target/mips: Make cpu_HI/LO registers public
[qemu/ar7.git] / docs / devel / multi-process.rst
blob69699329d62cfea547a652bee2c3dc8452b3beda
1 This is the design document for multi-process QEMU. It does not
2 necessarily reflect the status of the current implementation, which
3 may lack features or be considerably different from what is described
4 in this document. This document is still useful as a description of
5 the goals and general direction of this feature.
7 Please refer to the following wiki for latest details:
8 https://wiki.qemu.org/Features/MultiProcessQEMU
10 Multi-process QEMU
11 ===================
13 QEMU is often used as the hypervisor for virtual machines running in the
14 Oracle cloud. Since one of the advantages of cloud computing is the
15 ability to run many VMs from different tenants in the same cloud
16 infrastructure, a guest that compromised its hypervisor could
17 potentially use the hypervisor's access privileges to access data it is
18 not authorized for.
20 QEMU can be susceptible to security attacks because it is a large,
21 monolithic program that provides many features to the VMs it services.
22 Many of these features can be configured out of QEMU, but even a reduced
23 configuration QEMU has a large amount of code a guest can potentially
24 attack. Separating QEMU reduces the attack surface by aiding to
25 limit each component in the system to only access the resources that
26 it needs to perform its job.
28 QEMU services
29 -------------
31 QEMU can be broadly described as providing three main services. One is a
32 VM control point, where VMs can be created, migrated, re-configured, and
33 destroyed. A second is to emulate the CPU instructions within the VM,
34 often accelerated by HW virtualization features such as Intel's VT
35 extensions. Finally, it provides IO services to the VM by emulating HW
36 IO devices, such as disk and network devices.
38 A multi-process QEMU
39 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
41 A multi-process QEMU involves separating QEMU services into separate
42 host processes. Each of these processes can be given only the privileges
43 it needs to provide its service, e.g., a disk service could be given
44 access only to the disk images it provides, and not be allowed to
45 access other files, or any network devices. An attacker who compromised
46 this service would not be able to use this exploit to access files or
47 devices beyond what the disk service was given access to.
49 A QEMU control process would remain, but in multi-process mode, will
50 have no direct interfaces to the VM. During VM execution, it would still
51 provide the user interface to hot-plug devices or live migrate the VM.
53 A first step in creating a multi-process QEMU is to separate IO services
54 from the main QEMU program, which would continue to provide CPU
55 emulation. i.e., the control process would also be the CPU emulation
56 process. In a later phase, CPU emulation could be separated from the
57 control process.
59 Separating IO services
60 ----------------------
62 Separating IO services into individual host processes is a good place to
63 begin for a couple of reasons. One is the sheer number of IO devices QEMU
64 can emulate provides a large surface of interfaces which could potentially
65 be exploited, and, indeed, have been a source of exploits in the past.
66 Another is the modular nature of QEMU device emulation code provides
67 interface points where the QEMU functions that perform device emulation
68 can be separated from the QEMU functions that manage the emulation of
69 guest CPU instructions. The devices emulated in the separate process are
70 referred to as remote devices.
72 QEMU device emulation
73 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
75 QEMU uses an object oriented SW architecture for device emulation code.
76 Configured objects are all compiled into the QEMU binary, then objects
77 are instantiated by name when used by the guest VM. For example, the
78 code to emulate a device named "foo" is always present in QEMU, but its
79 instantiation code is only run when the device is included in the target
80 VM. (e.g., via the QEMU command line as *-device foo*)
82 The object model is hierarchical, so device emulation code names its
83 parent object (such as "pci-device" for a PCI device) and QEMU will
84 instantiate a parent object before calling the device's instantiation
85 code.
87 Current separation models
88 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
90 In order to separate the device emulation code from the CPU emulation
91 code, the device object code must run in a different process. There are
92 a couple of existing QEMU features that can run emulation code
93 separately from the main QEMU process. These are examined below.
95 vhost user model
96 ^^^^^^^^^^^^^^^^
98 Virtio guest device drivers can be connected to vhost user applications
99 in order to perform their IO operations. This model uses special virtio
100 device drivers in the guest and vhost user device objects in QEMU, but
101 once the QEMU vhost user code has configured the vhost user application,
102 mission-mode IO is performed by the application. The vhost user
103 application is a daemon process that can be contacted via a known UNIX
104 domain socket.
106 vhost socket
107 ''''''''''''
109 As mentioned above, one of the tasks of the vhost device object within
110 QEMU is to contact the vhost application and send it configuration
111 information about this device instance. As part of the configuration
112 process, the application can also be sent other file descriptors over
113 the socket, which then can be used by the vhost user application in
114 various ways, some of which are described below.
