Bhyve code reading

BHyVe code reading
@syuu1228

1

お手元にソースコードをご

用意下さい

https://github.com/lattera/b
hyve 2

１， BHyVe 概要

3

BHyVe とは
●
FreeBSD 版の Linux KVM のようなもの

●
Intel VT を用いたハイパーバイザ

●
開発の初期段階でごく限定的な機能が実装されている

　　　　　　　　　　　　↓

最低限のハイパーバイザ実装のよいサンプルになりそう
4

Web Site

http://www.bhyve.org/

5

実装状況
●
Intel VT-x, EPT 必須 (= Nehalem 以降必須 )

●
BIOS 非対応 (disk ブート出来ない )

●
対応デバイス :
– PCI
● virtio-net, virtio-blk
● pci passthrough(VT-d)

● pci UART

– paravirtual console/debug port
6

●

割り込み
●
MSI 割り込みのみ対応

●
割り込みコントローラは Local APIC のみ実装

7

２，動作の流れ

8

おさらい： Linux KVM

9

Intel VT 向け VMM の動作の流れ

1.VMCS にゲスト環境の設定をロード

2.CPU に VMCS をセット

3.VMLAUNCH でゲストモードに切り替え

4.ゲスト環境実行

trap 要因が発生、 VMExit する
5.何らかのエミュレータが欲しいなら、 QEMU を使えばいいじゃない
10

Linux KVM 動作イメージ

QEMU User
program
IOCTL
VMExit

Linux kernel KVM Guest kernel

VMLAUNCH 11






白いところを要因が発生、 VMExit する
5.何らかの trap KVM がやる。黄色いところを QEMU がやる。
12

BHyVe 動作イメージ

/usr/sbin/bhyve User
program
IOCTL(VM_RUN)
VMExit

BSD kernel vmm.ko Guest kernel

VMLAUNCH 14






白いところを要因が発生、 VMExit する
5.何らかの trap vmm.ko がやる。黄色いところを /usr/sbin/bhyve が
やる。 15

/usr/sbin/bhyve の動作（１）
● src/usr.sbin/bhyve/fbsdrun.c:669
fbsdrun_addcpu() で CPU0 のスレッドを作成
– src/usr.sbin/bhyve/fbsdrun.c:209
pthread_create(fbsdrun_start_thread)

vm_loop()
while(1) {vm_run();}

16

/usr/sbin/bhyve の動作（２）
while(1) {
vm_run();
– src/lib/libvmmapi/vmmapi.c:265
ioctl(VM_RUN) vmm.ko に VMX non root mode への切り替
えを依頼
handler[exitcode]() EXIT_REASON に対応するエミュレー
ション処理を呼び出し

17

３，ゲスト OS ローダ

18

何故ゲスト OS ローダが必要か
●
BHyVe には BIOS がない

●
HDD のブートセクタから起動されるブートローダは BIOS に依存
している為、例え /usr/sbin/bhyve が起動時にブートセクタをロー
ドして実行しても動作しない

●
BIOS のエミュレーションを実装する代わりにゲストの FreeBSD
カーネルをゲストメモリ空間にロードして、いきなりカーネルを
実行している 19

bhyveload の動作 - vm_create
● src/usr.sbin/bhyveload/bhyveload.c:557
vm_create(vmname) で /dev/vmm/%s に device file を作成
sysctl 経由で device file 作成を vmm.ko に依頼

20

bhyveload の動作 - vm_setup_memory
vm_setup_memory() で membase へゲスト空間を mmap
vmm.ko へ ioctl(VM_MAP_MEMORY) でゲスト空間をアロケート

vmm.ko への mmap でゲスト空間を membase へマップ

21

bhyveload の動作 - vm_open
● usr.sbin/bhyveload/bhyveload.c:564

vm_open(vmname) で /dev/vmm/%s を open()
vm_open()
● src/lib/libvmmapi/vmmapi.c:67
vm_device_open()

22

bhyveload の動作 – userboot.so
– FreeBSD のブートローダをユーザ空間で動くように移植したも

の

– メモリやレジスタへの読み書きを wrap 、ゲストのメモリ空間
／レジスタへアクセス

– （メモリ空間は mmap 、レジスタの読み書きは ioctl 経由で
VMM が管理するゲストのデスクリプタへ） 23

dlopen で userboot.so を開く
dlsym で loader_main 関数のアドレスを取得
loader_main 関数を実行

24

● loader_main 関数は boot2 とほぼ同じ動作を行うが、引数で渡
しているコールバック関数で以下のような処理を仮想化して
いる
– コンソールの読み書き cb_putc, cb_getc, cb_poll
– ファイルの操作 cb_open, cb_close, cb_isdir, cb_read, cb_readdir,
cb_seek, cb_stat
– ディスクの読み書き cb_diskread
– メモリの読み書き cb_copyin, cb_copyout, cb_getmem
– レジスタの読み書き cb_setreg, cb_setmsr, cb_setcr, cb_setgdt, cb_exec

