 typedef uint16_t u16;
47 typedef uint8_t u8;
48 #include "linux/lguest_launcher.h"
49 #include "linux/pci_ids.h"
50 #include "linux/virtio_config.h"
51 #include "linux/virtio_net.h"
52 #include "linux/virtio_blk.h"
53 #include "linux/virtio_console.h"
54 #include "linux/virtio_ring.h"
55 #include "asm-x86/bootparam.h"
56 /*:*/
57
58 #define PAGE_PRESENT 0x7        /* Present, RW, Execute */
59 #define NET_PEERNUM 1
60 #define BRIDGE_PFX "bridge:"
61 #ifndef SIOCBRADDIF
62 #define SIOCBRADDIF     0x89a2          /* add interface to bridge      */
63 #endif
64 /* We can have up to 256 pages for devices. */
65 #define DEVICE_PAGES 256
66 /* This fits nicely in a single 4096-byte page. */
67 #define VIRTQUEUE_NUM 127
68
69 /*L:120 verbose is both a global flag and a macro.  The C preprocessor allows
70  * this, and although I wouldn't recommend it, it works quite nicely here. */
71 static bool verbose;
72 #define verbose(args...) \
73         do { if (verbose) printf(args); } while(0)
74 /*:*/
75
76 /* The pipe to send commands to the waker process */
77 static int waker_fd;
78 /* The pointer to the start of guest memory. */
79 static void *guest_base;
80 /* The maximum guest physical address allowed, and maximum possible. */
81 static unsigned long guest_limit, guest_max;
82
83 /* This is our list of devices. */
84 struct device_list
85 {
86         /* Summary information about the devices in our list: ready to pass to
87          * select() to ask which need servicing.*/
88         fd_set infds;
89         int max_infd;
90
91         /* Counter to assign interrupt numbers. */
92         unsigned int next_irq;
93
94         /* Counter to print out convenient device numbers. */
95         unsigned int device_num;
96
97         /* The descriptor page for the devices. */
98         u8 *descpage;
99
100         /* The tail of the last descriptor. */
101         unsigned int desc_used;
102
103         /* A single linked list of devices. */
104         struct device *dev;
105         /* ... And an end pointer so we can easily append new devices */
106         struct device **lastdev;
107 };
108
109 /* The list of Guest devices, based on command line arguments. */
110 static struct device_list devices;
111
112 /* The device structure describes a single device. */
113 struct device
114 {
115         /* The linked-list pointer. */
116         struct device *next;
117
118         /* The this device's descriptor, as mapped into the Guest. */
119         struct lguest_device_desc *desc;
120
121         /* The name of this device, for --verbose. */
122         const char *name;
123
124         /* If handle_input is set, it wants to be called when this file
125          * descriptor is ready. */
126         int fd;
127         bool (*handle_input)(int fd, struct device *me);
128
129         /* Any queues attached to this device */
130         struct virtqueue *vq;
131
132         /* Device-specific data. */
133         void *priv;
134 };
135
136 /* The virtqueue structure describes a queue attached to a device. */
137 struct virtqueue
138 {
139         struct virtqueue *next;
140
141         /* Which device owns me. */
142         struct device *dev;
143
144         /* The configuration for this queue. */
145         struct lguest_vqconfig config;
146
147         /* The actual ring of buffers. */
148         struct vring vring;
149
150         /* Last available index we saw. */
151         u16 last_avail_idx;
152
153         /* The routine to call when the Guest pings us. */
154         void (*handle_output)(int fd, struct virtqueue *me);
155 };
156
157 /* Since guest is UP and we don't run at the same time, we don't need barriers.
158  * But I include them in the code in case others copy it. */
159 #define wmb()
160
161 /* Convert an iovec element to the given type.
162  *
163  * This is a fairly ugly trick: we need to know the size of the type and
164  * alignment requirement to check the pointer is kosher.  It's also nice to
165  * have the name of the type in case we report failure.
166  *
167  * Typing those three things all the time is cumbersome and error prone, so we
168  * have a macro which sets them all up and passes to the real function. */
169 #define convert(iov, type) \
170         ((type *)_convert((iov), sizeof(type), __alignof__(type), #type))
171
172 static void *_convert(struct iovec *iov, size_t size, size_t align,
173                       const char *name)
174 {
175         if (iov->iov_len != size)
176                 errx(1, "Bad iovec size %zu for %s", iov->iov_len, name);
177         if ((unsigned long)iov->iov_base % align != 0)
178                 errx(1, "Bad alignment %p for %s", iov->iov_base, name);
179         return iov->iov_base;
180 }
181
182 /* The virtio configuration space is defined to be little-endian.  x86 is
183  * little-endian too, but it's nice to be explicit so we have these helpers. */
184 #define cpu_to_le16(v16) (v16)
185 #define cpu_to_le32(v32) (v32)
186 #define cpu_to_le64(v64) (v64)
187 #define le16_to_cpu(v16) (v16)
188 #define le32_to_cpu(v32) (v32)
189 #define le64_to_cpu(v32) (v64)
190
191 /*L:100 The Launcher code itself takes us out into userspace, that scary place
192  * where pointers run wild and free!  Unfortunately, like most userspace
193  * programs, it's quite boring (which is why everyone likes to hack on the
194  * kernel!).  Perhaps if you make up an Lguest Drinking Game at this point, it
195  * will get you through this section.  Or, maybe not.
196  *
197  * The Launcher sets up a big chunk of memory to be the Guest's "physical"
198  * memory and stores it in "guest_base".  In other words, Guest physical ==
199  * Launcher virtual with an offset.
200  *
201  * This can be tough to get your head around, but usually it just means that we
202  * use these trivial conversion functions when the Guest gives us it's
203  * "physical" addresses: */
204 static void *from_guest_phys(unsigned long addr)
205 {
206         return guest_base + addr;
207 }
208
209 static unsigned long to_guest_phys(const void *addr)
210 {
211         return (addr - guest_base);
212 }
213
214 /*L:130
215  * Loading the Kernel.
216  *
217  * We start with couple of simple helper routines.  open_or_die() avoids
218  * error-checking code cluttering the callers: */
219 static int open_or_die(const char *name, int flags)
220 {
221         int fd = open(name, flags);
222         if (fd < 0)
223                 err(1, "Failed to open %s", name);
224         return fd;
225 }
226
227 /* map_zeroed_pages() takes a number of pages. */
228 static void *map_zeroed_pages(unsigned int num)
229 {
230         int fd = open_or_die("/dev/zero", O_RDONLY);
231         void *addr;
232
233         /* We use a private mapping (ie. if we write to the page, it will be
234          * copied). */
235         addr = mmap(NULL, getpagesize() * num,
236                     PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE, fd, 0);
237         if (addr == MAP_FAILED)
238                 err(1, "Mmaping %u pages of /dev/zero", num);
239
240         return addr;
241 }
242
243 /* Get some more pages for a device. */
244 static void *get_pages(unsigned int num)
245 {
246         void *addr = from_guest_phys(guest_limit);
247
248         guest_limit += num * getpagesize();
249         if (guest_limit > guest_max)
250                 errx(1, "Not enough memory for devices");
251         return addr;
252 }
253
254 /* This routine is used to load the kernel or initrd.  It tries mmap, but if
255  * that fails (Plan 9's kernel file isn't nicely aligned on page boundaries),
256  * it falls back to reading the memory in. */
257 static void map_at(int fd, void *addr, unsigned long offset, unsigned long len)
258 {
259         ssize_t r;
260
261         /* We map writable even though for some segments are marked read-only.
262          * The kernel really wants to be writable: it patches its own
263          * instructions.
264          *
265          * MAP_PRIVATE means that the page won't be copied until a write is
266          * done to it.  This allows us to share untouched memory between
267          * Guests. */
268         if (mmap(addr, len, PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC,
269                  MAP_FIXED|MAP_PRIVATE, fd, offset) != MAP_FAILED)
270                 return;
271
272         /* pread does a seek and a read in one shot: saves a few lines. */
273         r = pread(fd, addr, len, offset);
274         if (r != len)
275                 err(1, "Reading offset %lu len %lu gave %zi", offset, len, r);
276 }
277
278 /* This routine takes an open vmlinux image, which is in ELF, and maps it into
279  * the Guest memory.  ELF = Embedded Linking Format, which is the format used
280  * by all modern binaries on Linux including the kernel.