116 vhost MMIO store acceleration
117 '''''''''''''''''''''''''''''
119 VMs are often run using HW virtualization features via the KVM kernel
120 driver. This driver allows QEMU to accelerate the emulation of guest CPU
121 instructions by running the guest in a virtual HW mode. When the guest
122 executes instructions that cannot be executed by virtual HW mode,
123 execution returns to the KVM driver so it can inform QEMU to emulate the
124 instructions in SW.
126 One of the events that can cause a return to QEMU is when a guest device
127 driver accesses an IO location. QEMU then dispatches the memory
128 operation to the corresponding QEMU device object. In the case of a
129 vhost user device, the memory operation would need to be sent over a
130 socket to the vhost application. This path is accelerated by the QEMU
131 virtio code by setting up an eventfd file descriptor that the vhost
132 application can directly receive MMIO store notifications from the KVM
133 driver, instead of needing them to be sent to the QEMU process first.
135 vhost interrupt acceleration
136 ''''''''''''''''''''''''''''
138 Another optimization used by the vhost application is the ability to
139 directly inject interrupts into the VM via the KVM driver, again,
140 bypassing the need to send the interrupt back to the QEMU process first.
141 The QEMU virtio setup code configures the KVM driver with an eventfd
142 that triggers the device interrupt in the guest when the eventfd is
143 written. This irqfd file descriptor is then passed to the vhost user
144 application program.
146 vhost access to guest memory
147 ''''''''''''''''''''''''''''
149 The vhost application is also allowed to directly access guest memory,
150 instead of needing to send the data as messages to QEMU. This is also
151 done with file descriptors sent to the vhost user application by QEMU.
152 These descriptors can be passed to ``mmap()`` by the vhost application
153 to map the guest address space into the vhost application.
155 IOMMUs introduce another level of complexity, since the address given to
156 the guest virtio device to DMA to or from is not a guest physical
157 address. This case is handled by having vhost code within QEMU register
158 as a listener for IOMMU mapping changes. The vhost application maintains
159 a cache of IOMMMU translations: sending translation requests back to
160 QEMU on cache misses, and in turn receiving flush requests from QEMU
161 when mappings are purged.
163 applicability to device separation
164 ''''''''''''''''''''''''''''''''''
166 Much of the vhost model can be re-used by separated device emulation. In
167 particular, the ideas of using a socket between QEMU and the device
168 emulation application, using a file descriptor to inject interrupts into
169 the VM via KVM, and allowing the application to ``mmap()`` the guest
170 should be re used.
172 There are, however, some notable differences between how a vhost
173 application works and the needs of separated device emulation. The most
174 basic is that vhost uses custom virtio device drivers which always
175 trigger IO with MMIO stores. A separated device emulation model must
176 work with existing IO device models and guest device drivers. MMIO loads
177 break vhost store acceleration since they are synchronous - guest
178 progress cannot continue until the load has been emulated. By contrast,
179 stores are asynchronous, the guest can continue after the store event
180 has been sent to the vhost application.
182 Another difference is that in the vhost user model, a single daemon can
183 support multiple QEMU instances. This is contrary to the security regime
184 desired, in which the emulation application should only be allowed to
185 access the files or devices the VM it's running on behalf of can access.
186 #### qemu-io model
188 Qemu-io is a test harness used to test changes to the QEMU block backend
189 object code. (e.g., the code that implements disk images for disk driver
190 emulation) Qemu-io is not a device emulation application per se, but it
191 does compile the QEMU block objects into a separate binary from the main
192 QEMU one. This could be useful for disk device emulation, since its
193 emulation applications will need to include the QEMU block objects.
195 New separation model based on proxy objects
196 -------------------------------------------
198 A different model based on proxy objects in the QEMU program
199 communicating with remote emulation programs could provide separation
200 while minimizing the changes needed to the device emulation code. The
201 rest of this section is a discussion of how a proxy object model would
202 work.
204 Remote emulation processes
205 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
207 The remote emulation process will run the QEMU object hierarchy without
208 modification. The device emulation objects will be also be based on the
209 QEMU code, because for anything but the simplest device, it would not be
210 a tractable to re-implement both the object model and the many device
211 backends that QEMU has.
213 The processes will communicate with the QEMU process over UNIX domain
214 sockets. The processes can be executed either as standalone processes,
215 or be executed by QEMU. In both cases, the host backends the emulation
216 processes will provide are specified on its command line, as they would
217 be for QEMU. For example:
221     disk-proc -blockdev driver=file,node-name=file0,filename=disk-file0  \
222     -blockdev driver=qcow2,node-name=drive0,file=file0
224 would indicate process *disk-proc* uses a qcow2 emulated disk named
225 *file0* as its backend.
