lguest: Reboot support
[safe/jmp/linux-2.6] / Documentation / lguest / lguest.c
1 /*P:100 This is the Launcher code, a simple program which lays out the
2  * "physical" memory for the new Guest by mapping the kernel image and the
3  * virtual devices, then reads repeatedly from /dev/lguest to run the Guest.
4 :*/
5 #define _LARGEFILE64_SOURCE
6 #define _GNU_SOURCE
7 #include <stdio.h>
8 #include <string.h>
9 #include <unistd.h>
10 #include <err.h>
11 #include <stdint.h>
12 #include <stdlib.h>
13 #include <elf.h>
14 #include <sys/mman.h>
15 #include <sys/param.h>
16 #include <sys/types.h>
17 #include <sys/stat.h>
18 #include <sys/wait.h>
19 #include <fcntl.h>
20 #include <stdbool.h>
21 #include <errno.h>
22 #include <ctype.h>
23 #include <sys/socket.h>
24 #include <sys/ioctl.h>
25 #include <sys/time.h>
26 #include <time.h>
27 #include <netinet/in.h>
28 #include <net/if.h>
29 #include <linux/sockios.h>
30 #include <linux/if_tun.h>
31 #include <sys/uio.h>
32 #include <termios.h>
33 #include <getopt.h>
34 #include <zlib.h>
35 #include <assert.h>
36 #include <sched.h>
37 #include "linux/lguest_launcher.h"
38 #include "linux/virtio_config.h"
39 #include "linux/virtio_net.h"
40 #include "linux/virtio_blk.h"
41 #include "linux/virtio_console.h"
42 #include "linux/virtio_ring.h"
43 #include "asm-x86/bootparam.h"
44 /*L:110 We can ignore the 38 include files we need for this program, but I do
45  * want to draw attention to the use of kernel-style types.
46  *
47  * As Linus said, "C is a Spartan language, and so should your naming be."  I
48  * like these abbreviations, so we define them here.  Note that u64 is always
49  * unsigned long long, which works on all Linux systems: this means that we can
50  * use %llu in printf for any u64. */
51 typedef unsigned long long u64;
52 typedef uint32_t u32;
53 typedef uint16_t u16;
54 typedef uint8_t u8;
55 /*:*/
56
57 #define PAGE_PRESENT 0x7        /* Present, RW, Execute */
58 #define NET_PEERNUM 1
59 #define BRIDGE_PFX "bridge:"
60 #ifndef SIOCBRADDIF
61 #define SIOCBRADDIF     0x89a2          /* add interface to bridge      */
62 #endif
63 /* We can have up to 256 pages for devices. */
64 #define DEVICE_PAGES 256
65 /* This will occupy 2 pages: it must be a power of 2. */
66 #define VIRTQUEUE_NUM 128
67
68 /*L:120 verbose is both a global flag and a macro.  The C preprocessor allows
69  * this, and although I wouldn't recommend it, it works quite nicely here. */
70 static bool verbose;
71 #define verbose(args...) \
72         do { if (verbose) printf(args); } while(0)
73 /*:*/
74
75 /* The pipe to send commands to the waker process */
76 static int waker_fd;
77 /* The pointer to the start of guest memory. */
78 static void *guest_base;
79 /* The maximum guest physical address allowed, and maximum possible. */
80 static unsigned long guest_limit, guest_max;
81
82 /* This is our list of devices. */
83 struct device_list
84 {
85         /* Summary information about the devices in our list: ready to pass to
86          * select() to ask which need servicing.*/
87         fd_set infds;
88         int max_infd;
89
90         /* Counter to assign interrupt numbers. */
91         unsigned int next_irq;
92
93         /* Counter to print out convenient device numbers. */
94         unsigned int device_num;
95
96         /* The descriptor page for the devices. */
97         u8 *descpage;
98
99         /* The tail of the last descriptor. */
100         unsigned int desc_used;
101
102         /* A single linked list of devices. */
103         struct device *dev;
104         /* ... And an end pointer so we can easily append new devices */
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 this device's descriptor, as mapped into the Guest. */
118         struct lguest_device_desc *desc;
119
120         /* The name of this device, for --verbose. */
121         const char *name;
122
123         /* If handle_input is set, it wants to be called when this file
124          * descriptor is ready. */
125         int fd;
126         bool (*handle_input)(int fd, struct device *me);
127
128         /* Any queues attached to this device */
129         struct virtqueue *vq;
130
131         /* Device-specific data. */
132         void *priv;
133 };
134
135 /* The virtqueue structure describes a queue attached to a device. */
136 struct virtqueue
137 {
138         struct virtqueue *next;
139
140         /* Which device owns me. */
141         struct device *dev;
142
143         /* The configuration for this queue. */
144         struct lguest_vqconfig config;
145
146         /* The actual ring of buffers. */
147         struct vring vring;
148
149         /* Last available index we saw. */
150         u16 last_avail_idx;
151
152         /* The routine to call when the Guest pings us. */
153         void (*handle_output)(int fd, struct virtqueue *me);
154 };
155
156 /* Remember the arguments to the program so we can "reboot" */
157 static char **main_args;
158
159 /* Since guest is UP and we don't run at the same time, we don't need barriers.
160  * But I include them in the code in case others copy it. */
161 #define wmb()
162
163 /* Convert an iovec element to the given type.
164  *
165  * This is a fairly ugly trick: we need to know the size of the type and
166  * alignment requirement to check the pointer is kosher.  It's also nice to
167  * have the name of the type in case we report failure.
168  *
169  * Typing those three things all the time is cumbersome and error prone, so we
170  * have a macro which sets them all up and passes to the real function. */
171 #define convert(iov, type) \
172         ((type *)_convert((iov), sizeof(type), __alignof__(type), #type))
173
174 static void *_convert(struct iovec *iov, size_t size, size_t align,
175                       const char *name)
176 {
177         if (iov->iov_len != size)
178                 errx(1, "Bad iovec size %zu for %s", iov->iov_len, name);
179         if ((unsigned long)iov->iov_base % align != 0)
180                 errx(1, "Bad alignment %p for %s", iov->iov_base, name);
181         return iov->iov_base;
182 }
183
184 /* The virtio configuration space is defined to be little-endian.  x86 is
185  * little-endian too, but it's nice to be explicit so we have these helpers. */
186 #define cpu_to_le16(v16) (v16)
187 #define cpu_to_le32(v32) (v32)
188 #define cpu_to_le64(v64) (v64)
189 #define le16_to_cpu(v16) (v16)
190 #define le32_to_cpu(v32) (v32)
191 #define le64_to_cpu(v32) (v64)
192
193 /*L:100 The Launcher code itself takes us out into userspace, that scary place
194  * where pointers run wild and free!  Unfortunately, like most userspace
195  * programs, it's quite boring (which is why everyone likes to hack on the
196  * kernel!).  Perhaps if you make up an Lguest Drinking Game at this point, it
197  * will get you through this section.  Or, maybe not.
198  *
199  * The Launcher sets up a big chunk of memory to be the Guest's "physical"
200  * memory and stores it in "guest_base".  In other words, Guest physical ==
201  * Launcher virtual with an offset.
202  *
203  * This can be tough to get your head around, but usually it just means that we
204  * use these trivial conversion functions when the Guest gives us it's
205  * "physical" addresses: */
206 static void *from_guest_phys(unsigned long addr)
207 {
208         return guest_base + addr;
209 }
210
211 static unsigned long to_guest_phys(const void *addr)
212 {
213         return (addr - guest_base);
214 }
215
216 /*L:130
217  * Loading the Kernel.
218  *
219  * We start with couple of simple helper routines.  open_or_die() avoids
220  * error-checking code cluttering the callers: */
221 static int open_or_die(const char *name, int flags)
222 {
223         int fd = open(name, flags);
224         if (fd < 0)
225                 err(1, "Failed to open %s", name);
226         return fd;
227 }
228
229 /* map_zeroed_pages() takes a number of pages. */
230 static void *map_zeroed_pages(unsigned int num)
231 {
232         int fd = open_or_die("/dev/zero", O_RDONLY);
233         void *addr;
234
235         /* We use a private mapping (ie. if we write to the page, it will be
236          * copied). */
237         addr = mmap(NULL, getpagesize() * num,
238                     PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE, fd, 0);
239         if (addr == MAP_FAILED)
240                 err(1, "Mmaping %u pages of /dev/zero", num);
241
242         return addr;
243 }
244
245 /* Get some more pages for a device. */
246 static void *get_pages(unsigned int num)
247 {
248         void *addr = from_guest_phys(guest_limit);
249
250         guest_limit += num * getpagesize();
251         if (guest_limit > guest_max)
252                 errx(1, "Not enough memory for devices");
253         return addr;
254 }
255
256 /* This routine is used to load the kernel or initrd.  It tries mmap, but if
257  * that fails (Plan 9's kernel file isn't nicely aligned on page boundaries),
258  * it falls back to reading the memory in. */
259 static void map_at(int fd, void *addr, unsigned long offset, unsigned long len)
260 {
261         ssize_t r;
262
263         /* We map writable even though for some segments are marked read-only.
