Update version for v9.0.0-rc3 release
[qemu/armbru.git] / docs / devel / multi-process.rst
blob4ef539c0b0b27fa1ae0aff6862ca9663b200b5fc
1 Multi-process QEMU
2 ===================
4 .. note::
6   This is the design document for multi-process QEMU. It does not
7   necessarily reflect the status of the current implementation, which
8   may lack features or be considerably different from what is described
9   in this document. This document is still useful as a description of
10   the goals and general direction of this feature.
12   Please refer to the following wiki for latest details:
13   https://wiki.qemu.org/Features/MultiProcessQEMU
15 QEMU is often used as the hypervisor for virtual machines running in the
16 Oracle cloud. Since one of the advantages of cloud computing is the
17 ability to run many VMs from different tenants in the same cloud
18 infrastructure, a guest that compromised its hypervisor could
19 potentially use the hypervisor's access privileges to access data it is
20 not authorized for.
22 QEMU can be susceptible to security attacks because it is a large,
23 monolithic program that provides many features to the VMs it services.
24 Many of these features can be configured out of QEMU, but even a reduced
25 configuration QEMU has a large amount of code a guest can potentially
26 attack. Separating QEMU reduces the attack surface by aiding to
27 limit each component in the system to only access the resources that
28 it needs to perform its job.
30 QEMU services
31 -------------
33 QEMU can be broadly described as providing three main services. One is a
34 VM control point, where VMs can be created, migrated, re-configured, and
35 destroyed. A second is to emulate the CPU instructions within the VM,
36 often accelerated by HW virtualization features such as Intel's VT
37 extensions. Finally, it provides IO services to the VM by emulating HW
38 IO devices, such as disk and network devices.
40 A multi-process QEMU
41 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
43 A multi-process QEMU involves separating QEMU services into separate
44 host processes. Each of these processes can be given only the privileges
45 it needs to provide its service, e.g., a disk service could be given
46 access only to the disk images it provides, and not be allowed to
47 access other files, or any network devices. An attacker who compromised
48 this service would not be able to use this exploit to access files or
49 devices beyond what the disk service was given access to.
51 A QEMU control process would remain, but in multi-process mode, will
52 have no direct interfaces to the VM. During VM execution, it would still
53 provide the user interface to hot-plug devices or live migrate the VM.
55 A first step in creating a multi-process QEMU is to separate IO services
56 from the main QEMU program, which would continue to provide CPU
57 emulation. i.e., the control process would also be the CPU emulation
58 process. In a later phase, CPU emulation could be separated from the
59 control process.
61 Separating IO services
62 ----------------------
64 Separating IO services into individual host processes is a good place to
65 begin for a couple of reasons. One is the sheer number of IO devices QEMU
66 can emulate provides a large surface of interfaces which could potentially
67 be exploited, and, indeed, have been a source of exploits in the past.
68 Another is the modular nature of QEMU device emulation code provides
69 interface points where the QEMU functions that perform device emulation
70 can be separated from the QEMU functions that manage the emulation of
71 guest CPU instructions. The devices emulated in the separate process are
72 referred to as remote devices.
74 QEMU device emulation
75 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
77 QEMU uses an object oriented SW architecture for device emulation code.
78 Configured objects are all compiled into the QEMU binary, then objects
79 are instantiated by name when used by the guest VM. For example, the
80 code to emulate a device named "foo" is always present in QEMU, but its
81 instantiation code is only run when the device is included in the target
82 VM. (e.g., via the QEMU command line as *-device foo*)
84 The object model is hierarchical, so device emulation code names its
85 parent object (such as "pci-device" for a PCI device) and QEMU will
86 instantiate a parent object before calling the device's instantiation
87 code.
89 Current separation models
90 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
92 In order to separate the device emulation code from the CPU emulation
93 code, the device object code must run in a different process. There are
94 a couple of existing QEMU features that can run emulation code
95 separately from the main QEMU process. These are examined below.
97 vhost user model
98 ^^^^^^^^^^^^^^^^
100 Virtio guest device drivers can be connected to vhost user applications
101 in order to perform their IO operations. This model uses special virtio
102 device drivers in the guest and vhost user device objects in QEMU, but
103 once the QEMU vhost user code has configured the vhost user application,
104 mission-mode IO is performed by the application. The vhost user
105 application is a daemon process that can be contacted via a known UNIX
106 domain socket.
108 vhost socket
109 ''''''''''''
111 As mentioned above, one of the tasks of the vhost device object within
112 QEMU is to contact the vhost application and send it configuration
113 information about this device instance. As part of the configuration
114 process, the application can also be sent other file descriptors over
115 the socket, which then can be used by the vhost user application in
116 various ways, some of which are described below.
