Merge tag 'mvebu-fixes-5.9-1' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/gcleme...
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / virt / uml / user_mode_linux_howto_v2.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 #########
4 UML HowTo
5 #########
6
7 .. contents:: :local:
8
9 ************
10 Introduction
11 ************
12
13 Welcome to User Mode Linux
14
15 User Mode Linux is the first Open Source virtualization platform (first
16 release date 1991) and second virtualization platform for an x86 PC.
17
18 How is UML Different from a VM using Virtualization package X?
19 ==============================================================
20
21 We have come to assume that virtualization also means some level of
22 hardware emulation. In fact, it does not. As long as a virtualization
23 package provides the OS with devices which the OS can recognize and
24 has a driver for, the devices do not need to emulate real hardware.
25 Most OSes today have built-in support for a number of "fake"
26 devices used only under virtualization.
27 User Mode Linux takes this concept to the ultimate extreme - there
28 is not a single real device in sight. It is 100% artificial or if
29 we use the correct term 100% paravirtual. All UML devices are abstract
30 concepts which map onto something provided by the host - files, sockets,
31 pipes, etc.
32
33 The other major difference between UML and various virtualization
34 packages is that there is a distinct difference between the way the UML
35 kernel and the UML programs operate.
36 The UML kernel is just a process running on Linux - same as any other
37 program. It can be run by an unprivileged user and it does not require
38 anything in terms of special CPU features.
39 The UML userspace, however, is a bit different. The Linux kernel on the
40 host machine assists UML in intercepting everything the program running
41 on a UML instance is trying to do and making the UML kernel handle all
42 of its requests.
43 This is different from other virtualization packages which do not make any
44 difference between the guest kernel and guest programs. This difference
45 results in a number of advantages and disadvantages of UML over let's say
46 QEMU which we will cover later in this document.
47
48
49 Why Would I Want User Mode Linux?
50 =================================
51
52
53 * If User Mode Linux kernel crashes, your host kernel is still fine. It
54   is not accelerated in any way (vhost, kvm, etc) and it is not trying to
55   access any devices directly.  It is, in fact, a process like any other.
56
57 * You can run a usermode kernel as a non-root user (you may need to
58   arrange appropriate permissions for some devices).
59
60 * You can run a very small VM with a minimal footprint for a specific
61   task (for example 32M or less).
62
63 * You can get extremely high performance for anything which is a "kernel
64   specific task" such as forwarding, firewalling, etc while still being
65   isolated from the host kernel.
66
67 * You can play with kernel concepts without breaking things.
68
69 * You are not bound by "emulating" hardware, so you can try weird and
70   wonderful concepts which are very difficult to support when emulating
71   real hardware such as time travel and making your system clock
72   dependent on what UML does (very useful for things like tests).
73
74 * It's fun.
75
76 Why not to run UML
77 ==================
78
79 * The syscall interception technique used by UML makes it inherently
80   slower for any userspace applications. While it can do kernel tasks
81   on par with most other virtualization packages, its userspace is
82   **slow**. The root cause is that UML has a very high cost of creating
83   new processes and threads (something most Unix/Linux applications
84   take for granted).
85
86 * UML is strictly uniprocessor at present. If you want to run an
87   application which needs many CPUs to function, it is clearly the
88   wrong choice.
89
90 ***********************
91 Building a UML instance
92 ***********************
93
94 There is no UML installer in any distribution. While you can use off
95 the shelf install media to install into a blank VM using a virtualization
96 package, there is no UML equivalent. You have to use appropriate tools on
97 your host to build a viable filesystem image.
98
99 This is extremely easy on Debian - you can do it using debootstrap. It is
100 also easy on OpenWRT - the build process can build UML images. All other
101 distros - YMMV.
102
103 Creating an image
104 =================
105
106 Create a sparse raw disk image::
107
108    # dd if=/dev/zero of=disk_image_name bs=1 count=1 seek=16G
109
110 This will create a 16G disk image. The OS will initially allocate only one
111 block and will allocate more as they are written by UML. As of kernel
112 version 4.19 UML fully supports TRIM (as usually used by flash drives).
113 Using TRIM inside the UML image by specifying discard as a mount option
114 or by running ``tune2fs -o discard /dev/ubdXX`` will request UML to
115 return any unused blocks to the OS.