281  *
282  * The ELF headers give *two* addresses: a physical address, and a virtual
283  * address.  We use the physical address; the Guest will map itself to the
284  * virtual address.
285  *
286  * We return the starting address. */
287 static unsigned long map_elf(int elf_fd, const Elf32_Ehdr *ehdr)
288 {
289         Elf32_Phdr phdr[ehdr->e_phnum];
290         unsigned int i;
291
292         /* Sanity checks on the main ELF header: an x86 executable with a
293          * reasonable number of correctly-sized program headers. */
294         if (ehdr->e_type != ET_EXEC
295             || ehdr->e_machine != EM_386
296             || ehdr->e_phentsize != sizeof(Elf32_Phdr)
297             || ehdr->e_phnum < 1 || ehdr->e_phnum > 65536U/sizeof(Elf32_Phdr))
298                 errx(1, "Malformed elf header");
299
300         /* An ELF executable contains an ELF header and a number of "program"
301          * headers which indicate which parts ("segments") of the program to
302          * load where. */
303
304         /* We read in all the program headers at once: */
305         if (lseek(elf_fd, ehdr->e_phoff, SEEK_SET) < 0)
306                 err(1, "Seeking to program headers");
307         if (read(elf_fd, phdr, sizeof(phdr)) != sizeof(phdr))
308                 err(1, "Reading program headers");
309
310         /* Try all the headers: there are usually only three.  A read-only one,
311          * a read-write one, and a "note" section which isn't loadable. */
312         for (i = 0; i < ehdr->e_phnum; i++) {
313                 /* If this isn't a loadable segment, we ignore it */
314                 if (phdr[i].p_type != PT_LOAD)
315                         continue;
316
317                 verbose("Section %i: size %i addr %p\n",
318                         i, phdr[i].p_memsz, (void *)phdr[i].p_paddr);
319
320                 /* We map this section of the file at its physical address. */
321                 map_at(elf_fd, from_guest_phys(phdr[i].p_paddr),
322                        phdr[i].p_offset, phdr[i].p_filesz);
323         }
324
325         /* The entry point is given in the ELF header. */
326         return ehdr->e_entry;
327 }
328
329 /*L:150 A bzImage, unlike an ELF file, is not meant to be loaded.  You're
330  * supposed to jump into it and it will unpack itself.  We used to have to
331  * perform some hairy magic because the unpacking code scared me.
332  *
333  * Fortunately, Jeremy Fitzhardinge convinced me it wasn't that hard and wrote
334  * a small patch to jump over the tricky bits in the Guest, so now we just read
335  * the funky header so we know where in the file to load, and away we go! */
336 static unsigned long load_bzimage(int fd)
337 {
338         struct boot_params boot;
339         int r;
340         /* Modern bzImages get loaded at 1M. */
341         void *p = from_guest_phys(0x100000);
342
343         /* Go back to the start of the file and read the header.  It should be
344          * a Linux boot header (see Documentation/i386/boot.txt) */
345         lseek(fd, 0, SEEK_SET);
346         read(fd, &boot, sizeof(boot));
347
348         /* Inside the setup_hdr, we expect the magic "HdrS" */
349         if (memcmp(&boot.hdr.header, "HdrS", 4) != 0)
350                 errx(1, "This doesn't look like a bzImage to me");
351
352         /* Skip over the extra sectors of the header. */
353         lseek(fd, (boot.hdr.setup_sects+1) * 512, SEEK_SET);
354
355         /* Now read everything into memory. in nice big chunks. */
356         while ((r = read(fd, p, 65536)) > 0)
357                 p += r;
358
359         /* Finally, code32_start tells us where to enter the kernel. */
360         return boot.hdr.code32_start;
361 }
362
363 /*L:140 Loading the kernel is easy when it's a "vmlinux", but most kernels
364  * come wrapped up in the self-decompressing "bzImage" format.  With some funky
365  * coding, we can load those, too. */
366 static unsigned long load_kernel(int fd)
367 {
368         Elf32_Ehdr hdr;
369
370         /* Read in the first few bytes. */
371         if (read(fd, &hdr, sizeof(hdr)) != sizeof(hdr))
372                 err(1, "Reading kernel");
373
374         /* If it's an ELF file, it starts with "\177ELF" */
375         if (memcmp(hdr.e_ident, ELFMAG, SELFMAG) == 0)
376                 return map_elf(fd, &hdr);
377
378         /* Otherwise we assume it's a bzImage, and try to unpack it */
379         return load_bzimage(fd);
380 }
381
382 /* This is a trivial little helper to align pages.  Andi Kleen hated it because
383  * it calls getpagesize() twice: "it's dumb code."
384  *
385  * Kernel guys get really het up about optimization, even when it's not
386  * necessary.  I leave this code as a reaction against that. */
387 static inline unsigned long page_align(unsigned long addr)
388 {
389         /* Add upwards and truncate downwards. */
390         return ((addr + getpagesize()-1) & ~(getpagesize()-1));
391 }
392
393 /*L:180 An "initial ram disk" is a disk image loaded into memory along with
394  * the kernel which the kernel can use to boot from without needing any
395  * drivers.  Most distributions now use this as standard: the initrd contains
396  * the code to load the appropriate driver modules for the current machine.
397  *
398  * Importantly, James Morris works for RedHat, and Fedora uses initrds for its
399  * kernels.  He sent me this (and tells me when I break it). */
400 static unsigned long load_initrd(const char *name, unsigned long mem)
401 {
402         int ifd;
403         struct stat st;
404         unsigned long len;
405
406         ifd = open_or_die(name, O_RDONLY);
407         /* fstat() is needed to get the file size. */
408         if (fstat(ifd, &st) < 0)
409                 err(1, "fstat() on initrd '%s'", name);
410
411         /* We map the initrd at the top of memory, but mmap wants it to be
412          * page-aligned, so we round the size up for that. */
413         len = page_align(st.st_size);
414         map_at(ifd, from_guest_phys(mem - len), 0, st.st_size);
415         /* Once a file is mapped, you can close the file descriptor.  It's a
416          * little odd, but quite useful. */
417         close(ifd);
418         verbose("mapped initrd %s size=%lu @ %p\n", name, len, (void*)mem-len);
419
420         /* We return the initrd size. */
421         return len;
422 }
423
424 /* Once we know how much memory we have, we can construct simple linear page
425  * tables which set virtual == physical which will get the Guest far enough
426  * into the boot to create its own.