264          * The kernel really wants to be writable: it patches its own
265          * instructions.
266          *
267          * MAP_PRIVATE means that the page won't be copied until a write is
268          * done to it.  This allows us to share untouched memory between
269          * Guests. */
270         if (mmap(addr, len, PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC,
271                  MAP_FIXED|MAP_PRIVATE, fd, offset) != MAP_FAILED)
272                 return;
273
274         /* pread does a seek and a read in one shot: saves a few lines. */
275         r = pread(fd, addr, len, offset);
276         if (r != len)
277                 err(1, "Reading offset %lu len %lu gave %zi", offset, len, r);
278 }
279
280 /* This routine takes an open vmlinux image, which is in ELF, and maps it into
281  * the Guest memory.  ELF = Embedded Linking Format, which is the format used
282  * by all modern binaries on Linux including the kernel.
283  *
284  * The ELF headers give *two* addresses: a physical address, and a virtual
285  * address.  We use the physical address; the Guest will map itself to the
286  * virtual address.
287  *
288  * We return the starting address. */
289 static unsigned long map_elf(int elf_fd, const Elf32_Ehdr *ehdr)
290 {
291         Elf32_Phdr phdr[ehdr->e_phnum];
292         unsigned int i;
293
294         /* Sanity checks on the main ELF header: an x86 executable with a
295          * reasonable number of correctly-sized program headers. */
296         if (ehdr->e_type != ET_EXEC
297             || ehdr->e_machine != EM_386
298             || ehdr->e_phentsize != sizeof(Elf32_Phdr)
299             || ehdr->e_phnum < 1 || ehdr->e_phnum > 65536U/sizeof(Elf32_Phdr))
300                 errx(1, "Malformed elf header");
301
302         /* An ELF executable contains an ELF header and a number of "program"
303          * headers which indicate which parts ("segments") of the program to
304          * load where. */
305
306         /* We read in all the program headers at once: */
307         if (lseek(elf_fd, ehdr->e_phoff, SEEK_SET) < 0)
308                 err(1, "Seeking to program headers");
309         if (read(elf_fd, phdr, sizeof(phdr)) != sizeof(phdr))
310                 err(1, "Reading program headers");
311
312         /* Try all the headers: there are usually only three.  A read-only one,
313          * a read-write one, and a "note" section which isn't loadable. */
314         for (i = 0; i < ehdr->e_phnum; i++) {
315                 /* If this isn't a loadable segment, we ignore it */
316                 if (phdr[i].p_type != PT_LOAD)
317                         continue;
318
319                 verbose("Section %i: size %i addr %p\n",
320                         i, phdr[i].p_memsz, (void *)phdr[i].p_paddr);
321
322                 /* We map this section of the file at its physical address. */
323                 map_at(elf_fd, from_guest_phys(phdr[i].p_paddr),
324                        phdr[i].p_offset, phdr[i].p_filesz);
325         }
326
327         /* The entry point is given in the ELF header. */
328         return ehdr->e_entry;
329 }
330
331 /*L:150 A bzImage, unlike an ELF file, is not meant to be loaded.  You're
332  * supposed to jump into it and it will unpack itself.  We used to have to
333  * perform some hairy magic because the unpacking code scared me.
334  *
335  * Fortunately, Jeremy Fitzhardinge convinced me it wasn't that hard and wrote
336  * a small patch to jump over the tricky bits in the Guest, so now we just read
337  * the funky header so we know where in the file to load, and away we go! */
338 static unsigned long load_bzimage(int fd)
339 {
340         struct boot_params boot;
341         int r;
342         /* Modern bzImages get loaded at 1M. */
343         void *p = from_guest_phys(0x100000);
344
345         /* Go back to the start of the file and read the header.  It should be
346          * a Linux boot header (see Documentation/i386/boot.txt) */
347         lseek(fd, 0, SEEK_SET);
348         read(fd, &boot, sizeof(boot));
349
350         /* Inside the setup_hdr, we expect the magic "HdrS" */
351         if (memcmp(&boot.hdr.header, "HdrS", 4) != 0)
352                 errx(1, "This doesn't look like a bzImage to me");
353
354         /* Skip over the extra sectors of the header. */
355         lseek(fd, (boot.hdr.setup_sects+1) * 512, SEEK_SET);
356
357         /* Now read everything into memory. in nice big chunks. */
358         while ((r = read(fd, p, 65536)) > 0)
359                 p += r;
360
361         /* Finally, code32_start tells us where to enter the kernel. */
362         return boot.hdr.code32_start;
363 }
364
365 /*L:140 Loading the kernel is easy when it's a "vmlinux", but most kernels
366  * come wrapped up in the self-decompressing "bzImage" format.  With a little
367  * work, we can load those, too. */
368 static unsigned long load_kernel(int fd)
369 {
370         Elf32_Ehdr hdr;
371
372         /* Read in the first few bytes. */
373         if (read(fd, &hdr, sizeof(hdr)) != sizeof(hdr))
374                 err(1, "Reading kernel");
375
376         /* If it's an ELF file, it starts with "\177ELF" */
377         if (memcmp(hdr.e_ident, ELFMAG, SELFMAG) == 0)
378                 return map_elf(fd, &hdr);
379
380         /* Otherwise we assume it's a bzImage, and try to unpack it */
381         return load_bzimage(fd);
382 }
383
384 /* This is a trivial little helper to align pages.  Andi Kleen hated it because
385  * it calls getpagesize() twice: "it's dumb code."
386  *
387  * Kernel guys get really het up about optimization, even when it's not
388  * necessary.  I leave this code as a reaction against that. */
389 static inline unsigned long page_align(unsigned long addr)
390 {
391         /* Add upwards and truncate downwards. */
392         return ((addr + getpagesize()-1) & ~(getpagesize()-1));
393 }
394
395 /*L:180 An "initial ram disk" is a disk image loaded into memory along with
396  * the kernel which the kernel can use to boot from without needing any
397  * drivers.  Most distributions now use this as standard: the initrd contains
398  * the code to load the appropriate driver modules for the current machine.
399  *
400  * Importantly, James Morris works for RedHat, and Fedora uses initrds for its
401  * kernels.  He sent me this (and tells me when I break it). */
402 static unsigned long load_initrd(const char *name, unsigned long mem)
403 {
404         int ifd;
405         struct stat st;
406         unsigned long len;
407
408         ifd = open_or_die(name, O_RDONLY);
409         /* fstat() is needed to get the file size. */
410         if (fstat(ifd, &st) < 0)
411                 err(1, "fstat() on initrd '%s'", name);
412
413         /* We map the initrd at the top of memory, but mmap wants it to be
414          * page-aligned, so we round the size up for that. */
415         len = page_align(st.st_size);
416         map_at(ifd, from_guest_phys(mem - len), 0, st.st_size);
417         /* Once a file is mapped, you can close the file descriptor.  It's a
418          * little odd, but quite useful. */
419         close(ifd);
420         verbose("mapped initrd %s size=%lu @ %p\n", name, len, (void*)mem-len);
421
422         /* We return the initrd size. */
423         return len;
424 }
425
426 /* Once we know how much memory we have, we can construct simple linear page
427  * tables which set virtual == physical which will get the Guest far enough
428  * into the boot to create its own.