227 Emulation processes may emulate more than one guest controller. A common
228 configuration might be to put all controllers of the same device class
229 (e.g., disk, network, etc.) in a single process, so that all backends of
230 the same type can be managed by a single QMP monitor.
232 communication with QEMU
233 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
235 The first argument to the remote emulation process will be a Unix domain
236 socket that connects with the Proxy object. This is a required argument.
240     disk-proc <socket number> <backend list>
242 remote process QMP monitor
243 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
245 Remote emulation processes can be monitored via QMP, similar to QEMU
246 itself. The QMP monitor socket is specified the same as for a QEMU
247 process:
251     disk-proc -qmp unix:/tmp/disk-mon,server
253 can be monitored over the UNIX socket path */tmp/disk-mon*.
255 QEMU command line
256 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
258 Each remote device emulated in a remote process on the host is
259 represented as a *-device* of type *pci-proxy-dev*. A socket
260 sub-option to this option specifies the Unix socket that connects
261 to the remote process. An *id* sub-option is required, and it should
262 be the same id as used in the remote process.
266     qemu-system-x86_64 ... -device pci-proxy-dev,id=lsi0,socket=3
268 can be used to add a device emulated in a remote process
271 QEMU management of remote processes
272 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
274 QEMU is not aware of the type of type of the remote PCI device. It is
275 a pass through device as far as QEMU is concerned.
277 communication with emulation process
278 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
280 primary channel
281 '''''''''''''''
283 The primary channel (referred to as com in the code) is used to bootstrap
284 the remote process. It is also used to pass on device-agnostic commands
285 like reset.
287 per-device channels
288 '''''''''''''''''''
290 Each remote device communicates with QEMU using a dedicated communication
291 channel. The proxy object sets up this channel using the primary
292 channel during its initialization.
294 QEMU device proxy objects
295 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
297 QEMU has an object model based on sub-classes inherited from the
298 "object" super-class. The sub-classes that are of interest here are the
299 "device" and "bus" sub-classes whose child sub-classes make up the
300 device tree of a QEMU emulated system.
302 The proxy object model will use device proxy objects to replace the
303 device emulation code within the QEMU process. These objects will live
304 in the same place in the object and bus hierarchies as the objects they
305 replace. i.e., the proxy object for an LSI SCSI controller will be a
306 sub-class of the "pci-device" class, and will have the same PCI bus
307 parent and the same SCSI bus child objects as the LSI controller object
308 it replaces.
310 It is worth noting that the same proxy object is used to mediate with
311 all types of remote PCI devices.
313 object initialization
314 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
316 The Proxy device objects are initialized in the exact same manner in
317 which any other QEMU device would be initialized.
319 In addition, the Proxy objects perform the following two tasks:
320 - Parses the "socket" sub option and connects to the remote process
321 using this channel
322 - Uses the "id" sub-option to connect to the emulated device on the
323 separate process
325 class\_init
326 '''''''''''
328 The ``class_init()`` method of a proxy object will, in general behave
329 similarly to the object it replaces, including setting any static
330 properties and methods needed by the proxy.
332 instance\_init / realize
333 ''''''''''''''''''''''''
335 The ``instance_init()`` and ``realize()`` functions would only need to
336 perform tasks related to being a proxy, such are registering its own
337 MMIO handlers, or creating a child bus that other proxy devices can be
338 attached to later.
340 Other tasks will be device-specific. For example, PCI device objects
341 will initialize the PCI config space in order to make a valid PCI device
342 tree within the QEMU process.
344 address space registration
345 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
347 Most devices are driven by guest device driver accesses to IO addresses
348 or ports. The QEMU device emulation code uses QEMU's memory region
349 function calls (such as ``memory_region_init_io()``) to add callback
350 functions that QEMU will invoke when the guest accesses the device's
351 areas of the IO address space. When a guest driver does access the
352 device, the VM will exit HW virtualization mode and return to QEMU,
353 which will then lookup and execute the corresponding callback function.
355 A proxy object would need to mirror the memory region calls the actual
356 device emulator would perform in its initialization code, but with its
357 own callbacks. When invoked by QEMU as a result of a guest IO operation,
358 they will forward the operation to the device emulation process.
360 PCI config space
361 ^^^^^^^^^^^^^^^^
363 PCI devices also have a configuration space that can be accessed by the
364 guest driver. Guest accesses to this space is not handled by the device
365 emulation object, but by its PCI parent object. Much of this space is
366 read-only, but certain registers (especially BAR and MSI-related ones)
367 need to be propagated to the emulation process.
