Palacios Public Git Repository

To checkout Palacios execute

  git clone http://v3vee.org/palacios/palacios.web/palacios.git
This will give you the master branch. You probably want the devel branch or one of the release branches. To switch to the devel branch, simply execute
  cd palacios
  git checkout --track -b devel origin/devel
The other branches are similar.


Updated manual for release - now ready from Palacios perspective
[palacios.git] / manual / manual.tex
1
2 \documentclass[11pt]{article}
3
4 \usepackage{calc}
5 \usepackage{graphics}
6 %\usepackage{latex8}
7 \usepackage{times}
8 \usepackage{epsf}
9 \usepackage{epsfig}
10 \usepackage{graphicx}
11 \usepackage{changebar}
12 \usepackage{portland}
13 \usepackage{lscape}
14
15 \setlength{\textheight}{8.50in}
16 \setlength{\textwidth}{6.5in}
17 \setlength{\topmargin}{-0.3in}
18 %\setlength{\leftmargin}{2.9in}
19 %\setlength{\rightmargin}{-2.9in}
20 \setlength{\oddsidemargin}{0in}
21 \setlength{\parindent}{0.5in}
22 \setlength\parindent{0in}
23 \setlength\parskip{0.1in} 
24
25 \newcommand{\note}[1]{{$\rightarrow$ \bf Note: \emph{#1}}}
26
27 \begin{document}
28
29 \title{
30 \includegraphics[height=1.5in]{v3vee.pdf}
31 \includegraphics[height=1.5in]{logo6.png} \\
32 \vspace{0.5in} 
33 Palacios Internal and External Developer Manual
34 }
35
36
37 \maketitle
38
39
40 This manual is written for internal and external Palacios
41 developers. It contains information on how to obtain the Palacios code
42 base, how to go about the development process, and how to commit those
43 changes to the mainline source tree.  This assumes that the reader has
44 read the technical report {\em An Introduction to the Palacios Virtual
45 Machine Monitor -- Release 1.0}\footnote{It's important to note that
46 there have been substantial changes in the build process from 1.0 to
47 1.2 and beyond.  Hence, the technical report is primarily useful as an
48 explanation of the theory of operation of Palacios.  This document is
49 the one to consult for the build process.}  and also has a slight
50 working knowledge of {\em git}.  You will also want to read the
51 document {\em Building a bootable guest image for Palacios and Kitten}
52 in order to understand how to build an extremely lightweight guest
53 environment, suitable for testing.  If you want to configure network 
54 booting for testing on real hardware, you'll want to read the document
55 {\em Booting Palacios/Kitten Over the Network Using PXE}.
56
57 Please note that Palacios and Kitten are under rapid development,
58 hence this manual may very well be out of date!
59
60 \newpage
61 \tableofcontents
62 \newpage
63 \listoffigures
64 \newpage
65
66 \section{Overview}
67
68
69 Both Palacios and Kitten follow a hybrid development process that
70 uses both the centralized repository and distributed development
71 models. A central repository exists that holds the master version of
72 the code base. This central repository is cloned by multiple people
73 and in multiple places to support various development efforts. A
74 feature of \texttt{git} is that every developer actually has a full copy of
75 the entire repository, and so can function independently until such
76 time as they need to re-sync with the master version. 
77
78 There are typically multiple levels of access to the central
79 repository, that are granted based on the type of developer being
80 granted access. The three basic developer types and their access
81 privileges are:
82
83 \begin{itemize}
84 \item Core developers: These are the lead developers and are in
85 charge of managing the master repository. They have full read/write
86 access permissions to the central repository.
87
88 \item Internal developers: Formal members of the development
89 team. These people are capable of pulling directly from the central
90 repository, but lack the ability to write directly to it. 
91
92 \item External developers: People who are not actual members of the
93 development team. These people can only access the public repository
94 which is only updated to contain the release versions. 
95 \end{itemize}
96
97 Students doing independent study or REUs related to Palacios are set
98 up as internal developers.  EECS 441 (Resource Virtualization)
99 students are generally either set up as internal or external
100 developers, depending on their projects.
101
102 Because internal and external developers cannot write directly to the
103 master repository, they need to first submit their changes to a core
104 developer before they can be added to the mainline. We will discuss
105 that process in Section~\ref{sec:submission}.
106
107
108 \section{Checking out Palacios}
109
110 The central Palacios repository is located on {\em
111 newskysaw.cs.northwestern.edu} in {\em /home/palacios/palacios}. All
112 internal developers have read access to the directory. Each developer
113 must create their own local version of the repository, this is done
114 with {\em git clone}.
115
116 \begin{verbatim}
117 git clone /home/palacios/palacios
118 \end{verbatim}
119
120 On the machine {\em newbehemoth.cs.northwestern.edu} you will want to
121 use the following command instead. The {\em newskysaw} home
122 directories are NFS-mounted on /home-remote.
123
124 \begin{verbatim}
125 git clone /home-remote/palacios/palacios
126 \end{verbatim}
127
128
129 On any other machine, you can clone the repository via ssh, provided
130 you have a newskysaw account:
131  
132 \begin{verbatim}
133 git clone ssh://you@newskysaw.cs.northwestern.edu//home/palacios/palacios
134 \end{verbatim}
135
136 External developers can clone the public repository via the web.  The
137 public repository tracks the release and main development branch
138 (e.g., devel) of the internal repository with a 30 minute delay.  The
139 access information is available on the web site (http://v3vee.org).
140 The web site also includes a publically accessible gitweb interface to
141 allow browsing of the public repository.  The clone command looks like
142
143 \begin{verbatim}
144 git clone http://v3vee.org/palacios/palacios.web/palacios.git
145 \end{verbatim}
146
147 No matter how you clone, the clone command creates a local copy of the
148 repository at {\em ./palacios/}.  