429  *
430  * We lay them out of the way, just below the initrd (which is why we need to
431  * know its size). */
432 static unsigned long setup_pagetables(unsigned long mem,
433                                       unsigned long initrd_size)
434 {
435         unsigned long *pgdir, *linear;
436         unsigned int mapped_pages, i, linear_pages;
437         unsigned int ptes_per_page = getpagesize()/sizeof(void *);
438
439         mapped_pages = mem/getpagesize();
440
441         /* Each PTE page can map ptes_per_page pages: how many do we need? */
442         linear_pages = (mapped_pages + ptes_per_page-1)/ptes_per_page;
443
444         /* We put the toplevel page directory page at the top of memory. */
445         pgdir = from_guest_phys(mem) - initrd_size - getpagesize();
446
447         /* Now we use the next linear_pages pages as pte pages */
448         linear = (void *)pgdir - linear_pages*getpagesize();
449
450         /* Linear mapping is easy: put every page's address into the mapping in
451          * order.  PAGE_PRESENT contains the flags Present, Writable and
452          * Executable. */
453         for (i = 0; i < mapped_pages; i++)
454                 linear[i] = ((i * getpagesize()) | PAGE_PRESENT);
455
456         /* The top level points to the linear page table pages above. */
457         for (i = 0; i < mapped_pages; i += ptes_per_page) {
458                 pgdir[i/ptes_per_page]
459                         = ((to_guest_phys(linear) + i*sizeof(void *))
460                            | PAGE_PRESENT);
461         }
462
463         verbose("Linear mapping of %u pages in %u pte pages at %#lx\n",
464                 mapped_pages, linear_pages, to_guest_phys(linear));
465
466         /* We return the top level (guest-physical) address: the kernel needs
467          * to know where it is. */
468         return to_guest_phys(pgdir);
469 }
470 /*:*/
471
472 /* Simple routine to roll all the commandline arguments together with spaces
473  * between them. */
474 static void concat(char *dst, char *args[])
475 {
476         unsigned int i, len = 0;
477
478         for (i = 0; args[i]; i++) {
479                 strcpy(dst+len, args[i]);
480                 strcat(dst+len, " ");
481                 len += strlen(args[i]) + 1;
482         }
483         /* In case it's empty. */
484         dst[len] = '\0';
485 }
486
487 /*L:185 This is where we actually tell the kernel to initialize the Guest.  We
488  * saw the arguments it expects when we looked at initialize() in lguest_user.c:
489  * the base of Guest "physical" memory, the top physical page to allow, the
490  * top level pagetable and the entry point for the Guest. */
491 static int tell_kernel(unsigned long pgdir, unsigned long start)
492 {
493         unsigned long args[] = { LHREQ_INITIALIZE,
494                                  (unsigned long)guest_base,
495                                  guest_limit / getpagesize(), pgdir, start };
496         int fd;
497
498         verbose("Guest: %p - %p (%#lx)\n",
499                 guest_base, guest_base + guest_limit, guest_limit);
500         fd = open_or_die("/dev/lguest", O_RDWR);
501         if (write(fd, args, sizeof(args)) < 0)
502                 err(1, "Writing to /dev/lguest");
503
504         /* We return the /dev/lguest file descriptor to control this Guest */
505         return fd;
506 }
507 /*:*/
508
509 static void add_device_fd(int fd)
510 {
511         FD_SET(fd, &devices.infds);
512         if (fd > devices.max_infd)
513                 devices.max_infd = fd;
514 }
515
516 /*L:200
517  * The Waker.
518  *
519  * With console, block and network devices, we can have lots of input which we
520  * need to process.  We could try to tell the kernel what file descriptors to
521  * watch, but handing a file descriptor mask through to the kernel is fairly
522  * icky.
523  *
524  * Instead, we fork off a process which watches the file descriptors and writes
525  * the LHREQ_BREAK command to the /dev/lguest file descriptor to tell the Host
526  * stop running the Guest.  This causes the Launcher to return from the
527  * /dev/lguest read with -EAGAIN, where it will write to /dev/lguest to reset
528  * the LHREQ_BREAK and wake us up again.
529  *
530  * This, of course, is merely a different *kind* of icky.
531  */
532 static void wake_parent(int pipefd, int lguest_fd)
533 {
534         /* Add the pipe from the Launcher to the fdset in the device_list, so
535          * we watch it, too. */
536         add_device_fd(pipefd);
537
538         for (;;) {
539                 fd_set rfds = devices.infds;
540                 unsigned long args[] = { LHREQ_BREAK, 1 };
541
542                 /* Wait until input is ready from one of the devices. */
543                 select(devices.max_infd+1, &rfds, NULL, NULL, NULL);
544                 /* Is it a message from the Launcher? */
545                 if (FD_ISSET(pipefd, &rfds)) {
546                         int fd;
547                         /* If read() returns 0, it means the Launcher has
548                          * exited.  We silently follow. */
549                         if (read(pipefd, &fd, sizeof(fd)) == 0)
550                                 exit(0);
551                         /* Otherwise it's telling us to change what file
552                          * descriptors we're to listen to.  Positive means
553                          * listen to a new one, negative means stop
554                          * listening. */
555                         if (fd >= 0)
556                                 FD_SET(fd, &devices.infds);
557                         else
558                                 FD_CLR(-fd - 1, &devices.infds);
559                 } else /* Send LHREQ_BREAK command. */
560                         write(lguest_fd, args, sizeof(args));
561         }
562 }
563
564 /* This routine just sets up a pipe to the Waker process. */
565 static int setup_waker(int lguest_fd)
566 {
567         int pipefd[2], child;
568
569         /* We create a pipe to talk to the Waker, and also so it knows when the
570          * Launcher dies (and closes pipe). */
571         pipe(pipefd);
572         child = fork();
573         if (child == -1)
574                 err(1, "forking");
575
576         if (child == 0) {
577                 /* We are the Waker: close the "writing" end of our copy of the
578                  * pipe and start waiting for input. */
579                 close(pipefd[1]);
580                 wake_parent(pipefd[0], lguest_fd);
581         }
582         /* Close the reading end of our copy of the pipe. */
583         close(pipefd[0]);
584
585         /* Here is the fd used to talk to the waker. */
586         return pipefd[1];
587 }
588
589 /*
590  * Device Handling.
591  *
592  * When the Guest gives us a buffer, it sends an array of addresses and sizes.
593  * We need to make sure it's not trying to reach into the Launcher itself, so
594  * we have a convenient routine which checks it and exits with an error message
595  * if something funny is going on:
596  */
597 static void *_check_pointer(unsigned long addr, unsigned int size,
598                             unsigned int line)
599 {
600         /* We have to separately check addr and addr+size, because size could
601          * be huge and addr + size might wrap around. */
602         if (addr >= guest_limit || addr + size >= guest_limit)
603                 errx(1, "%s:%i: Invalid address %#lx", __FILE__, line, addr);
604         /* We return a pointer for the caller's convenience, now we know it's
605          * safe to use. */
606         return from_guest_phys(addr);
607 }
608 /* A macro which transparently hands the line number to the real function. */
609 #define check_pointer(addr,size) _check_pointer(addr, size, __LINE__)
610
611 /* Each buffer in the virtqueues is actually a chain of descriptors.  This
612  * function returns the next descriptor in the chain, or vq->vring.num if we're
613  * at the end. */
614 static unsigned next_desc(struct virtqueue *vq, unsigned int i)
615 {
616         unsigned int next;
617
618         /* If this descriptor says it doesn't chain, we're done. */
619         if (!(vq->vring.desc[i].flags & VRING_DESC_F_NEXT))
620                 return vq->vring.num;
621
622         /* Check they're not leading us off end of descriptors. */
623         next = vq->vring.desc[i].next;
624         /* Make sure compiler knows to grab that: we don't want it changing! */
625         wmb();
626
627         if (next >= vq->vring.num)
628                 errx(1, "Desc next is %u", next);
629
630         return next;
631 }
632
633 /* This looks in the virtqueue and for the first available buffer, and converts
634  * it to an iovec for convenient access.  Since descriptors consist of some
635  * number of output then some number of input descriptors, it's actually two
636  * iovecs, but we pack them into one and note how many of each there were.