369 PCI parent proxy
370 ''''''''''''''''
372 One way to propagate guest PCI config accesses is to create a
373 "pci-device-proxy" class that can serve as the parent of a PCI device
374 proxy object. This class's parent would be "pci-device" and it would
375 override the PCI parent's ``config_read()`` and ``config_write()``
376 methods with ones that forward these operations to the emulation
377 program.
379 interrupt receipt
380 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
382 A proxy for a device that generates interrupts will need to create a
383 socket to receive interrupt indications from the emulation process. An
384 incoming interrupt indication would then be sent up to its bus parent to
385 be injected into the guest. For example, a PCI device object may use
386 ``pci_set_irq()``.
388 live migration
389 ^^^^^^^^^^^^^^
391 The proxy will register to save and restore any *vmstate* it needs over
392 a live migration event. The device proxy does not need to manage the
393 remote device's *vmstate*; that will be handled by the remote process
394 proxy (see below).
396 QEMU remote device operation
397 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
399 Generic device operations, such as DMA, will be performed by the remote
400 process proxy by sending messages to the remote process.
402 DMA operations
403 ^^^^^^^^^^^^^^
405 DMA operations would be handled much like vhost applications do. One of
406 the initial messages sent to the emulation process is a guest memory
407 table. Each entry in this table consists of a file descriptor and size
408 that the emulation process can ``mmap()`` to directly access guest
409 memory, similar to ``vhost_user_set_mem_table()``. Note guest memory
410 must be backed by file descriptors, such as when QEMU is given the
411 *-mem-path* command line option.
413 IOMMU operations
414 ^^^^^^^^^^^^^^^^
416 When the emulated system includes an IOMMU, the remote process proxy in
417 QEMU will need to create a socket for IOMMU requests from the emulation
418 process. It will handle those requests with an
419 ``address_space_get_iotlb_entry()`` call. In order to handle IOMMU
420 unmaps, the remote process proxy will also register as a listener on the
421 device's DMA address space. When an IOMMU memory region is created
422 within the DMA address space, an IOMMU notifier for unmaps will be added
423 to the memory region that will forward unmaps to the emulation process
424 over the IOMMU socket.
426 device hot-plug via QMP
427 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
429 An QMP "device\_add" command can add a device emulated by a remote
430 process. It will also have "rid" option to the command, just as the
431 *-device* command line option does. The remote process may either be one
432 started at QEMU startup, or be one added by the "add-process" QMP
433 command described above. In either case, the remote process proxy will
434 forward the new device's JSON description to the corresponding emulation
435 process.
437 live migration
438 ^^^^^^^^^^^^^^
440 The remote process proxy will also register for live migration
441 notifications with ``vmstate_register()``. When called to save state,
442 the proxy will send the remote process a secondary socket file
443 descriptor to save the remote process's device *vmstate* over. The
444 incoming byte stream length and data will be saved as the proxy's
445 *vmstate*. When the proxy is resumed on its new host, this *vmstate*
446 will be extracted, and a secondary socket file descriptor will be sent
447 to the new remote process through which it receives the *vmstate* in
448 order to restore the devices there.
450 device emulation in remote process
451 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
453 The parts of QEMU that the emulation program will need include the
454 object model; the memory emulation objects; the device emulation objects
455 of the targeted device, and any dependent devices; and, the device's
456 backends. It will also need code to setup the machine environment,
457 handle requests from the QEMU process, and route machine-level requests
458 (such as interrupts or IOMMU mappings) back to the QEMU process.
460 initialization
461 ^^^^^^^^^^^^^^
463 The process initialization sequence will follow the same sequence
464 followed by QEMU. It will first initialize the backend objects, then
465 device emulation objects. The JSON descriptions sent by the QEMU process
466 will drive which objects need to be created.
468 -  address spaces
470 Before the device objects are created, the initial address spaces and
471 memory regions must be configured with ``memory_map_init()``. This
472 creates a RAM memory region object (*system\_memory*) and an IO memory
473 region object (*system\_io*).
475 -  RAM
477 RAM memory region creation will follow how ``pc_memory_init()`` creates
478 them, but must use ``memory_region_init_ram_from_fd()`` instead of
479 ``memory_region_allocate_system_memory()``. The file descriptors needed
480 will be supplied by the guest memory table from above. Those RAM regions
481 would then be added to the *system\_memory* memory region with
482 ``memory_region_add_subregion()``.
484 -  PCI
486 IO initialization will be driven by the JSON descriptions sent from the
487 QEMU process. For a PCI device, a PCI bus will need to be created with
488 ``pci_root_bus_new()``, and a PCI memory region will need to be created
489 and added to the *system\_memory* memory region with
490 ``memory_region_add_subregion_overlap()``. The overlap version is
491 required for architectures where PCI memory overlaps with RAM memory.