116
117 Create a filesystem on the disk image and mount it::
118
119    # mkfs.ext4 ./disk_image_name && mount ./disk_image_name /mnt
120
121 This example uses ext4, any other filesystem such as ext3, btrfs, xfs,
122 jfs, etc will work too.
123
124 Create a minimal OS installation on the mounted filesystem::
125
126    # debootstrap buster /mnt http://deb.debian.org/debian
127
128 debootstrap does not set up the root password, fstab, hostname or
129 anything related to networking. It is up to the user to do that.
130
131 Set the root password -t he easiest way to do that is to chroot into the
132 mounted image::
133
134    # chroot /mnt
135    # passwd
136    # exit
137
138 Edit key system files
139 =====================
140
141 UML block devices are called ubds. The fstab created by debootstrap
142 will be empty and it needs an entry for the root file system::
143
144    /dev/ubd0   ext4    discard,errors=remount-ro  0       1
145
146 The image hostname will be set to the same as the host on which you
147 are creating it image. It is a good idea to change that to avoid
148 "Oh, bummer, I rebooted the wrong machine".
149
150 UML supports two classes of network devices - the older uml_net ones
151 which are scheduled for obsoletion. These are called ethX. It also
152 supports the newer vector IO devices which are significantly faster
153 and have support for some standard virtual network encapsulations like
154 Ethernet over GRE and Ethernet over L2TPv3. These are called vec0.
155
156 Depending on which one is in use, ``/etc/network/interfaces`` will
157 need entries like::
158
159    # legacy UML network devices
160    auto eth0
161    iface eth0 inet dhcp
162
163    # vector UML network devices
164    auto vec0
165    iface eth0 inet dhcp
166
167 We now have a UML image which is nearly ready to run, all we need is a
168 UML kernel and modules for it.
169
170 Most distributions have a UML package. Even if you intend to use your own
171 kernel, testing the image with a stock one is always a good start. These
172 packages come with a set of modules which should be copied to the target
173 filesystem. The location is distribution dependent. For Debian these
174 reside under /usr/lib/uml/modules. Copy recursively the content of this
175 directory to the mounted UML filesystem::
176
177    # cp -rax /usr/lib/uml/modules /mnt/lib/modules
178
179 If you have compiled your own kernel, you need to use the usual "install
180 modules to a location" procedure by running::
181
182   # make install MODULES_DIR=/mnt/lib/modules
183
184 At this point the image is ready to be brought up.
185
186 *************************
187 Setting Up UML Networking
188 *************************
189
190 UML networking is designed to emulate an Ethernet connection. This
191 connection may be either a point-to-point (similar to a connection
192 between machines using a back-to-back cable) or a connection to a
193 switch. UML supports a wide variety of means to build these
194 connections to all of: local machine, remote machine(s), local and
195 remote UML and other VM instances.
196
197
198 +-----------+--------+------------------------------------+------------+
199 | Transport |  Type  |        Capabilities                | Throughput |
200 +===========+========+====================================+============+
201 | tap       | vector | checksum, tso                      | > 8Gbit    |
202 +-----------+--------+------------------------------------+------------+
203 | hybrid    | vector | checksum, tso, multipacket rx      | > 6GBit    |
204 +-----------+--------+------------------------------------+------------+
205 | raw       | vector | checksum, tso, multipacket rx, tx" | > 6GBit    |
206 +-----------+--------+------------------------------------+------------+
207 | EoGRE     | vector | multipacket rx, tx                 | > 3Gbit    |
208 +-----------+--------+------------------------------------+------------+
209 | Eol2tpv3  | vector | multipacket rx, tx                 | > 3Gbit    |
210 +-----------+--------+------------------------------------+------------+
211 | bess      | vector | multipacket rx, tx                 | > 3Gbit    |
212 +-----------+--------+------------------------------------+------------+
213 | fd        | vector | dependent on fd type               | varies     |
214 +-----------+--------+------------------------------------+------------+
215 | tuntap    | legacy | none                               | ~ 500Mbit  |
216 +-----------+--------+------------------------------------+------------+
217 | daemon    | legacy | none                               | ~ 450Mbit  |
218 +-----------+--------+------------------------------------+------------+
219 | socket    | legacy | none                               | ~ 450Mbit  |
220 +-----------+--------+------------------------------------+------------+
221 | pcap      | legacy | rx only                            | ~ 450Mbit  |
222 +-----------+--------+------------------------------------+------------+
223 | ethertap  | legacy | obsolete                           | ~ 500Mbit  |
224 +-----------+--------+------------------------------------+------------+
225 | vde       | legacy | obsolete                           | ~ 500Mbit  |
226 +-----------+--------+------------------------------------+------------+
227
228 * All transports which have tso and checksum offloads can deliver speeds
229   approaching 10G on TCP streams.
