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