]> www.pilppa.org Git - linux-2.6-omap-h63xx.git/blob - Documentation/lguest/lguest.c
Loading bzImage directly.
[linux-2.6-omap-h63xx.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/e820.h"
56 /*:*/
57
58 #define PAGE_PRESENT 0x7        /* Present, RW, Execute */
59 #define NET_PEERNUM 1
60 #define BRIDGE_PFX "bridge:"
61 #ifndef SIOCBRADDIF
62 #define SIOCBRADDIF     0x89a2          /* add interface to bridge      */
63 #endif
64 /* We can have up to 256 pages for devices. */
65 #define DEVICE_PAGES 256
66 /* This fits nicely in a single 4096-byte page. */
67 #define VIRTQUEUE_NUM 127
68
69 /*L:120 verbose is both a global flag and a macro.  The C preprocessor allows
70  * this, and although I wouldn't recommend it, it works quite nicely here. */
71 static bool verbose;
72 #define verbose(args...) \
73         do { if (verbose) printf(args); } while(0)
74 /*:*/
75
76 /* The pipe to send commands to the waker process */
77 static int waker_fd;
78 /* The pointer to the start of guest memory. */
79 static void *guest_base;
80 /* The maximum guest physical address allowed, and maximum possible. */
81 static unsigned long guest_limit, guest_max;
82
83 /* This is our list of devices. */
84 struct device_list
85 {
86         /* Summary information about the devices in our list: ready to pass to
87          * select() to ask which need servicing.*/
88         fd_set infds;
89         int max_infd;
90
91         /* Counter to assign interrupt numbers. */
92         unsigned int next_irq;
93
94         /* Counter to print out convenient device numbers. */
95         unsigned int device_num;
96
97         /* The descriptor page for the devices. */
98         u8 *descpage;
99
100         /* The tail of the last descriptor. */
101         unsigned int desc_used;
102
103         /* A single linked list of devices. */
104         struct device *dev;
105         /* ... And an end pointer so we can easily append new devices */
106         struct device **lastdev;
107 };
108
109 /* The list of Guest devices, based on command line arguments. */
110 static struct device_list devices;
111
112 /* The device structure describes a single device. */
113 struct device
114 {
115         /* The linked-list pointer. */
116         struct device *next;
117
118         /* The this device's descriptor, as mapped into the Guest. */
119         struct lguest_device_desc *desc;
120
121         /* The name of this device, for --verbose. */
122         const char *name;
123
124         /* If handle_input is set, it wants to be called when this file
125          * descriptor is ready. */
126         int fd;
127         bool (*handle_input)(int fd, struct device *me);
128
129         /* Any queues attached to this device */
130         struct virtqueue *vq;
131
132         /* Device-specific data. */
133         void *priv;
134 };
135
136 /* The virtqueue structure describes a queue attached to a device. */
137 struct virtqueue
138 {
139         struct virtqueue *next;
140
141         /* Which device owns me. */
142         struct device *dev;
143
144         /* The configuration for this queue. */
145         struct lguest_vqconfig config;
146
147         /* The actual ring of buffers. */
148         struct vring vring;
149
150         /* Last available index we saw. */
151         u16 last_avail_idx;
152
153         /* The routine to call when the Guest pings us. */
154         void (*handle_output)(int fd, struct virtqueue *me);
155 };
156
157 /* Since guest is UP and we don't run at the same time, we don't need barriers.
158  * But I include them in the code in case others copy it. */
159 #define wmb()
160
161 /* Convert an iovec element to the given type.
162  *
163  * This is a fairly ugly trick: we need to know the size of the type and
164  * alignment requirement to check the pointer is kosher.  It's also nice to
165  * have the name of the type in case we report failure.
166  *
167  * Typing those three things all the time is cumbersome and error prone, so we
168  * have a macro which sets them all up and passes to the real function. */
169 #define convert(iov, type) \
170         ((type *)_convert((iov), sizeof(type), __alignof__(type), #type))
171
172 static void *_convert(struct iovec *iov, size_t size, size_t align,
173                       const char *name)
174 {
175         if (iov->iov_len != size)
176                 errx(1, "Bad iovec size %zu for %s", iov->iov_len, name);
177         if ((unsigned long)iov->iov_base % align != 0)
178                 errx(1, "Bad alignment %p for %s", iov->iov_base, name);
179         return iov->iov_base;
180 }
181
182 /* The virtio configuration space is defined to be little-endian.  x86 is
183  * little-endian too, but it's nice to be explicit so we have these helpers. */
184 #define cpu_to_le16(v16) (v16)
185 #define cpu_to_le32(v32) (v32)
186 #define cpu_to_le64(v64) (v64)
187 #define le16_to_cpu(v16) (v16)
188 #define le32_to_cpu(v32) (v32)
189 #define le64_to_cpu(v32) (v64)
190
191 /*L:100 The Launcher code itself takes us out into userspace, that scary place
192  * where pointers run wild and free!  Unfortunately, like most userspace
193  * programs, it's quite boring (which is why everyone likes to hack on the
194  * kernel!).  Perhaps if you make up an Lguest Drinking Game at this point, it
195  * will get you through this section.  Or, maybe not.
196  *
197  * The Launcher sets up a big chunk of memory to be the Guest's "physical"
198  * memory and stores it in "guest_base".  In other words, Guest physical ==
199  * Launcher virtual with an offset.
200  *
201  * This can be tough to get your head around, but usually it just means that we
202  * use these trivial conversion functions when the Guest gives us it's
203  * "physical" addresses: */
204 static void *from_guest_phys(unsigned long addr)
205 {
206         return guest_base + addr;
207 }
208
209 static unsigned long to_guest_phys(const void *addr)
210 {
211         return (addr - guest_base);
212 }
213
214 /*L:130
215  * Loading the Kernel.
216  *
217  * We start with couple of simple helper routines.  open_or_die() avoids
218  * error-checking code cluttering the callers: */
219 static int open_or_die(const char *name, int flags)
220 {
221         int fd = open(name, flags);
222         if (fd < 0)
223                 err(1, "Failed to open %s", name);
224         return fd;
225 }
226
227 /* map_zeroed_pages() takes a number of pages. */
228 static void *map_zeroed_pages(unsigned int num)
229 {
230         int fd = open_or_die("/dev/zero", O_RDONLY);
231         void *addr;
232
233         /* We use a private mapping (ie. if we write to the page, it will be
234          * copied). */
235         addr = mmap(NULL, getpagesize() * num,
236                     PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE, fd, 0);
237         if (addr == MAP_FAILED)
238                 err(1, "Mmaping %u pages of /dev/zero", num);
239
240         return addr;
241 }
242
243 /* Get some more pages for a device. */
244 static void *get_pages(unsigned int num)
245 {
246         void *addr = from_guest_phys(guest_limit);
247
248         guest_limit += num * getpagesize();
249         if (guest_limit > guest_max)
250                 errx(1, "Not enough memory for devices");
251         return addr;
252 }
253
254 /* 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         u8 hdr[1024];
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, hdr, sizeof(hdr));
347
348         /* At offset 0x202, we expect the magic "HdrS" */
349         if (memcmp(hdr + 0x202, "HdrS", 4) != 0)
350                 errx(1, "This doesn't look like a bzImage to me");
351
352         /* The byte at 0x1F1 tells us how many extra sectors of
353          * header: skip over them all. */
354         lseek(fd, (unsigned long)(hdr[0x1F1]+1) * 512, SEEK_SET);
355
356         /* Now read everything into memory. in nice big chunks. */
357         while ((r = read(fd, p, 65536)) > 0)
358                 p += r;
359
360         /* Finally, 0x214 tells us where to start the kernel. */
361         return *(unsigned long *)&hdr[0x214];
362 }
363
364 /*L:140 Loading the kernel is easy when it's a "vmlinux", but most kernels
365  * come wrapped up in the self-decompressing "bzImage" format.  With some funky
366  * coding, we can load those, too. */
367 static unsigned long load_kernel(int fd)
368 {
369         Elf32_Ehdr hdr;
370
371         /* Read in the first few bytes. */
372         if (read(fd, &hdr, sizeof(hdr)) != sizeof(hdr))
373                 err(1, "Reading kernel");
374
375         /* If it's an ELF file, it starts with "\177ELF" */
376         if (memcmp(hdr.e_ident, ELFMAG, SELFMAG) == 0)
377                 return map_elf(fd, &hdr);
378
379         /* Otherwise we assume it's a bzImage, and try to unpack it */
380         return load_bzimage(fd);
381 }
382
383 /* This is a trivial little helper to align pages.  Andi Kleen hated it because
384  * it calls getpagesize() twice: "it's dumb code."