118 vhost MMIO store acceleration
119 '''''''''''''''''''''''''''''
121 VMs are often run using HW virtualization features via the KVM kernel
122 driver. This driver allows QEMU to accelerate the emulation of guest CPU
123 instructions by running the guest in a virtual HW mode. When the guest
124 executes instructions that cannot be executed by virtual HW mode,
125 execution returns to the KVM driver so it can inform QEMU to emulate the
126 instructions in SW.
128 One of the events that can cause a return to QEMU is when a guest device
129 driver accesses an IO location. QEMU then dispatches the memory
130 operation to the corresponding QEMU device object. In the case of a
131 vhost user device, the memory operation would need to be sent over a
132 socket to the vhost application. This path is accelerated by the QEMU
133 virtio code by setting up an eventfd file descriptor that the vhost
134 application can directly receive MMIO store notifications from the KVM
135 driver, instead of needing them to be sent to the QEMU process first.
137 vhost interrupt acceleration
138 ''''''''''''''''''''''''''''
140 Another optimization used by the vhost application is the ability to
141 directly inject interrupts into the VM via the KVM driver, again,
142 bypassing the need to send the interrupt back to the QEMU process first.
143 The QEMU virtio setup code configures the KVM driver with an eventfd
144 that triggers the device interrupt in the guest when the eventfd is
145 written. This irqfd file descriptor is then passed to the vhost user
146 application program.
148 vhost access to guest memory
149 ''''''''''''''''''''''''''''
151 The vhost application is also allowed to directly access guest memory,
152 instead of needing to send the data as messages to QEMU. This is also
153 done with file descriptors sent to the vhost user application by QEMU.
154 These descriptors can be passed to ``mmap()`` by the vhost application
155 to map the guest address space into the vhost application.
157 IOMMUs introduce another level of complexity, since the address given to
158 the guest virtio device to DMA to or from is not a guest physical
159 address. This case is handled by having vhost code within QEMU register
160 as a listener for IOMMU mapping changes. The vhost application maintains
161 a cache of IOMMMU translations: sending translation requests back to
162 QEMU on cache misses, and in turn receiving flush requests from QEMU
163 when mappings are purged.
165 applicability to device separation
166 ''''''''''''''''''''''''''''''''''
168 Much of the vhost model can be re-used by separated device emulation. In
169 particular, the ideas of using a socket between QEMU and the device
170 emulation application, using a file descriptor to inject interrupts into
171 the VM via KVM, and allowing the application to ``mmap()`` the guest
172 should be re used.
174 There are, however, some notable differences between how a vhost
175 application works and the needs of separated device emulation. The most
176 basic is that vhost uses custom virtio device drivers which always
177 trigger IO with MMIO stores. A separated device emulation model must
178 work with existing IO device models and guest device drivers. MMIO loads
179 break vhost store acceleration since they are synchronous - guest
180 progress cannot continue until the load has been emulated. By contrast,
181 stores are asynchronous, the guest can continue after the store event
182 has been sent to the vhost application.
184 Another difference is that in the vhost user model, a single daemon can
185 support multiple QEMU instances. This is contrary to the security regime
186 desired, in which the emulation application should only be allowed to
187 access the files or devices the VM it's running on behalf of can access.
188 #### qemu-io model
190 ``qemu-io`` is a test harness used to test changes to the QEMU block backend
191 object code (e.g., the code that implements disk images for disk driver
192 emulation). ``qemu-io`` is not a device emulation application per se, but it
193 does compile the QEMU block objects into a separate binary from the main
194 QEMU one. This could be useful for disk device emulation, since its
195 emulation applications will need to include the QEMU block objects.
197 New separation model based on proxy objects
198 -------------------------------------------
200 A different model based on proxy objects in the QEMU program
201 communicating with remote emulation programs could provide separation
202 while minimizing the changes needed to the device emulation code. The
203 rest of this section is a discussion of how a proxy object model would
204 work.
206 Remote emulation processes
207 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
209 The remote emulation process will run the QEMU object hierarchy without
210 modification. The device emulation objects will be also be based on the
211 QEMU code, because for anything but the simplest device, it would not be
212 a tractable to re-implement both the object model and the many device
213 backends that QEMU has.
215 The processes will communicate with the QEMU process over UNIX domain
216 sockets. The processes can be executed either as standalone processes,
217 or be executed by QEMU. In both cases, the host backends the emulation
218 processes will provide are specified on its command line, as they would
219 be for QEMU. For example:
223     disk-proc -blockdev driver=file,node-name=file0,filename=disk-file0  \
224     -blockdev driver=qcow2,node-name=drive0,file=file0
226 would indicate process *disk-proc* uses a qcow2 emulated disk named
227 *file0* as its backend.