149
150 Note that both {\em newskysaw} and {\em newbehemoth} have all the
151 tools installed that are needed to build and test Palacios and Kitten.
152 If you develop on another machine, you will need to set those tools up
153 for yourself.  This isn't hard and the tools are all free.  See the
154 technical report for what tools you will need.
155
156 When you first clone the repository, you will get the {\em master}
157 branch, which is used to generate releases.   All development work is
158 done in the {\em devel} branch of the repository. The developer can
159 access this branch via:
160
161 \begin{verbatim}
162 git checkout --track -b devel origin/devel
163 \end{verbatim}
164
165 or 
166
167 \begin{verbatim}
168 /opt/vmm-tools/bin/checkout_branch devel
169 \end{verbatim}
170
171
172 {\em Important:} Note that Palacios is very actively developed so the
173 contents of the {\em devel} branch are frequently changing (and
174 broken!). In order to keep up to date with the latest version, it is
175 necessary to periodically pull the latest changes from the master
176 repository by running \verb.git pull..
177
178
179 The released versions of Palacios are, currently, 1.0, 1.1, and 1.2.
180 To switch to the current release branch, execute
181
182 \begin{verbatim}
183 git checkout --track -b Release-1.2 origin/Release-1.2
184 \end{verbatim}
185
186 or 
187
188 \begin{verbatim}
189 /opt/vmm-tools/bin/checkout_branch Release-1.2
190 \end{verbatim}
191
192
193
194
195 \section{Checking out Kitten}
196
197 Kitten is available from Sandia National Labs, and is the main host OS
198 we are targeting with Palacios. Loosely speaking, core Palacios
199 developers are internal Kitten developers, and internal Palacios
200 developers are external Kitten developers. The public repository for
201 Kitten is at {\em http://code.google.com/p/kitten}.  To simplify
202 things, we are maintaining a local mirror copy on newskysaw in {\em
203 /home/palacios/kitten} that tracks the public repository.   
204
205 Kitten uses Mercurial for source management, so you will have to make
206 sure the local Mercurial version is configured correctly.
207 Specifically you will probably need to add something like the
208 following Python path to your shell environment.
209
210 \begin{verbatim}
211 export PYTHONPATH=/usr/local/lib64/python2.4/site-packages/
212 \end{verbatim}
213
214 You can then clone Kitten from the local mirror.   On {\em newskysaw},
215 run: 
216 \begin{verbatim}
217 hg clone /home/palacios/kitten
218 \end{verbatim}
219 On {\em newbehemoth}, run
220 \begin{verbatim}
221 hg clone /home-remote/palacios/kitten
222 \end{verbatim}
223 On other machines, run
224 \begin{verbatim}
225 hg clone ssh://you@newskysaw.cs.northwestern.edu//home/palacios/kitten
226 \end{verbatim}
227 External developers, run
228 \begin{verbatim}
229 hg clone https://kitten.googlecode.com/hg/ kitten
230 \end{verbatim}
231
232 Both the Kitten and Palacios clone commands should be run from the
233 same directory. This means that both repositories should be located at
234 the same directory level. The Kitten build process depends on this.
235
236 {\em Important:} Like Palacios, Kitten is under active development,
237 and its source tree is frequently changing. In order to keep up to
238 date with the latest version, it is necessary to periodically pull the
239 latest changes from the mirror repository by running \verb.hg pull.
240 followed by \verb.hg update..
241
242 The current release of Kitten, which will work correctly with the current 1.2 release of Palacios is 1.2.0. 
243 To switch to the current release branch, execute
244
245 \begin{verbatim}
246 hg checkout release-1.2.0
247 \end{verbatim}
248
249
250 \section{Compiling Palacios}
251
252 The Palacios build process has been changed recently from a homegrown
253 environment to the widely used KBuild environment.  KBuild is also
254 used for building Kitten.  Because KBuild is the build environment
255 used for Linux, much of what you learn about configuring and building
256 Linux kernels is readily applicable to Palacios and Kitten. 
257
258 The output of the Palacios build process is a static library that
259 includes the Palacios VMM and relevant guest support code blocks. This
260 static library is then linked into a host operating system. Palacios
261 internally supports GeekOS and can generate a complete OS image via a
262 unified build process.  By complete OS image, we mean an ISO image
263 containing GeekOS, Palacios, and a guest image (another ISO image) for
264 testing. 
265
266 These days, however, Palacios is typically embedded into Kitten, not
267 GeekOS.  To combine Palacios with Kitten, it is necessary to first
268 configure and build Palacios, then to configure and build Kitten,
269 linking in Palacios.   Kitten can also be configured to link in a
270 guest image for testing.  
271
272 \subsection{Configuration}
273
274 To configure Palacios, enter the top level Palacios directory and
275 execute:
276 \begin{verbatim}
277 make clean
278 make xconfig
279 \end{verbatim}
280 At this point, you will see be presented with a KBuild configuration
281 screen, similar to what you would see in configuring a Linux kernel.
282 Palacios has far fewer options, however.   If you don't have X or
283 don't want the graphical configuration system, you can also use the
284 \verb.menuconfig. or \verb.config. targets.  The available options
285 change over time, so we do not cover all of them here, but here are a
286 few that are usually important.  We note how to set these options to
287 configure a minimal VMM in the following.  