385  *
386  * Kernel guys get really het up about optimization, even when it's not
387  * necessary.  I leave this code as a reaction against that. */
388 static inline unsigned long page_align(unsigned long addr)
389 {
390         /* Add upwards and truncate downwards. */
391         return ((addr + getpagesize()-1) & ~(getpagesize()-1));
392 }
393
394 /*L:180 An "initial ram disk" is a disk image loaded into memory along with
395  * the kernel which the kernel can use to boot from without needing any
396  * drivers.  Most distributions now use this as standard: the initrd contains
397  * the code to load the appropriate driver modules for the current machine.
398  *
399  * Importantly, James Morris works for RedHat, and Fedora uses initrds for its
400  * kernels.  He sent me this (and tells me when I break it). */
401 static unsigned long load_initrd(const char *name, unsigned long mem)
402 {
403         int ifd;
404         struct stat st;
405         unsigned long len;
406
407         ifd = open_or_die(name, O_RDONLY);
408         /* fstat() is needed to get the file size. */
409         if (fstat(ifd, &st) < 0)
410                 err(1, "fstat() on initrd '%s'", name);
411
412         /* We map the initrd at the top of memory, but mmap wants it to be
413          * page-aligned, so we round the size up for that. */
414         len = page_align(st.st_size);
415         map_at(ifd, from_guest_phys(mem - len), 0, st.st_size);
416         /* Once a file is mapped, you can close the file descriptor.  It's a
417          * little odd, but quite useful. */
418         close(ifd);
419         verbose("mapped initrd %s size=%lu @ %p\n", name, len, (void*)mem-len);
420
421         /* We return the initrd size. */
422         return len;
423 }
424
425 /* Once we know how much memory we have, we can construct simple linear page
426  * tables which set virtual == physical which will get the Guest far enough
427  * into the boot to create its own.
428  *
429  * We lay them out of the way, just below the initrd (which is why we need to
430  * know its size). */
431 static unsigned long setup_pagetables(unsigned long mem,
432                                       unsigned long initrd_size)
433 {
434         unsigned long *pgdir, *linear;
435         unsigned int mapped_pages, i, linear_pages;
436         unsigned int ptes_per_page = getpagesize()/sizeof(void *);
437
438         mapped_pages = mem/getpagesize();
439
440         /* Each PTE page can map ptes_per_page pages: how many do we need? */
441         linear_pages = (mapped_pages + ptes_per_page-1)/ptes_per_page;
442
443         /* We put the toplevel page directory page at the top of memory. */
444         pgdir = from_guest_phys(mem) - initrd_size - getpagesize();
445
446         /* Now we use the next linear_pages pages as pte pages */
447         linear = (void *)pgdir - linear_pages*getpagesize();
448
449         /* Linear mapping is easy: put every page's address into the mapping in
450          * order.  PAGE_PRESENT contains the flags Present, Writable and
451          * Executable. */
452         for (i = 0; i < mapped_pages; i++)
453                 linear[i] = ((i * getpagesize()) | PAGE_PRESENT);
454
455         /* The top level points to the linear page table pages above. */
456         for (i = 0; i < mapped_pages; i += ptes_per_page) {
457                 pgdir[i/ptes_per_page]
458                         = ((to_guest_phys(linear) + i*sizeof(void *))
459                            | PAGE_PRESENT);
460         }
461
462         verbose("Linear mapping of %u pages in %u pte pages at %#lx\n",
463                 mapped_pages, linear_pages, to_guest_phys(linear));
464
465         /* We return the top level (guest-physical) address: the kernel needs
466          * to know where it is. */
467         return to_guest_phys(pgdir);
468 }
469
470 /* Simple routine to roll all the commandline arguments together with spaces
471  * between them. */
472 static void concat(char *dst, char *args[])
473 {
474         unsigned int i, len = 0;
475
476         for (i = 0; args[i]; i++) {
477                 strcpy(dst+len, args[i]);
478                 strcat(dst+len, " ");
479                 len += strlen(args[i]) + 1;
480         }
481         /* In case it's empty. */
482         dst[len] = '\0';
483 }
484
485 /* This is where we actually tell the kernel to initialize the Guest.  We saw
486  * the arguments it expects when we looked at initialize() in lguest_user.c:
487  * the base of guest "physical" memory, the top physical page to allow, the
488  * top level pagetable and the entry point for the Guest. */
489 static int tell_kernel(unsigned long pgdir, unsigned long start)
490 {
491         unsigned long args[] = { LHREQ_INITIALIZE,
492                                  (unsigned long)guest_base,
493                                  guest_limit / getpagesize(), pgdir, start };
494         int fd;
495
496         verbose("Guest: %p - %p (%#lx)\n",
497                 guest_base, guest_base + guest_limit, guest_limit);
498         fd = open_or_die("/dev/lguest", O_RDWR);
499         if (write(fd, args, sizeof(args)) < 0)
500                 err(1, "Writing to /dev/lguest");
501
502         /* We return the /dev/lguest file descriptor to control this Guest */
503         return fd;
504 }
505 /*:*/
506
507 static void add_device_fd(int fd)
508 {
509         FD_SET(fd, &devices.infds);
510         if (fd > devices.max_infd)
511                 devices.max_infd = fd;
512 }
513
514 /*L:200
515  * The Waker.
516  *
517  * With a console and network devices, we can have lots of input which we need
518  * to process.  We could try to tell the kernel what file descriptors to watch,
519  * but handing a file descriptor mask through to the kernel is fairly icky.
520  *
521  * Instead, we fork off a process which watches the file descriptors and writes
522  * the LHREQ_BREAK command to the /dev/lguest filedescriptor to tell the Host
523  * loop to stop running the Guest.  This causes it to return from the
524  * /dev/lguest read with -EAGAIN, where it will write to /dev/lguest to reset
525  * the LHREQ_BREAK and wake us up again.
526  *
527  * This, of course, is merely a different *kind* of icky.