229 Emulation processes may emulate more than one guest controller. A common
230 configuration might be to put all controllers of the same device class
231 (e.g., disk, network, etc.) in a single process, so that all backends of
232 the same type can be managed by a single QMP monitor.
234 communication with QEMU
235 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
237 The first argument to the remote emulation process will be a Unix domain
238 socket that connects with the Proxy object. This is a required argument.
242     disk-proc <socket number> <backend list>
244 remote process QMP monitor
245 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
247 Remote emulation processes can be monitored via QMP, similar to QEMU
248 itself. The QMP monitor socket is specified the same as for a QEMU
249 process:
253     disk-proc -qmp unix:/tmp/disk-mon,server
255 can be monitored over the UNIX socket path */tmp/disk-mon*.
257 QEMU command line
258 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
260 Each remote device emulated in a remote process on the host is
261 represented as a *-device* of type *pci-proxy-dev*. A socket
262 sub-option to this option specifies the Unix socket that connects
263 to the remote process. An *id* sub-option is required, and it should
264 be the same id as used in the remote process.
268     qemu-system-x86_64 ... -device pci-proxy-dev,id=lsi0,socket=3
270 can be used to add a device emulated in a remote process
273 QEMU management of remote processes
274 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
276 QEMU is not aware of the type of type of the remote PCI device. It is
277 a pass through device as far as QEMU is concerned.
279 communication with emulation process
280 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
282 primary channel
283 '''''''''''''''
285 The primary channel (referred to as com in the code) is used to bootstrap
286 the remote process. It is also used to pass on device-agnostic commands
287 like reset.
289 per-device channels
290 '''''''''''''''''''
292 Each remote device communicates with QEMU using a dedicated communication
293 channel. The proxy object sets up this channel using the primary
294 channel during its initialization.
296 QEMU device proxy objects
297 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
299 QEMU has an object model based on sub-classes inherited from the
300 "object" super-class. The sub-classes that are of interest here are the
301 "device" and "bus" sub-classes whose child sub-classes make up the
302 device tree of a QEMU emulated system.
304 The proxy object model will use device proxy objects to replace the
305 device emulation code within the QEMU process. These objects will live
306 in the same place in the object and bus hierarchies as the objects they
307 replace. i.e., the proxy object for an LSI SCSI controller will be a
308 sub-class of the "pci-device" class, and will have the same PCI bus
309 parent and the same SCSI bus child objects as the LSI controller object
310 it replaces.
312 It is worth noting that the same proxy object is used to mediate with
313 all types of remote PCI devices.
315 object initialization
316 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
318 The Proxy device objects are initialized in the exact same manner in
319 which any other QEMU device would be initialized.
321 In addition, the Proxy objects perform the following two tasks:
322 - Parses the "socket" sub option and connects to the remote process
323 using this channel
324 - Uses the "id" sub-option to connect to the emulated device on the
325 separate process
327 class\_init
328 '''''''''''
330 The ``class_init()`` method of a proxy object will, in general behave
331 similarly to the object it replaces, including setting any static
332 properties and methods needed by the proxy.
334 instance\_init / realize
335 ''''''''''''''''''''''''
337 The ``instance_init()`` and ``realize()`` functions would only need to
338 perform tasks related to being a proxy, such are registering its own
339 MMIO handlers, or creating a child bus that other proxy devices can be
340 attached to later.
342 Other tasks will be device-specific. For example, PCI device objects
343 will initialize the PCI config space in order to make a valid PCI device
344 tree within the QEMU process.
346 address space registration
347 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
349 Most devices are driven by guest device driver accesses to IO addresses
350 or ports. The QEMU device emulation code uses QEMU's memory region
351 function calls (such as ``memory_region_init_io()``) to add callback
352 functions that QEMU will invoke when the guest accesses the device's
353 areas of the IO address space. When a guest driver does access the
354 device, the VM will exit HW virtualization mode and return to QEMU,
355 which will then lookup and execute the corresponding callback function.
357 A proxy object would need to mirror the memory region calls the actual
358 device emulator would perform in its initialization code, but with its
359 own callbacks. When invoked by QEMU as a result of a guest IO operation,
360 they will forward the operation to the device emulation process.
362 PCI config space
363 ^^^^^^^^^^^^^^^^
365 PCI devices also have a configuration space that can be accessed by the
366 guest driver. Guest accesses to this space is not handled by the device
367 emulation object, but by its PCI parent object. Much of this space is
368 read-only, but certain registers (especially BAR and MSI-related ones)
369 need to be propagated to the emulation process.