427  *
428  * We lay them out of the way, just below the initrd (which is why we need to
429  * know its size). */
430 static unsigned long setup_pagetables(unsigned long mem,
431                                       unsigned long initrd_size)
432 {
433         unsigned long *pgdir, *linear;
434         unsigned int mapped_pages, i, linear_pages;
435         unsigned int ptes_per_page = getpagesize()/sizeof(void *);
436
437         mapped_pages = mem/getpagesize();
438
439         /* Each PTE page can map ptes_per_page pages: how many do we need? */
440         linear_pages = (mapped_pages + ptes_per_page-1)/ptes_per_page;
441
442         /* We put the toplevel page directory page at the top of memory. */
443         pgdir = from_guest_phys(mem) - initrd_size - getpagesize();
444
445         /* Now we use the next linear_pages pages as pte pages */
446         linear = (void *)pgdir - linear_pages*getpagesize();
447
448         /* Linear mapping is easy: put every page's address into the mapping in
449          * order.  PAGE_PRESENT contains the flags Present, Writable and
450          * Executable. */
451         for (i = 0; i < mapped_pages; i++)
452                 linear[i] = ((i * getpagesize()) | PAGE_PRESENT);
453
454         /* The top level points to the linear page table pages above. */
455         for (i = 0; i < mapped_pages; i += ptes_per_page) {
456                 pgdir[i/ptes_per_page]
457                         = ((to_guest_phys(linear) + i*sizeof(void *))
458                            | PAGE_PRESENT);
459         }
460
461         verbose("Linear mapping of %u pages in %u pte pages at %#lx\n",
462                 mapped_pages, linear_pages, to_guest_phys(linear));
463
464         /* We return the top level (guest-physical) address: the kernel needs
465          * to know where it is. */
466         return to_guest_phys(pgdir);
467 }
468
469 /* Simple routine to roll all the commandline arguments together with spaces
470  * between them. */
471 static void concat(char *dst, char *args[])
472 {
473         unsigned int i, len = 0;
474
475         for (i = 0; args[i]; i++) {
476                 strcpy(dst+len, args[i]);
477                 strcat(dst+len, " ");
478                 len += strlen(args[i]) + 1;
479         }
480         /* In case it's empty. */
481         dst[len] = '\0';
482 }
483
484 /* This is where we actually tell the kernel to initialize the Guest.  We saw
485  * the arguments it expects when we looked at initialize() in lguest_user.c:
486  * the base of guest "physical" memory, the top physical page to allow, the
487  * top level pagetable and the entry point for the Guest. */
488 static int tell_kernel(unsigned long pgdir, unsigned long start)
489 {
490         unsigned long args[] = { LHREQ_INITIALIZE,
491                                  (unsigned long)guest_base,
492                                  guest_limit / getpagesize(), pgdir, start };
493         int fd;
494
495         verbose("Guest: %p - %p (%#lx)\n",
496                 guest_base, guest_base + guest_limit, guest_limit);
497         fd = open_or_die("/dev/lguest", O_RDWR);
498         if (write(fd, args, sizeof(args)) < 0)
499                 err(1, "Writing to /dev/lguest");
500
501         /* We return the /dev/lguest file descriptor to control this Guest */
502         return fd;
503 }
504 /*:*/
505
506 static void add_device_fd(int fd)
507 {
508         FD_SET(fd, &devices.infds);
509         if (fd > devices.max_infd)
510                 devices.max_infd = fd;
511 }
512
513 /*L:200
514  * The Waker.
515  *
516  * With a console and network devices, we can have lots of input which we need
517  * to process.  We could try to tell the kernel what file descriptors to watch,
518  * but handing a file descriptor mask through to the kernel is fairly icky.
519  *
520  * Instead, we fork off a process which watches the file descriptors and writes
521  * the LHREQ_BREAK command to the /dev/lguest filedescriptor to tell the Host
522  * loop to stop running the Guest.  This causes it to return from the
523  * /dev/lguest read with -EAGAIN, where it will write to /dev/lguest to reset
524  * the LHREQ_BREAK and wake us up again.
525  *
526  * This, of course, is merely a different *kind* of icky.
527  */
528 static void wake_parent(int pipefd, int lguest_fd)
529 {
530         /* Add the pipe from the Launcher to the fdset in the device_list, so
531          * we watch it, too. */
532         add_device_fd(pipefd);
533
534         for (;;) {
535                 fd_set rfds = devices.infds;
536                 unsigned long args[] = { LHREQ_BREAK, 1 };
537
538                 /* Wait until input is ready from one of the devices. */
539                 select(devices.max_infd+1, &rfds, NULL, NULL, NULL);
540                 /* Is it a message from the Launcher? */
541                 if (FD_ISSET(pipefd, &rfds)) {
542                         int fd;
543                         /* If read() returns 0, it means the Launcher has
544                          * exited.  We silently follow. */
545                         if (read(pipefd, &fd, sizeof(fd)) == 0)
546                                 exit(0);
547                         /* Otherwise it's telling us to change what file
548                          * descriptors we're to listen to. */
549                         if (fd >= 0)
550                                 FD_SET(fd, &devices.infds);
551                         else
552                                 FD_CLR(-fd - 1, &devices.infds);
553                 } else /* Send LHREQ_BREAK command. */
554                         write(lguest_fd, args, sizeof(args));
555         }
556 }
557
558 /* This routine just sets up a pipe to the Waker process. */
559 static int setup_waker(int lguest_fd)
560 {
561         int pipefd[2], child;
562
563         /* We create a pipe to talk to the waker, and also so it knows when the
564          * Launcher dies (and closes pipe). */
565         pipe(pipefd);
566         child = fork();
567         if (child == -1)
568                 err(1, "forking");
569
570         if (child == 0) {
571                 /* Close the "writing" end of our copy of the pipe */
572                 close(pipefd[1]);
573                 wake_parent(pipefd[0], lguest_fd);
574         }
575         /* Close the reading end of our copy of the pipe. */
576         close(pipefd[0]);
577
578         /* Here is the fd used to talk to the waker. */
579         return pipefd[1];
580 }
581
582 /*L:210
583  * Device Handling.
584  *
585  * When the Guest sends DMA to us, it sends us an array of addresses and sizes.
586  * We need to make sure it's not trying to reach into the Launcher itself, so
587  * we have a convenient routine which check it and exits with an error message
588  * if something funny is going on:
589  */
590 static void *_check_pointer(unsigned long addr, unsigned int size,
591                             unsigned int line)
592 {
593         /* We have to separately check addr and addr+size, because size could
594          * be huge and addr + size might wrap around. */
595         if (addr >= guest_limit || addr + size >= guest_limit)
596                 errx(1, "%s:%i: Invalid address %#lx", __FILE__, line, addr);
597         /* We return a pointer for the caller's convenience, now we know it's
598          * safe to use. */
599         return from_guest_phys(addr);
600 }
601 /* A macro which transparently hands the line number to the real function. */
602 #define check_pointer(addr,size) _check_pointer(addr, size, __LINE__)
603
604 /* This function returns the next descriptor in the chain, or vq->vring.num. */
605 static unsigned next_desc(struct virtqueue *vq, unsigned int i)
606 {
607         unsigned int next;
608
609         /* If this descriptor says it doesn't chain, we're done. */
610         if (!(vq->vring.desc[i].flags & VRING_DESC_F_NEXT))
611                 return vq->vring.num;
612
613         /* Check they're not leading us off end of descriptors. */
614         next = vq->vring.desc[i].next;
615         /* Make sure compiler knows to grab that: we don't want it changing! */
616         wmb();
617
618         if (next >= vq->vring.num)
619                 errx(1, "Desc next is %u", next);
620
621         return next;
622 }
623
624 /* This looks in the virtqueue and for the first available buffer, and converts
625  * it to an iovec for convenient access.  Since descriptors consist of some
626  * number of output then some number of input descriptors, it's actually two
627  * iovecs, but we pack them into one and note how many of each there were.