493 MMIO handling
494 ^^^^^^^^^^^^^
496 The device emulation objects will use ``memory_region_init_io()`` to
497 install their MMIO handlers, and ``pci_register_bar()`` to associate
498 those handlers with a PCI BAR, as they do within QEMU currently.
500 In order to use ``address_space_rw()`` in the emulation process to
501 handle MMIO requests from QEMU, the PCI physical addresses must be the
502 same in the QEMU process and the device emulation process. In order to
503 accomplish that, guest BAR programming must also be forwarded from QEMU
504 to the emulation process.
506 interrupt injection
507 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
509 When device emulation wants to inject an interrupt into the VM, the
510 request climbs the device's bus object hierarchy until the point where a
511 bus object knows how to signal the interrupt to the guest. The details
512 depend on the type of interrupt being raised.
514 -  PCI pin interrupts
516 On x86 systems, there is an emulated IOAPIC object attached to the root
517 PCI bus object, and the root PCI object forwards interrupt requests to
518 it. The IOAPIC object, in turn, calls the KVM driver to inject the
519 corresponding interrupt into the VM. The simplest way to handle this in
520 an emulation process would be to setup the root PCI bus driver (via
521 ``pci_bus_irqs()``) to send a interrupt request back to the QEMU
522 process, and have the device proxy object reflect it up the PCI tree
523 there.
525 -  PCI MSI/X interrupts
527 PCI MSI/X interrupts are implemented in HW as DMA writes to a
528 CPU-specific PCI address. In QEMU on x86, a KVM APIC object receives
529 these DMA writes, then calls into the KVM driver to inject the interrupt
530 into the VM. A simple emulation process implementation would be to send
531 the MSI DMA address from QEMU as a message at initialization, then
532 install an address space handler at that address which forwards the MSI
533 message back to QEMU.
535 DMA operations
536 ^^^^^^^^^^^^^^
538 When a emulation object wants to DMA into or out of guest memory, it
539 first must use dma\_memory\_map() to convert the DMA address to a local
540 virtual address. The emulation process memory region objects setup above
541 will be used to translate the DMA address to a local virtual address the
542 device emulation code can access.
544 IOMMU
545 ^^^^^
547 When an IOMMU is in use in QEMU, DMA translation uses IOMMU memory
548 regions to translate the DMA address to a guest physical address before
549 that physical address can be translated to a local virtual address. The
550 emulation process will need similar functionality.
552 -  IOTLB cache
554 The emulation process will maintain a cache of recent IOMMU translations
555 (the IOTLB). When the translate() callback of an IOMMU memory region is
556 invoked, the IOTLB cache will be searched for an entry that will map the
557 DMA address to a guest PA. On a cache miss, a message will be sent back
558 to QEMU requesting the corresponding translation entry, which be both be
559 used to return a guest address and be added to the cache.
561 -  IOTLB purge
563 The IOMMU emulation will also need to act on unmap requests from QEMU.
564 These happen when the guest IOMMU driver purges an entry from the
565 guest's translation table.
567 live migration
568 ^^^^^^^^^^^^^^
570 When a remote process receives a live migration indication from QEMU, it
571 will set up a channel using the received file descriptor with
572 ``qio_channel_socket_new_fd()``. This channel will be used to create a
573 *QEMUfile* that can be passed to ``qemu_save_device_state()`` to send
574 the process's device state back to QEMU. This method will be reversed on
575 restore - the channel will be passed to ``qemu_loadvm_state()`` to
576 restore the device state.
578 Accelerating device emulation
579 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
581 The messages that are required to be sent between QEMU and the emulation
582 process can add considerable latency to IO operations. The optimizations
583 described below attempt to ameliorate this effect by allowing the
584 emulation process to communicate directly with the kernel KVM driver.
585 The KVM file descriptors created would be passed to the emulation process
586 via initialization messages, much like the guest memory table is done.
587 #### MMIO acceleration
589 Vhost user applications can receive guest virtio driver stores directly
590 from KVM. The issue with the eventfd mechanism used by vhost user is
591 that it does not pass any data with the event indication, so it cannot
592 handle guest loads or guest stores that carry store data. This concept
593 could, however, be expanded to cover more cases.
595 The expanded idea would require a new type of KVM device:
596 *KVM\_DEV\_TYPE\_USER*. This device has two file descriptors: a master
597 descriptor that QEMU can use for configuration, and a slave descriptor
598 that the emulation process can use to receive MMIO notifications. QEMU
599 would create both descriptors using the KVM driver, and pass the slave
600 descriptor to the emulation process via an initialization message.