371 PCI parent proxy
372 ''''''''''''''''
374 One way to propagate guest PCI config accesses is to create a
375 "pci-device-proxy" class that can serve as the parent of a PCI device
376 proxy object. This class's parent would be "pci-device" and it would
377 override the PCI parent's ``config_read()`` and ``config_write()``
378 methods with ones that forward these operations to the emulation
379 program.
381 interrupt receipt
382 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
384 A proxy for a device that generates interrupts will need to create a
385 socket to receive interrupt indications from the emulation process. An
386 incoming interrupt indication would then be sent up to its bus parent to
387 be injected into the guest. For example, a PCI device object may use
388 ``pci_set_irq()``.
390 live migration
391 ^^^^^^^^^^^^^^
393 The proxy will register to save and restore any *vmstate* it needs over
394 a live migration event. The device proxy does not need to manage the
395 remote device's *vmstate*; that will be handled by the remote process
396 proxy (see below).
398 QEMU remote device operation
399 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
401 Generic device operations, such as DMA, will be performed by the remote
402 process proxy by sending messages to the remote process.
404 DMA operations
405 ^^^^^^^^^^^^^^
407 DMA operations would be handled much like vhost applications do. One of
408 the initial messages sent to the emulation process is a guest memory
409 table. Each entry in this table consists of a file descriptor and size
410 that the emulation process can ``mmap()`` to directly access guest
411 memory, similar to ``vhost_user_set_mem_table()``. Note guest memory
412 must be backed by shared file-backed memory, for example, using
413 *-object memory-backend-file,share=on* and setting that memory backend
414 as RAM for the machine.
416 IOMMU operations
417 ^^^^^^^^^^^^^^^^
419 When the emulated system includes an IOMMU, the remote process proxy in
420 QEMU will need to create a socket for IOMMU requests from the emulation
421 process. It will handle those requests with an
422 ``address_space_get_iotlb_entry()`` call. In order to handle IOMMU
423 unmaps, the remote process proxy will also register as a listener on the
424 device's DMA address space. When an IOMMU memory region is created
425 within the DMA address space, an IOMMU notifier for unmaps will be added
426 to the memory region that will forward unmaps to the emulation process
427 over the IOMMU socket.
429 device hot-plug via QMP
430 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
432 An QMP "device\_add" command can add a device emulated by a remote
433 process. It will also have "rid" option to the command, just as the
434 *-device* command line option does. The remote process may either be one
435 started at QEMU startup, or be one added by the "add-process" QMP
436 command described above. In either case, the remote process proxy will
437 forward the new device's JSON description to the corresponding emulation
438 process.
440 live migration
441 ^^^^^^^^^^^^^^
443 The remote process proxy will also register for live migration
444 notifications with ``vmstate_register()``. When called to save state,
445 the proxy will send the remote process a secondary socket file
446 descriptor to save the remote process's device *vmstate* over. The
447 incoming byte stream length and data will be saved as the proxy's
448 *vmstate*. When the proxy is resumed on its new host, this *vmstate*
449 will be extracted, and a secondary socket file descriptor will be sent
450 to the new remote process through which it receives the *vmstate* in
451 order to restore the devices there.
453 device emulation in remote process
454 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
456 The parts of QEMU that the emulation program will need include the
457 object model; the memory emulation objects; the device emulation objects
458 of the targeted device, and any dependent devices; and, the device's
459 backends. It will also need code to setup the machine environment,
460 handle requests from the QEMU process, and route machine-level requests
461 (such as interrupts or IOMMU mappings) back to the QEMU process.
463 initialization
464 ^^^^^^^^^^^^^^
466 The process initialization sequence will follow the same sequence
467 followed by QEMU. It will first initialize the backend objects, then
468 device emulation objects. The JSON descriptions sent by the QEMU process
469 will drive which objects need to be created.
471 -  address spaces
473 Before the device objects are created, the initial address spaces and
474 memory regions must be configured with ``memory_map_init()``. This
475 creates a RAM memory region object (*system\_memory*) and an IO memory
476 region object (*system\_io*).
478 -  RAM
480 RAM memory region creation will follow how ``pc_memory_init()`` creates
481 them, but must use ``memory_region_init_ram_from_fd()`` instead of
482 ``memory_region_allocate_system_memory()``. The file descriptors needed
483 will be supplied by the guest memory table from above. Those RAM regions
484 would then be added to the *system\_memory* memory region with
485 ``memory_region_add_subregion()``.
487 -  PCI
489 IO initialization will be driven by the JSON descriptions sent from the
490 QEMU process. For a PCI device, a PCI bus will need to be created with
491 ``pci_root_bus_new()``, and a PCI memory region will need to be created
492 and added to the *system\_memory* memory region with
493 ``memory_region_add_subregion_overlap()``. The overlap version is
494 required for architectures where PCI memory overlaps with RAM memory.