528  */
529 static void wake_parent(int pipefd, int lguest_fd)
530 {
531         /* Add the pipe from the Launcher to the fdset in the device_list, so
532          * we watch it, too. */
533         add_device_fd(pipefd);
534
535         for (;;) {
536                 fd_set rfds = devices.infds;
537                 unsigned long args[] = { LHREQ_BREAK, 1 };
538
539                 /* Wait until input is ready from one of the devices. */
540                 select(devices.max_infd+1, &rfds, NULL, NULL, NULL);
541                 /* Is it a message from the Launcher? */
542                 if (FD_ISSET(pipefd, &rfds)) {
543                         int fd;
544                         /* If read() returns 0, it means the Launcher has
545                          * exited.  We silently follow. */
546                         if (read(pipefd, &fd, sizeof(fd)) == 0)
547                                 exit(0);
548                         /* Otherwise it's telling us to change what file
549                          * descriptors we're to listen to. */
550                         if (fd >= 0)
551                                 FD_SET(fd, &devices.infds);
552                         else
553                                 FD_CLR(-fd - 1, &devices.infds);
554                 } else /* Send LHREQ_BREAK command. */
555                         write(lguest_fd, args, sizeof(args));
556         }
557 }
558
559 /* This routine just sets up a pipe to the Waker process. */
560 static int setup_waker(int lguest_fd)
561 {
562         int pipefd[2], child;
563
564         /* We create a pipe to talk to the waker, and also so it knows when the
565          * Launcher dies (and closes pipe). */
566         pipe(pipefd);
567         child = fork();
568         if (child == -1)
569                 err(1, "forking");
570
571         if (child == 0) {
572                 /* Close the "writing" end of our copy of the pipe */
573                 close(pipefd[1]);
574                 wake_parent(pipefd[0], lguest_fd);
575         }
576         /* Close the reading end of our copy of the pipe. */
577         close(pipefd[0]);
578
579         /* Here is the fd used to talk to the waker. */
580         return pipefd[1];
581 }
582
583 /*L:210
584  * Device Handling.
585  *
586  * When the Guest sends DMA to us, it sends us an array of addresses and sizes.
587  * We need to make sure it's not trying to reach into the Launcher itself, so
588  * we have a convenient routine which check it and exits with an error message
589  * if something funny is going on:
590  */
591 static void *_check_pointer(unsigned long addr, unsigned int size,
592                             unsigned int line)
593 {
594         /* We have to separately check addr and addr+size, because size could
595          * be huge and addr + size might wrap around. */
596         if (addr >= guest_limit || addr + size >= guest_limit)
597                 errx(1, "%s:%i: Invalid address %#lx", __FILE__, line, addr);
598         /* We return a pointer for the caller's convenience, now we know it's
599          * safe to use. */
600         return from_guest_phys(addr);
601 }
602 /* A macro which transparently hands the line number to the real function. */
603 #define check_pointer(addr,size) _check_pointer(addr, size, __LINE__)
604
605 /* This function returns the next descriptor in the chain, or vq->vring.num. */
606 static unsigned next_desc(struct virtqueue *vq, unsigned int i)
607 {
608         unsigned int next;
609
610         /* If this descriptor says it doesn't chain, we're done. */
611         if (!(vq->vring.desc[i].flags & VRING_DESC_F_NEXT))
612                 return vq->vring.num;
613
614         /* Check they're not leading us off end of descriptors. */
615         next = vq->vring.desc[i].next;
616         /* Make sure compiler knows to grab that: we don't want it changing! */
617         wmb();
618
619         if (next >= vq->vring.num)
620                 errx(1, "Desc next is %u", next);
621
622         return next;
623 }
624
625 /* This looks in the virtqueue and for the first available buffer, and converts
626  * it to an iovec for convenient access.  Since descriptors consist of some
627  * number of output then some number of input descriptors, it's actually two
628  * iovecs, but we pack them into one and note how many of each there were.
629  *
630  * This function returns the descriptor number found, or vq->vring.num (which
631  * is never a valid descriptor number) if none was found. */
632 static unsigned get_vq_desc(struct virtqueue *vq,
633                             struct iovec iov[],
634                             unsigned int *out_num, unsigned int *in_num)
635 {
636         unsigned int i, head;
637
638         /* Check it isn't doing very strange things with descriptor numbers. */
639         if ((u16)(vq->vring.avail->idx - vq->last_avail_idx) > vq->vring.num)
640                 errx(1, "Guest moved used index from %u to %u",
641                      vq->last_avail_idx, vq->vring.avail->idx);
642
643         /* If there's nothing new since last we looked, return invalid. */
644         if (vq->vring.avail->idx == vq->last_avail_idx)
645                 return vq->vring.num;
646
647         /* Grab the next descriptor number they're advertising, and increment
648          * the index we've seen. */
649         head = vq->vring.avail->ring[vq->last_avail_idx++ % vq->vring.num];
650
651         /* If their number is silly, that's a fatal mistake. */
652         if (head >= vq->vring.num)
653                 errx(1, "Guest says index %u is available", head);
654
655         /* When we start there are none of either input nor output. */
656         *out_num = *in_num = 0;
657
658         i = head;
659         do {
660                 /* Grab the first descriptor, and check it's OK. */
661                 iov[*out_num + *in_num].iov_len = vq->vring.desc[i].len;
662                 iov[*out_num + *in_num].iov_base
663                         = check_pointer(vq->vring.desc[i].addr,
664                                         vq->vring.desc[i].len);
665                 /* If this is an input descriptor, increment that count. */
666                 if (vq->vring.desc[i].flags & VRING_DESC_F_WRITE)
667                         (*in_num)++;
668                 else {
669                         /* If it's an output descriptor, they're all supposed
670                          * to come before any input descriptors. */
671                         if (*in_num)
672                                 errx(1, "Descriptor has out after in");
673                         (*out_num)++;
674                 }
675
676                 /* If we've got too many, that implies a descriptor loop. */
677                 if (*out_num + *in_num > vq->vring.num)
678                         errx(1, "Looped descriptor");
679         } while ((i = next_desc(vq, i)) != vq->vring.num);
680
681         return head;
682 }
683
684 /* Once we've used one of their buffers, we tell them about it.  We'll then
685  * want to send them an interrupt, using trigger_irq(). */
686 static void add_used(struct virtqueue *vq, unsigned int head, int len)
687 {
688         struct vring_used_elem *used;
689
690         /* Get a pointer to the next entry in the used ring. */
691         used = &vq->vring.used->ring[vq->vring.used->idx % vq->vring.num];
692         used->id = head;
693         used->len = len;
694         /* Make sure buffer is written before we update index. */
695         wmb();
696         vq->vring.used->idx++;
697 }
698
699 /* This actually sends the interrupt for this virtqueue */
700 static void trigger_irq(int fd, struct virtqueue *vq)
701 {
702         unsigned long buf[] = { LHREQ_IRQ, vq->config.irq };
703
704         if (vq->vring.avail->flags & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT)
705                 return;
706
707         /* Send the Guest an interrupt tell them we used something up. */
708         if (write(fd, buf, sizeof(buf)) != 0)
709                 err(1, "Triggering irq %i", vq->config.irq);
710 }
711
712 /* And here's the combo meal deal.  Supersize me! */
713 static void add_used_and_trigger(int fd, struct virtqueue *vq,
714                                  unsigned int head, int len)
715 {
716         add_used(vq, head, len);
717         trigger_irq(fd, vq);
718 }
719
720 /* Here is the input terminal setting we save, and the routine to restore them
721  * on exit so the user can see what they type next. */
722 static struct termios orig_term;
723 static void restore_term(void)
724 {
725         tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &orig_term);
726 }
727
728 /* We associate some data with the console for our exit hack. */
729 struct console_abort
730 {
731         /* How many times have they hit ^C? */
732         int count;
733         /* When did they start? */
734         struct timeval start;
735 };
736
737 /* This is the routine which handles console input (ie. stdin). */
738 static bool handle_console_input(int fd, struct device *dev)
739 {
740         int len;
741         unsigned int head, in_num, out_num;
742         struct iovec iov[dev->vq->vring.num];
743         struct console_abort *abort = dev->priv;
744
745         /* First we need a console buffer from the Guests's input virtqueue. */
746         head = get_vq_desc(dev->vq, iov, &out_num, &in_num);
747
748         /* If they're not ready for input, stop listening to this file
749          * descriptor.  We'll start again once they add an input buffer. */
750         if (head == dev->vq->vring.num)
751                 return false;
752
753         if (out_num)
754                 errx(1, "Output buffers in console in queue?");
755
756         /* This is why we convert to iovecs: the readv() call uses them, and so
757          * it reads straight into the Guest's buffer. */
758         len = readv(dev->fd, iov, in_num);
759         if (len <= 0) {
760                 /* This implies that the console is closed, is /dev/null, or
761                  * something went terribly wrong. */
762                 warnx("Failed to get console input, ignoring console.");
763                 /* Put the input terminal back. */
764                 restore_term();
765                 /* Remove callback from input vq, so it doesn't restart us. */
766                 dev->vq->handle_output = NULL;
767                 /* Stop listening to this fd: don't call us again. */
768                 return false;
769         }
770
771         /* Tell the Guest about the new input. */
772         add_used_and_trigger(fd, dev->vq, head, len);
773
774         /* Three ^C within one second?  Exit.