602 data structures
603 ^^^^^^^^^^^^^^^
605 -  guest physical range
607 The guest physical range structure describes the address range that a
608 device will respond to. It includes the base and length of the range, as
609 well as which bus the range resides on (e.g., on an x86machine, it can
610 specify whether the range refers to memory or IO addresses).
612 A device can have multiple physical address ranges it responds to (e.g.,
613 a PCI device can have multiple BARs), so the structure will also include
614 an enumerated identifier to specify which of the device's ranges is
615 being referred to.
617 +--------+----------------------------+
618 | Name   | Description                |
619 +========+============================+
620 | addr   | range base address         |
621 +--------+----------------------------+
622 | len    | range length               |
623 +--------+----------------------------+
624 | bus    | addr type (memory or IO)   |
625 +--------+----------------------------+
626 | id     | range ID (e.g., PCI BAR)   |
627 +--------+----------------------------+
629 -  MMIO request structure
631 This structure describes an MMIO operation. It includes which guest
632 physical range the MMIO was within, the offset within that range, the
633 MMIO type (e.g., load or store), and its length and data. It also
634 includes a sequence number that can be used to reply to the MMIO, and
635 the CPU that issued the MMIO.
637 +----------+------------------------+
638 | Name     | Description            |
639 +==========+========================+
640 | rid      | range MMIO is within   |
641 +----------+------------------------+
642 | offset   | offset withing *rid*   |
643 +----------+------------------------+
644 | type     | e.g., load or store    |
645 +----------+------------------------+
646 | len      | MMIO length            |
647 +----------+------------------------+
648 | data     | store data             |
649 +----------+------------------------+
650 | seq      | sequence ID            |
651 +----------+------------------------+
653 -  MMIO request queues
655 MMIO request queues are FIFO arrays of MMIO request structures. There
656 are two queues: pending queue is for MMIOs that haven't been read by the
657 emulation program, and the sent queue is for MMIOs that haven't been
658 acknowledged. The main use of the second queue is to validate MMIO
659 replies from the emulation program.
661 -  scoreboard
663 Each CPU in the VM is emulated in QEMU by a separate thread, so multiple
664 MMIOs may be waiting to be consumed by an emulation program and multiple
665 threads may be waiting for MMIO replies. The scoreboard would contain a
666 wait queue and sequence number for the per-CPU threads, allowing them to
667 be individually woken when the MMIO reply is received from the emulation
668 program. It also tracks the number of posted MMIO stores to the device
669 that haven't been replied to, in order to satisfy the PCI constraint
670 that a load to a device will not complete until all previous stores to
671 that device have been completed.
673 -  device shadow memory
675 Some MMIO loads do not have device side-effects. These MMIOs can be
676 completed without sending a MMIO request to the emulation program if the
677 emulation program shares a shadow image of the device's memory image
678 with the KVM driver.
680 The emulation program will ask the KVM driver to allocate memory for the
681 shadow image, and will then use ``mmap()`` to directly access it. The
682 emulation program can control KVM access to the shadow image by sending
683 KVM an access map telling it which areas of the image have no
684 side-effects (and can be completed immediately), and which require a
685 MMIO request to the emulation program. The access map can also inform
686 the KVM drive which size accesses are allowed to the image.
688 master descriptor
689 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
691 The master descriptor is used by QEMU to configure the new KVM device.
692 The descriptor would be returned by the KVM driver when QEMU issues a
693 *KVM\_CREATE\_DEVICE* ``ioctl()`` with a *KVM\_DEV\_TYPE\_USER* type.
695 KVM\_DEV\_TYPE\_USER device ops
698 The *KVM\_DEV\_TYPE\_USER* operations vector will be registered by a
699 ``kvm_register_device_ops()`` call when the KVM system in initialized by
700 ``kvm_init()``. These device ops are called by the KVM driver when QEMU
701 executes certain ``ioctl()`` operations on its KVM file descriptor. They
702 include:
704 -  create
706 This routine is called when QEMU issues a *KVM\_CREATE\_DEVICE*
707 ``ioctl()`` on its per-VM file descriptor. It will allocate and
708 initialize a KVM user device specific data structure, and assign the
709 *kvm\_device* private field to it.
711 -  ioctl
713 This routine is invoked when QEMU issues an ``ioctl()`` on the master
714 descriptor. The ``ioctl()`` commands supported are defined by the KVM
715 device type. *KVM\_DEV\_TYPE\_USER* ones will need several commands:
717 *KVM\_DEV\_USER\_SLAVE\_FD* creates the slave file descriptor that will
718 be passed to the device emulation program. Only one slave can be created
719 by each master descriptor. The file operations performed by this
720 descriptor are described below.