496 MMIO handling
497 ^^^^^^^^^^^^^
499 The device emulation objects will use ``memory_region_init_io()`` to
500 install their MMIO handlers, and ``pci_register_bar()`` to associate
501 those handlers with a PCI BAR, as they do within QEMU currently.
503 In order to use ``address_space_rw()`` in the emulation process to
504 handle MMIO requests from QEMU, the PCI physical addresses must be the
505 same in the QEMU process and the device emulation process. In order to
506 accomplish that, guest BAR programming must also be forwarded from QEMU
507 to the emulation process.
509 interrupt injection
510 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
512 When device emulation wants to inject an interrupt into the VM, the
513 request climbs the device's bus object hierarchy until the point where a
514 bus object knows how to signal the interrupt to the guest. The details
515 depend on the type of interrupt being raised.
517 -  PCI pin interrupts
519 On x86 systems, there is an emulated IOAPIC object attached to the root
520 PCI bus object, and the root PCI object forwards interrupt requests to
521 it. The IOAPIC object, in turn, calls the KVM driver to inject the
522 corresponding interrupt into the VM. The simplest way to handle this in
523 an emulation process would be to setup the root PCI bus driver (via
524 ``pci_bus_irqs()``) to send a interrupt request back to the QEMU
525 process, and have the device proxy object reflect it up the PCI tree
526 there.
528 -  PCI MSI/X interrupts
530 PCI MSI/X interrupts are implemented in HW as DMA writes to a
531 CPU-specific PCI address. In QEMU on x86, a KVM APIC object receives
532 these DMA writes, then calls into the KVM driver to inject the interrupt
533 into the VM. A simple emulation process implementation would be to send
534 the MSI DMA address from QEMU as a message at initialization, then
535 install an address space handler at that address which forwards the MSI
536 message back to QEMU.
538 DMA operations
539 ^^^^^^^^^^^^^^
541 When a emulation object wants to DMA into or out of guest memory, it
542 first must use dma\_memory\_map() to convert the DMA address to a local
543 virtual address. The emulation process memory region objects setup above
544 will be used to translate the DMA address to a local virtual address the
545 device emulation code can access.
547 IOMMU
548 ^^^^^
550 When an IOMMU is in use in QEMU, DMA translation uses IOMMU memory
551 regions to translate the DMA address to a guest physical address before
552 that physical address can be translated to a local virtual address. The
553 emulation process will need similar functionality.
555 -  IOTLB cache
557 The emulation process will maintain a cache of recent IOMMU translations
558 (the IOTLB). When the translate() callback of an IOMMU memory region is
559 invoked, the IOTLB cache will be searched for an entry that will map the
560 DMA address to a guest PA. On a cache miss, a message will be sent back
561 to QEMU requesting the corresponding translation entry, which be both be
562 used to return a guest address and be added to the cache.
564 -  IOTLB purge
566 The IOMMU emulation will also need to act on unmap requests from QEMU.
567 These happen when the guest IOMMU driver purges an entry from the
568 guest's translation table.
570 live migration
571 ^^^^^^^^^^^^^^
573 When a remote process receives a live migration indication from QEMU, it
574 will set up a channel using the received file descriptor with
575 ``qio_channel_socket_new_fd()``. This channel will be used to create a
576 *QEMUfile* that can be passed to ``qemu_save_device_state()`` to send
577 the process's device state back to QEMU. This method will be reversed on
578 restore - the channel will be passed to ``qemu_loadvm_state()`` to
579 restore the device state.
581 Accelerating device emulation
582 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
584 The messages that are required to be sent between QEMU and the emulation
585 process can add considerable latency to IO operations. The optimizations
586 described below attempt to ameliorate this effect by allowing the
587 emulation process to communicate directly with the kernel KVM driver.
588 The KVM file descriptors created would be passed to the emulation process
589 via initialization messages, much like the guest memory table is done.
590 #### MMIO acceleration
592 Vhost user applications can receive guest virtio driver stores directly
593 from KVM. The issue with the eventfd mechanism used by vhost user is
594 that it does not pass any data with the event indication, so it cannot
595 handle guest loads or guest stores that carry store data. This concept
596 could, however, be expanded to cover more cases.
598 The expanded idea would require a new type of KVM device:
599 *KVM\_DEV\_TYPE\_USER*. This device has two file descriptors: a master
600 descriptor that QEMU can use for configuration, and a slave descriptor
601 that the emulation process can use to receive MMIO notifications. QEMU
602 would create both descriptors using the KVM driver, and pass the slave
603 descriptor to the emulation process via an initialization message.