775          *
776          * This is such a hack, but works surprisingly well.  Each ^C has to be
777          * in a buffer by itself, so they can't be too fast.  But we check that
778          * we get three within about a second, so they can't be too slow. */
779         if (len == 1 && ((char *)iov[0].iov_base)[0] == 3) {
780                 if (!abort->count++)
781                         gettimeofday(&abort->start, NULL);
782                 else if (abort->count == 3) {
783                         struct timeval now;
784                         gettimeofday(&now, NULL);
785                         if (now.tv_sec <= abort->start.tv_sec+1) {
786                                 unsigned long args[] = { LHREQ_BREAK, 0 };
787                                 /* Close the fd so Waker will know it has to
788                                  * exit. */
789                                 close(waker_fd);
790                                 /* Just in case waker is blocked in BREAK, send
791                                  * unbreak now. */
792                                 write(fd, args, sizeof(args));
793                                 exit(2);
794                         }
795                         abort->count = 0;
796                 }
797         } else
798                 /* Any other key resets the abort counter. */
799                 abort->count = 0;
800
801         /* Everything went OK! */
802         return true;
803 }
804
805 /* Handling output for console is simple: we just get all the output buffers
806  * and write them to stdout. */
807 static void handle_console_output(int fd, struct virtqueue *vq)
808 {
809         unsigned int head, out, in;
810         int len;
811         struct iovec iov[vq->vring.num];
812
813         /* Keep getting output buffers from the Guest until we run out. */
814         while ((head = get_vq_desc(vq, iov, &out, &in)) != vq->vring.num) {
815                 if (in)
816                         errx(1, "Input buffers in output queue?");
817                 len = writev(STDOUT_FILENO, iov, out);
818                 add_used_and_trigger(fd, vq, head, len);
819         }
820 }
821
822 /* Handling output for network is also simple: we get all the output buffers
823  * and write them (ignoring the first element) to this device's file descriptor
824  * (stdout). */
825 static void handle_net_output(int fd, struct virtqueue *vq)
826 {
827         unsigned int head, out, in;
828         int len;
829         struct iovec iov[vq->vring.num];
830
831         /* Keep getting output buffers from the Guest until we run out. */
832         while ((head = get_vq_desc(vq, iov, &out, &in)) != vq->vring.num) {
833                 if (in)
834                         errx(1, "Input buffers in output queue?");
835                 /* Check header, but otherwise ignore it (we said we supported
836                  * no features). */
837                 (void)convert(&iov[0], struct virtio_net_hdr);
838                 len = writev(vq->dev->fd, iov+1, out-1);
839                 add_used_and_trigger(fd, vq, head, len);
840         }
841 }
842
843 /* This is where we handle a packet coming in from the tun device to our
844  * Guest. */
845 static bool handle_tun_input(int fd, struct device *dev)
846 {
847         unsigned int head, in_num, out_num;
848         int len;
849         struct iovec iov[dev->vq->vring.num];
850         struct virtio_net_hdr *hdr;
851
852         /* First we need a network buffer from the Guests's recv virtqueue. */
853         head = get_vq_desc(dev->vq, iov, &out_num, &in_num);
854         if (head == dev->vq->vring.num) {
855                 /* Now, it's expected that if we try to send a packet too
856                  * early, the Guest won't be ready yet.  Wait until the device
857                  * status says it's ready. */
858                 /* FIXME: Actually want DRIVER_ACTIVE here. */
859                 if (dev->desc->status & VIRTIO_CONFIG_S_DRIVER_OK)
860                         warn("network: no dma buffer!");
861                 /* We'll turn this back on if input buffers are registered. */
862                 return false;
863         } else if (out_num)
864                 errx(1, "Output buffers in network recv queue?");
865
866         /* First element is the header: we set it to 0 (no features). */
867         hdr = convert(&iov[0], struct virtio_net_hdr);
868         hdr->flags = 0;
869         hdr->gso_type = VIRTIO_NET_HDR_GSO_NONE;
870
871         /* Read the packet from the device directly into the Guest's buffer. */
872         len = readv(dev->fd, iov+1, in_num-1);
873         if (len <= 0)
874                 err(1, "reading network");
875
876         /* Tell the Guest about the new packet. */
877         add_used_and_trigger(fd, dev->vq, head, sizeof(*hdr) + len);
878
879         verbose("tun input packet len %i [%02x %02x] (%s)\n", len,
880                 ((u8 *)iov[1].iov_base)[0], ((u8 *)iov[1].iov_base)[1],
881                 head != dev->vq->vring.num ? "sent" : "discarded");
882
883         /* All good. */
884         return true;
885 }
886
887 /* This callback ensures we try again, in case we stopped console or net
888  * delivery because Guest didn't have any buffers. */
889 static void enable_fd(int fd, struct virtqueue *vq)
890 {
891         add_device_fd(vq->dev->fd);
892         /* Tell waker to listen to it again */
893         write(waker_fd, &vq->dev->fd, sizeof(vq->dev->fd));
894 }
895
896 /* This is the generic routine we call when the Guest uses LHCALL_NOTIFY. */
897 static void handle_output(int fd, unsigned long addr)
898 {
899         struct device *i;
900         struct virtqueue *vq;
901
902         /* Check each virtqueue. */
903         for (i = devices.dev; i; i = i->next) {
904                 for (vq = i->vq; vq; vq = vq->next) {
905                         if (vq->config.pfn == addr/getpagesize()
906                             && vq->handle_output) {
907                                 verbose("Output to %s\n", vq->dev->name);
908                                 vq->handle_output(fd, vq);
909                                 return;
910                         }
911                 }
912         }
913
914         /* Early console write is done using notify on a nul-terminated string
915          * in Guest memory. */
916         if (addr >= guest_limit)
917                 errx(1, "Bad NOTIFY %#lx", addr);
918
919         write(STDOUT_FILENO, from_guest_phys(addr),
920               strnlen(from_guest_phys(addr), guest_limit - addr));
921 }
922
923 /* This is called when the waker wakes us up: check for incoming file
924  * descriptors. */
925 static void handle_input(int fd)
926 {
927         /* select() wants a zeroed timeval to mean "don't wait". */
928         struct timeval poll = { .tv_sec = 0, .tv_usec = 0 };
929
930         for (;;) {
931                 struct device *i;
932                 fd_set fds = devices.infds;
933
934                 /* If nothing is ready, we're done. */
935                 if (select(devices.max_infd+1, &fds, NULL, NULL, &poll) == 0)
936                         break;
937
938                 /* Otherwise, call the device(s) which have readable
939                  * file descriptors and a method of handling them.  */
940                 for (i = devices.dev; i; i = i->next) {
941                         if (i->handle_input && FD_ISSET(i->fd, &fds)) {
942                                 int dev_fd;
943                                 if (i->handle_input(fd, i))
944                                         continue;
945
946                                 /* If handle_input() returns false, it means we
947                                  * should no longer service it.  Networking and
948                                  * console do this when there's no input
949                                  * buffers to deliver into.  Console also uses
950                                  * it when it discovers that stdin is
951                                  * closed. */
952                                 FD_CLR(i->fd, &devices.infds);
953                                 /* Tell waker to ignore it too, by sending a
954                                  * negative fd number (-1, since 0 is a valid
955                                  * FD number). */
956                                 dev_fd = -i->fd - 1;
957                                 write(waker_fd, &dev_fd, sizeof(dev_fd));
958                         }
959                 }
960         }
961 }
962
963 /*L:190
964  * Device Setup
965  *
966  * All devices need a descriptor so the Guest knows it exists, and a "struct
967  * device" so the Launcher can keep track of it.  We have common helper
968  * routines to allocate them.