288 \begin{itemize}
289 \item Target Configuration:   
290 \begin{itemize}
291
292 \item Red Storm (Cray XT3/XT4) --- turn on to target Cray XT4
293 supercomputers.  (off)
294 \item AMD SVM Support --- targets AMD processors with the SVM hardware
295 virtualization features (on)
296 \item Intel VMX support --- targets Intel processors with the VMX
297 hardware virtualization features (on)
298 \item Compile for a multi-threaded OS (on)
299 \item Enable VMM telemetry support --- this is lightweight logging and
300 data collection (on)  
301 \item Enable VMM instrumentation --- this is heavyweight logging and
302 data collection (off)
303 \item Enable passthrough video --- this lets a guest write directly to
304 the video card (off)  (this is outdated and handled in a different way now)
305 \item Enable experimental options --- this makes it possible to select
306 features that are under current development (off).  You probably want
307 to leave leave this all off.  The VNET suboption is for an experimental VMM-embedded
308 overlay network under development by Lei Xia and Yuan Tang.
309 \item Enable built-in versions of stdlib functions --- this adds
310 needed stdlib functions that the host OS may not supply.  For use with
311 Kitten turn on and enable strcasecmp() and atoi().
312 \item Enable built-in versions of stdio functions (off)
313 \end{itemize}
314 \item Symbiotic Functions (these are experimental options for Jack
315 Lange's thesis). 
316 \begin{itemize}
317 \item Enable Symbiotic Functionality --- This adds symbiotic features
318 to Palacios, specifically support for discovery and configuration by
319 symbiotic guests, the SymSpy passive information interface for
320 asynchronous symbiotic guest $\leftrightarrow$ symbiotic VMM
321 information flow, and the SymCall functional interface for synchronous
322 symbiotic VMM $\rightarrow$ symbiotic guest upcalls.  (off)
323 \item Symbiotic Swap --- Enables the SwapBypass symbiotic service for
324 symbiotic Linux guests.  (off)
325 \end{itemize}
326 \item Debug Configuration
327 \begin{itemize}
328 \item Compile with Debug info --- adds debug symbols (-g)  (off)
329 \item Enable Debugging --- makes it possible to show PrintDebug output
330 (on).   You can selectively turn on debugging output for each major
331 VMM component, including shadow paging, nested paging, control
332 registers, interrupts, I/O, instruction emulation and XED, halt, and
333 the device manager.   Note that the more debugging output you turn on,
334 the slower the VMM will go since it will have to wait for the prints
335 to finish. 
336 \end{itemize}
337 \item BIOS Selection --- Lets you select which code blobs will be
338 used for bootstrapping the guest.   There are currently three:  a
339 BIOS, a Video BIOS, and the VMXAssist V8086 service (the latter is used only on
340 Intel VMX).   Generally, you should not need to change these.
341 \item Virtual Devices --- virtual devices can be instantiated and
342 added to a guest.   The following is a list of the currently
343 implemented virtual devices.
344 \begin{itemize}
345 \item BOCHS Debug Console Device --- used for debugging output from
346 the guest BIOS (on)
347 \item OS Debug Console Device --- used for debugging output from
348 the guest kernel (on)
349 \item 8259A PIC - legacy Programmable Interrupt Controller chip --- used
350 for bootstrap of most guests (on)
351 \item APIC - in-processor Advanced Programmable Interrupt Controller --- used
352 for interrupt delivery on almost all guests (on)
353 \item IOAPIC - Off-chip APIC  --- used for interrupt deliver for almost
354 all guests (on)
355 \item PIT - legacy 8254 timer (on)
356 \item i440fx Northbridge --- emulation of a typical PC North Bridge
357 chip, used on almost all guests (on)
358 \item PIIX3 Southbridge --- emulation of a typical PC South Bridge
359 chip, used on almost all guests (on)
360 \item PCI --- emulation of a PCI bus - needed for attaching most
361 devices (on)   
362 \begin{itemize}
363 \item Passthrough PCI --- allows us to make a hardware PCI device visible and
364 directly accessible by the guest (off)
365 \end{itemize}
366 \item Generic --- this is a run-time configurable device that can intercept I/O port read/writes and memory region reads/writes.   Intercepted reads and writes can either be ignored or forwarded to actual hardware, and the data flow can optionally be printed.   This is a useful tool with at least three purposes.  First, it makes it possible to ``stub out'' hardware that isn't currently implemented and for which we don't want to allow passthrough access. Second, it makes it possible to provide low-level passthrough access to physical hardware.   Third, it can be used to spy on guest/device interactions, which is very helpful when trying to understand the interface of a device.
367 \item NVRAM - motherboard configuration memory --- needed by BIOS bootstrap (on)
368 \item Keyboard - Generic PS/2 keyboard, including mostly broken mouse
369 implementation (on)
370 \item IDE --- Support for virtual IDE controllers that support disks
371 and CD ROMs (on)
372
373 \item NE2K - NE2000 and RTL8139 network devices (off)
374 \item CGA - CGA video card (paritial implementation) (off)
375 \begin{itemize}
376 \item Telnet Virtual Console (off)   When CGA and Telnet Console are
377 on, it is possible to telnet to the console of the guest.   Eventually
378 the rest of this will provide simple bitmapped video console for VNC
379 access.
380 \end{itemize}
381 \item RAMDISK storage backend --- used to create RAM disk
382 implementations of block devices (on)
383 \item NETDISK storage backend --- used to create network-attached disk
384 implementations of block devices, e.g., network block devices (off)
385 \item TMPDISK storage backend --- used to create temporary storage
386 implementations of block devices (on)
387 \item Linux Virtio Balloon Device --- used for memory ballooning by
388 Linux virtio-compatible guests (off)
389 \item Linux Virtio Block Device --- used for fast block device support
390 by Linux virtio-compatible guests (off)
391 \item Linux Virtio Network Device --- used for fast network device support
392 by Linux virtio-compatible guests (off) 
393 \item Linux Virtio Symbiotic Device (off)
394 \item Symbiotic Swap Disk (multiple versions) --- used for the
395 SwapBypass service (off)
396 \item Disk Performance Model --- used for the
397 SwapBypass service (off)
398 \end{itemize}
399 \end{itemize}
400
401 \subsection{Compilation}
402
403 After configuring Palacios---remember to save your changes---you can
404 compile it by executing
405 \begin{verbatim}
406 make 
407 \end{verbatim}
408 This will produce the file {\em libv3vee.a} in the current directory
409 This static library contains the Palacios VMM and is ready for
410 embedding into an OS, such as Kitten.  The library provides the
411 ability to instantiate and run virtual machines.  By default, on a 64
412 bit machine, the library is compiled for 64 bit machines (x86\_64),
413 while on a 32 bit machine, it is compiled for 32 bit machines.  You
414 can override this using the ARCH=i386 or ARCH=x86\_64 arguments to the
415 make, provided you have the relevant tools available.  The 64 bit
416 version is what you need for use with Kitten.  A 64 bit Palacios can
417 run both 64 and 32 bit guests.  Both {\em newskysaw} and {\em
418 newbehemoth} are 64 bit machines. 