628  *
629  * This function returns the descriptor number found, or vq->vring.num (which
630  * is never a valid descriptor number) if none was found. */
631 static unsigned get_vq_desc(struct virtqueue *vq,
632                             struct iovec iov[],
633                             unsigned int *out_num, unsigned int *in_num)
634 {
635         unsigned int i, head;
636
637         /* Check it isn't doing very strange things with descriptor numbers. */
638         if ((u16)(vq->vring.avail->idx - vq->last_avail_idx) > vq->vring.num)
639                 errx(1, "Guest moved used index from %u to %u",
640                      vq->last_avail_idx, vq->vring.avail->idx);
641
642         /* If there's nothing new since last we looked, return invalid. */
643         if (vq->vring.avail->idx == vq->last_avail_idx)
644                 return vq->vring.num;
645
646         /* Grab the next descriptor number they're advertising, and increment
647          * the index we've seen. */
648         head = vq->vring.avail->ring[vq->last_avail_idx++ % vq->vring.num];
649
650         /* If their number is silly, that's a fatal mistake. */
651         if (head >= vq->vring.num)
652                 errx(1, "Guest says index %u is available", head);
653
654         /* When we start there are none of either input nor output. */
655         *out_num = *in_num = 0;
656
657         i = head;
658         do {
659                 /* Grab the first descriptor, and check it's OK. */
660                 iov[*out_num + *in_num].iov_len = vq->vring.desc[i].len;
661                 iov[*out_num + *in_num].iov_base
662                         = check_pointer(vq->vring.desc[i].addr,
663                                         vq->vring.desc[i].len);
664                 /* If this is an input descriptor, increment that count. */
665                 if (vq->vring.desc[i].flags & VRING_DESC_F_WRITE)
666                         (*in_num)++;
667                 else {
668                         /* If it's an output descriptor, they're all supposed
669                          * to come before any input descriptors. */
670                         if (*in_num)
671                                 errx(1, "Descriptor has out after in");
672                         (*out_num)++;
673                 }
674
675                 /* If we've got too many, that implies a descriptor loop. */
676                 if (*out_num + *in_num > vq->vring.num)
677                         errx(1, "Looped descriptor");
678         } while ((i = next_desc(vq, i)) != vq->vring.num);
679
680         return head;
681 }
682
683 /* Once we've used one of their buffers, we tell them about it.  We'll then
684  * want to send them an interrupt, using trigger_irq(). */
685 static void add_used(struct virtqueue *vq, unsigned int head, int len)
686 {
687         struct vring_used_elem *used;
688
689         /* Get a pointer to the next entry in the used ring. */
690         used = &vq->vring.used->ring[vq->vring.used->idx % vq->vring.num];
691         used->id = head;
692         used->len = len;
693         /* Make sure buffer is written before we update index. */
694         wmb();
695         vq->vring.used->idx++;
696 }
697
698 /* This actually sends the interrupt for this virtqueue */
699 static void trigger_irq(int fd, struct virtqueue *vq)
700 {
701         unsigned long buf[] = { LHREQ_IRQ, vq->config.irq };
702
703         if (vq->vring.avail->flags & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT)
704                 return;
705
706         /* Send the Guest an interrupt tell them we used something up. */
707         if (write(fd, buf, sizeof(buf)) != 0)
708                 err(1, "Triggering irq %i", vq->config.irq);
709 }
710
711 /* And here's the combo meal deal.  Supersize me! */
712 static void add_used_and_trigger(int fd, struct virtqueue *vq,
713                                  unsigned int head, int len)
714 {
715         add_used(vq, head, len);
716         trigger_irq(fd, vq);
717 }
718
719 /* Here is the input terminal setting we save, and the routine to restore them
720  * on exit so the user can see what they type next. */
721 static struct termios orig_term;
722 static void restore_term(void)
723 {
724         tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &orig_term);
725 }
726
727 /* We associate some data with the console for our exit hack. */
728 struct console_abort
729 {
730         /* How many times have they hit ^C? */
731         int count;
732         /* When did they start? */
733         struct timeval start;
734 };
735
736 /* This is the routine which handles console input (ie. stdin). */
737 static bool handle_console_input(int fd, struct device *dev)
738 {
739         int len;
740         unsigned int head, in_num, out_num;
741         struct iovec iov[dev->vq->vring.num];
742         struct console_abort *abort = dev->priv;
743
744         /* First we need a console buffer from the Guests's input virtqueue. */
745         head = get_vq_desc(dev->vq, iov, &out_num, &in_num);
746
747         /* If they're not ready for input, stop listening to this file
748          * descriptor.  We'll start again once they add an input buffer. */
749         if (head == dev->vq->vring.num)
750                 return false;
751
752         if (out_num)
753                 errx(1, "Output buffers in console in queue?");
754
755         /* This is why we convert to iovecs: the readv() call uses them, and so
756          * it reads straight into the Guest's buffer. */
757         len = readv(dev->fd, iov, in_num);
758         if (len <= 0) {
759                 /* This implies that the console is closed, is /dev/null, or
760                  * something went terribly wrong. */
761                 warnx("Failed to get console input, ignoring console.");
762                 /* Put the input terminal back. */
763                 restore_term();
764                 /* Remove callback from input vq, so it doesn't restart us. */
765                 dev->vq->handle_output = NULL;
766                 /* Stop listening to this fd: don't call us again. */
767                 return false;
768         }
769
770         /* Tell the Guest about the new input. */
771         add_used_and_trigger(fd, dev->vq, head, len);
772
773         /* Three ^C within one second?  Exit.
774          *
775          * This is such a hack, but works surprisingly well.  Each ^C has to be
776          * in a buffer by itself, so they can't be too fast.  But we check that
777          * we get three within about a second, so they can't be too slow. */
778         if (len == 1 && ((char *)iov[0].iov_base)[0] == 3) {
779                 if (!abort->count++)
780                         gettimeofday(&abort->start, NULL);
781                 else if (abort->count == 3) {
782                         struct timeval now;
783                         gettimeofday(&now, NULL);
784                         if (now.tv_sec <= abort->start.tv_sec+1) {
785                                 unsigned long args[] = { LHREQ_BREAK, 0 };
786                                 /* Close the fd so Waker will know it has to
787                                  * exit. */
788                                 close(waker_fd);
789                                 /* Just in case waker is blocked in BREAK, send
790                                  * unbreak now. */
791                                 write(fd, args, sizeof(args));
792                                 exit(2);
793                         }
794                         abort->count = 0;
795                 }
796         } else
797                 /* Any other key resets the abort counter. */
798                 abort->count = 0;
799
800         /* Everything went OK! */
801         return true;
802 }
803
804 /* Handling output for console is simple: we just get all the output buffers
805  * and write them to stdout. */
806 static void handle_console_output(int fd, struct virtqueue *vq)
807 {
808         unsigned int head, out, in;
809         int len;
810         struct iovec iov[vq->vring.num];
811
812         /* Keep getting output buffers from the Guest until we run out. */
813         while ((head = get_vq_desc(vq, iov, &out, &in)) != vq->vring.num) {
814                 if (in)
815                         errx(1, "Input buffers in output queue?");
816                 len = writev(STDOUT_FILENO, iov, out);
817                 add_used_and_trigger(fd, vq, head, len);
818         }
819 }
820
821 /* Handling output for network is also simple: we get all the output buffers
822  * and write them (ignoring the first element) to this device's file descriptor
823  * (stdout). */
824 static void handle_net_output(int fd, struct virtqueue *vq)
825 {
826         unsigned int head, out, in;
827         int len;
828         struct iovec iov[vq->vring.num];
829
830         /* Keep getting output buffers from the Guest until we run out. */
831         while ((head = get_vq_desc(vq, iov, &out, &in)) != vq->vring.num) {
832                 if (in)
833                         errx(1, "Input buffers in output queue?");
834                 /* Check header, but otherwise ignore it (we said we supported
835                  * no features). */
836                 (void)convert(&iov[0], struct virtio_net_hdr);
837                 len = writev(vq->dev->fd, iov+1, out-1);
838                 add_used_and_trigger(fd, vq, head, len);
839         }
840 }
841
842 /* This is where we handle a packet coming in from the tun device to our
843  * Guest. */
844 static bool handle_tun_input(int fd, struct device *dev)
845 {
846         unsigned int head, in_num, out_num;
847         int len;
848         struct iovec iov[dev->vq->vring.num];
849         struct virtio_net_hdr *hdr;
850
851         /* First we need a network buffer from the Guests's recv virtqueue. */
852         head = get_vq_desc(dev->vq, iov, &out_num, &in_num);
853         if (head == dev->vq->vring.num) {
854                 /* Now, it's expected that if we try to send a packet too
855                  * early, the Guest won't be ready yet.  Wait until the device
856                  * status says it's ready. */
857                 /* FIXME: Actually want DRIVER_ACTIVE here. */
858                 if (dev->desc->status & VIRTIO_CONFIG_S_DRIVER_OK)
859                         warn("network: no dma buffer!");
860                 /* We'll turn this back on if input buffers are registered. */
861                 return false;
862         } else if (out_num)
863                 errx(1, "Output buffers in network recv queue?");
864
865         /* First element is the header: we set it to 0 (no features). */
866         hdr = convert(&iov[0], struct virtio_net_hdr);
867         hdr->flags = 0;
868         hdr->gso_type = VIRTIO_NET_HDR_GSO_NONE;
869
870         /* Read the packet from the device directly into the Guest's buffer. */
871         len = readv(dev->fd, iov+1, in_num-1);
872         if (len <= 0)
873                 err(1, "reading network");