969  *
970  * This routine allocates a new "struct lguest_device_desc" from descriptor
971  * table just above the Guest's normal memory.  It returns a pointer to that
972  * descriptor. */
973 static struct lguest_device_desc *new_dev_desc(u16 type)
974 {
975         struct lguest_device_desc *d;
976
977         /* We only have one page for all the descriptors. */
978         if (devices.desc_used + sizeof(*d) > getpagesize())
979                 errx(1, "Too many devices");
980
981         /* We don't need to set config_len or status: page is 0 already. */
982         d = (void *)devices.descpage + devices.desc_used;
983         d->type = type;
984         devices.desc_used += sizeof(*d);
985
986         return d;
987 }
988
989 /* Each device descriptor is followed by some configuration information.
990  * The first byte is a "status" byte for the Guest to report what's happening.
991  * After that are fields: u8 type, u8 len, [... len bytes...].
992  *
993  * This routine adds a new field to an existing device's descriptor.  It only
994  * works for the last device, but that's OK because that's how we use it. */
995 static void add_desc_field(struct device *dev, u8 type, u8 len, const void *c)
996 {
997         /* This is the last descriptor, right? */
998         assert(devices.descpage + devices.desc_used
999                == (u8 *)(dev->desc + 1) + dev->desc->config_len);
1000
1001         /* We only have one page of device descriptions. */
1002         if (devices.desc_used + 2 + len > getpagesize())
1003                 errx(1, "Too many devices");
1004
1005         /* Copy in the new config header: type then length. */
1006         devices.descpage[devices.desc_used++] = type;
1007         devices.descpage[devices.desc_used++] = len;
1008         memcpy(devices.descpage + devices.desc_used, c, len);
1009         devices.desc_used += len;
1010
1011         /* Update the device descriptor length: two byte head then data. */
1012         dev->desc->config_len += 2 + len;
1013 }
1014
1015 /* This routine adds a virtqueue to a device.  We specify how many descriptors
1016  * the virtqueue is to have. */
1017 static void add_virtqueue(struct device *dev, unsigned int num_descs,
1018                           void (*handle_output)(int fd, struct virtqueue *me))
1019 {
1020         unsigned int pages;
1021         struct virtqueue **i, *vq = malloc(sizeof(*vq));
1022         void *p;
1023
1024         /* First we need some pages for this virtqueue. */
1025         pages = (vring_size(num_descs) + getpagesize() - 1) / getpagesize();
1026         p = get_pages(pages);
1027
1028         /* Initialize the configuration. */
1029         vq->config.num = num_descs;
1030         vq->config.irq = devices.next_irq++;
1031         vq->config.pfn = to_guest_phys(p) / getpagesize();
1032
1033         /* Initialize the vring. */
1034         vring_init(&vq->vring, num_descs, p);
1035
1036         /* Add the configuration information to this device's descriptor. */
1037         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_F_VIRTQUEUE,
1038                        sizeof(vq->config), &vq->config);
1039
1040         /* Add to tail of list, so dev->vq is first vq, dev->vq->next is
1041          * second.  */
1042         for (i = &dev->vq; *i; i = &(*i)->next);
1043         *i = vq;
1044
1045         /* Link virtqueue back to device. */
1046         vq->dev = dev;
1047
1048         /* Set up handler. */
1049         vq->handle_output = handle_output;
1050         if (!handle_output)
1051                 vq->vring.used->flags = VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
1052 }
1053
1054 /* This routine does all the creation and setup of a new device, including
1055  * caling new_dev_desc() to allocate the descriptor and device memory. */
1056 static struct device *new_device(const char *name, u16 type, int fd,
1057                                  bool (*handle_input)(int, struct device *))
1058 {
1059         struct device *dev = malloc(sizeof(*dev));
1060
1061         /* Append to device list.  Prepending to a single-linked list is
1062          * easier, but the user expects the devices to be arranged on the bus
1063          * in command-line order.  The first network device on the command line
1064          * is eth0, the first block device /dev/lgba, etc. */
1065         *devices.lastdev = dev;
1066         dev->next = NULL;
1067         devices.lastdev = &dev->next;
1068
1069         /* Now we populate the fields one at a time. */
1070         dev->fd = fd;
1071         /* If we have an input handler for this file descriptor, then we add it
1072          * to the device_list's fdset and maxfd. */
1073         if (handle_input)
1074                 add_device_fd(dev->fd);
1075         dev->desc = new_dev_desc(type);
1076         dev->handle_input = handle_input;
1077         dev->name = name;
1078         return dev;
1079 }
1080
1081 /* Our first setup routine is the console.  It's a fairly simple device, but
1082  * UNIX tty handling makes it uglier than it could be. */
1083 static void setup_console(void)
1084 {
1085         struct device *dev;
1086
1087         /* If we can save the initial standard input settings... */
1088         if (tcgetattr(STDIN_FILENO, &orig_term) == 0) {
1089                 struct termios term = orig_term;
1090                 /* Then we turn off echo, line buffering and ^C etc.  We want a
1091                  * raw input stream to the Guest. */
1092                 term.c_lflag &= ~(ISIG|ICANON|ECHO);
1093                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &term);
1094                 /* If we exit gracefully, the original settings will be
1095                  * restored so the user can see what they're typing. */
1096                 atexit(restore_term);
1097         }
1098
1099         dev = new_device("console", VIRTIO_ID_CONSOLE,
1100                          STDIN_FILENO, handle_console_input);
1101         /* We store the console state in dev->priv, and initialize it. */
1102         dev->priv = malloc(sizeof(struct console_abort));
1103         ((struct console_abort *)dev->priv)->count = 0;
1104
1105         /* The console needs two virtqueues: the input then the output.  When
1106          * they put something the input queue, we make sure we're listening to
1107          * stdin.  When they put something in the output queue, we write it to
1108          * stdout.  */
1109         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, enable_fd);
1110         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, handle_console_output);
1111
1112         verbose("device %u: console\n", devices.device_num++);
1113 }
1114 /*:*/
1115
1116 /*M:010 Inter-guest networking is an interesting area.  Simplest is to have a
1117  * --sharenet=<name> option which opens or creates a named pipe.  This can be
1118  * used to send packets to another guest in a 1:1 manner.
1119  *
1120  * More sopisticated is to use one of the tools developed for project like UML
1121  * to do networking.