419
420 The compilation process will also create the utility {\em build\_vm}
421 (which builds guest images from XML description files), and a very
422 simple guest image called {\em guest\_os.img} that essentially contains
423 a Linux kernel and BusyBox.  The default Kitten configuration will use
424 this guest image.
425
426
427 \section{Compiling Kitten}
428 Kitten requires a 64-bit version of Palacios, so make sure that
429 Palacios has been correctly compiled before compiling Kitten.  The
430 current default for Palacios is 64 bit. 
431
432 \subsection{Configuration}
433 Kitten borrows a lot of concepts from Linux, including the Linux build
434 process. As such it must be configured before it is actually compiled.
435 The Kitten configuration process is the same as Linux, and can be
436 accessed via any of these make targets.
437 \begin{itemize}
438 \item \verb.make xconfig.
439 \item \verb.make config.
440 \item \verb.make menuconfig.
441 \end{itemize}
442
443 Of course, there are a range of configuration options.  In the
444 following, we note only the most important.  The indicated values are
445 defaults for the simplest interaction between Kitten and Palacios.
446 \begin{itemize}
447 \item Target Configuration
448 \begin{itemize}
449 \item System Architecture --- you probably want to set this to
450 PC-Compatible, unless you are working on Red Storm.
451 \item Processor Family --- you want to set this to either
452 AMD-Opteron/Athlon64 or Intel-64/Core2, depending on whether you have
453 a 64 bit AMD or 64 bit Intel processor.
454 \end{itemize}
455 \item Virtualization
456 \begin{itemize}
457 \item Include Palacios VMM --- this will link against the Palacios
458 library (on)
459 \item Path to pre-built Palacios tree --- directory where libv3vee.a
460 can be found.
461 \item Path to guest image --- location of the test guest OS
462 image that will be embedded.  We will say more about this later.
463 Essentially, however, a guest image consists of a blob that begins
464 with an XML description of the desired guest environment and the
465 contents of the remainder of the blob.  The remainder of the blob
466 usually contains disk or cd images.  The default path is
467 ../palacios/guest\_os.img, where it will find the simple guest created
468 during the Palacios build process.
469 \end{itemize}
470 \item Networking 
471 \begin{itemize}
472 \item Enable LWIP TCP/IP stack.  This activates a simple TCP/IP stack
473 that things like NETDISK can use. (off)
474 \end{itemize}
475 \item Device Drivers
476 \begin{itemize}
477 \item VGA Console --- driver for basic video. (on)
478 \item Serial Console --- driver for serial port console.  (on)
479 \item VM Console --- driver for Kitten console on top of Palacios.  If
480 Kitten is run {\em as a guest}, and it has VM Console on, then it can output
481 cleanly via the Palacios OS Console device (on).
482 \item NE2K Device Driver --- driver for NE2K and RTL8139 network cards
483 (off)
484 \item VM Network Driver --- driver for Kitten network output using
485 Palacios.  If Kitten is run {\em as a guest}, and it has VM Network
486 Driver, then it can send and receive packets using the Palacios Linux
487 virtio network device.  (off)
488 \end{itemize}
489 \item ISOIMAGE configuration:  Kitten kernel arguments.   Note that
490 this is NOT for the guest image, but rather for the Kitten image.  You
491 can leave this alone.  For Palacios operation, it's important that the
492 option \verb.console=serial. appears.  If the NE2K/RTL8139 driver
493 should be used \verb.net=rtl8139. should appear. 
494 \item Kernel Hacking
495 \begin{itemize}
496 \item Kernel Debugging --- here you can turn on various Kitten
497 Linux-like debugging features.   Only a few are noted below:
498 \begin{itemize}
499 \item Compile the kernel with debug info --- if this is on, you will
500 have debugging information compiled in (-g)
501 \item KGDB --- if you have this enabled, you will be able to attach to
502 the running kernel from the GDB debugger.  This means you can also
503 attach to Palacios, which is embedded.   If you want to debug Palacios
504 using KGDB, be sure to turn on debugging in Palacios as well.
505 \end{itemize}
506 \end{itemize}
507 \item Include Linux compatability layer --- if this is on, you can 
508 selectively add Linux system calls and other functionality to Kitten.
509 Kitten is able to run Linux ELF executables as user processes with
510 this layer. (off)  
511 \end{itemize}
512
513 The guest OS that is to be booted as a VM is included as a blob
514 pointed to by ``Path to guest image''.   The blob starts with an XML
515 description of the guest, followed by other chunks of data used, for
516 example, as the content of virtual hard drives or CD ROMs.  Please see
517 Section~\ref{sec:guestconfig} for basic information on how to use the
518 guest builder to assemble a guest OS blob. 
519
520 By default, the init task that is executed after Kitten boots (located
521 in user/hello\_world) does a number of Kitten tests.  One of these is
522 a test of the VMM API, which is implemented using Palacios.  When this
523 test is done, a VM is created, configured according to the XML, and
524 the guest OS blob is launched in it.