637  *
638  * This function returns the descriptor number found, or vq->vring.num (which
639  * is never a valid descriptor number) if none was found. */
640 static unsigned get_vq_desc(struct virtqueue *vq,
641                             struct iovec iov[],
642                             unsigned int *out_num, unsigned int *in_num)
643 {
644         unsigned int i, head;
645
646         /* Check it isn't doing very strange things with descriptor numbers. */
647         if ((u16)(vq->vring.avail->idx - vq->last_avail_idx) > vq->vring.num)
648                 errx(1, "Guest moved used index from %u to %u",
649                      vq->last_avail_idx, vq->vring.avail->idx);
650
651         /* If there's nothing new since last we looked, return invalid. */
652         if (vq->vring.avail->idx == vq->last_avail_idx)
653                 return vq->vring.num;
654
655         /* Grab the next descriptor number they're advertising, and increment
656          * the index we've seen. */
657         head = vq->vring.avail->ring[vq->last_avail_idx++ % vq->vring.num];
658
659         /* If their number is silly, that's a fatal mistake. */
660         if (head >= vq->vring.num)
661                 errx(1, "Guest says index %u is available", head);
662
663         /* When we start there are none of either input nor output. */
664         *out_num = *in_num = 0;
665
666         i = head;
667         do {
668                 /* Grab the first descriptor, and check it's OK. */
669                 iov[*out_num + *in_num].iov_len = vq->vring.desc[i].len;
670                 iov[*out_num + *in_num].iov_base
671                         = check_pointer(vq->vring.desc[i].addr,
672                                         vq->vring.desc[i].len);
673                 /* If this is an input descriptor, increment that count. */
674                 if (vq->vring.desc[i].flags & VRING_DESC_F_WRITE)
675                         (*in_num)++;
676                 else {
677                         /* If it's an output descriptor, they're all supposed
678                          * to come before any input descriptors. */
679                         if (*in_num)
680                                 errx(1, "Descriptor has out after in");
681                         (*out_num)++;
682                 }
683
684                 /* If we've got too many, that implies a descriptor loop. */
685                 if (*out_num + *in_num > vq->vring.num)
686                         errx(1, "Looped descriptor");
687         } while ((i = next_desc(vq, i)) != vq->vring.num);
688
689         return head;
690 }
691
692 /* After we've used one of their buffers, we tell them about it.  We'll then
693  * want to send them an interrupt, using trigger_irq(). */
694 static void add_used(struct virtqueue *vq, unsigned int head, int len)
695 {
696         struct vring_used_elem *used;
697
698         /* The virtqueue contains a ring of used buffers.  Get a pointer to the
699          * next entry in that used ring. */
700         used = &vq->vring.used->ring[vq->vring.used->idx % vq->vring.num];
701         used->id = head;
702         used->len = len;
703         /* Make sure buffer is written before we update index. */
704         wmb();
705         vq->vring.used->idx++;
706 }
707
708 /* This actually sends the interrupt for this virtqueue */
709 static void trigger_irq(int fd, struct virtqueue *vq)
710 {
711         unsigned long buf[] = { LHREQ_IRQ, vq->config.irq };
712
713         /* If they don't want an interrupt, don't send one. */
714         if (vq->vring.avail->flags & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT)
715                 return;
716
717         /* Send the Guest an interrupt tell them we used something up. */
718         if (write(fd, buf, sizeof(buf)) != 0)
719                 err(1, "Triggering irq %i", vq->config.irq);
720 }
721
722 /* And here's the combo meal deal.  Supersize me! */
723 static void add_used_and_trigger(int fd, struct virtqueue *vq,
724                                  unsigned int head, int len)
725 {
726         add_used(vq, head, len);
727         trigger_irq(fd, vq);
728 }
729
730 /*
731  * The Console
732  *
733  * Here is the input terminal setting we save, and the routine to restore them
734  * on exit so the user gets their terminal back. */
735 static struct termios orig_term;
736 static void restore_term(void)
737 {
738         tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &orig_term);
739 }
740
741 /* We associate some data with the console for our exit hack. */
742 struct console_abort
743 {
744         /* How many times have they hit ^C? */
745         int count;
746         /* When did they start? */
747         struct timeval start;
748 };
749
750 /* This is the routine which handles console input (ie. stdin). */
751 static bool handle_console_input(int fd, struct device *dev)
752 {
753         int len;
754         unsigned int head, in_num, out_num;
755         struct iovec iov[dev->vq->vring.num];
756         struct console_abort *abort = dev->priv;
757
758         /* First we need a console buffer from the Guests's input virtqueue. */
759         head = get_vq_desc(dev->vq, iov, &out_num, &in_num);
760
761         /* If they're not ready for input, stop listening to this file
762          * descriptor.  We'll start again once they add an input buffer. */
763         if (head == dev->vq->vring.num)
764                 return false;
765
766         if (out_num)
767                 errx(1, "Output buffers in console in queue?");
768
769         /* This is why we convert to iovecs: the readv() call uses them, and so
770          * it reads straight into the Guest's buffer. */
771         len = readv(dev->fd, iov, in_num);
772         if (len <= 0) {
773                 /* This implies that the console is closed, is /dev/null, or
774                  * something went terribly wrong. */
775                 warnx("Failed to get console input, ignoring console.");
776                 /* Put the input terminal back. */
777                 restore_term();
778                 /* Remove callback from input vq, so it doesn't restart us. */
779                 dev->vq->handle_output = NULL;
780                 /* Stop listening to this fd: don't call us again. */
781                 return false;
782         }
783
784         /* Tell the Guest about the new input. */
785         add_used_and_trigger(fd, dev->vq, head, len);
786
787         /* Three ^C within one second?  Exit.
788          *
789          * This is such a hack, but works surprisingly well.  Each ^C has to be
790          * in a buffer by itself, so they can't be too fast.  But we check that
791          * we get three within about a second, so they can't be too slow. */
792         if (len == 1 && ((char *)iov[0].iov_base)[0] == 3) {
793                 if (!abort->count++)
794                         gettimeofday(&abort->start, NULL);
795                 else if (abort->count == 3) {
796                         struct timeval now;
797                         gettimeofday(&now, NULL);
798                         if (now.tv_sec <= abort->start.tv_sec+1) {
799                                 unsigned long args[] = { LHREQ_BREAK, 0 };
800                                 /* Close the fd so Waker will know it has to
801                                  * exit. */
802                                 close(waker_fd);
803                                 /* Just in case waker is blocked in BREAK, send
804                                  * unbreak now. */
805                                 write(fd, args, sizeof(args));
806                                 exit(2);
807                         }
808                         abort->count = 0;
809                 }
810         } else
811                 /* Any other key resets the abort counter. */
812                 abort->count = 0;
813
814         /* Everything went OK! */
815         return true;
816 }
817
818 /* Handling output for console is simple: we just get all the output buffers
819  * and write them to stdout. */
820 static void handle_console_output(int fd, struct virtqueue *vq)
821 {
822         unsigned int head, out, in;
823         int len;
824         struct iovec iov[vq->vring.num];
825
826         /* Keep getting output buffers from the Guest until we run out. */
827         while ((head = get_vq_desc(vq, iov, &out, &in)) != vq->vring.num) {
828                 if (in)
829                         errx(1, "Input buffers in output queue?");
830                 len = writev(STDOUT_FILENO, iov, out);
831                 add_used_and_trigger(fd, vq, head, len);
832         }
833 }
834
835 /*
836  * The Network
837  *
838  * Handling output for network is also simple: we get all the output buffers
839  * and write them (ignoring the first element) to this device's file descriptor
840  * (stdout). */
841 static void handle_net_output(int fd, struct virtqueue *vq)
842 {
843         unsigned int head, out, in;
844         int len;
845         struct iovec iov[vq->vring.num];
846
847         /* Keep getting output buffers from the Guest until we run out. */
848         while ((head = get_vq_desc(vq, iov, &out, &in)) != vq->vring.num) {
849                 if (in)
850                         errx(1, "Input buffers in output queue?");
851                 /* Check header, but otherwise ignore it (we told the Guest we
852                  * supported no features, so it shouldn't have anything
853                  * interesting). */
854                 (void)convert(&iov[0], struct virtio_net_hdr);
855                 len = writev(vq->dev->fd, iov+1, out-1);
856                 add_used_and_trigger(fd, vq, head, len);
857         }
858 }
859
860 /* This is where we handle a packet coming in from the tun device to our
861  * Guest. */
862 static bool handle_tun_input(int fd, struct device *dev)
863 {
864         unsigned int head, in_num, out_num;
865         int len;
866         struct iovec iov[dev->vq->vring.num];
867         struct virtio_net_hdr *hdr;
868
869         /* First we need a network buffer from the Guests's recv virtqueue. */
870         head = get_vq_desc(dev->vq, iov, &out_num, &in_num);
871         if (head == dev->vq->vring.num) {
872                 /* Now, it's expected that if we try to send a packet too
873                  * early, the Guest won't be ready yet.  Wait until the device
874                  * status says it's ready. */
875                 /* FIXME: Actually want DRIVER_ACTIVE here. */
876                 if (dev->desc->status & VIRTIO_CONFIG_S_DRIVER_OK)
877                         warn("network: no dma buffer!");
878                 /* We'll turn this back on if input buffers are registered. */
879                 return false;
880         } else if (out_num)
881                 errx(1, "Output buffers in network recv queue?");
882
883         /* First element is the header: we set it to 0 (no features). */
884         hdr = convert(&iov[0], struct virtio_net_hdr);
885         hdr->flags = 0;
886         hdr->gso_type = VIRTIO_NET_HDR_GSO_NONE;
887
888         /* Read the packet from the device directly into the Guest's buffer. */
889         len = readv(dev->fd, iov+1, in_num-1);
890         if (len <= 0)
891                 err(1, "reading network");
892