230
231 * All transports which have multi-packet rx and/or tx can deliver pps
232   rates of up to 1Mps or more.
233
234 * All legacy transports are generally limited to ~600-700MBit and 0.05Mps
235
236 * GRE and L2TPv3 allow connections to all of: local machine, remote
237   machines, remote network devices and remote UML instances.
238
239 * Socket allows connections only between UML instances.
240
241 * Daemon and bess require running a local switch. This switch may be
242   connected to the host as well.
243
244
245 Network configuration privileges
246 ================================
247
248 The majority of the supported networking modes need ``root`` privileges.
249 For example, in the legacy tuntap networking mode, users were required
250 to be part of the group associated with the tunnel device.
251
252 For newer network drivers like the vector transports, ``root`` privilege
253 is required to fire an ioctl to setup the tun interface and/or use
254 raw sockets where needed.
255
256 This can be achieved by granting the user a particular capability instead
257 of running UML as root.  In case of vector transport, a user can add the
258 capability ``CAP_NET_ADMIN`` or ``CAP_NET_RAW``, to the uml binary.
259 Thenceforth, UML can be run with normal user privilges, along with
260 full networking.
261
262 For example::
263
264    # sudo setcap cap_net_raw,cap_net_admin+ep linux
265
266 Configuring vector transports
267 ===============================
268
269 All vector transports support a similar syntax:
270
271 If X is the interface number as in vec0, vec1, vec2, etc, the general
272 syntax for options is::
273
274    vecX:transport="Transport Name",option=value,option=value,...,option=value
275
276 Common options
277 --------------
278
279 These options are common for all transports:
280
281 * ``depth=int`` - sets the queue depth for vector IO. This is the
282   amount of packets UML will attempt to read or write in a single
283   system call. The default number is 64 and is generally sufficient
284   for most applications that need throughput in the 2-4 Gbit range.
285   Higher speeds may require larger values.
286
287 * ``mac=XX:XX:XX:XX:XX`` - sets the interface MAC address value.
288
289 * ``gro=[0,1]`` - sets GRO on or off. Enables receive/transmit offloads.
290   The effect of this option depends on the host side support in the transport
291   which is being configured. In most cases it will enable TCP segmentation and
292   RX/TX checksumming offloads. The setting must be identical on the host side
293   and the UML side. The UML kernel will produce warnings if it is not.
294   For example, GRO is enabled by default on local machine interfaces
295   (e.g. veth pairs, bridge, etc), so it should be enabled in UML in the
296   corresponding UML transports (raw, tap, hybrid) in order for networking to
297   operate correctly.
298
299 * ``mtu=int`` - sets the interface MTU
300
301 * ``headroom=int`` - adjusts the default headroom (32 bytes) reserved
302   if a packet will need to be re-encapsulated into for instance VXLAN.
303
304 * ``vec=0`` - disable multipacket io and fall back to packet at a
305   time mode
306
307 Shared Options
308 --------------
309
310 * ``ifname=str`` Transports which bind to a local network interface
311   have a shared option - the name of the interface to bind to.
312
313 * ``src, dst, src_port, dst_port`` - all transports which use sockets
314   which have the notion of source and destination and/or source port
315   and destination port use these to specify them.
316
317 * ``v6=[0,1]`` to specify if a v6 connection is desired for all
318   transports which operate over IP. Additionally, for transports that
319   have some differences in the way they operate over v4 and v6 (for example
320   EoL2TPv3), sets the correct mode of operation. In the absense of this
321   option, the socket type is determined based on what do the src and dst
322   arguments resolve/parse to.
323
324 tap transport
325 -------------
326
327 Example::
328
329    vecX:transport=tap,ifname=tap0,depth=128,gro=1
330
331 This will connect vec0 to tap0 on the host. Tap0 must already exist (for example
332 created using tunctl) and UP.