525
526
527 \subsection{Compilation}
528
529 After Kitten has been configured it can be compiled.  This is done
530 simply by executing
531 \begin{verbatim}
532 make isoimage
533 \end{verbatim}
534 This command will compile Kitten (with Palacios embedded in it) and
535 the init task (which will contain the guest OS blob), and then
536 assemble an ISO image file which can be used to boot a machine.  The ISO
537 image is located at {\em ./arch/x86\_64/boot/image.iso}.  
538
539 This image file can be used for booting a QEMU emulation environment,
540 for booting a remote machine using PXE, or can be burned to CD/DVD for
541 booting a machine physically. 
542
543
544 \section{Basic Guest Configuration}
545 \label{sec:guestconfig}
546
547 A simple guest is created when you build Palacios.  To configure your
548 own guest, you write an XML configuration file, which contains
549 references to other files that contain data needed to instantiate
550 stateful devices such as virtual hard drives and CD ROMs.  You supply
551 this information to a guest builder utility that assembles a guest
552 image suitable for reference in the Kitten configuration, as described
553 above.
554
555 The guest builder utility is located in {\em
556 palacios/utils/guest\_creator}.  You will need to run \verb.make. in
557 that directory to compile it, resulting in the executable named {\em
558 build\_vm}\footnote{This executable will also be copied into the top-level
559 Palacios directory}.  Also located in that directory is an example
560 configuration file, named {\em default.xml}.  We typically use this
561 file as a template.  It is carefully commented.  In summary, a
562 configuration consists of
563 \begin{itemize}
564 \item Physical memory size of the guest
565 \item Basic VMM settings, such as what form of virtual paging is to be
566 used, the scheduler rate, whether services like telemetry are on, etc.
567 \item A memory map that maps regions of the host physical address
568 space to the guest physical address space.  This can, for example,
569 make a framebuffer visible in the guest.
570 \item A list of the files that will be used in assembling the image.
571 For example, the contents of a boot CD.
572 \item A list of the devices that the guest will have, including
573 configuration data for each device.
574 \end{itemize}
575 There are a few subtleties involved with devices.  One is that some
576 devices form attachment points for other devices.  The PCI device is
577 an example of this.  Another is that each device needs to define how
578 it is attached (e.g. direct (implicit), via a PCI bus, etc.)
579 Finally, there may be multiple instances of devices.   For example, a
580 PCI passthrough device is instantiated for every underlying PCI device
581 we want to make visible in the guest. 
582
583 The XML configuration format is carefully designed to be extensible.
584 For example, new devices could use additional or new configuration
585 options.  The configuration parser in Palacios essentially ignores XML
586 blocks it doesn't understand. 
587
588
589 To build a guest, one runs
590 \begin{verbatim}
591 palacios/utils/guest_creator/build_vm myconfig.xml -o myimage.dat
592 \end{verbatim}
593 Here, {\em myimage.dat} is the guest image that can be given to
594 Kitten. 
595
596 A common kind of guest used for testing is one that boots some form of
597 bootable Linux distribution, or other a live OS distribution.  These
598 distributions are CD ROM images (ISOs).  A range of them are available
599 on {\em newskysaw} under {\em /opt/vmm-tools/isos}.  We often use
600 Puppy Linux ({\em puppy.iso}) or Finnix ({\em finnix.iso}), for
601 example, but isos are also available for Windows of different flavors,
602 DOS, GeekOS, and others.  If you just want to use some guest ISO image
603 like this, you can generally just copy the default XML file, and
604 modify the
605 \verb.filename=. attribute here:
606 \begin{verbatim}
607  <files>
608     <!-- The file 'id' is used as a reference for 
609          other configuration components -->
610     <file id="boot-cd" filename="/home/jarusl/image.iso" />
611     <!--<file id="harddisk" filename="firefox.img" />-->
612  </files>
613 \end{verbatim}
614
615 For careful, repeatable experimentation, it is often convenient to
616 build your own simplified Linux guest image.  It will boot {\em much}
617 faster than a full blown distribution and you can readily set up an
618 environment in which you can exert very tight control, being able to
619 modify the Linux kernel, the included files (e.g., benchmarks), and
620 other components very rapidly.  To learn more about how to do this,
621 please consult the separate document named {\em Building a bootable
622 guest image for Palacios and Kitten}.
623
624 \section{Running Palacios/Kitten}
625 Kitten and Palacios are capable of running under QEMU, which makes
626 debugging much simpler.  QEMU is a user-level Linux or Windows program
627 that emulates a PC machine. 
628
629 The basic form of the command to start the QEMU emulator is:
630 \begin{verbatim}
631 /usr/local/qemu/bin/qemu-system-x86_64 -smp 1 -m 1024 \
632         -serial file:./serial.out \
633         -cdrom ./arch/x86_64/boot/image.iso  \
634         < /dev/null
635 \end{verbatim}
636
637 The command starts up a single processor emulated machine, with 1GB of
638 RAM and a CD-ROM drive loaded with the Kitten ISO image.  All output
639 to the serial port is written directly to a file called {\em
640   serial.out}. This command can be copied into a shell script for easy
641 access.
642
643 We can also run Palacios/Kitten on physical hardware.  The slow way is
644 to burn the Kitten ISO image onto a CD ROM and then boot the test
645 machine with it.  The much faster way is to set the test machine up to
646 use the PXE network boot system (most modern BIOSes support this), and
647 boot your Kitten image over the network.  The debugging output will
648 then appear on the actual serial port of the physical machine.  The
649 separate document {\em Booting Palacios/Kitten Over the Network Using
650 PXE} explains how to set up PXE boot and serial.  For the Northwestern
651 environment, please talk to Jack, Peter, Lei, or Yuan if you need to
652 be able to do this.  Northwestern has a range of AMD and Intel boxes
653 for testing, as do UNM and Sandia.  A different form of network boot
654 is used for Red Storm.