25

bhyveload の動作 – cb_copyin, cb_copyout
membase へ memcpy
membase から memcpy

26

bhyveload の動作 – cb_setreg, cb_exec
vm_set_register でレジスタセット
vm_setup_freebsd_registers でレジスタなどの初期化
– src/lib/libvmmapi/vmmapi_freebsd.c:63
vm_set_register, vm_set_desc で各種レジスタを初期化

27

bhyveload の動作 –
vm_setup_freebsd_registers
● src/lib/libvmmapi/vmmapi_freebsd.c:63
– CR0 = PE | PG | NE # ページング、プロテクトモード

– CR4 = PAE | VMXE # PAE 、 VMX 有効

– EFER = LME | LMA # long mode 有効

– GDT 初期化＆セグメントレジスタ初期化
– タスクレジスタ初期化
– ページテーブル＆ CR3 初期化

– RSP 初期化 28

４， IO デバイス

エミュレーション

29

ゲストカーネルのコンフィグレーション
device pci
device bvmconsole
device bvmdebug
device mptable

ACPI や多くのデバイスは無効

virtio.ko, if_vtnet.ko, virtio_pci.ko, virtio_blk.ko はモジュール

としてビルド 30

IO エミュレーション
io emulation 実行
console net blk
PCI
/usr/sbin/bhyve
IOCTL return
IO 命令
VMExit

BSD kernel vmm.ko Guest kernel

31

/usr/sbin/bhyve の動作 – IO emulation
handler[exitcode]() EXIT_REASON に対応するエミュレー
ション処理を呼び出し
IO の場合は VM_EXITCODE_INOUT なので vmexit_inout

EAX の値を取得して emulate_inout()

32

/usr/sbin/bhyve の動作 – IO emulation
● src/usr.sbin/bhyve/inout.c:72
inout_handers[port].handler(in, port, bytes, eax)
port = 0x220 なら console
（ src/usr.sbin/bhyve/consport.c:127 で定義）
– src/usr.sbin/bhyve/consport.c:101
in = 1 ならキーボードから一文字を読んで eax に書く
in = 0 なら eax から一文字読んで画面に書く

33

３， vmm.ko の提供するイ

ンタフェース

34

sysctl
● src/sys/amd64/vmm/vmm_dev.c:387
– hw.vmm.create(name)
/dev/vmm/${name} に新しい VM インスタンスを指す

デバイスファイルを作成
– hw.vmm.destroy(name)
/dev/vmm/${name} の VM インスタンスを削除

35

/dev/vmm/${name} へのファイル API
● read/write
–src/sys/amd64/vmm/vmm_dev.c:184
ゲスト空間の読み書き（ offset = ゲストの物理アドレス）
● mmap
– src/sys/amd64/vmm/vmm_dev.c:347
ゲスト空間のマップ
（先頭ポインタがゲストの物理アドレス０番地）

36

/dev/vmm/${name} への ioctl (1)
● src/sys/amd64/vmm/vmm_dev.c:144
●
VM_RUN: VMLAUNCH させる

●
VM_SET_PINNING/VM_GET_PINNING: CPU の固定割当

●
VM_MAP_MEMORY: ゲストのメモリ空間割当

●
VM_GET_MEMORY_SEG: 未調査

●
VM_SET_REGISTER/VM_GET_REGISTER: ゲストレジス 37

/dev/vmm/${name} への ioctl(2)
● VM_SET_SEGMENT_DESCRIPTOR/VM_GET_SEGMENT_D
ESCRIPTOR: セグメントレジスタの読み書き

●
VM_INJECT_EVENT: 未調査

●
VM_LAPIC_IRQ: 未調査

●
VM_SET_CAPABILITY/VM_GET_CAPABILITY: VT-x のどの

機能を使うか（調査中） 38

/dev/vmm/${name} への ioctl (3)
● VM_PPTDEV_MSI: PCI passthorugh
●
VM_INJECT_NMI: 未調査

●
VM_STATS: 未調査

●
VM_STAT_DESC: 未調査

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