333
334 tap0 can be configured as a point-to-point interface and given an ip
335 address so that UML can talk to the host. Alternatively, it is possible
336 to connect UML to a tap interface which is connected to a bridge.
337
338 While tap relies on the vector infrastructure, it is not a true vector
339 transport at this point, because Linux does not support multi-packet
340 IO on tap file descriptors for normal userspace apps like UML. This
341 is a privilege which is offered only to something which can hook up
342 to it at kernel level via specialized interfaces like vhost-net. A
343 vhost-net like helper for UML is planned at some point in the future.
344
345 Privileges required: tap transport requires either:
346
347 * tap interface to exist and be created persistent and owned by the
348   UML user using tunctl. Example ``tunctl -u uml-user -t tap0``
349
350 * binary to have ``CAP_NET_ADMIN`` privilege
351
352 hybrid transport
353 ----------------
354
355 Example::
356
357    vecX:transport=hybrid,ifname=tap0,depth=128,gro=1
358
359 This is an experimental/demo transport which couples tap for transmit
360 and a raw socket for receive. The raw socket allows multi-packet
361 receive resulting in significantly higher packet rates than normal tap
362
363 Privileges required: hybrid requires ``CAP_NET_RAW`` capability by
364 the UML user as well as the requirements for the tap transport.
365
366 raw socket transport
367 --------------------
368
369 Example::
370
371    vecX:transport=raw,ifname=p-veth0,depth=128,gro=1
372
373
374 This transport uses vector IO on raw sockets. While you can bind to any
375 interface including a physical one, the most common use it to bind to
376 the "peer" side of a veth pair with the other side configured on the
377 host.
378
379 Example host configuration for Debian:
380
381 **/etc/network/interfaces**::
382
383    auto veth0
384    iface veth0 inet static
385         address 192.168.4.1
386         netmask 255.255.255.252
387         broadcast 192.168.4.3
388         pre-up ip link add veth0 type veth peer name p-veth0 && \
389           ifconfig p-veth0 up
390
391 UML can now bind to p-veth0 like this::
392
393    vec0:transport=raw,ifname=p-veth0,depth=128,gro=1
394
395
396 If the UML guest is configured with 192.168.4.2 and netmask 255.255.255.0
397 it can talk to the host on 192.168.4.1
398
399 The raw transport also provides some support for offloading some of the
400 filtering to the host. The two options to control it are:
401
402 * ``bpffile=str`` filename of raw bpf code to be loaded as a socket filter
403
404 * ``bpfflash=int`` 0/1 allow loading of bpf from inside User Mode Linux.
405   This option allows the use of the ethtool load firmware command to
406   load bpf code.
407
408 In either case the bpf code is loaded into the host kernel. While this is
409 presently limited to legacy bpf syntax (not ebpf), it is still a security
410 risk. It is not recommended to allow this unless the User Mode Linux
411 instance is considered trusted.
412
413 Privileges required: raw socket transport requires `CAP_NET_RAW`
414 capability.
415
416 GRE socket transport
417 --------------------
418
419 Example::
420
421    vecX:transport=gre,src=$src_host,dst=$dst_host
422
423
424 This will configure an Ethernet over ``GRE`` (aka ``GRETAP`` or
425 ``GREIRB``) tunnel which will connect the UML instance to a ``GRE``
426 endpoint at host dst_host. ``GRE`` supports the following additional
427 options:
428
429 * ``rx_key=int`` - GRE 32 bit integer key for rx packets, if set,
430   ``txkey`` must be set too
431
432 * ``tx_key=int`` - GRE 32 bit integer key for tx packets, if set
433   ``rx_key`` must be set too
434
435 * ``sequence=[0,1]`` - enable GRE sequence
436
437 * ``pin_sequence=[0,1]`` - pretend that the sequence is always reset
438   on each packet (needed to interoperate with some really broken
439   implementations)
440
441 * ``v6=[0,1]`` - force IPv4 or IPv6 sockets respectively
442
443 * GRE checksum is not presently supported
444
445 GRE has a number of caveats:
446
447 * You can use only one GRE connection per ip address. There is no way to
448   multiplex connections as each GRE tunnel is terminated directly on
449   the UML instance.