1122  *
1123  * Faster is to do virtio bonding in kernel.  Doing this 1:1 would be
1124  * completely generic ("here's my vring, attach to your vring") and would work
1125  * for any traffic.  Of course, namespace and permissions issues need to be
1126  * dealt with.  A more sophisticated "multi-channel" virtio_net.c could hide
1127  * multiple inter-guest channels behind one interface, although it would
1128  * require some manner of hotplugging new virtio channels.
1129  *
1130  * Finally, we could implement a virtio network switch in the kernel. :*/
1131
1132 static u32 str2ip(const char *ipaddr)
1133 {
1134         unsigned int byte[4];
1135
1136         sscanf(ipaddr, "%u.%u.%u.%u", &byte[0], &byte[1], &byte[2], &byte[3]);
1137         return (byte[0] << 24) | (byte[1] << 16) | (byte[2] << 8) | byte[3];
1138 }
1139
1140 /* This code is "adapted" from libbridge: it attaches the Host end of the
1141  * network device to the bridge device specified by the command line.
1142  *
1143  * This is yet another James Morris contribution (I'm an IP-level guy, so I
1144  * dislike bridging), and I just try not to break it. */
1145 static void add_to_bridge(int fd, const char *if_name, const char *br_name)
1146 {
1147         int ifidx;
1148         struct ifreq ifr;
1149
1150         if (!*br_name)
1151                 errx(1, "must specify bridge name");
1152
1153         ifidx = if_nametoindex(if_name);
1154         if (!ifidx)
1155                 errx(1, "interface %s does not exist!", if_name);
1156
1157         strncpy(ifr.ifr_name, br_name, IFNAMSIZ);
1158         ifr.ifr_ifindex = ifidx;
1159         if (ioctl(fd, SIOCBRADDIF, &ifr) < 0)
1160                 err(1, "can't add %s to bridge %s", if_name, br_name);
1161 }
1162
1163 /* This sets up the Host end of the network device with an IP address, brings
1164  * it up so packets will flow, the copies the MAC address into the hwaddr
1165  * pointer. */
1166 static void configure_device(int fd, const char *devname, u32 ipaddr,
1167                              unsigned char hwaddr[6])
1168 {
1169         struct ifreq ifr;
1170         struct sockaddr_in *sin = (struct sockaddr_in *)&ifr.ifr_addr;
1171
1172         /* Don't read these incantations.  Just cut & paste them like I did! */
1173         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
1174         strcpy(ifr.ifr_name, devname);
1175         sin->sin_family = AF_INET;
1176         sin->sin_addr.s_addr = htonl(ipaddr);
1177         if (ioctl(fd, SIOCSIFADDR, &ifr) != 0)
1178                 err(1, "Setting %s interface address", devname);
1179         ifr.ifr_flags = IFF_UP;
1180         if (ioctl(fd, SIOCSIFFLAGS, &ifr) != 0)
1181                 err(1, "Bringing interface %s up", devname);
1182
1183         /* SIOC stands for Socket I/O Control.  G means Get (vs S for Set
1184          * above).  IF means Interface, and HWADDR is hardware address.
1185          * Simple! */
1186         if (ioctl(fd, SIOCGIFHWADDR, &ifr) != 0)
1187                 err(1, "getting hw address for %s", devname);
1188         memcpy(hwaddr, ifr.ifr_hwaddr.sa_data, 6);
1189 }
1190
1191 /*L:195 Our network is a Host<->Guest network.  This can either use bridging or
1192  * routing, but the principle is the same: it uses the "tun" device to inject
1193  * packets into the Host as if they came in from a normal network card.  We
1194  * just shunt packets between the Guest and the tun device. */
1195 static void setup_tun_net(const char *arg)
1196 {
1197         struct device *dev;
1198         struct ifreq ifr;
1199         int netfd, ipfd;
1200         u32 ip;
1201         const char *br_name = NULL;
1202         u8 hwaddr[6];
1203
1204         /* We open the /dev/net/tun device and tell it we want a tap device.  A
1205          * tap device is like a tun device, only somehow different.  To tell
1206          * the truth, I completely blundered my way through this code, but it
1207          * works now! */
1208         netfd = open_or_die("/dev/net/tun", O_RDWR);
1209         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
1210         ifr.ifr_flags = IFF_TAP | IFF_NO_PI;
1211         strcpy(ifr.ifr_name, "tap%d");
1212         if (ioctl(netfd, TUNSETIFF, &ifr) != 0)
1213                 err(1, "configuring /dev/net/tun");
1214         /* We don't need checksums calculated for packets coming in this
1215          * device: trust us! */
1216         ioctl(netfd, TUNSETNOCSUM, 1);
1217
1218         /* First we create a new network device. */
1219         dev = new_device("net", VIRTIO_ID_NET, netfd, handle_tun_input);
1220
1221         /* Network devices need a receive and a send queue, just like
1222          * console. */
1223         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, enable_fd);
1224         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, handle_net_output);
1225
1226         /* We need a socket to perform the magic network ioctls to bring up the
1227          * tap interface, connect to the bridge etc.  Any socket will do! */
1228         ipfd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_IP);
1229         if (ipfd < 0)
1230                 err(1, "opening IP socket");
1231
1232         /* If the command line was --tunnet=bridge:<name> do bridging. */
1233         if (!strncmp(BRIDGE_PFX, arg, strlen(BRIDGE_PFX))) {
1234                 ip = INADDR_ANY;
1235                 br_name = arg + strlen(BRIDGE_PFX);
1236                 add_to_bridge(ipfd, ifr.ifr_name, br_name);
1237         } else /* It is an IP address to set up the device with */
1238                 ip = str2ip(arg);
1239
1240         /* Set up the tun device, and get the mac address for the interface. */
1241         configure_device(ipfd, ifr.ifr_name, ip, hwaddr);
1242
1243         /* Tell Guest what MAC address to use. */
1244         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_NET_MAC_F, sizeof(hwaddr), hwaddr);
1245
1246         /* We don't seed the socket any more; setup is done. */
1247         close(ipfd);
1248
1249         verbose("device %u: tun net %u.%u.%u.%u\n",
1250                 devices.device_num++,
1251                 (u8)(ip>>24),(u8)(ip>>16),(u8)(ip>>8),(u8)ip);
1252         if (br_name)
1253                 verbose("attached to bridge: %s\n", br_name);
1254 }
1255
1256
1257 /*
1258  * Block device.
1259  *
1260  * Serving a block device is really easy: the Guest asks for a block number and
1261  * we read or write that position in the file.
1262  *
1263  * Unfortunately, this is amazingly slow: the Guest waits until the read is
1264  * finished before running anything else, even if it could be doing useful
1265  * work.  We could use async I/O, except it's reputed to suck so hard that
1266  * characters actually go missing from your code when you try to use it.