655
656
657 \section{Development Guidelines}
658
659 There are standard requirements we have for code entering the mainline. 
660
661 First and foremost, Palacios is designed to be OS independent and
662 support 32-bit and 64-bit architectures. This means that developers should
663 not include any external OS specific dependencies in any Palacios
664 component. Also all changes need to be tested on both 32-bit and 64-bit
665 architectures to make sure that they compile as well as run correctly.
666
667 \paragraph*{Coding Style}
668
669 ``The use of equal negative space, as a balance to positive space, in a
670 composition is considered by many as good design. This basic and often
671 overlooked principle of design gives the eye a 'place to rest,'
672 increasing the appeal of a composition through subtle means.''
673 \newline\newline
674 Translation: Use the space bar, newlines, and parentheses. 
675
676 Curly-brackets are not optional, even for single line conditionals. 
677
678 Tabs should be 4 characters in width.
679
680 {\em Special:} If you are using XEmacs add the following to your \verb!init.el! file:
681 \begin{verbatim}
682 (setq c-basic-offset 4)
683 (c-set-offset 'case-label 4)
684 \end{verbatim}
685
686 {\em Bad}
687 \begin{verbatim}
688 if(a&&b==5||c!=0) return;
689 \end{verbatim}
690
691
692 {\em Good}
693 \begin{verbatim}
694 if (((a) && (b == 5)) || 
695     (c != 0)) {
696         return;
697 }
698 \end{verbatim}
699
700
701
702 \paragraph*{Fail Stop}
703 Because booting a basic Linux kernel results in over 1 million VM exits
704 catching silent errors is next to impossible. For this reason
705 ANY time your code has an error it should return -1, and expect the
706 execution to halt. 
707
708 This includes unimplemented features and unhandled cases. These cases
709 should ALWAYS return -1. 
710
711
712 \paragraph*{Function names}
713 Externally visible function names should be used rarely and have
714 unique names. Currently we have several techniques for achieving this:
715
716 \begin{enumerate}
717 \item \verb.#ifdefs. in the header file
718 \newline
719 When the V3 Hypervisor is compiled it defines the symbol
720 \verb.__V3VEE__. Any function that is not needed outside the Hypervisor
721 context should be inside an \verb.#ifdef __V3VEE__. block, this will make it
722 invisible to the host environment.
723
724 \item Static Functions
725 \newline
726 Any utility functions that are only needed in the .c file where they
727 are defined should be declared as static and not included in the
728 header file. You should make an effort to use static functions
729 whenever possible. 
730
731 \item \verb.v3_. prefix \newline Major interface functions should be
732   named with the prefix \verb.v3_. This allows easy understanding of
733   how to interact with the subsystems.  In the case that they need to
734   be externally visible to the host OS, make them unlikely to collide
735   with other functions.
736 \end{enumerate}
737
738 \paragraph*{Debugging Output}
739 Debugging output is sent through the host OS via functions in the
740 \verb.os_hooks. structure. These functions have various wrappers of the form
741 \verb.Print*., with \texttt{printf}-style semantics. 
742
743 Two functions of note are \verb.PrintDebug. and \verb.PrintError..
744
745 \begin{itemize}
746
747 \item PrintDebug:
748 \newline
749 Should be used for debugging output that will often be turned off
750 selectively by the VMM configuration.
751
752 \item PrintError
753 \newline
754 Should be used when an error occurs, this will never be optimized out
755 and will always print. 
756 \end{itemize}
757
758
759 \section{Code Submission}
760 \label{sec:submission}
761
762 To commit changes to the central repository they need to be exported
763 as a patch set that can be applied directly to a mainline. Both Git
764 and Mercurial contain functionality to allow developers to maintain
765 changes as a patch set. There are also a few options that make dealing
766 with patches easier.
767
768 \subsection{Palacios}
769
770 Git includes support for directly exporting local repository commits
771 as a patch set. The basic operation is for a developer to commit a
772 change to a local repository, and then export that change as a patch
773 that can be applied to another git repository.  Patch generation is
774 done with {\em git format-patch}.  While this is functionally
775 possible, there are a number of issues. The main problem is that it is
776 difficult to fully encapsulate a new feature in a single commit, and
777 dealing with multiple patches that often overwrite each other is not a
778 viable option either. Furthermore, once a patch is applied to the
779 mainline, it will generate a conflicting commit that will become
780 present when the developer next pulls from the central
781 repository. This can result in both repositories getting out of
782 sync. It is possible to deal with this by manually re-basing the local
783 repository, but it is difficult and error-prone.
784
785 This approach also does not map well when patches are being revised. A
786 normal patch will go through multiple revisions as it is reviewed and
787 modified by others. This often leads to synchronization issues as well
788 as errors with patch revisions. Ultimately it is the responsibility of
789 the developer to generate a patch that will apply cleanly to the
790 mainline.
791
792 For this reason most internal developers should seriously consider
793 {\em stacked git}. Stacked git is designed to make patch development
794 easier and less of a headache. The basic mode of operation is for a
795 developer to initialize a patch for a new feature and then
796 continuously apply changes to the patch. Stacked Git allows a
797 developer to layer a series of patches on top of a local git
798 repository, without causing the repository to unsync due to local
799 commits. Basically, the developer never commits changes to the
800 repository itself but instead commits the changes to a specific
801 patch. The local patches are managed using stack operations (push/pop)
802 which allows a developer to apply and unapply patches as
803 needed. Stacked git also manages new changes to the underlying git
804 repository as a result of a pull operation and prevents collisions as
805 changes are propagated upstream. For instance if you have a local
806 patch that is applied to the mainline as a commit, when the commit is
807 pulled down the patch becomes empty because it is effectively
808 identical to the mainline. It also makes incorporating external
809 revisions to a patch easier. Stacked git is installed on {\em
810 newskysaw} and {\em newbehemoth} in \verb./opt/vmm-tools/bin/.