874
875         /* Tell the Guest about the new packet. */
876         add_used_and_trigger(fd, dev->vq, head, sizeof(*hdr) + len);
877
878         verbose("tun input packet len %i [%02x %02x] (%s)\n", len,
879                 ((u8 *)iov[1].iov_base)[0], ((u8 *)iov[1].iov_base)[1],
880                 head != dev->vq->vring.num ? "sent" : "discarded");
881
882         /* All good. */
883         return true;
884 }
885
886 /* This callback ensures we try again, in case we stopped console or net
887  * delivery because Guest didn't have any buffers. */
888 static void enable_fd(int fd, struct virtqueue *vq)
889 {
890         add_device_fd(vq->dev->fd);
891         /* Tell waker to listen to it again */
892         write(waker_fd, &vq->dev->fd, sizeof(vq->dev->fd));
893 }
894
895 /* This is the generic routine we call when the Guest uses LHCALL_NOTIFY. */
896 static void handle_output(int fd, unsigned long addr)
897 {
898         struct device *i;
899         struct virtqueue *vq;
900
901         /* Check each virtqueue. */
902         for (i = devices.dev; i; i = i->next) {
903                 for (vq = i->vq; vq; vq = vq->next) {
904                         if (vq->config.pfn == addr/getpagesize()
905                             && vq->handle_output) {
906                                 verbose("Output to %s\n", vq->dev->name);
907                                 vq->handle_output(fd, vq);
908                                 return;
909                         }
910                 }
911         }
912
913         /* Early console write is done using notify on a nul-terminated string
914          * in Guest memory. */
915         if (addr >= guest_limit)
916                 errx(1, "Bad NOTIFY %#lx", addr);
917
918         write(STDOUT_FILENO, from_guest_phys(addr),
919               strnlen(from_guest_phys(addr), guest_limit - addr));
920 }
921
922 /* This is called when the waker wakes us up: check for incoming file
923  * descriptors. */
924 static void handle_input(int fd)
925 {
926         /* select() wants a zeroed timeval to mean "don't wait". */
927         struct timeval poll = { .tv_sec = 0, .tv_usec = 0 };
928
929         for (;;) {
930                 struct device *i;
931                 fd_set fds = devices.infds;
932
933                 /* If nothing is ready, we're done. */
934                 if (select(devices.max_infd+1, &fds, NULL, NULL, &poll) == 0)
935                         break;
936
937                 /* Otherwise, call the device(s) which have readable
938                  * file descriptors and a method of handling them.  */
939                 for (i = devices.dev; i; i = i->next) {
940                         if (i->handle_input && FD_ISSET(i->fd, &fds)) {
941                                 int dev_fd;
942                                 if (i->handle_input(fd, i))
943                                         continue;
944
945                                 /* If handle_input() returns false, it means we
946                                  * should no longer service it.  Networking and
947                                  * console do this when there's no input
948                                  * buffers to deliver into.  Console also uses
949                                  * it when it discovers that stdin is
950                                  * closed. */
951                                 FD_CLR(i->fd, &devices.infds);
952                                 /* Tell waker to ignore it too, by sending a
953                                  * negative fd number (-1, since 0 is a valid
954                                  * FD number). */
955                                 dev_fd = -i->fd - 1;
956                                 write(waker_fd, &dev_fd, sizeof(dev_fd));
957                         }
958                 }
959         }
960 }
961
962 /*L:190
963  * Device Setup
964  *
965  * All devices need a descriptor so the Guest knows it exists, and a "struct
966  * device" so the Launcher can keep track of it.  We have common helper
967  * routines to allocate them.
968  *
969  * This routine allocates a new "struct lguest_device_desc" from descriptor
970  * table just above the Guest's normal memory.  It returns a pointer to that
971  * descriptor. */
972 static struct lguest_device_desc *new_dev_desc(u16 type)
973 {
974         struct lguest_device_desc *d;
975
976         /* We only have one page for all the descriptors. */
977         if (devices.desc_used + sizeof(*d) > getpagesize())
978                 errx(1, "Too many devices");
979
980         /* We don't need to set config_len or status: page is 0 already. */
981         d = (void *)devices.descpage + devices.desc_used;
982         d->type = type;
983         devices.desc_used += sizeof(*d);
984
985         return d;
986 }
987
988 /* Each device descriptor is followed by some configuration information.
989  * The first byte is a "status" byte for the Guest to report what's happening.
990  * After that are fields: u8 type, u8 len, [... len bytes...].
991  *
992  * This routine adds a new field to an existing device's descriptor.  It only
993  * works for the last device, but that's OK because that's how we use it. */
994 static void add_desc_field(struct device *dev, u8 type, u8 len, const void *c)
995 {
996         /* This is the last descriptor, right? */
997         assert(devices.descpage + devices.desc_used
998                == (u8 *)(dev->desc + 1) + dev->desc->config_len);
999
1000         /* We only have one page of device descriptions. */
1001         if (devices.desc_used + 2 + len > getpagesize())
1002                 errx(1, "Too many devices");
1003
1004         /* Copy in the new config header: type then length. */
1005         devices.descpage[devices.desc_used++] = type;
1006         devices.descpage[devices.desc_used++] = len;
1007         memcpy(devices.descpage + devices.desc_used, c, len);
1008         devices.desc_used += len;
1009
1010         /* Update the device descriptor length: two byte head then data. */
1011         dev->desc->config_len += 2 + len;
1012 }
1013
1014 /* This routine adds a virtqueue to a device.  We specify how many descriptors
1015  * the virtqueue is to have. */
1016 static void add_virtqueue(struct device *dev, unsigned int num_descs,
1017                           void (*handle_output)(int fd, struct virtqueue *me))
1018 {
1019         unsigned int pages;
1020         struct virtqueue **i, *vq = malloc(sizeof(*vq));
1021         void *p;
1022
1023         /* First we need some pages for this virtqueue. */
1024         pages = (vring_size(num_descs) + getpagesize() - 1) / getpagesize();
1025         p = get_pages(pages);
1026
1027         /* Initialize the configuration. */
1028         vq->config.num = num_descs;
1029         vq->config.irq = devices.next_irq++;
1030         vq->config.pfn = to_guest_phys(p) / getpagesize();
1031
1032         /* Initialize the vring. */
1033         vring_init(&vq->vring, num_descs, p);
1034
1035         /* Add the configuration information to this device's descriptor. */
1036         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_F_VIRTQUEUE,
1037                        sizeof(vq->config), &vq->config);
1038
1039         /* Add to tail of list, so dev->vq is first vq, dev->vq->next is
1040          * second.  */
1041         for (i = &dev->vq; *i; i = &(*i)->next);
1042         *i = vq;
1043
1044         /* Link virtqueue back to device. */
1045         vq->dev = dev;
1046
1047         /* Set up handler. */
1048         vq->handle_output = handle_output;
1049         if (!handle_output)
1050                 vq->vring.used->flags = VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
1051 }
1052
1053 /* This routine does all the creation and setup of a new device, including
1054  * caling new_dev_desc() to allocate the descriptor and device memory. */
1055 static struct device *new_device(const char *name, u16 type, int fd,
1056                                  bool (*handle_input)(int, struct device *))
1057 {
1058         struct device *dev = malloc(sizeof(*dev));
1059
1060         /* Append to device list.  Prepending to a single-linked list is
1061          * easier, but the user expects the devices to be arranged on the bus
1062          * in command-line order.  The first network device on the command line
1063          * is eth0, the first block device /dev/lgba, etc. */
1064         *devices.lastdev = dev;
1065         dev->next = NULL;
1066         devices.lastdev = &dev->next;
1067
1068         /* Now we populate the fields one at a time. */
1069         dev->fd = fd;
1070         /* If we have an input handler for this file descriptor, then we add it
1071          * to the device_list's fdset and maxfd. */
1072         if (handle_input)
1073                 add_device_fd(dev->fd);
1074         dev->desc = new_dev_desc(type);
1075         dev->handle_input = handle_input;
1076         dev->name = name;
1077         return dev;
1078 }
1079
1080 /* Our first setup routine is the console.  It's a fairly simple device, but
1081  * UNIX tty handling makes it uglier than it could be. */
1082 static void setup_console(void)
1083 {
1084         struct device *dev;
1085
1086         /* If we can save the initial standard input settings... */
1087         if (tcgetattr(STDIN_FILENO, &orig_term) == 0) {
1088                 struct termios term = orig_term;
1089                 /* Then we turn off echo, line buffering and ^C etc.  We want a
1090                  * raw input stream to the Guest. */
1091                 term.c_lflag &= ~(ISIG|ICANON|ECHO);
1092                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &term);
1093                 /* If we exit gracefully, the original settings will be
1094                  * restored so the user can see what they're typing. */
1095                 atexit(restore_term);
1096         }
1097
1098         dev = new_device("console", VIRTIO_ID_CONSOLE,
1099                          STDIN_FILENO, handle_console_input);
1100         /* We store the console state in dev->priv, and initialize it. */
1101         dev->priv = malloc(sizeof(struct console_abort));
1102         ((struct console_abort *)dev->priv)->count = 0;
1103
1104         /* The console needs two virtqueues: the input then the output.  When
1105          * they put something the input queue, we make sure we're listening to
1106          * stdin.  When they put something in the output queue, we write it to
1107          * stdout.  */
1108         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, enable_fd);
1109         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, handle_console_output);
1110
1111         verbose("device %u: console\n", devices.device_num++);
1112 }
1113 /*:*/
1114
1115 /*M:010 Inter-guest networking is an interesting area.  Simplest is to have a
1116  * --sharenet=<name> option which opens or creates a named pipe.  This can be
1117  * used to send packets to another guest in a 1:1 manner.