893         /* Tell the Guest about the new packet. */
894         add_used_and_trigger(fd, dev->vq, head, sizeof(*hdr) + len);
895
896         verbose("tun input packet len %i [%02x %02x] (%s)\n", len,
897                 ((u8 *)iov[1].iov_base)[0], ((u8 *)iov[1].iov_base)[1],
898                 head != dev->vq->vring.num ? "sent" : "discarded");
899
900         /* All good. */
901         return true;
902 }
903
904 /*L:215 This is the callback attached to the network and console input
905  * virtqueues: it ensures we try again, in case we stopped console or net
906  * delivery because Guest didn't have any buffers. */
907 static void enable_fd(int fd, struct virtqueue *vq)
908 {
909         add_device_fd(vq->dev->fd);
910         /* Tell waker to listen to it again */
911         write(waker_fd, &vq->dev->fd, sizeof(vq->dev->fd));
912 }
913
914 /* This is the generic routine we call when the Guest uses LHCALL_NOTIFY. */
915 static void handle_output(int fd, unsigned long addr)
916 {
917         struct device *i;
918         struct virtqueue *vq;
919
920         /* Check each virtqueue. */
921         for (i = devices.dev; i; i = i->next) {
922                 for (vq = i->vq; vq; vq = vq->next) {
923                         if (vq->config.pfn == addr/getpagesize()
924                             && vq->handle_output) {
925                                 verbose("Output to %s\n", vq->dev->name);
926                                 vq->handle_output(fd, vq);
927                                 return;
928                         }
929                 }
930         }
931
932         /* Early console write is done using notify on a nul-terminated string
933          * in Guest memory. */
934         if (addr >= guest_limit)
935                 errx(1, "Bad NOTIFY %#lx", addr);
936
937         write(STDOUT_FILENO, from_guest_phys(addr),
938               strnlen(from_guest_phys(addr), guest_limit - addr));
939 }
940
941 /* This is called when the Waker wakes us up: check for incoming file
942  * descriptors. */
943 static void handle_input(int fd)
944 {
945         /* select() wants a zeroed timeval to mean "don't wait". */
946         struct timeval poll = { .tv_sec = 0, .tv_usec = 0 };
947
948         for (;;) {
949                 struct device *i;
950                 fd_set fds = devices.infds;
951
952                 /* If nothing is ready, we're done. */
953                 if (select(devices.max_infd+1, &fds, NULL, NULL, &poll) == 0)
954                         break;
955
956                 /* Otherwise, call the device(s) which have readable
957                  * file descriptors and a method of handling them.  */
958                 for (i = devices.dev; i; i = i->next) {
959                         if (i->handle_input && FD_ISSET(i->fd, &fds)) {
960                                 int dev_fd;
961                                 if (i->handle_input(fd, i))
962                                         continue;
963
964                                 /* If handle_input() returns false, it means we
965                                  * should no longer service it.  Networking and
966                                  * console do this when there's no input
967                                  * buffers to deliver into.  Console also uses
968                                  * it when it discovers that stdin is
969                                  * closed. */
970                                 FD_CLR(i->fd, &devices.infds);
971                                 /* Tell waker to ignore it too, by sending a
972                                  * negative fd number (-1, since 0 is a valid
973                                  * FD number). */
974                                 dev_fd = -i->fd - 1;
975                                 write(waker_fd, &dev_fd, sizeof(dev_fd));
976                         }
977                 }
978         }
979 }
980
981 /*L:190
982  * Device Setup
983  *
984  * All devices need a descriptor so the Guest knows it exists, and a "struct
985  * device" so the Launcher can keep track of it.  We have common helper
986  * routines to allocate them.
987  *
988  * This routine allocates a new "struct lguest_device_desc" from descriptor
989  * table just above the Guest's normal memory.  It returns a pointer to that
990  * descriptor. */
991 static struct lguest_device_desc *new_dev_desc(u16 type)
992 {
993         struct lguest_device_desc *d;
994
995         /* We only have one page for all the descriptors. */
996         if (devices.desc_used + sizeof(*d) > getpagesize())
997                 errx(1, "Too many devices");
998
999         /* We don't need to set config_len or status: page is 0 already. */
1000         d = (void *)devices.descpage + devices.desc_used;
1001         d->type = type;
1002         devices.desc_used += sizeof(*d);
1003
1004         return d;
1005 }
1006
1007 /* Each device descriptor is followed by some configuration information.
1008  * Each configuration field looks like: u8 type, u8 len, [... len bytes...].
1009  *
1010  * This routine adds a new field to an existing device's descriptor.  It only
1011  * works for the last device, but that's OK because that's how we use it. */
1012 static void add_desc_field(struct device *dev, u8 type, u8 len, const void *c)
1013 {
1014         /* This is the last descriptor, right? */
1015         assert(devices.descpage + devices.desc_used
1016                == (u8 *)(dev->desc + 1) + dev->desc->config_len);
1017
1018         /* We only have one page of device descriptions. */
1019         if (devices.desc_used + 2 + len > getpagesize())
1020                 errx(1, "Too many devices");
1021
1022         /* Copy in the new config header: type then length. */
1023         devices.descpage[devices.desc_used++] = type;
1024         devices.descpage[devices.desc_used++] = len;
1025         memcpy(devices.descpage + devices.desc_used, c, len);
1026         devices.desc_used += len;
1027
1028         /* Update the device descriptor length: two byte head then data. */
1029         dev->desc->config_len += 2 + len;
1030 }
1031
1032 /* This routine adds a virtqueue to a device.  We specify how many descriptors
1033  * the virtqueue is to have. */
1034 static void add_virtqueue(struct device *dev, unsigned int num_descs,
1035                           void (*handle_output)(int fd, struct virtqueue *me))
1036 {
1037         unsigned int pages;
1038         struct virtqueue **i, *vq = malloc(sizeof(*vq));
1039         void *p;
1040
1041         /* First we need some pages for this virtqueue. */
1042         pages = (vring_size(num_descs, getpagesize()) + getpagesize() - 1)
1043                 / getpagesize();
1044         p = get_pages(pages);
1045
1046         /* Initialize the virtqueue */
1047         vq->next = NULL;
1048         vq->last_avail_idx = 0;
1049         vq->dev = dev;
1050
1051         /* Initialize the configuration. */
1052         vq->config.num = num_descs;
1053         vq->config.irq = devices.next_irq++;
1054         vq->config.pfn = to_guest_phys(p) / getpagesize();
1055
1056         /* Initialize the vring. */
1057         vring_init(&vq->vring, num_descs, p, getpagesize());
1058
1059         /* Add the configuration information to this device's descriptor. */
1060         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_F_VIRTQUEUE,
1061                        sizeof(vq->config), &vq->config);
1062
1063         /* Add to tail of list, so dev->vq is first vq, dev->vq->next is
1064          * second.  */
1065         for (i = &dev->vq; *i; i = &(*i)->next);
1066         *i = vq;
1067
1068         /* Set the routine to call when the Guest does something to this
1069          * virtqueue. */
1070         vq->handle_output = handle_output;
1071
1072         /* Set the "Don't Notify Me" flag if we don't have a handler */
1073         if (!handle_output)
1074                 vq->vring.used->flags = VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
1075 }
1076
1077 /* This routine does all the creation and setup of a new device, including
1078  * calling new_dev_desc() to allocate the descriptor and device memory. */
1079 static struct device *new_device(const char *name, u16 type, int fd,
1080                                  bool (*handle_input)(int, struct device *))
1081 {
1082         struct device *dev = malloc(sizeof(*dev));
1083
1084         /* Append to device list.  Prepending to a single-linked list is
1085          * easier, but the user expects the devices to be arranged on the bus
1086          * in command-line order.  The first network device on the command line
1087          * is eth0, the first block device /dev/vda, etc. */
1088         *devices.lastdev = dev;
1089         dev->next = NULL;
1090         devices.lastdev = &dev->next;
1091
1092         /* Now we populate the fields one at a time. */
1093         dev->fd = fd;
1094         /* If we have an input handler for this file descriptor, then we add it
1095          * to the device_list's fdset and maxfd. */
1096         if (handle_input)
1097                 add_device_fd(dev->fd);
1098         dev->desc = new_dev_desc(type);
1099         dev->handle_input = handle_input;
1100         dev->name = name;
1101         dev->vq = NULL;
1102         return dev;
1103 }
1104
1105 /* Our first setup routine is the console.  It's a fairly simple device, but
1106  * UNIX tty handling makes it uglier than it could be. */
1107 static void setup_console(void)
1108 {
1109         struct device *dev;
1110
1111         /* If we can save the initial standard input settings... */
1112         if (tcgetattr(STDIN_FILENO, &orig_term) == 0) {
1113                 struct termios term = orig_term;
1114                 /* Then we turn off echo, line buffering and ^C etc.  We want a
1115                  * raw input stream to the Guest. */
1116                 term.c_lflag &= ~(ISIG|ICANON|ECHO);
1117                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &term);
1118                 /* If we exit gracefully, the original settings will be
1119                  * restored so the user can see what they're typing. */
1120                 atexit(restore_term);
1121         }
1122
1123         dev = new_device("console", VIRTIO_ID_CONSOLE,
1124                          STDIN_FILENO, handle_console_input);
1125         /* We store the console state in dev->priv, and initialize it. */
1126         dev->priv = malloc(sizeof(struct console_abort));
1127         ((struct console_abort *)dev->priv)->count = 0;
1128
1129         /* The console needs two virtqueues: the input then the output.  When
1130          * they put something the input queue, we make sure we're listening to
1131          * stdin.  When they put something in the output queue, we write it to
1132          * stdout. */
1133         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, enable_fd);
1134         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, handle_console_output);
1135
1136         verbose("device %u: console\n", devices.device_num++);
1137 }
1138 /*:*/
1139
1140 /*M:010 Inter-guest networking is an interesting area.  Simplest is to have a
1141  * --sharenet=<name> option which opens or creates a named pipe.  This can be
1142  * used to send packets to another guest in a 1:1 manner.