722 The *KVM\_DEV\_USER\_PA\_RANGE* command configures a guest physical
723 address range that the slave descriptor will receive MMIO notifications
724 for. The range is specified by a guest physical range structure
725 argument. For buses that assign addresses to devices dynamically, this
726 command can be executed while the guest is running, such as the case
727 when a guest changes a device's PCI BAR registers.
729 *KVM\_DEV\_USER\_PA\_RANGE* will use ``kvm_io_bus_register_dev()`` to
730 register *kvm\_io\_device\_ops* callbacks to be invoked when the guest
731 performs a MMIO operation within the range. When a range is changed,
732 ``kvm_io_bus_unregister_dev()`` is used to remove the previous
733 instantiation.
735 *KVM\_DEV\_USER\_TIMEOUT* will configure a timeout value that specifies
736 how long KVM will wait for the emulation process to respond to a MMIO
737 indication.
739 -  destroy
741 This routine is called when the VM instance is destroyed. It will need
742 to destroy the slave descriptor; and free any memory allocated by the
743 driver, as well as the *kvm\_device* structure itself.
745 slave descriptor
746 ^^^^^^^^^^^^^^^^
748 The slave descriptor will have its own file operations vector, which
749 responds to system calls on the descriptor performed by the device
750 emulation program.
752 -  read
754 A read returns any pending MMIO requests from the KVM driver as MMIO
755 request structures. Multiple structures can be returned if there are
756 multiple MMIO operations pending. The MMIO requests are moved from the
757 pending queue to the sent queue, and if there are threads waiting for
758 space in the pending to add new MMIO operations, they will be woken
759 here.
761 -  write
763 A write also consists of a set of MMIO requests. They are compared to
764 the MMIO requests in the sent queue. Matches are removed from the sent
765 queue, and any threads waiting for the reply are woken. If a store is
766 removed, then the number of posted stores in the per-CPU scoreboard is
767 decremented. When the number is zero, and a non side-effect load was
768 waiting for posted stores to complete, the load is continued.
770 -  ioctl
772 There are several ioctl()s that can be performed on the slave
773 descriptor.
775 A *KVM\_DEV\_USER\_SHADOW\_SIZE* ``ioctl()`` causes the KVM driver to
776 allocate memory for the shadow image. This memory can later be
777 ``mmap()``\ ed by the emulation process to share the emulation's view of
778 device memory with the KVM driver.
780 A *KVM\_DEV\_USER\_SHADOW\_CTRL* ``ioctl()`` controls access to the
781 shadow image. It will send the KVM driver a shadow control map, which
782 specifies which areas of the image can complete guest loads without
783 sending the load request to the emulation program. It will also specify
784 the size of load operations that are allowed.
786 -  poll
788 An emulation program will use the ``poll()`` call with a *POLLIN* flag
789 to determine if there are MMIO requests waiting to be read. It will
790 return if the pending MMIO request queue is not empty.
792 -  mmap
794 This call allows the emulation program to directly access the shadow
795 image allocated by the KVM driver. As device emulation updates device
796 memory, changes with no side-effects will be reflected in the shadow,
797 and the KVM driver can satisfy guest loads from the shadow image without
798 needing to wait for the emulation program.
800 kvm\_io\_device ops
801 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
803 Each KVM per-CPU thread can handle MMIO operation on behalf of the guest
804 VM. KVM will use the MMIO's guest physical address to search for a
805 matching *kvm\_io\_device* to see if the MMIO can be handled by the KVM
806 driver instead of exiting back to QEMU. If a match is found, the
807 corresponding callback will be invoked.
809 -  read
811 This callback is invoked when the guest performs a load to the device.
812 Loads with side-effects must be handled synchronously, with the KVM
813 driver putting the QEMU thread to sleep waiting for the emulation
814 process reply before re-starting the guest. Loads that do not have
815 side-effects may be optimized by satisfying them from the shadow image,
816 if there are no outstanding stores to the device by this CPU. PCI memory
817 ordering demands that a load cannot complete before all older stores to
818 the same device have been completed.
820 -  write
822 Stores can be handled asynchronously unless the pending MMIO request
823 queue is full. In this case, the QEMU thread must sleep waiting for
824 space in the queue. Stores will increment the number of posted stores in
825 the per-CPU scoreboard, in order to implement the PCI ordering
826 constraint above.
828 interrupt acceleration
829 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
831 This performance optimization would work much like a vhost user
832 application does, where the QEMU process sets up *eventfds* that cause
833 the device's corresponding interrupt to be triggered by the KVM driver.
834 These irq file descriptors are sent to the emulation process at
835 initialization, and are used when the emulation code raises a device
836 interrupt.