605 data structures
606 ^^^^^^^^^^^^^^^
608 -  guest physical range
610 The guest physical range structure describes the address range that a
611 device will respond to. It includes the base and length of the range, as
612 well as which bus the range resides on (e.g., on an x86machine, it can
613 specify whether the range refers to memory or IO addresses).
615 A device can have multiple physical address ranges it responds to (e.g.,
616 a PCI device can have multiple BARs), so the structure will also include
617 an enumerated identifier to specify which of the device's ranges is
618 being referred to.
620 +--------+----------------------------+
621 | Name   | Description                |
622 +========+============================+
623 | addr   | range base address         |
624 +--------+----------------------------+
625 | len    | range length               |
626 +--------+----------------------------+
627 | bus    | addr type (memory or IO)   |
628 +--------+----------------------------+
629 | id     | range ID (e.g., PCI BAR)   |
630 +--------+----------------------------+
632 -  MMIO request structure
634 This structure describes an MMIO operation. It includes which guest
635 physical range the MMIO was within, the offset within that range, the
636 MMIO type (e.g., load or store), and its length and data. It also
637 includes a sequence number that can be used to reply to the MMIO, and
638 the CPU that issued the MMIO.
640 +----------+------------------------+
641 | Name     | Description            |
642 +==========+========================+
643 | rid      | range MMIO is within   |
644 +----------+------------------------+
645 | offset   | offset within *rid*    |
646 +----------+------------------------+
647 | type     | e.g., load or store    |
648 +----------+------------------------+
649 | len      | MMIO length            |
650 +----------+------------------------+
651 | data     | store data             |
652 +----------+------------------------+
653 | seq      | sequence ID            |
654 +----------+------------------------+
656 -  MMIO request queues
658 MMIO request queues are FIFO arrays of MMIO request structures. There
659 are two queues: pending queue is for MMIOs that haven't been read by the
660 emulation program, and the sent queue is for MMIOs that haven't been
661 acknowledged. The main use of the second queue is to validate MMIO
662 replies from the emulation program.
664 -  scoreboard
666 Each CPU in the VM is emulated in QEMU by a separate thread, so multiple
667 MMIOs may be waiting to be consumed by an emulation program and multiple
668 threads may be waiting for MMIO replies. The scoreboard would contain a
669 wait queue and sequence number for the per-CPU threads, allowing them to
670 be individually woken when the MMIO reply is received from the emulation
671 program. It also tracks the number of posted MMIO stores to the device
672 that haven't been replied to, in order to satisfy the PCI constraint
673 that a load to a device will not complete until all previous stores to
674 that device have been completed.
676 -  device shadow memory
678 Some MMIO loads do not have device side-effects. These MMIOs can be
679 completed without sending a MMIO request to the emulation program if the
680 emulation program shares a shadow image of the device's memory image
681 with the KVM driver.
683 The emulation program will ask the KVM driver to allocate memory for the
684 shadow image, and will then use ``mmap()`` to directly access it. The
685 emulation program can control KVM access to the shadow image by sending
686 KVM an access map telling it which areas of the image have no
687 side-effects (and can be completed immediately), and which require a
688 MMIO request to the emulation program. The access map can also inform
689 the KVM drive which size accesses are allowed to the image.
691 master descriptor
692 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
694 The master descriptor is used by QEMU to configure the new KVM device.
695 The descriptor would be returned by the KVM driver when QEMU issues a
696 *KVM\_CREATE\_DEVICE* ``ioctl()`` with a *KVM\_DEV\_TYPE\_USER* type.
698 KVM\_DEV\_TYPE\_USER device ops
701 The *KVM\_DEV\_TYPE\_USER* operations vector will be registered by a
702 ``kvm_register_device_ops()`` call when the KVM system in initialized by
703 ``kvm_init()``. These device ops are called by the KVM driver when QEMU
704 executes certain ``ioctl()`` operations on its KVM file descriptor. They
705 include:
707 -  create
709 This routine is called when QEMU issues a *KVM\_CREATE\_DEVICE*
710 ``ioctl()`` on its per-VM file descriptor. It will allocate and
711 initialize a KVM user device specific data structure, and assign the
712 *kvm\_device* private field to it.
714 -  ioctl
716 This routine is invoked when QEMU issues an ``ioctl()`` on the master
717 descriptor. The ``ioctl()`` commands supported are defined by the KVM
718 device type. *KVM\_DEV\_TYPE\_USER* ones will need several commands:
720 *KVM\_DEV\_USER\_SLAVE\_FD* creates the slave file descriptor that will
721 be passed to the device emulation program. Only one slave can be created
722 by each master descriptor. The file operations performed by this
723 descriptor are described below.