811
812 Brief command overview:
813 \begin{itemize}
814 \item \verb.stg init. -- initialize stacked git in a given branch
815 \item \verb.stg new. -- create a new patch set; an editor will open
816 asking for a commit message that will be used when the patch is
817 ultimately committed.
818 \item \verb.stg pop. -- pops a patch off of the source tree.
819 \item \verb.stg push. -- pushes a patch back on to a source tree.
820 \item \verb.stg export. -- exports a patch to a directory as a file
821 that can then be emailed.
822 \item \verb.stg refresh. -- commits local changes to the patch set at
823 the top of the applied stack.
824 \item \verb.stg fold. -- apply a patch file to the current
825 patch. (This is how you can manage revisions that are made by other developers).
826 \end{itemize}
827
828 You should definitely look at the online documentation to better
829 understand how stacked git works. It is not required of course, but if
830 you want your changes to be applied it's up to you to generate a patch
831 that is acceptable to a core developer. Ultimately, using Stacked git
832 should be easier than going it alone.
833
834
835 All patches should be emailed to Jack for inclusion in the
836 mainline. An overview of the organization is given in
837 Figure~\ref{fig:process}. You should assume that the first revision of
838 a patch will not be accepted, and that you will have to make
839 changes. Furthermore, the final form of the patch most likely will not
840 be exactly what you submitted. 
841
842  
843 \begin{figure}[t]
844 \begin{center}
845 \includegraphics[height=3.5in]{dev_chart.pdf}
846 \end{center}
847 \caption{Development organization}
848 \label{fig:process}
849 \end{figure}
850
851
852 \subsection{Kitten}
853
854 Writing code for Kitten follows essentially the same process as
855 Palacios. The difference is that the patches need to be emailed to the
856 Kitten developers. To send in a patch, you can just email it to the
857 V3Vee development list.
858
859
860 Also, instead of Stacked git you should use Mercurial patch
861 queues. This feature is enabled in your .hgrc file.
862 \begin{verbatim}
863 [extensions]
864 hgext.mq=
865 \end{verbatim}
866
867 Mercurial queues use the same stack operations as stacked git, however
868 it does not automatically handle the synchronization with pull
869 operations. Before you update from the central version of Kitten you
870 need to pop all of the patches, and then push them once the update is
871 complete.
872
873 Basically:
874 \begin{verbatim}
875 hg qpop -a
876 hg pull
877 hg update
878 hg qpush -a
879 \end{verbatim}
880
881
882
883 \section{Networking}
884
885 Both the Kitten and GeekOS substrates on which Palacios can run
886 currently include drivers for two simple network cards, the NE2000,
887 and the RTL8139.  Palacios also supports passthrough I/O for PCI
888 devices, meaning we can make NICs directly accessible by guests. The
889 Kitten substrate is acquiring an ever increasing set of drivers for
890 specialized network systems.  A lightweight networking stack is
891 included so that TCP/IP networking is possible from within the host OS
892 kernel and in Palacios.
893
894 When debugging Palacios on QEMU, it is very convenient to add an
895 RTL8139 card to your QEMU configuration, and then drive it from within
896 Palacios.  QEMU can be configured to provide local connectivity to the
897 QEMU emulated machine, including bridging the emulated machine with a
898 physical network.  Local connectivity can be done with redirection, or
899 with a TAP interface.  For global connectivity, a TAP interface must
900 be used; it is bridged to a physical interface.
901
902 \section{Configuring the development host's QEMU network}
903
904 To get local connectivity with redirection, no networking changes on
905 the host are needed.  However, people usually want to use TAP-based
906 networking, which does require changes.  For one thing, TAP interfaces
907 can be inspected with tools like wireshark, which makes for much
908 easier debugging of network code.
909
910 In order to get QEMU networking to function, it is necessary to create
911 TAP interfaces, and, optionally, to bridge them to real networks.  A
912 development machine typically will have several TAP interfaces, and
913 more can be created.  Generally, each developer should have a TAP
914 interface of his or her own.  Here we use newskysaw as an example.
915
916 To set up a TAP interface on newskysaw, the following command is used:
917 \begin{verbatim}
918 /root/util/tap_create tapX
919 \end{verbatim}
920
921 When QEMU runs with a tap interface, it will use /etc/qemu-ifup to
922 bring up the interface.  /etc/qemu-ifup looks like this:
923
924 \begin{verbatim}
925 #!/bin/bash
926 echo "Executing /etc/qemu-ifup - no external bridging"
927 echo "Bringing up $1 for bridged mode..."
928 NET=`echo $1 | cut -dp -f2` 
929 sudo /sbin/ifconfig $1 172.2${NET}.0.1 up
930 sleep 2
931 \end{verbatim}
932
933 The interface tap$N$ is brought up with the IP address 172.2$N$.0.1.
934 ifconfig will also create a routing rule that sends 172.2$N$.0.1/16
935 traffic to tap$N$.  The upshot is that if the code running in QEMU
936 uses an IP address in this network (for example: 172.2$N$.0.2), you
937 will be able to talk to it from newskysaw.  For example, from
938 newskysaw, if you ping 172.21.0.2, the packet (and ARP) will go out via
939 tap1.  The source address will appear to be 172.21.0.1.  The QEMU
940 machine will see these packets on its interface, and the software
941 controlling its interface can respond to 172.21.0.1.  
942
943 This form of networking is local to the machine.  You can also bridge
944 a TAP interface with a physical interface.  The result of this is that
945 a packet sent on it will be sent on the physical interface.  To do
946 this requires more effort (and is not set up by default on newskysaw).