1118  *
1119  * More sopisticated is to use one of the tools developed for project like UML
1120  * to do networking.
1121  *
1122  * Faster is to do virtio bonding in kernel.  Doing this 1:1 would be
1123  * completely generic ("here's my vring, attach to your vring") and would work
1124  * for any traffic.  Of course, namespace and permissions issues need to be
1125  * dealt with.  A more sophisticated "multi-channel" virtio_net.c could hide
1126  * multiple inter-guest channels behind one interface, although it would
1127  * require some manner of hotplugging new virtio channels.
1128  *
1129  * Finally, we could implement a virtio network switch in the kernel. :*/
1130
1131 static u32 str2ip(const char *ipaddr)
1132 {
1133         unsigned int byte[4];
1134
1135         sscanf(ipaddr, "%u.%u.%u.%u", &byte[0], &byte[1], &byte[2], &byte[3]);
1136         return (byte[0] << 24) | (byte[1] << 16) | (byte[2] << 8) | byte[3];
1137 }
1138
1139 /* This code is "adapted" from libbridge: it attaches the Host end of the
1140  * network device to the bridge device specified by the command line.
1141  *
1142  * This is yet another James Morris contribution (I'm an IP-level guy, so I
1143  * dislike bridging), and I just try not to break it. */
1144 static void add_to_bridge(int fd, const char *if_name, const char *br_name)
1145 {
1146         int ifidx;
1147         struct ifreq ifr;
1148
1149         if (!*br_name)
1150                 errx(1, "must specify bridge name");
1151
1152         ifidx = if_nametoindex(if_name);
1153         if (!ifidx)
1154                 errx(1, "interface %s does not exist!", if_name);
1155
1156         strncpy(ifr.ifr_name, br_name, IFNAMSIZ);
1157         ifr.ifr_ifindex = ifidx;
1158         if (ioctl(fd, SIOCBRADDIF, &ifr) < 0)
1159                 err(1, "can't add %s to bridge %s", if_name, br_name);
1160 }
1161
1162 /* This sets up the Host end of the network device with an IP address, brings
1163  * it up so packets will flow, the copies the MAC address into the hwaddr
1164  * pointer. */
1165 static void configure_device(int fd, const char *devname, u32 ipaddr,
1166                              unsigned char hwaddr[6])
1167 {
1168         struct ifreq ifr;
1169         struct sockaddr_in *sin = (struct sockaddr_in *)&ifr.ifr_addr;
1170
1171         /* Don't read these incantations.  Just cut & paste them like I did! */
1172         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
1173         strcpy(ifr.ifr_name, devname);
1174         sin->sin_family = AF_INET;
1175         sin->sin_addr.s_addr = htonl(ipaddr);
1176         if (ioctl(fd, SIOCSIFADDR, &ifr) != 0)
1177                 err(1, "Setting %s interface address", devname);
1178         ifr.ifr_flags = IFF_UP;
1179         if (ioctl(fd, SIOCSIFFLAGS, &ifr) != 0)
1180                 err(1, "Bringing interface %s up", devname);
1181
1182         /* SIOC stands for Socket I/O Control.  G means Get (vs S for Set
1183          * above).  IF means Interface, and HWADDR is hardware address.
1184          * Simple! */
1185         if (ioctl(fd, SIOCGIFHWADDR, &ifr) != 0)
1186                 err(1, "getting hw address for %s", devname);
1187         memcpy(hwaddr, ifr.ifr_hwaddr.sa_data, 6);
1188 }
1189
1190 /*L:195 Our network is a Host<->Guest network.  This can either use bridging or
1191  * routing, but the principle is the same: it uses the "tun" device to inject
1192  * packets into the Host as if they came in from a normal network card.  We
1193  * just shunt packets between the Guest and the tun device. */
1194 static void setup_tun_net(const char *arg)
1195 {
1196         struct device *dev;
1197         struct ifreq ifr;
1198         int netfd, ipfd;
1199         u32 ip;
1200         const char *br_name = NULL;
1201         u8 hwaddr[6];
1202
1203         /* We open the /dev/net/tun device and tell it we want a tap device.  A
1204          * tap device is like a tun device, only somehow different.  To tell
1205          * the truth, I completely blundered my way through this code, but it
1206          * works now! */
1207         netfd = open_or_die("/dev/net/tun", O_RDWR);
1208         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
1209         ifr.ifr_flags = IFF_TAP | IFF_NO_PI;
1210         strcpy(ifr.ifr_name, "tap%d");
1211         if (ioctl(netfd, TUNSETIFF, &ifr) != 0)
1212                 err(1, "configuring /dev/net/tun");
1213         /* We don't need checksums calculated for packets coming in this
1214          * device: trust us! */
1215         ioctl(netfd, TUNSETNOCSUM, 1);
1216
1217         /* First we create a new network device. */
1218         dev = new_device("net", VIRTIO_ID_NET, netfd, handle_tun_input);
1219
1220         /* Network devices need a receive and a send queue, just like
1221          * console. */
1222         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, enable_fd);
1223         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, handle_net_output);
1224
1225         /* We need a socket to perform the magic network ioctls to bring up the
1226          * tap interface, connect to the bridge etc.  Any socket will do! */
1227         ipfd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_IP);
1228         if (ipfd < 0)
1229                 err(1, "opening IP socket");
1230
1231         /* If the command line was --tunnet=bridge:<name> do bridging. */
1232         if (!strncmp(BRIDGE_PFX, arg, strlen(BRIDGE_PFX))) {
1233                 ip = INADDR_ANY;
1234                 br_name = arg + strlen(BRIDGE_PFX);
1235                 add_to_bridge(ipfd, ifr.ifr_name, br_name);
1236         } else /* It is an IP address to set up the device with */
1237                 ip = str2ip(arg);
1238
1239         /* Set up the tun device, and get the mac address for the interface. */
1240         configure_device(ipfd, ifr.ifr_name, ip, hwaddr);
1241
1242         /* Tell Guest what MAC address to use. */
1243         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_NET_MAC_F, sizeof(hwaddr), hwaddr);
1244
1245         /* We don't seed the socket any more; setup is done. */
1246         close(ipfd);
1247
1248         verbose("device %u: tun net %u.%u.%u.%u\n",
1249                 devices.device_num++,
1250                 (u8)(ip>>24),(u8)(ip>>16),(u8)(ip>>8),(u8)ip);
1251         if (br_name)
1252                 verbose("attached to bridge: %s\n", br_name);
1253 }
1254
1255
1256 /*
1257  * Block device.
1258  *
1259  * Serving a block device is really easy: the Guest asks for a block number and
1260  * we read or write that position in the file.