725 The *KVM\_DEV\_USER\_PA\_RANGE* command configures a guest physical
726 address range that the slave descriptor will receive MMIO notifications
727 for. The range is specified by a guest physical range structure
728 argument. For buses that assign addresses to devices dynamically, this
729 command can be executed while the guest is running, such as the case
730 when a guest changes a device's PCI BAR registers.
732 *KVM\_DEV\_USER\_PA\_RANGE* will use ``kvm_io_bus_register_dev()`` to
733 register *kvm\_io\_device\_ops* callbacks to be invoked when the guest
734 performs a MMIO operation within the range. When a range is changed,
735 ``kvm_io_bus_unregister_dev()`` is used to remove the previous
736 instantiation.
738 *KVM\_DEV\_USER\_TIMEOUT* will configure a timeout value that specifies
739 how long KVM will wait for the emulation process to respond to a MMIO
740 indication.
742 -  destroy
744 This routine is called when the VM instance is destroyed. It will need
745 to destroy the slave descriptor; and free any memory allocated by the
746 driver, as well as the *kvm\_device* structure itself.
748 slave descriptor
749 ^^^^^^^^^^^^^^^^
751 The slave descriptor will have its own file operations vector, which
752 responds to system calls on the descriptor performed by the device
753 emulation program.
755 -  read
757 A read returns any pending MMIO requests from the KVM driver as MMIO
758 request structures. Multiple structures can be returned if there are
759 multiple MMIO operations pending. The MMIO requests are moved from the
760 pending queue to the sent queue, and if there are threads waiting for
761 space in the pending to add new MMIO operations, they will be woken
762 here.
764 -  write
766 A write also consists of a set of MMIO requests. They are compared to
767 the MMIO requests in the sent queue. Matches are removed from the sent
768 queue, and any threads waiting for the reply are woken. If a store is
769 removed, then the number of posted stores in the per-CPU scoreboard is
770 decremented. When the number is zero, and a non side-effect load was
771 waiting for posted stores to complete, the load is continued.
773 -  ioctl
775 There are several ioctl()s that can be performed on the slave
776 descriptor.
778 A *KVM\_DEV\_USER\_SHADOW\_SIZE* ``ioctl()`` causes the KVM driver to
779 allocate memory for the shadow image. This memory can later be
780 ``mmap()``\ ed by the emulation process to share the emulation's view of
781 device memory with the KVM driver.
783 A *KVM\_DEV\_USER\_SHADOW\_CTRL* ``ioctl()`` controls access to the
784 shadow image. It will send the KVM driver a shadow control map, which
785 specifies which areas of the image can complete guest loads without
786 sending the load request to the emulation program. It will also specify
787 the size of load operations that are allowed.
789 -  poll
791 An emulation program will use the ``poll()`` call with a *POLLIN* flag
792 to determine if there are MMIO requests waiting to be read. It will
793 return if the pending MMIO request queue is not empty.
795 -  mmap
797 This call allows the emulation program to directly access the shadow
798 image allocated by the KVM driver. As device emulation updates device
799 memory, changes with no side-effects will be reflected in the shadow,
800 and the KVM driver can satisfy guest loads from the shadow image without
801 needing to wait for the emulation program.
803 kvm\_io\_device ops
804 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
806 Each KVM per-CPU thread can handle MMIO operation on behalf of the guest
807 VM. KVM will use the MMIO's guest physical address to search for a
808 matching *kvm\_io\_device* to see if the MMIO can be handled by the KVM
809 driver instead of exiting back to QEMU. If a match is found, the
810 corresponding callback will be invoked.
812 -  read
814 This callback is invoked when the guest performs a load to the device.
815 Loads with side-effects must be handled synchronously, with the KVM
816 driver putting the QEMU thread to sleep waiting for the emulation
817 process reply before re-starting the guest. Loads that do not have
818 side-effects may be optimized by satisfying them from the shadow image,
819 if there are no outstanding stores to the device by this CPU. PCI memory
820 ordering demands that a load cannot complete before all older stores to
821 the same device have been completed.
823 -  write
825 Stores can be handled asynchronously unless the pending MMIO request
826 queue is full. In this case, the QEMU thread must sleep waiting for
827 space in the queue. Stores will increment the number of posted stores in
828 the per-CPU scoreboard, in order to implement the PCI ordering
829 constraint above.
831 interrupt acceleration
832 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
834 This performance optimization would work much like a vhost user
835 application does, where the QEMU process sets up *eventfds* that cause
836 the device's corresponding interrupt to be triggered by the KVM driver.
837 These irq file descriptors are sent to the emulation process at
838 initialization, and are used when the emulation code raises a device
839 interrupt.