450
451 * The key is not really a security feature. While it was intended as such
452   it's "security" is laughable. It is, however, a useful feature to
453   ensure that the tunnel is not misconfigured.
454
455 An example configuration for a Linux host with a local address of
456 192.168.128.1 to connect to a UML instance at 192.168.129.1
457
458 **/etc/network/interfaces**::
459
460    auto gt0
461    iface gt0 inet static
462     address 10.0.0.1
463     netmask 255.255.255.0
464     broadcast 10.0.0.255
465     mtu 1500
466     pre-up ip link add gt0 type gretap local 192.168.128.1 \
467            remote 192.168.129.1 || true
468     down ip link del gt0 || true
469
470 Additionally, GRE has been tested versus a variety of network equipment.
471
472 Privileges required: GRE requires ``CAP_NET_RAW``
473
474 l2tpv3 socket transport
475 -----------------------
476
477 _Warning_. L2TPv3 has a "bug". It is the "bug" known as "has more
478 options than GNU ls". While it has some advantages, there are usually
479 easier (and less verbose) ways to connect a UML instance to something.
480 For example, most devices which support L2TPv3 also support GRE.
481
482 Example::
483
484     vec0:transport=l2tpv3,udp=1,src=$src_host,dst=$dst_host,srcport=$src_port,dstport=$dst_port,depth=128,rx_session=0xffffffff,tx_session=0xffff
485
486 This will configure an Ethernet over L2TPv3 fixed tunnel which will
487 connect the UML instance to a L2TPv3 endpoint at host $dst_host using
488 the L2TPv3 UDP flavour and UDP destination port $dst_port.
489
490 L2TPv3 always requires the following additional options:
491
492 * ``rx_session=int`` - l2tpv3 32 bit integer session for rx packets
493
494 * ``tx_session=int`` - l2tpv3 32 bit integer session for tx packets
495
496 As the tunnel is fixed these are not negotiated and they are
497 preconfigured on both ends.
498
499 Additionally, L2TPv3 supports the following optional parameters
500
501 * ``rx_cookie=int`` - l2tpv3 32 bit integer cookie for rx packets - same
502   functionality as GRE key, more to prevent misconfiguration than provide
503   actual security
504
505 * ``tx_cookie=int`` - l2tpv3 32 bit integer cookie for tx packets
506
507 * ``cookie64=[0,1]`` - use 64 bit cookies instead of 32 bit.
508
509 * ``counter=[0,1]`` - enable l2tpv3 counter
510
511 * ``pin_counter=[0,1]`` - pretend that the counter is always reset on
512   each packet (needed to interoperate with some really broken
513   implementations)
514
515 * ``v6=[0,1]`` - force v6 sockets
516
517 * ``udp=[0,1]`` - use raw sockets (0) or UDP (1) version of the protocol
518
519 L2TPv3 has a number of caveats:
520
521 * you can use only one connection per ip address in raw mode. There is
522   no way to multiplex connections as each L2TPv3 tunnel is terminated
523   directly on the UML instance. UDP mode can use different ports for
524   this purpose.
525
526 Here is an example of how to configure a linux host to connect to UML
527 via L2TPv3:
528
529 **/etc/network/interfaces**::
530
531    auto l2tp1
532    iface l2tp1 inet static
533     address 192.168.126.1
534     netmask 255.255.255.0
535     broadcast 192.168.126.255
536     mtu 1500
537     pre-up ip l2tp add tunnel remote 127.0.0.1 \
538            local 127.0.0.1 encap udp tunnel_id 2 \
539            peer_tunnel_id 2 udp_sport 1706 udp_dport 1707 && \
540            ip l2tp add session name l2tp1 tunnel_id 2 \
541            session_id 0xffffffff peer_session_id 0xffffffff
542     down ip l2tp del session tunnel_id 2 session_id 0xffffffff && \
543            ip l2tp del tunnel tunnel_id 2
544
545
546 Privileges required: L2TPv3 requires ``CAP_NET_RAW`` for raw IP mode and
547 no special privileges for the UDP mode.
548
549 BESS socket transport
550 ---------------------
551
552 BESS is a high performance modular network switch.
553
554 https://github.com/NetSys/bess
555
556 It has support for a simple sequential packet socket mode which in the
557 more recent versions is using vector IO for high performance.