947 As an example, consider that on newskysaw, the physical interface eth1
948 is connected to a private network switch to which the lab test
949 computers (v-test-amd, v-test-amd2, etc.) are connected.  To bridge,
950 for example, tap10, to this interface, you would do the following
951 (with root's help):
952 \begin{enumerate}
953 \item You need to bring up eth1 (ifconfig eth1 up {\em address}
954 netmask {\em mask}).  It is important that the address and mask you
955 choose are appropriate for the network eth1 is connected to.
956 \item You would bring up tap10 without an address:  /sbin/ifconfig
957 tap10 up
958 \item You would bridge tap10 and eth1:  /usr/sbin/brctl addif br0
959 tap10; /usr/sbin/brctl addif eth1.  This assumes that br0 was
960 previously created. 
961 \end{enumerate}
962
963 Bridging tap$N$ with eth1 will only work (where ``work'' means sending
964 a packet on the network and making the packet visible on localhost) if
965 the IP address in the code running in QEMU is set correctly.  This
966 means that it needs to be set to correspond to the network of eth1).  
967 For the newskysaw configuration, this is a 10-net address.
968
969
970 \subsection{Configuring Kitten}
971
972 Kitten needs to be explicitly configured to use networking. Currently
973 only a subset of the networking configurations are supported. To
974 enable an Ethernet network you should enable the following options:
975
976 \begin{itemize}
977 \item Enable TCP Support
978 \item Enable UDP Support
979 \item Enable socket API
980 \item Enable ARP support
981 \end{itemize}
982
983 The other options are not supported, and enabling them will probably
984 break the kernel compilation.
985
986 To allow Kitten to communicate with the QEMU network card you also
987 need to enable the appropriate device driver: \newline
988 \verb.NE2K Device Driver (rtl8139).
989
990 The driver then needs to be listed as a Kernel Command Line argument
991 in the {\em ISOIMAGE configuration}. To do this add
992 \verb.net=rtl819. to the end of the argument string.
993
994 Kitten currently does not support the dynamic assignment or IP
995 addresses at runtime. Because of this it is necessary to hardcode the
996 IP address into the device driver. For the rtl8139 network driver look
997 in the file {\em drivers/net/ne2k/rtl8139.c} for the function
998 \verb.rtl8139_init..
999
1000 There should be a block of code that looks like the following:
1001 \begin{verbatim}
1002   struct ip_addr ipaddr = { htonl(0 | 10 << 24 | 0 << 16 | 2 << 8 | 16 << 0) }; 
1003   struct ip_addr netmask = { htonl(0xffffff00) }; 
1004   struct ip_addr gw = { htonl(0 | 10 << 24 | 0 << 16 | 2 << 8 | 2 << 0) };
1005 \end{verbatim}
1006
1007 This sets the IP address as 10.0.2.16, netmask 255.255.255.0 and
1008 gateway address 10.0.2.2. Change these assignments to match your configuration.
1009
1010
1011 \paragraph*{Kitten as the Guest OS}
1012
1013 When running Kitten as a VM, the above applies except that you will
1014 want to enable the {\em VMNET} device driver instead of the {\em rtl8139}.
1015
1016
1017 \subsection{Running with networking}
1018
1019 \paragraph*{TAP Interface}
1020 Running with a TAP interface provides either local or global
1021 connectivity (depending on how the TAP interface is configured and/or
1022 bridged).  From the perspective of the QEMU command line, both look
1023 the same, however.  You simply add something like this to the command
1024 line:
1025 \begin{verbatim}
1026 -net tap,ifname=tap2 -net nic,model=rtl8139
1027 \end{verbatim}
1028 The first \verb.-net. option indicates that you want to use a tap
1029 interface, specifically \verb.tap2..   The second \verb.-net. option
1030 specifies that this interface will appear to code in the QEMU machine
1031 to be a network interface card of the specific model RTL8139.  Note
1032 that this is a model for which we have a driver.  If tap2 were
1033 bridged, we'd get global connectivity.  If not, we would just get
1034 local connectivity.  
1035
1036
1037 \paragraph*{Redirection}
1038 It is also possible to achieve limited local connectivity even if you
1039 have no TAP support on your development machine.  In redirection, QEMU
1040 essentially acts as a proxy, translating TCP or other connections and
1041 low-level packet operations on the network interface in the QEMU
1042 machine.  For example, the following options will redirect the host's
1043 9555 port to the QEMU machine's 80 port:
1044 \begin{verbatim}
1045 -net user -net nic,model=rtl8139  -redir tcp:9555:10.10.10.33:80
1046 \end{verbatim}
1047 The first \verb.-net. option indicates that we are using user-level
1048 networking (proxying).  The second \verb.-net. option indicates that
1049 this user-level network will appear in the QEMU machine as an RTL8139
1050 network card.   The \verb.-redir. option indicates that connections on
1051 localhost:9555 will be translated into equivalent packet exchanges on
1052 the RTL8139 card in the QEMU machine.  However, we have to tell QEMU
1053 which IP address and port to use on the QEMU machine's side.  This is
1054 what the 10.10.10.33 address, and port 80 are.  In the example, if you
1055 access port 9555 on localhost, say with:
1056 \begin{verbatim}
1057 telnet localhost 9555
1058 \end{verbatim}
1059 The packets that appear in the QEMU machine will be bound for
1060 10.10.10.33, port 80.  Within the QEMU machine, your RTL8139 interface
1061 had better then be up on that address. 
1062
1063 QEMU has many options to build up virtual or real networking. See
1064 http://www.h7.dion.ne.jp/$\sim$qemu-win/HowToNetwork-en.html for more
1065 information.
1066
1067
1068 For more questions, talk to Jack, Lei,  or Peter.
1069
1070 \end{document}