841 intx acceleration
842 '''''''''''''''''
844 Traditional PCI pin interrupts are level based, so, in addition to an
845 irq file descriptor, a re-sampling file descriptor needs to be sent to
846 the emulation program. This second file descriptor allows multiple
847 devices sharing an irq to be notified when the interrupt has been
848 acknowledged by the guest, so they can re-trigger the interrupt if their
849 device has not de-asserted its interrupt.
851 intx irq descriptor
854 The irq descriptors are created by the proxy object
855 ``using event_notifier_init()`` to create the irq and re-sampling
856 *eventds*, and ``kvm_vm_ioctl(KVM_IRQFD)`` to bind them to an interrupt.
857 The interrupt route can be found with
858 ``pci_device_route_intx_to_irq()``.
860 intx routing changes
863 Intx routing can be changed when the guest programs the APIC the device
864 pin is connected to. The proxy object in QEMU will use
865 ``pci_device_set_intx_routing_notifier()`` to be informed of any guest
866 changes to the route. This handler will broadly follow the VFIO
867 interrupt logic to change the route: de-assigning the existing irq
868 descriptor from its route, then assigning it the new route. (see
869 ``vfio_intx_update()``)
871 MSI/X acceleration
872 ''''''''''''''''''
874 MSI/X interrupts are sent as DMA transactions to the host. The interrupt
875 data contains a vector that is programmed by the guest, A device may have
876 multiple MSI interrupts associated with it, so multiple irq descriptors
877 may need to be sent to the emulation program.
879 MSI/X irq descriptor
882 This case will also follow the VFIO example. For each MSI/X interrupt,
883 an *eventfd* is created, a virtual interrupt is allocated by
884 ``kvm_irqchip_add_msi_route()``, and the virtual interrupt is bound to
885 the eventfd with ``kvm_irqchip_add_irqfd_notifier()``.
887 MSI/X config space changes
890 The guest may dynamically update several MSI-related tables in the
891 device's PCI config space. These include per-MSI interrupt enables and
892 vector data. Additionally, MSIX tables exist in device memory space, not
893 config space. Much like the BAR case above, the proxy object must look
894 at guest config space programming to keep the MSI interrupt state
895 consistent between QEMU and the emulation program.
897 --------------
899 Disaggregated CPU emulation
900 ---------------------------
902 After IO services have been disaggregated, a second phase would be to
903 separate a process to handle CPU instruction emulation from the main
904 QEMU control function. There are no object separation points for this
905 code, so the first task would be to create one.
907 Host access controls
908 --------------------
910 Separating QEMU relies on the host OS's access restriction mechanisms to
911 enforce that the differing processes can only access the objects they
912 are entitled to. There are a couple types of mechanisms usually provided
913 by general purpose OSs.
915 Discretionary access control
916 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
918 Discretionary access control allows each user to control who can access
919 their files. In Linux, this type of control is usually too coarse for
920 QEMU separation, since it only provides three separate access controls:
921 one for the same user ID, the second for users IDs with the same group
922 ID, and the third for all other user IDs. Each device instance would
923 need a separate user ID to provide access control, which is likely to be
924 unwieldy for dynamically created VMs.
926 Mandatory access control
927 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
929 Mandatory access control allows the OS to add an additional set of
930 controls on top of discretionary access for the OS to control. It also
931 adds other attributes to processes and files such as types, roles, and
932 categories, and can establish rules for how processes and files can
933 interact.
935 Type enforcement
936 ^^^^^^^^^^^^^^^^
938 Type enforcement assigns a *type* attribute to processes and files, and
939 allows rules to be written on what operations a process with a given
940 type can perform on a file with a given type. QEMU separation could take
941 advantage of type enforcement by running the emulation processes with
942 different types, both from the main QEMU process, and from the emulation
943 processes of different classes of devices.
945 For example, guest disk images and disk emulation processes could have
946 types separate from the main QEMU process and non-disk emulation
947 processes, and the type rules could prevent processes other than disk
948 emulation ones from accessing guest disk images. Similarly, network
949 emulation processes can have a type separate from the main QEMU process
950 and non-network emulation process, and only that type can access the
951 host tun/tap device used to provide guest networking.
953 Category enforcement
954 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
956 Category enforcement assigns a set of numbers within a given range to
957 the process or file. The process is granted access to the file if the
958 process's set is a superset of the file's set. This enforcement can be
959 used to separate multiple instances of devices in the same class.
961 For example, if there are multiple disk devices provides to a guest,
962 each device emulation process could be provisioned with a separate
963 category. The different device emulation processes would not be able to
964 access each other's backing disk images.
966 Alternatively, categories could be used in lieu of the type enforcement
967 scheme described above. In this scenario, different categories would be
968 used to prevent device emulation processes in different classes from
969 accessing resources assigned to other classes.