558
559 Example::
560
561    vecX:transport=bess,src=$unix_src,dst=$unix_dst
562
563 This will configure a BESS transport using the unix_src Unix domain
564 socket address as source and unix_dst socket address as destination.
565
566 For BESS configuration and how to allocate a BESS Unix domain socket port
567 please see the BESS documentation.
568
569 https://github.com/NetSys/bess/wiki/Built-In-Modules-and-Ports
570
571 BESS transport does not require any special privileges.
572
573 Configuring Legacy transports
574 =============================
575
576 Legacy transports are now considered obsolete. Please use the vector
577 versions.
578
579 ***********
580 Running UML
581 ***********
582
583 This section assumes that either the user-mode-linux package from the
584 distribution or a custom built kernel has been installed on the host.
585
586 These add an executable called linux to the system. This is the UML
587 kernel. It can be run just like any other executable.
588 It will take most normal linux kernel arguments as command line
589 arguments.  Additionally, it will need some UML specific arguments
590 in order to do something useful.
591
592 Arguments
593 =========
594
595 Mandatory Arguments:
596 --------------------
597
598 * ``mem=int[K,M,G]`` - amount of memory. By default bytes. It will
599   also accept K, M or G qualifiers.
600
601 * ``ubdX[s,d,c,t]=`` virtual disk specification. This is not really
602   mandatory, but it is likely to be needed in nearly all cases so we can
603   specify a root file system.
604   The simplest possible image specification is the name of the image
605   file for the filesystem (created using one of the methods described
606   in `Creating an image`_)
607
608   * UBD devices support copy on write (COW). The changes are kept in
609     a separate file which can be discarded allowing a rollback to the
610     original pristine image.  If COW is desired, the UBD image is
611     specified as: ``cow_file,master_image``.
612     Example:``ubd0=Filesystem.cow,Filesystem.img``
613
614   * UBD devices can be set to use synchronous IO. Any writes are
615     immediately flushed to disk. This is done by adding ``s`` after
616     the ``ubdX`` specification
617
618   * UBD performs some euristics on devices specified as a single
619     filename to make sure that a COW file has not been specified as
620     the image. To turn them off, use the ``d`` flag after ``ubdX``
621
622   * UBD supports TRIM - asking the Host OS to reclaim any unused
623     blocks in the image. To turn it off, specify the ``t`` flag after
624     ``ubdX``
625
626 * ``root=`` root device - most likely ``/dev/ubd0`` (this is a Linux
627   filesystem image)
628
629 Important Optional Arguments
630 ----------------------------
631
632 If UML is run as "linux" with no extra arguments, it will try to start an
633 xterm for every console configured inside the image (up to 6 in most
634 linux distributions). Each console is started inside an
635 xterm. This makes it nice and easy to use UML on a host with a GUI. It is,
636 however, the wrong approach if UML is to be used as a testing harness or run
637 in a text-only environment.
638
639 In order to change this behaviour we need to specify an alternative console
640 and wire it to one of the supported "line" channels. For this we need to map a
641 console to use something different from the default xterm.
642
643 Example which will divert console number 1 to stdin/stdout::
644
645    con1=fd:0,fd:1
646
647 UML supports a wide variety of serial line channels which are specified using
648 the following syntax
649
650    conX=channel_type:options[,channel_type:options]
651
652
653 If the channel specification contains two parts separated by comma, the first
654 one is input, the second one output.
655
656 * The null channel - Discard all input or output. Example ``con=null`` will set
657   all consoles to null by default.
658
659 * The fd channel - use file descriptor numbers for input/out. Example:
660   ``con1=fd:0,fd:1.``
661
662 * The port channel - listen on tcp port number. Example: ``con1=port:4321``
663
664 * The pty and pts channels - use system pty/pts.
665
666 * The tty channel - bind to an existing system tty. Example: ``con1=/dev/tty8``
667   will make UML use the host 8th console (usually unused).
668
669 * The xterm channel - this is the default - bring up an xterm on this channel
670   and direct IO to it. Note, that in order for xterm to work, the host must
671   have the UML distribution package installed. This usually contains the
672   port-helper and other utilities needed for UML to communicate with the xterm.
673   Alternatively, these need to be complied and installed from source. All
674   options applicable to consoles also apply to UML serial lines which are
675   presented as ttyS inside UML.