1261  *
1262  * Unfortunately, this is amazingly slow: the Guest waits until the read is
1263  * finished before running anything else, even if it could be doing useful
1264  * work.  We could use async I/O, except it's reputed to suck so hard that
1265  * characters actually go missing from your code when you try to use it.
1266  *
1267  * So we farm the I/O out to thread, and communicate with it via a pipe. */
1268
1269 /* This hangs off device->priv, with the data. */
1270 struct vblk_info
1271 {
1272         /* The size of the file. */
1273         off64_t len;
1274
1275         /* The file descriptor for the file. */
1276         int fd;
1277
1278         /* IO thread listens on this file descriptor [0]. */
1279         int workpipe[2];
1280
1281         /* IO thread writes to this file descriptor to mark it done, then
1282          * Launcher triggers interrupt to Guest. */
1283         int done_fd;
1284 };
1285
1286 /* This is the core of the I/O thread.  It returns true if it did something. */
1287 static bool service_io(struct device *dev)
1288 {
1289         struct vblk_info *vblk = dev->priv;
1290         unsigned int head, out_num, in_num, wlen;
1291         int ret;
1292         struct virtio_blk_inhdr *in;
1293         struct virtio_blk_outhdr *out;
1294         struct iovec iov[dev->vq->vring.num];
1295         off64_t off;
1296
1297         head = get_vq_desc(dev->vq, iov, &out_num, &in_num);
1298         if (head == dev->vq->vring.num)
1299                 return false;
1300
1301         if (out_num == 0 || in_num == 0)
1302                 errx(1, "Bad virtblk cmd %u out=%u in=%u",
1303                      head, out_num, in_num);
1304
1305         out = convert(&iov[0], struct virtio_blk_outhdr);
1306         in = convert(&iov[out_num+in_num-1], struct virtio_blk_inhdr);
1307         off = out->sector * 512;
1308
1309         /* This is how we implement barriers.  Pretty poor, no? */
1310         if (out->type & VIRTIO_BLK_T_BARRIER)
1311                 fdatasync(vblk->fd);
1312
1313         if (out->type & VIRTIO_BLK_T_SCSI_CMD) {
1314                 fprintf(stderr, "Scsi commands unsupported\n");
1315                 in->status = VIRTIO_BLK_S_UNSUPP;
1316                 wlen = sizeof(in);
1317         } else if (out->type & VIRTIO_BLK_T_OUT) {
1318                 /* Write */
1319
1320                 /* Move to the right location in the block file.  This can fail
1321                  * if they try to write past end. */
1322                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
1323                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out->sector);
1324
1325                 ret = writev(vblk->fd, iov+1, out_num-1);
1326                 verbose("WRITE to sector %llu: %i\n", out->sector, ret);
1327
1328                 /* Grr... Now we know how long the descriptor they sent was, we
1329                  * make sure they didn't try to write over the end of the block
1330                  * file (possibly extending it). */
1331                 if (ret > 0 && off + ret > vblk->len) {
1332                         /* Trim it back to the correct length */
1333                         ftruncate64(vblk->fd, vblk->len);
1334                         /* Die, bad Guest, die. */
1335                         errx(1, "Write past end %llu+%u", off, ret);
1336                 }
1337                 wlen = sizeof(in);
1338                 in->status = (ret >= 0 ? VIRTIO_BLK_S_OK : VIRTIO_BLK_S_IOERR);
1339         } else {
1340                 /* Read */
1341
1342                 /* Move to the right location in the block file.  This can fail
1343                  * if they try to read past end. */
1344                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
1345                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out->sector);
1346
1347                 ret = readv(vblk->fd, iov+1, in_num-1);
1348                 verbose("READ from sector %llu: %i\n", out->sector, ret);
1349                 if (ret >= 0) {
1350                         wlen = sizeof(in) + ret;
1351                         in->status = VIRTIO_BLK_S_OK;
1352                 } else {
1353                         wlen = sizeof(in);
1354                         in->status = VIRTIO_BLK_S_IOERR;
1355                 }
1356         }
1357
1358         /* We can't trigger an IRQ, because we're not the Launcher.  It does
1359          * that when we tell it we're done. */
1360         add_used(dev->vq, head, wlen);
1361         return true;
1362 }
1363
1364 /* This is the thread which actually services the I/O. */
1365 static int io_thread(void *_dev)
1366 {
1367         struct device *dev = _dev;
1368         struct vblk_info *vblk = dev->priv;
1369         char c;
1370
1371         /* Close other side of workpipe so we get 0 read when main dies. */
1372         close(vblk->workpipe[1]);
1373         /* Close the other side of the done_fd pipe. */
1374         close(dev->fd);
1375
1376         /* When this read fails, it means Launcher died, so we follow. */
1377         while (read(vblk->workpipe[0], &c, 1) == 1) {
1378                 /* We acknowledge each request immediately, to reduce latency,
1379                  * rather than waiting until we've done them all.  I haven't
1380                  * measured to see if it makes any difference. */
1381                 while (service_io(dev))
1382                         write(vblk->done_fd, &c, 1);
1383         }
1384         return 0;
1385 }
1386
1387 /* When the thread says some I/O is done, we interrupt the Guest. */
1388 static bool handle_io_finish(int fd, struct device *dev)
1389 {
1390         char c;
1391
1392         /* If child died, presumably it printed message. */
1393         if (read(dev->fd, &c, 1) != 1)
1394                 exit(1);
1395
1396         /* It did some work, so trigger the irq. */
1397         trigger_irq(fd, dev->vq);
1398         return true;
1399 }
1400
1401 /* When the Guest submits some I/O, we wake the I/O thread. */
1402 static void handle_virtblk_output(int fd, struct virtqueue *vq)
1403 {
1404         struct vblk_info *vblk = vq->dev->priv;
1405         char c = 0;
1406
1407         /* Wake up I/O thread and tell it to go to work! */
1408         if (write(vblk->workpipe[1], &c, 1) != 1)
1409                 /* Presumably it indicated why it died. */
1410                 exit(1);
1411 }
1412
1413 /* This creates a virtual block device. */
1414 static void setup_block_file(const char *filename)
1415 {
1416         int p[2];
1417         struct device *dev;
1418         struct vblk_info *vblk;
1419         void *stack;
1420         u64 cap;
1421         unsigned int val;
1422
1423         /* This is the pipe the I/O thread will use to tell us I/O is done. */
1424         pipe(p);
1425
1426         /* The device responds to return from I/O thread. */
1427         dev = new_device("block", VIRTIO_ID_BLOCK, p[0], handle_io_finish);
1428
1429         /* The device has a virtqueue. */
1430         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, handle_virtblk_output);
1431
1432         /* Allocate the room for our own bookkeeping */
1433         vblk = dev->priv = malloc(sizeof(*vblk));
1434
1435         /* First we open the file and store the length. */
1436         vblk->fd = open_or_die(filename, O_RDWR|O_LARGEFILE);
1437         vblk->len = lseek64(vblk->fd, 0, SEEK_END);
1438
1439         /* Tell Guest how many sectors this device has. */
1440         cap = cpu_to_le64(vblk->len / 512);
1441         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_BLK_F_CAPACITY, sizeof(cap), &cap);
1442
1443         /* Tell Guest not to put in too many descriptors at once: two are used
1444          * for the in and out elements. */
1445         val = cpu_to_le32(VIRTQUEUE_NUM - 2);
1446         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_BLK_F_SEG_MAX, sizeof(val), &val);
1447
1448         /* The I/O thread writes to this end of the pipe when done. */
1449         vblk->done_fd = p[1];
1450
1451         /* This is how we tell the I/O thread about more work. */
1452         pipe(vblk->workpipe);
1453
1454         /* Create stack for thread and run it */
1455         stack = malloc(32768);
1456         if (clone(io_thread, stack + 32768, CLONE_VM, dev) == -1)
1457                 err(1, "Creating clone");
1458
1459         /* We don't need to keep the I/O thread's end of the pipes open. */
1460         close(vblk->done_fd);
1461         close(vblk->workpipe[0]);
1462
1463         verbose("device %u: virtblock %llu sectors\n",
1464                 devices.device_num, cap);
1465 }
1466 /* That's the end of device setup. */
1467
1468 /*L:220 Finally we reach the core of the Launcher, which runs the Guest, serves
1469  * its input and output, and finally, lays it to rest. */
1470 static void __attribute__((noreturn)) run_guest(int lguest_fd)
1471 {
1472         for (;;) {
1473                 unsigned long args[] = { LHREQ_BREAK, 0 };
1474                 unsigned long notify_addr;
1475                 int readval;
1476
1477                 /* We read from the /dev/lguest device to run the Guest. */
1478                 readval = read(lguest_fd, &notify_addr, sizeof(notify_addr));
1479
1480                 /* One unsigned long means the Guest did HCALL_NOTIFY */
1481                 if (readval == sizeof(notify_addr)) {
1482                         verbose("Notify on address %#lx\n", notify_addr);
1483                         handle_output(lguest_fd, notify_addr);
1484                         continue;
1485                 /* ENOENT means the Guest died.  Reading tells us why. */
1486                 } else if (errno == ENOENT) {
1487                         char reason[1024] = { 0 };
1488                         read(lguest_fd, reason, sizeof(reason)-1);
1489                         errx(1, "%s", reason);
1490                 /* EAGAIN means the waker wanted us to look at some input.