1143  *
1144  * More sopisticated is to use one of the tools developed for project like UML
1145  * to do networking.
1146  *
1147  * Faster is to do virtio bonding in kernel.  Doing this 1:1 would be
1148  * completely generic ("here's my vring, attach to your vring") and would work
1149  * for any traffic.  Of course, namespace and permissions issues need to be
1150  * dealt with.  A more sophisticated "multi-channel" virtio_net.c could hide
1151  * multiple inter-guest channels behind one interface, although it would
1152  * require some manner of hotplugging new virtio channels.
1153  *
1154  * Finally, we could implement a virtio network switch in the kernel. :*/
1155
1156 static u32 str2ip(const char *ipaddr)
1157 {
1158         unsigned int byte[4];
1159
1160         sscanf(ipaddr, "%u.%u.%u.%u", &byte[0], &byte[1], &byte[2], &byte[3]);
1161         return (byte[0] << 24) | (byte[1] << 16) | (byte[2] << 8) | byte[3];
1162 }
1163
1164 /* This code is "adapted" from libbridge: it attaches the Host end of the
1165  * network device to the bridge device specified by the command line.
1166  *
1167  * This is yet another James Morris contribution (I'm an IP-level guy, so I
1168  * dislike bridging), and I just try not to break it. */
1169 static void add_to_bridge(int fd, const char *if_name, const char *br_name)
1170 {
1171         int ifidx;
1172         struct ifreq ifr;
1173
1174         if (!*br_name)
1175                 errx(1, "must specify bridge name");
1176
1177         ifidx = if_nametoindex(if_name);
1178         if (!ifidx)
1179                 errx(1, "interface %s does not exist!", if_name);
1180
1181         strncpy(ifr.ifr_name, br_name, IFNAMSIZ);
1182         ifr.ifr_ifindex = ifidx;
1183         if (ioctl(fd, SIOCBRADDIF, &ifr) < 0)
1184                 err(1, "can't add %s to bridge %s", if_name, br_name);
1185 }
1186
1187 /* This sets up the Host end of the network device with an IP address, brings
1188  * it up so packets will flow, the copies the MAC address into the hwaddr
1189  * pointer. */
1190 static void configure_device(int fd, const char *devname, u32 ipaddr,
1191                              unsigned char hwaddr[6])
1192 {
1193         struct ifreq ifr;
1194         struct sockaddr_in *sin = (struct sockaddr_in *)&ifr.ifr_addr;
1195
1196         /* Don't read these incantations.  Just cut & paste them like I did! */
1197         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
1198         strcpy(ifr.ifr_name, devname);
1199         sin->sin_family = AF_INET;
1200         sin->sin_addr.s_addr = htonl(ipaddr);
1201         if (ioctl(fd, SIOCSIFADDR, &ifr) != 0)
1202                 err(1, "Setting %s interface address", devname);
1203         ifr.ifr_flags = IFF_UP;
1204         if (ioctl(fd, SIOCSIFFLAGS, &ifr) != 0)
1205                 err(1, "Bringing interface %s up", devname);
1206
1207         /* SIOC stands for Socket I/O Control.  G means Get (vs S for Set
1208          * above).  IF means Interface, and HWADDR is hardware address.
1209          * Simple! */
1210         if (ioctl(fd, SIOCGIFHWADDR, &ifr) != 0)
1211                 err(1, "getting hw address for %s", devname);
1212         memcpy(hwaddr, ifr.ifr_hwaddr.sa_data, 6);
1213 }
1214
1215 /*L:195 Our network is a Host<->Guest network.  This can either use bridging or
1216  * routing, but the principle is the same: it uses the "tun" device to inject
1217  * packets into the Host as if they came in from a normal network card.  We
1218  * just shunt packets between the Guest and the tun device. */
1219 static void setup_tun_net(const char *arg)
1220 {
1221         struct device *dev;
1222         struct ifreq ifr;
1223         int netfd, ipfd;
1224         u32 ip;
1225         const char *br_name = NULL;
1226         u8 hwaddr[6];
1227
1228         /* We open the /dev/net/tun device and tell it we want a tap device.  A
1229          * tap device is like a tun device, only somehow different.  To tell
1230          * the truth, I completely blundered my way through this code, but it
1231          * works now! */
1232         netfd = open_or_die("/dev/net/tun", O_RDWR);
1233         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
1234         ifr.ifr_flags = IFF_TAP | IFF_NO_PI;
1235         strcpy(ifr.ifr_name, "tap%d");
1236         if (ioctl(netfd, TUNSETIFF, &ifr) != 0)
1237                 err(1, "configuring /dev/net/tun");
1238         /* We don't need checksums calculated for packets coming in this
1239          * device: trust us! */
1240         ioctl(netfd, TUNSETNOCSUM, 1);
1241
1242         /* First we create a new network device. */
1243         dev = new_device("net", VIRTIO_ID_NET, netfd, handle_tun_input);
1244
1245         /* Network devices need a receive and a send queue, just like
1246          * console. */
1247         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, enable_fd);
1248         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, handle_net_output);
1249
1250         /* We need a socket to perform the magic network ioctls to bring up the
1251          * tap interface, connect to the bridge etc.  Any socket will do! */
1252         ipfd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_IP);
1253         if (ipfd < 0)
1254                 err(1, "opening IP socket");
1255
1256         /* If the command line was --tunnet=bridge:<name> do bridging. */
1257         if (!strncmp(BRIDGE_PFX, arg, strlen(BRIDGE_PFX))) {
1258                 ip = INADDR_ANY;
1259                 br_name = arg + strlen(BRIDGE_PFX);
1260                 add_to_bridge(ipfd, ifr.ifr_name, br_name);
1261         } else /* It is an IP address to set up the device with */
1262                 ip = str2ip(arg);
1263
1264         /* Set up the tun device, and get the mac address for the interface. */
1265         configure_device(ipfd, ifr.ifr_name, ip, hwaddr);
1266
1267         /* Tell Guest what MAC address to use. */
1268         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_NET_MAC_F, sizeof(hwaddr), hwaddr);
1269
1270         /* We don't seed the socket any more; setup is done. */
1271         close(ipfd);
1272
1273         verbose("device %u: tun net %u.%u.%u.%u\n",
1274                 devices.device_num++,
1275                 (u8)(ip>>24),(u8)(ip>>16),(u8)(ip>>8),(u8)ip);
1276         if (br_name)
1277                 verbose("attached to bridge: %s\n", br_name);
1278 }
1279
1280 /* Our block (disk) device should be really simple: the Guest asks for a block
1281  * number and we read or write that position in the file.  Unfortunately, that
1282  * was amazingly slow: the Guest waits until the read is finished before
1283  * running anything else, even if it could have been doing useful work.
1284  *
1285  * We could use async I/O, except it's reputed to suck so hard that characters
1286  * actually go missing from your code when you try to use it.