1267  *
1268  * So we farm the I/O out to thread, and communicate with it via a pipe. */
1269
1270 /* This hangs off device->priv, with the data. */
1271 struct vblk_info
1272 {
1273         /* The size of the file. */
1274         off64_t len;
1275
1276         /* The file descriptor for the file. */
1277         int fd;
1278
1279         /* IO thread listens on this file descriptor [0]. */
1280         int workpipe[2];
1281
1282         /* IO thread writes to this file descriptor to mark it done, then
1283          * Launcher triggers interrupt to Guest. */
1284         int done_fd;
1285 };
1286
1287 /* This is the core of the I/O thread.  It returns true if it did something. */
1288 static bool service_io(struct device *dev)
1289 {
1290         struct vblk_info *vblk = dev->priv;
1291         unsigned int head, out_num, in_num, wlen;
1292         int ret;
1293         struct virtio_blk_inhdr *in;
1294         struct virtio_blk_outhdr *out;
1295         struct iovec iov[dev->vq->vring.num];
1296         off64_t off;
1297
1298         head = get_vq_desc(dev->vq, iov, &out_num, &in_num);
1299         if (head == dev->vq->vring.num)
1300                 return false;
1301
1302         if (out_num == 0 || in_num == 0)
1303                 errx(1, "Bad virtblk cmd %u out=%u in=%u",
1304                      head, out_num, in_num);
1305
1306         out = convert(&iov[0], struct virtio_blk_outhdr);
1307         in = convert(&iov[out_num+in_num-1], struct virtio_blk_inhdr);
1308         off = out->sector * 512;
1309
1310         /* This is how we implement barriers.  Pretty poor, no? */
1311         if (out->type & VIRTIO_BLK_T_BARRIER)
1312                 fdatasync(vblk->fd);
1313
1314         if (out->type & VIRTIO_BLK_T_SCSI_CMD) {
1315                 fprintf(stderr, "Scsi commands unsupported\n");
1316                 in->status = VIRTIO_BLK_S_UNSUPP;
1317                 wlen = sizeof(in);
1318         } else if (out->type & VIRTIO_BLK_T_OUT) {
1319                 /* Write */
1320
1321                 /* Move to the right location in the block file.  This can fail
1322                  * if they try to write past end. */
1323                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
1324                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out->sector);
1325
1326                 ret = writev(vblk->fd, iov+1, out_num-1);
1327                 verbose("WRITE to sector %llu: %i\n", out->sector, ret);
1328
1329                 /* Grr... Now we know how long the descriptor they sent was, we
1330                  * make sure they didn't try to write over the end of the block
1331                  * file (possibly extending it). */
1332                 if (ret > 0 && off + ret > vblk->len) {
1333                         /* Trim it back to the correct length */
1334                         ftruncate64(vblk->fd, vblk->len);
1335                         /* Die, bad Guest, die. */
1336                         errx(1, "Write past end %llu+%u", off, ret);
1337                 }
1338                 wlen = sizeof(in);
1339                 in->status = (ret >= 0 ? VIRTIO_BLK_S_OK : VIRTIO_BLK_S_IOERR);
1340         } else {
1341                 /* Read */
1342
1343                 /* Move to the right location in the block file.  This can fail
1344                  * if they try to read past end. */
1345                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
1346                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out->sector);
1347
1348                 ret = readv(vblk->fd, iov+1, in_num-1);
1349                 verbose("READ from sector %llu: %i\n", out->sector, ret);
1350                 if (ret >= 0) {
1351                         wlen = sizeof(in) + ret;
1352                         in->status = VIRTIO_BLK_S_OK;
1353                 } else {
1354                         wlen = sizeof(in);
1355                         in->status = VIRTIO_BLK_S_IOERR;
1356                 }
1357         }
1358
1359         /* We can't trigger an IRQ, because we're not the Launcher.  It does
1360          * that when we tell it we're done. */
1361         add_used(dev->vq, head, wlen);
1362         return true;
1363 }
1364
1365 /* This is the thread which actually services the I/O. */
1366 static int io_thread(void *_dev)
1367 {
1368         struct device *dev = _dev;
1369         struct vblk_info *vblk = dev->priv;
1370         char c;
1371
1372         /* Close other side of workpipe so we get 0 read when main dies. */
1373         close(vblk->workpipe[1]);
1374         /* Close the other side of the done_fd pipe. */
1375         close(dev->fd);
1376
1377         /* When this read fails, it means Launcher died, so we follow. */
1378         while (read(vblk->workpipe[0], &c, 1) == 1) {
1379                 /* We acknowledge each request immediately, to reduce latency,
1380                  * rather than waiting until we've done them all.  I haven't
1381                  * measured to see if it makes any difference. */
1382                 while (service_io(dev))
1383                         write(vblk->done_fd, &c, 1);
1384         }
1385         return 0;
1386 }
1387
1388 /* When the thread says some I/O is done, we interrupt the Guest. */
1389 static bool handle_io_finish(int fd, struct device *dev)
1390 {
1391         char c;
1392
1393         /* If child died, presumably it printed message. */
1394         if (read(dev->fd, &c, 1) != 1)
1395                 exit(1);
1396
1397         /* It did some work, so trigger the irq. */
1398         trigger_irq(fd, dev->vq);
1399         return true;
1400 }
1401
1402 /* When the Guest submits some I/O, we wake the I/O thread. */
1403 static void handle_virtblk_output(int fd, struct virtqueue *vq)
1404 {
1405         struct vblk_info *vblk = vq->dev->priv;
1406         char c = 0;
1407
1408         /* Wake up I/O thread and tell it to go to work! */
1409         if (write(vblk->workpipe[1], &c, 1) != 1)
1410                 /* Presumably it indicated why it died. */
1411                 exit(1);
1412 }
1413
1414 /* This creates a virtual block device. */
1415 static void setup_block_file(const char *filename)
1416 {
1417         int p[2];
1418         struct device *dev;
1419         struct vblk_info *vblk;
1420         void *stack;
1421         u64 cap;
1422         unsigned int val;
1423
1424         /* This is the pipe the I/O thread will use to tell us I/O is done. */
1425         pipe(p);
1426
1427         /* The device responds to return from I/O thread. */
1428         dev = new_device("block", VIRTIO_ID_BLOCK, p[0], handle_io_finish);
1429
1430         /* The device has a virtqueue. */
1431         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, handle_virtblk_output);
1432
1433         /* Allocate the room for our own bookkeeping */
1434         vblk = dev->priv = malloc(sizeof(*vblk));
1435
1436         /* First we open the file and store the length. */
1437         vblk->fd = open_or_die(filename, O_RDWR|O_LARGEFILE);
1438         vblk->len = lseek64(vblk->fd, 0, SEEK_END);
1439
1440         /* Tell Guest how many sectors this device has. */
1441         cap = cpu_to_le64(vblk->len / 512);
1442         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_BLK_F_CAPACITY, sizeof(cap), &cap);
1443
1444         /* Tell Guest not to put in too many descriptors at once: two are used
1445          * for the in and out elements. */
1446         val = cpu_to_le32(VIRTQUEUE_NUM - 2);
1447         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_BLK_F_SEG_MAX, sizeof(val), &val);
1448
1449         /* The I/O thread writes to this end of the pipe when done. */
1450         vblk->done_fd = p[1];
1451
1452         /* This is how we tell the I/O thread about more work. */
1453         pipe(vblk->workpipe);
1454
1455         /* Create stack for thread and run it */
1456         stack = malloc(32768);
1457         if (clone(io_thread, stack + 32768, CLONE_VM, dev) == -1)
1458                 err(1, "Creating clone");
1459
1460         /* We don't need to keep the I/O thread's end of the pipes open. */
1461         close(vblk->done_fd);
1462         close(vblk->workpipe[0]);
1463
1464         verbose("device %u: virtblock %llu sectors\n",
1465                 devices.device_num, cap);
1466 }
1467 /* That's the end of device setup. */
1468
1469 /*L:220 Finally we reach the core of the Launcher, which runs the Guest, serves
1470  * its input and output, and finally, lays it to rest. */
1471 static void __attribute__((noreturn)) run_guest(int lguest_fd)
1472 {
1473         for (;;) {
1474                 unsigned long args[] = { LHREQ_BREAK, 0 };
1475                 unsigned long notify_addr;
1476                 int readval;
1477
1478                 /* We read from the /dev/lguest device to run the Guest. */
1479                 readval = read(lguest_fd, &notify_addr, sizeof(notify_addr));
1480
1481                 /* One unsigned long means the Guest did HCALL_NOTIFY */
1482                 if (readval == sizeof(notify_addr)) {
1483                         verbose("Notify on address %#lx\n", notify_addr);
1484                         handle_output(lguest_fd, notify_addr);
1485                         continue;
1486                 /* ENOENT means the Guest died.  Reading tells us why. */
1487                 } else if (errno == ENOENT) {
1488                         char reason[1024] = { 0 };
1489                         read(lguest_fd, reason, sizeof(reason)-1);
1490                         errx(1, "%s", reason);
1491                 /* EAGAIN means the waker wanted us to look at some input.