1491                  * Anything else means a bug or incompatible change. */
1492                 } else if (errno != EAGAIN)
1493                         err(1, "Running guest failed");
1494
1495                 /* Service input, then unset the BREAK which releases
1496                  * the Waker. */
1497                 handle_input(lguest_fd);
1498                 if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
1499                         err(1, "Resetting break");
1500         }
1501 }
1502 /*
1503  * This is the end of the Launcher.
1504  *
1505  * But wait!  We've seen I/O from the Launcher, and we've seen I/O from the
1506  * Drivers.  If we were to see the Host kernel I/O code, our understanding
1507  * would be complete... :*/
1508
1509 static struct option opts[] = {
1510         { "verbose", 0, NULL, 'v' },
1511         { "tunnet", 1, NULL, 't' },
1512         { "block", 1, NULL, 'b' },
1513         { "initrd", 1, NULL, 'i' },
1514         { NULL },
1515 };
1516 static void usage(void)
1517 {
1518         errx(1, "Usage: lguest [--verbose] "
1519              "[--tunnet=(<ipaddr>|bridge:<bridgename>)\n"
1520              "|--block=<filename>|--initrd=<filename>]...\n"
1521              "<mem-in-mb> vmlinux [args...]");
1522 }
1523
1524 /*L:105 The main routine is where the real work begins: */
1525 int main(int argc, char *argv[])
1526 {
1527         /* Memory, top-level pagetable, code startpoint and size of the
1528          * (optional) initrd. */
1529         unsigned long mem = 0, pgdir, start, initrd_size = 0;
1530         /* A temporary and the /dev/lguest file descriptor. */
1531         int i, c, lguest_fd;
1532         /* The boot information for the Guest. */
1533         struct boot_params *boot;
1534         /* If they specify an initrd file to load. */
1535         const char *initrd_name = NULL;
1536
1537         /* First we initialize the device list.  Since console and network
1538          * device receive input from a file descriptor, we keep an fdset
1539          * (infds) and the maximum fd number (max_infd) with the head of the
1540          * list.  We also keep a pointer to the last device, for easy appending
1541          * to the list.  Finally, we keep the next interrupt number to hand out
1542          * (1: remember that 0 is used by the timer). */
1543         FD_ZERO(&devices.infds);
1544         devices.max_infd = -1;
1545         devices.lastdev = &devices.dev;
1546         devices.next_irq = 1;
1547
1548         /* We need to know how much memory so we can set up the device
1549          * descriptor and memory pages for the devices as we parse the command
1550          * line.  So we quickly look through the arguments to find the amount
1551          * of memory now. */
1552         for (i = 1; i < argc; i++) {
1553                 if (argv[i][0] != '-') {
1554                         mem = atoi(argv[i]) * 1024 * 1024;
1555                         /* We start by mapping anonymous pages over all of
1556                          * guest-physical memory range.  This fills it with 0,
1557                          * and ensures that the Guest won't be killed when it
1558                          * tries to access it. */
1559                         guest_base = map_zeroed_pages(mem / getpagesize()
1560                                                       + DEVICE_PAGES);
1561                         guest_limit = mem;
1562                         guest_max = mem + DEVICE_PAGES*getpagesize();
1563                         devices.descpage = get_pages(1);
1564                         break;
1565                 }
1566         }
1567
1568         /* The options are fairly straight-forward */
1569         while ((c = getopt_long(argc, argv, "v", opts, NULL)) != EOF) {
1570                 switch (c) {
1571                 case 'v':
1572                         verbose = true;
1573                         break;
1574                 case 't':
1575                         setup_tun_net(optarg);
1576                         break;
1577                 case 'b':
1578                         setup_block_file(optarg);
1579                         break;
1580                 case 'i':
1581                         initrd_name = optarg;
1582                         break;
1583                 default:
1584                         warnx("Unknown argument %s", argv[optind]);
1585                         usage();
1586                 }
1587         }
1588         /* After the other arguments we expect memory and kernel image name,
1589          * followed by command line arguments for the kernel. */
1590         if (optind + 2 > argc)
1591                 usage();
1592
1593         verbose("Guest base is at %p\n", guest_base);
1594
1595         /* We always have a console device */
1596         setup_console();
1597
1598         /* Now we load the kernel */
1599         start = load_kernel(open_or_die(argv[optind+1], O_RDONLY));
1600
1601         /* Boot information is stashed at physical address 0 */
1602         boot = from_guest_phys(0);
1603
1604         /* Map the initrd image if requested (at top of physical memory) */
1605         if (initrd_name) {
1606                 initrd_size = load_initrd(initrd_name, mem);
1607                 /* These are the location in the Linux boot header where the
1608                  * start and size of the initrd are expected to be found. */
1609                 boot->hdr.ramdisk_image = mem - initrd_size;
1610                 boot->hdr.ramdisk_size = initrd_size;
1611                 /* The bootloader type 0xFF means "unknown"; that's OK. */
1612                 boot->hdr.type_of_loader = 0xFF;
1613         }
1614
1615         /* Set up the initial linear pagetables, starting below the initrd. */
1616         pgdir = setup_pagetables(mem, initrd_size);
1617
1618         /* The Linux boot header contains an "E820" memory map: ours is a
1619          * simple, single region. */
1620         boot->e820_entries = 1;
1621         boot->e820_map[0] = ((struct e820entry) { 0, mem, E820_RAM });
1622         /* The boot header contains a command line pointer: we put the command
1623          * line after the boot header. */
1624         boot->hdr.cmd_line_ptr = to_guest_phys(boot + 1);
1625         concat((char *)(boot + 1), argv+optind+2);
1626
1627         /* Boot protocol version: 2.07 supports the fields for lguest. */
1628         boot->hdr.version = 0x207;
1629
1630         /* The hardware_subarch value of "1" tells the Guest it's an lguest. */
1631         boot->hdr.hardware_subarch = 1;
1632
1633         /* Tell the entry path not to try to reload segment registers. */
1634         boot->hdr.loadflags |= KEEP_SEGMENTS;
1635
1636         /* We tell the kernel to initialize the Guest: this returns the open
1637          * /dev/lguest file descriptor. */
1638         lguest_fd = tell_kernel(pgdir, start);
1639
1640         /* We fork off a child process, which wakes the Launcher whenever one
1641          * of the input file descriptors needs attention.  Otherwise we would
1642          * run the Guest until it tries to output something. */
1643         waker_fd = setup_waker(lguest_fd);
1644
1645         /* Finally, run the Guest.  This doesn't return. */
1646         run_guest(lguest_fd);
1647 }
1648 /*:*/
1649
1650 /*M:999
1651  * Mastery is done: you now know everything I do.
1652  *
1653  * But surely you have seen code, features and bugs in your wanderings which
1654  * you now yearn to attack?  That is the real game, and I look forward to you
1655  * patching and forking lguest into the Your-Name-Here-visor.
1656  *
1657  * Farewell, and good coding!
1658  * Rusty Russell.
1659  */