1287  *
1288  * So we farm the I/O out to thread, and communicate with it via a pipe. */
1289
1290 /* This hangs off device->priv. */
1291 struct vblk_info
1292 {
1293         /* The size of the file. */
1294         off64_t len;
1295
1296         /* The file descriptor for the file. */
1297         int fd;
1298
1299         /* IO thread listens on this file descriptor [0]. */
1300         int workpipe[2];
1301
1302         /* IO thread writes to this file descriptor to mark it done, then
1303          * Launcher triggers interrupt to Guest. */
1304         int done_fd;
1305 };
1306 /*:*/
1307
1308 /*L:210
1309  * The Disk
1310  *
1311  * Remember that the block device is handled by a separate I/O thread.  We head
1312  * straight into the core of that thread here:
1313  */
1314 static bool service_io(struct device *dev)
1315 {
1316         struct vblk_info *vblk = dev->priv;
1317         unsigned int head, out_num, in_num, wlen;
1318         int ret;
1319         struct virtio_blk_inhdr *in;
1320         struct virtio_blk_outhdr *out;
1321         struct iovec iov[dev->vq->vring.num];
1322         off64_t off;
1323
1324         /* See if there's a request waiting.  If not, nothing to do. */
1325         head = get_vq_desc(dev->vq, iov, &out_num, &in_num);
1326         if (head == dev->vq->vring.num)
1327                 return false;
1328
1329         /* Every block request should contain at least one output buffer
1330          * (detailing the location on disk and the type of request) and one
1331          * input buffer (to hold the result). */
1332         if (out_num == 0 || in_num == 0)
1333                 errx(1, "Bad virtblk cmd %u out=%u in=%u",
1334                      head, out_num, in_num);
1335
1336         out = convert(&iov[0], struct virtio_blk_outhdr);
1337         in = convert(&iov[out_num+in_num-1], struct virtio_blk_inhdr);
1338         off = out->sector * 512;
1339
1340         /* The block device implements "barriers", where the Guest indicates
1341          * that it wants all previous writes to occur before this write.  We
1342          * don't have a way of asking our kernel to do a barrier, so we just
1343          * synchronize all the data in the file.  Pretty poor, no? */
1344         if (out->type & VIRTIO_BLK_T_BARRIER)
1345                 fdatasync(vblk->fd);
1346
1347         /* In general the virtio block driver is allowed to try SCSI commands.
1348          * It'd be nice if we supported eject, for example, but we don't. */
1349         if (out->type & VIRTIO_BLK_T_SCSI_CMD) {
1350                 fprintf(stderr, "Scsi commands unsupported\n");
1351                 in->status = VIRTIO_BLK_S_UNSUPP;
1352                 wlen = sizeof(*in);
1353         } else if (out->type & VIRTIO_BLK_T_OUT) {
1354                 /* Write */
1355
1356                 /* Move to the right location in the block file.  This can fail
1357                  * if they try to write past end. */
1358                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
1359                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out->sector);
1360
1361                 ret = writev(vblk->fd, iov+1, out_num-1);
1362                 verbose("WRITE to sector %llu: %i\n", out->sector, ret);
1363
1364                 /* Grr... Now we know how long the descriptor they sent was, we
1365                  * make sure they didn't try to write over the end of the block
1366                  * file (possibly extending it). */
1367                 if (ret > 0 && off + ret > vblk->len) {
1368                         /* Trim it back to the correct length */
1369                         ftruncate64(vblk->fd, vblk->len);
1370                         /* Die, bad Guest, die. */
1371                         errx(1, "Write past end %llu+%u", off, ret);
1372                 }
1373                 wlen = sizeof(*in);
1374                 in->status = (ret >= 0 ? VIRTIO_BLK_S_OK : VIRTIO_BLK_S_IOERR);
1375         } else {
1376                 /* Read */
1377
1378                 /* Move to the right location in the block file.  This can fail
1379                  * if they try to read past end. */
1380                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
1381                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out->sector);
1382
1383                 ret = readv(vblk->fd, iov+1, in_num-1);
1384                 verbose("READ from sector %llu: %i\n", out->sector, ret);
1385                 if (ret >= 0) {
1386                         wlen = sizeof(*in) + ret;
1387                         in->status = VIRTIO_BLK_S_OK;
1388                 } else {
1389                         wlen = sizeof(*in);
1390                         in->status = VIRTIO_BLK_S_IOERR;
1391                 }
1392         }
1393
1394         /* We can't trigger an IRQ, because we're not the Launcher.  It does
1395          * that when we tell it we're done. */
1396         add_used(dev->vq, head, wlen);
1397         return true;
1398 }
1399
1400 /* This is the thread which actually services the I/O. */
1401 static int io_thread(void *_dev)
1402 {
1403         struct device *dev = _dev;
1404         struct vblk_info *vblk = dev->priv;
1405         char c;
1406
1407         /* Close other side of workpipe so we get 0 read when main dies. */
1408         close(vblk->workpipe[1]);
1409         /* Close the other side of the done_fd pipe. */
1410         close(dev->fd);
1411
1412         /* When this read fails, it means Launcher died, so we follow. */
1413         while (read(vblk->workpipe[0], &c, 1) == 1) {
1414                 /* We acknowledge each request immediately to reduce latency,
1415                  * rather than waiting until we've done them all.  I haven't
1416                  * measured to see if it makes any difference. */
1417                 while (service_io(dev))
1418                         write(vblk->done_fd, &c, 1);
1419         }
1420         return 0;
1421 }
1422
1423 /* Now we've seen the I/O thread, we return to the Launcher to see what happens
1424  * when the thread tells us it's completed some I/O. */
1425 static bool handle_io_finish(int fd, struct device *dev)
1426 {
1427         char c;
1428
1429         /* If the I/O thread died, presumably it printed the error, so we
1430          * simply exit. */
1431         if (read(dev->fd, &c, 1) != 1)
1432                 exit(1);
1433
1434         /* It did some work, so trigger the irq. */
1435         trigger_irq(fd, dev->vq);
1436         return true;
1437 }
1438
1439 /* When the Guest submits some I/O, we just need to wake the I/O thread. */
1440 static void handle_virtblk_output(int fd, struct virtqueue *vq)
1441 {
1442         struct vblk_info *vblk = vq->dev->priv;
1443         char c = 0;
1444
1445         /* Wake up I/O thread and tell it to go to work! */
1446         if (write(vblk->workpipe[1], &c, 1) != 1)
1447                 /* Presumably it indicated why it died. */
1448                 exit(1);
1449 }
1450
1451 /*L:198 This actually sets up a virtual block device. */
1452 static void setup_block_file(const char *filename)
1453 {
1454         int p[2];
1455         struct device *dev;
1456         struct vblk_info *vblk;
1457         void *stack;
1458         u64 cap;
1459         unsigned int val;
1460
1461         /* This is the pipe the I/O thread will use to tell us I/O is done. */
1462         pipe(p);
1463
1464         /* The device responds to return from I/O thread. */
1465         dev = new_device("block", VIRTIO_ID_BLOCK, p[0], handle_io_finish);
1466
1467         /* The device has one virtqueue, where the Guest places requests. */
1468         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, handle_virtblk_output);
1469
1470         /* Allocate the room for our own bookkeeping */
1471         vblk = dev->priv = malloc(sizeof(*vblk));
1472
1473         /* First we open the file and store the length. */
1474         vblk->fd = open_or_die(filename, O_RDWR|O_LARGEFILE);
1475         vblk->len = lseek64(vblk->fd, 0, SEEK_END);
1476
1477         /* Tell Guest how many sectors this device has. */
1478         cap = cpu_to_le64(vblk->len / 512);
1479         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_BLK_F_CAPACITY, sizeof(cap), &cap);
1480
1481         /* Tell Guest not to put in too many descriptors at once: two are used
1482          * for the in and out elements. */
1483         val = cpu_to_le32(VIRTQUEUE_NUM - 2);
1484         add_desc_field(dev, VIRTIO_CONFIG_BLK_F_SEG_MAX, sizeof(val), &val);
1485
1486         /* The I/O thread writes to this end of the pipe when done. */
1487         vblk->done_fd = p[1];
1488
1489         /* This is the second pipe, which is how we tell the I/O thread about
1490          * more work. */
1491         pipe(vblk->workpipe);
1492
1493         /* Create stack for thread and run it */
1494         stack = malloc(32768);
1495         /* SIGCHLD - We dont "wait" for our cloned thread, so prevent it from
1496          * becoming a zombie. */
1497         if (clone(io_thread, stack + 32768,  CLONE_VM | SIGCHLD, dev) == -1)
1498                 err(1, "Creating clone");
1499
1500         /* We don't need to keep the I/O thread's end of the pipes open. */
1501         close(vblk->done_fd);
1502         close(vblk->workpipe[0]);
1503
1504         verbose("device %u: virtblock %llu sectors\n",
1505                 devices.device_num, cap);
1506 }
1507 /* That's the end of device setup. :*/
1508
1509 /* Reboot */
1510 static void __attribute__((noreturn)) restart_guest(void)
1511 {
1512         unsigned int i;
1513
1514         /* Closing pipes causes the waker thread and io_threads to die, and
1515          * closing /dev/lguest cleans up the Guest.  Since we don't track all
1516          * open fds, we simply close everything beyond stderr. */
1517         for (i = 3; i < FD_SETSIZE; i++)
1518                 close(i);
1519         execv(main_args[0], main_args);
1520         err(1, "Could not exec %s", main_args[0]);
1521 }
1522
1523 /*L:220 Finally we reach the core of the Launcher, which runs the Guest, serves
1524  * its input and output, and finally, lays it to rest. */
1525 static void __attribute__((noreturn)) run_guest(int lguest_fd)
1526 {
1527         for (;;) {
1528                 unsigned long args[] = { LHREQ_BREAK, 0 };
1529                 unsigned long notify_addr;
1530                 int readval;
1531
1532                 /* We read from the /dev/lguest device to run the Guest. */
1533                 readval = read(lguest_fd, &notify_addr, sizeof(notify_addr));
1534
1535                 /* One unsigned long means the Guest did HCALL_NOTIFY */
1536                 if (readval == sizeof(notify_addr)) {
1537                         verbose("Notify on address %#lx\n", notify_addr);
1538                         handle_output(lguest_fd, notify_addr);
1539                         continue;
1540                 /* ENOENT means the Guest died.  Reading tells us why. */
1541                 } else if (errno == ENOENT) {
1542                         char reason[1024] = { 0 };
1543                         read(lguest_fd, reason, sizeof(reason)-1);
1544                         errx(1, "%s", reason);
1545                 /* ERESTART means that we need to reboot the guest */
1546                 } else if (errno == ERESTART) {
1547                         restart_guest();
1548                 /* EAGAIN means the Waker wanted us to look at some input.