1492                  * Anything else means a bug or incompatible change. */
1493                 } else if (errno != EAGAIN)
1494                         err(1, "Running guest failed");
1495
1496                 /* Service input, then unset the BREAK which releases
1497                  * the Waker. */
1498                 handle_input(lguest_fd);
1499                 if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
1500                         err(1, "Resetting break");
1501         }
1502 }
1503 /*
1504  * This is the end of the Launcher.
1505  *
1506  * But wait!  We've seen I/O from the Launcher, and we've seen I/O from the
1507  * Drivers.  If we were to see the Host kernel I/O code, our understanding
1508  * would be complete... :*/
1509
1510 static struct option opts[] = {
1511         { "verbose", 0, NULL, 'v' },
1512         { "tunnet", 1, NULL, 't' },
1513         { "block", 1, NULL, 'b' },
1514         { "initrd", 1, NULL, 'i' },
1515         { NULL },
1516 };
1517 static void usage(void)
1518 {
1519         errx(1, "Usage: lguest [--verbose] "
1520              "[--tunnet=(<ipaddr>|bridge:<bridgename>)\n"
1521              "|--block=<filename>|--initrd=<filename>]...\n"
1522              "<mem-in-mb> vmlinux [args...]");
1523 }
1524
1525 /*L:105 The main routine is where the real work begins: */
1526 int main(int argc, char *argv[])
1527 {
1528         /* Memory, top-level pagetable, code startpoint and size of the
1529          * (optional) initrd. */
1530         unsigned long mem = 0, pgdir, start, initrd_size = 0;
1531         /* A temporary and the /dev/lguest file descriptor. */
1532         int i, c, lguest_fd;
1533         /* The boot information for the Guest. */
1534         void *boot;
1535         /* If they specify an initrd file to load. */
1536         const char *initrd_name = NULL;
1537
1538         /* First we initialize the device list.  Since console and network
1539          * device receive input from a file descriptor, we keep an fdset
1540          * (infds) and the maximum fd number (max_infd) with the head of the
1541          * list.  We also keep a pointer to the last device, for easy appending
1542          * to the list.  Finally, we keep the next interrupt number to hand out
1543          * (1: remember that 0 is used by the timer). */
1544         FD_ZERO(&devices.infds);
1545         devices.max_infd = -1;
1546         devices.lastdev = &devices.dev;
1547         devices.next_irq = 1;
1548
1549         /* We need to know how much memory so we can set up the device
1550          * descriptor and memory pages for the devices as we parse the command
1551          * line.  So we quickly look through the arguments to find the amount
1552          * of memory now. */
1553         for (i = 1; i < argc; i++) {
1554                 if (argv[i][0] != '-') {
1555                         mem = atoi(argv[i]) * 1024 * 1024;
1556                         /* We start by mapping anonymous pages over all of
1557                          * guest-physical memory range.  This fills it with 0,
1558                          * and ensures that the Guest won't be killed when it
1559                          * tries to access it. */
1560                         guest_base = map_zeroed_pages(mem / getpagesize()
1561                                                       + DEVICE_PAGES);
1562                         guest_limit = mem;
1563                         guest_max = mem + DEVICE_PAGES*getpagesize();
1564                         devices.descpage = get_pages(1);
1565                         break;
1566                 }
1567         }
1568
1569         /* The options are fairly straight-forward */
1570         while ((c = getopt_long(argc, argv, "v", opts, NULL)) != EOF) {
1571                 switch (c) {
1572                 case 'v':
1573                         verbose = true;
1574                         break;
1575                 case 't':
1576                         setup_tun_net(optarg);
1577                         break;
1578                 case 'b':
1579                         setup_block_file(optarg);
1580                         break;
1581                 case 'i':
1582                         initrd_name = optarg;
1583                         break;
1584                 default:
1585                         warnx("Unknown argument %s", argv[optind]);
1586                         usage();
1587                 }
1588         }
1589         /* After the other arguments we expect memory and kernel image name,
1590          * followed by command line arguments for the kernel. */
1591         if (optind + 2 > argc)
1592                 usage();
1593
1594         verbose("Guest base is at %p\n", guest_base);
1595
1596         /* We always have a console device */
1597         setup_console();
1598
1599         /* Now we load the kernel */
1600         start = load_kernel(open_or_die(argv[optind+1], O_RDONLY));
1601
1602         /* Boot information is stashed at physical address 0 */
1603         boot = from_guest_phys(0);
1604
1605         /* Map the initrd image if requested (at top of physical memory) */
1606         if (initrd_name) {
1607                 initrd_size = load_initrd(initrd_name, mem);
1608                 /* These are the location in the Linux boot header where the
1609                  * start and size of the initrd are expected to be found. */
1610                 *(unsigned long *)(boot+0x218) = mem - initrd_size;
1611                 *(unsigned long *)(boot+0x21c) = initrd_size;
1612                 /* The bootloader type 0xFF means "unknown"; that's OK. */
1613                 *(unsigned char *)(boot+0x210) = 0xFF;
1614         }
1615
1616         /* Set up the initial linear pagetables, starting below the initrd. */
1617         pgdir = setup_pagetables(mem, initrd_size);
1618
1619         /* The Linux boot header contains an "E820" memory map: ours is a
1620          * simple, single region. */
1621         *(char*)(boot+E820NR) = 1;
1622         *((struct e820entry *)(boot+E820MAP))
1623                 = ((struct e820entry) { 0, mem, E820_RAM });
1624         /* The boot header contains a command line pointer: we put the command
1625          * line after the boot header (at address 4096) */
1626         *(u32 *)(boot + 0x228) = 4096;
1627         concat(boot + 4096, argv+optind+2);
1628
1629         /* Boot protocol version: 2.07 supports the fields for lguest. */
1630         *(u16 *)(boot + 0x206) = 0x207;
1631
1632         /* The hardware_subarch value of "1" tells the Guest it's an lguest. */
1633         *(u32 *)(boot + 0x23c) = 1;
1634
1635         /* Set bit 6 of the loadflags (aka. KEEP_SEGMENTS) so the entry path
1636          * does not try to reload segment registers. */
1637         *(u8 *)(boot + 0x211) |= (1 << 6);
1638
1639         /* We tell the kernel to initialize the Guest: this returns the open
1640          * /dev/lguest file descriptor. */
1641         lguest_fd = tell_kernel(pgdir, start);
1642
1643         /* We fork off a child process, which wakes the Launcher whenever one
1644          * of the input file descriptors needs attention.  Otherwise we would
1645          * run the Guest until it tries to output something. */
1646         waker_fd = setup_waker(lguest_fd);
1647
1648         /* Finally, run the Guest.  This doesn't return. */
1649         run_guest(lguest_fd);
1650 }
1651 /*:*/
1652
1653 /*M:999
1654  * Mastery is done: you now know everything I do.
1655  *
1656  * But surely you have seen code, features and bugs in your wanderings which
1657  * you now yearn to attack?  That is the real game, and I look forward to you
1658  * patching and forking lguest into the Your-Name-Here-visor.
1659  *
1660  * Farewell, and good coding!
1661  * Rusty Russell.
1662  */