838 intx acceleration
839 '''''''''''''''''
841 Traditional PCI pin interrupts are level based, so, in addition to an
842 irq file descriptor, a re-sampling file descriptor needs to be sent to
843 the emulation program. This second file descriptor allows multiple
844 devices sharing an irq to be notified when the interrupt has been
845 acknowledged by the guest, so they can re-trigger the interrupt if their
846 device has not de-asserted its interrupt.
848 intx irq descriptor
851 The irq descriptors are created by the proxy object
852 ``using event_notifier_init()`` to create the irq and re-sampling
853 *eventds*, and ``kvm_vm_ioctl(KVM_IRQFD)`` to bind them to an interrupt.
854 The interrupt route can be found with
855 ``pci_device_route_intx_to_irq()``.
857 intx routing changes
860 Intx routing can be changed when the guest programs the APIC the device
861 pin is connected to. The proxy object in QEMU will use
862 ``pci_device_set_intx_routing_notifier()`` to be informed of any guest
863 changes to the route. This handler will broadly follow the VFIO
864 interrupt logic to change the route: de-assigning the existing irq
865 descriptor from its route, then assigning it the new route. (see
866 ``vfio_intx_update()``)
868 MSI/X acceleration
869 ''''''''''''''''''
871 MSI/X interrupts are sent as DMA transactions to the host. The interrupt
872 data contains a vector that is programmed by the guest, A device may have
873 multiple MSI interrupts associated with it, so multiple irq descriptors
874 may need to be sent to the emulation program.
876 MSI/X irq descriptor
879 This case will also follow the VFIO example. For each MSI/X interrupt,
880 an *eventfd* is created, a virtual interrupt is allocated by
881 ``kvm_irqchip_add_msi_route()``, and the virtual interrupt is bound to
882 the eventfd with ``kvm_irqchip_add_irqfd_notifier()``.
884 MSI/X config space changes
887 The guest may dynamically update several MSI-related tables in the
888 device's PCI config space. These include per-MSI interrupt enables and
889 vector data. Additionally, MSIX tables exist in device memory space, not
890 config space. Much like the BAR case above, the proxy object must look
891 at guest config space programming to keep the MSI interrupt state
892 consistent between QEMU and the emulation program.
894 --------------
896 Disaggregated CPU emulation
897 ---------------------------
899 After IO services have been disaggregated, a second phase would be to
900 separate a process to handle CPU instruction emulation from the main
901 QEMU control function. There are no object separation points for this
902 code, so the first task would be to create one.
904 Host access controls
905 --------------------
907 Separating QEMU relies on the host OS's access restriction mechanisms to
908 enforce that the differing processes can only access the objects they
909 are entitled to. There are a couple types of mechanisms usually provided
910 by general purpose OSs.
912 Discretionary access control
913 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
915 Discretionary access control allows each user to control who can access
916 their files. In Linux, this type of control is usually too coarse for
917 QEMU separation, since it only provides three separate access controls:
918 one for the same user ID, the second for users IDs with the same group
919 ID, and the third for all other user IDs. Each device instance would
920 need a separate user ID to provide access control, which is likely to be
921 unwieldy for dynamically created VMs.
923 Mandatory access control
924 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
926 Mandatory access control allows the OS to add an additional set of
927 controls on top of discretionary access for the OS to control. It also
928 adds other attributes to processes and files such as types, roles, and
929 categories, and can establish rules for how processes and files can
930 interact.
932 Type enforcement
933 ^^^^^^^^^^^^^^^^
935 Type enforcement assigns a *type* attribute to processes and files, and
936 allows rules to be written on what operations a process with a given
937 type can perform on a file with a given type. QEMU separation could take
938 advantage of type enforcement by running the emulation processes with
939 different types, both from the main QEMU process, and from the emulation
940 processes of different classes of devices.
942 For example, guest disk images and disk emulation processes could have
943 types separate from the main QEMU process and non-disk emulation
944 processes, and the type rules could prevent processes other than disk
945 emulation ones from accessing guest disk images. Similarly, network
946 emulation processes can have a type separate from the main QEMU process
947 and non-network emulation process, and only that type can access the
948 host tun/tap device used to provide guest networking.
950 Category enforcement
951 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
953 Category enforcement assigns a set of numbers within a given range to
954 the process or file. The process is granted access to the file if the
955 process's set is a superset of the file's set. This enforcement can be
956 used to separate multiple instances of devices in the same class.
958 For example, if there are multiple disk devices provides to a guest,
959 each device emulation process could be provisioned with a separate
960 category. The different device emulation processes would not be able to
961 access each other's backing disk images.
963 Alternatively, categories could be used in lieu of the type enforcement
964 scheme described above. In this scenario, different categories would be
965 used to prevent device emulation processes in different classes from
966 accessing resources assigned to other classes.