1549                  * Anything else means a bug or incompatible change. */
1550                 } else if (errno != EAGAIN)
1551                         err(1, "Running guest failed");
1552
1553                 /* Service input, then unset the BREAK to release the Waker. */
1554                 handle_input(lguest_fd);
1555                 if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
1556                         err(1, "Resetting break");
1557         }
1558 }
1559 /*
1560  * This is the end of the Launcher.  The good news: we are over halfway
1561  * through!  The bad news: the most fiendish part of the code still lies ahead
1562  * of us.
1563  *
1564  * Are you ready?  Take a deep breath and join me in the core of the Host, in
1565  * "make Host".
1566  :*/
1567
1568 static struct option opts[] = {
1569         { "verbose", 0, NULL, 'v' },
1570         { "tunnet", 1, NULL, 't' },
1571         { "block", 1, NULL, 'b' },
1572         { "initrd", 1, NULL, 'i' },
1573         { NULL },
1574 };
1575 static void usage(void)
1576 {
1577         errx(1, "Usage: lguest [--verbose] "
1578              "[--tunnet=(<ipaddr>|bridge:<bridgename>)\n"
1579              "|--block=<filename>|--initrd=<filename>]...\n"
1580              "<mem-in-mb> vmlinux [args...]");
1581 }
1582
1583 /*L:105 The main routine is where the real work begins: */
1584 int main(int argc, char *argv[])
1585 {
1586         /* Memory, top-level pagetable, code startpoint and size of the
1587          * (optional) initrd. */
1588         unsigned long mem = 0, pgdir, start, initrd_size = 0;
1589         /* Two temporaries and the /dev/lguest file descriptor. */
1590         int i, c, lguest_fd;
1591         /* The boot information for the Guest. */
1592         struct boot_params *boot;
1593         /* If they specify an initrd file to load. */
1594         const char *initrd_name = NULL;
1595
1596         /* Save the args: we "reboot" by execing ourselves again. */
1597         main_args = argv;
1598         /* We don't "wait" for the children, so prevent them from becoming
1599          * zombies. */
1600         signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
1601
1602         /* First we initialize the device list.  Since console and network
1603          * device receive input from a file descriptor, we keep an fdset
1604          * (infds) and the maximum fd number (max_infd) with the head of the
1605          * list.  We also keep a pointer to the last device, for easy appending
1606          * to the list.  Finally, we keep the next interrupt number to hand out
1607          * (1: remember that 0 is used by the timer). */
1608         FD_ZERO(&devices.infds);
1609         devices.max_infd = -1;
1610         devices.lastdev = &devices.dev;
1611         devices.next_irq = 1;
1612
1613         /* We need to know how much memory so we can set up the device
1614          * descriptor and memory pages for the devices as we parse the command
1615          * line.  So we quickly look through the arguments to find the amount
1616          * of memory now. */
1617         for (i = 1; i < argc; i++) {
1618                 if (argv[i][0] != '-') {
1619                         mem = atoi(argv[i]) * 1024 * 1024;
1620                         /* We start by mapping anonymous pages over all of
1621                          * guest-physical memory range.  This fills it with 0,
1622                          * and ensures that the Guest won't be killed when it
1623                          * tries to access it. */
1624                         guest_base = map_zeroed_pages(mem / getpagesize()
1625                                                       + DEVICE_PAGES);
1626                         guest_limit = mem;
1627                         guest_max = mem + DEVICE_PAGES*getpagesize();
1628                         devices.descpage = get_pages(1);
1629                         break;
1630                 }
1631         }
1632
1633         /* The options are fairly straight-forward */
1634         while ((c = getopt_long(argc, argv, "v", opts, NULL)) != EOF) {
1635                 switch (c) {
1636                 case 'v':
1637                         verbose = true;
1638                         break;
1639                 case 't':
1640                         setup_tun_net(optarg);
1641                         break;
1642                 case 'b':
1643                         setup_block_file(optarg);
1644                         break;
1645                 case 'i':
1646                         initrd_name = optarg;
1647                         break;
1648                 default:
1649                         warnx("Unknown argument %s", argv[optind]);
1650                         usage();
1651                 }
1652         }
1653         /* After the other arguments we expect memory and kernel image name,
1654          * followed by command line arguments for the kernel. */
1655         if (optind + 2 > argc)
1656                 usage();
1657
1658         verbose("Guest base is at %p\n", guest_base);
1659
1660         /* We always have a console device */
1661         setup_console();
1662
1663         /* Now we load the kernel */
1664         start = load_kernel(open_or_die(argv[optind+1], O_RDONLY));
1665
1666         /* Boot information is stashed at physical address 0 */
1667         boot = from_guest_phys(0);
1668
1669         /* Map the initrd image if requested (at top of physical memory) */
1670         if (initrd_name) {
1671                 initrd_size = load_initrd(initrd_name, mem);
1672                 /* These are the location in the Linux boot header where the
1673                  * start and size of the initrd are expected to be found. */
1674                 boot->hdr.ramdisk_image = mem - initrd_size;
1675                 boot->hdr.ramdisk_size = initrd_size;
1676                 /* The bootloader type 0xFF means "unknown"; that's OK. */
1677                 boot->hdr.type_of_loader = 0xFF;
1678         }
1679
1680         /* Set up the initial linear pagetables, starting below the initrd. */
1681         pgdir = setup_pagetables(mem, initrd_size);
1682
1683         /* The Linux boot header contains an "E820" memory map: ours is a
1684          * simple, single region. */
1685         boot->e820_entries = 1;
1686         boot->e820_map[0] = ((struct e820entry) { 0, mem, E820_RAM });
1687         /* The boot header contains a command line pointer: we put the command
1688          * line after the boot header. */
1689         boot->hdr.cmd_line_ptr = to_guest_phys(boot + 1);
1690         /* We use a simple helper to copy the arguments separated by spaces. */
1691         concat((char *)(boot + 1), argv+optind+2);
1692
1693         /* Boot protocol version: 2.07 supports the fields for lguest. */
1694         boot->hdr.version = 0x207;
1695
1696         /* The hardware_subarch value of "1" tells the Guest it's an lguest. */
1697         boot->hdr.hardware_subarch = 1;
1698
1699         /* Tell the entry path not to try to reload segment registers. */
1700         boot->hdr.loadflags |= KEEP_SEGMENTS;
1701
1702         /* We tell the kernel to initialize the Guest: this returns the open
1703          * /dev/lguest file descriptor. */
1704         lguest_fd = tell_kernel(pgdir, start);
1705
1706         /* We fork off a child process, which wakes the Launcher whenever one
1707          * of the input file descriptors needs attention.  Otherwise we would
1708          * run the Guest until it tries to output something. */
1709         waker_fd = setup_waker(lguest_fd);
1710
1711         /* Finally, run the Guest.  This doesn't return. */
1712         run_guest(lguest_fd);
1713 }
1714 /*:*/
1715
1716 /*M:999
1717  * Mastery is done: you now know everything I do.
1718  *
1719  * But surely you have seen code, features and bugs in your wanderings which
1720  * you now yearn to attack?  That is the real game, and I look forward to you
1721  * patching and forking lguest into the Your-Name-Here-visor.
1722  *
1723  * Farewell, and good coding!
1724  * Rusty Russell.
1725  */