676
677 Starting UML
678 ============
679
680 We can now run UML.
681 ::
682
683    # linux mem=2048M umid=TEST \
684     ubd0=Filesystem.img \
685     vec0:transport=tap,ifname=tap0,depth=128,gro=1 \
686     root=/dev/ubda con=null con0=null,fd:2 con1=fd:0,fd:1
687
688 This will run an instance with ``2048M RAM``, try to use the image file
689 called ``Filesystem.img`` as root. It will connect to the host using tap0.
690 All consoles except ``con1`` will be disabled and console 1 will
691 use standard input/output making it appear in the same terminal it was started.
692
693 Logging in
694 ============
695
696 If you have not set up a password when generating the image, you will have to
697 shut down the UML instance, mount the image, chroot into it and set it - as
698 described in the Generating an Image section.  If the password is already set,
699 you can just log in.
700
701 The UML Management Console
702 ============================
703
704 In addition to managing the image from "the inside" using normal sysadmin tools,
705 it is possible to perform a number of low level operations using the UML
706 management console. The UML management console is a low-level interface to the
707 kernel on a running UML instance, somewhat like the i386 SysRq interface. Since
708 there is a full-blown operating system under UML, there is much greater
709 flexibility possible than with the SysRq mechanism.
710
711 There are a number of things you can do with the mconsole interface:
712
713 * get the kernel version
714 * add and remove devices
715 * halt or reboot the machine
716 * Send SysRq commands
717 * Pause and resume the UML
718 * Inspect processes running inside UML
719 * Inspect UML internal /proc state
720
721 You need the mconsole client (uml\_mconsole) which is a part of the UML
722 tools package available in most Linux distritions.
723
724 You also need ``CONFIG_MCONSOLE`` (under 'General Setup') enabled in the UML
725 kernel.  When you boot UML, you'll see a line like::
726
727    mconsole initialized on /home/jdike/.uml/umlNJ32yL/mconsole
728
729 If you specify a unique machine id one the UML command line, i.e. 
730 ``umid=debian``, you'll see this::
731
732    mconsole initialized on /home/jdike/.uml/debian/mconsole
733
734
735 That file is the socket that uml_mconsole will use to communicate with
736 UML.  Run it with either the umid or the full path as its argument::
737
738    # uml_mconsole debian
739
740 or
741
742    # uml_mconsole /home/jdike/.uml/debian/mconsole
743
744
745 You'll get a prompt, at which you can run one of these commands:
746
747 * version
748 * help
749 * halt
750 * reboot
751 * config
752 * remove
753 * sysrq
754 * help
755 * cad
756 * stop
757 * go
758 * proc
759 * stack
760
761 version
762 -------
763
764 This command takes no arguments.  It prints the UML version::
765
766    (mconsole)  version
767    OK Linux OpenWrt 4.14.106 #0 Tue Mar 19 08:19:41 2019 x86_64
768
769
770 There are a couple actual uses for this.  It's a simple no-op which
771 can be used to check that a UML is running.  It's also a way of
772 sending a device interrupt to the UML. UML mconsole is treated internally as
773 a UML device.
774
775 help
776 ----
777
778 This command takes no arguments. It prints a short help screen with the
779 supported mconsole commands.
780
781
782 halt and reboot
783 ---------------
784
785 These commands take no arguments.  They shut the machine down immediately, with
786 no syncing of disks and no clean shutdown of userspace.  So, they are
787 pretty close to crashing the machine::
788
789    (mconsole)  halt
790    OK
791
792 config
793 ------
794
795 "config" adds a new device to the virtual machine. This is supported
796 by most UML device drivers. It takes one argument, which is the
797 device to add, with the same syntax as the kernel command line::
798
799    (mconsole) config ubd3=/home/jdike/incoming/roots/root_fs_debian22
800
801 remove
802 ------
803
804 "remove" deletes a device from the system.  Its argument is just the
805 name of the device to be removed. The device must be idle in whatever
806 sense the driver considers necessary.  In the case of the ubd driver,
807 the removed block device must not be mounted, swapped on, or otherwise
808 open, and in the case of the network driver, the device must be down::
809
810    (mconsole)  remove ubd3
811
812 sysrq
813 -----
814
815 This command takes one argument, which is a single letter.  It calls the
816 generic kernel's SysRq driver, which does whatever is called for by
817 that argument.  See the SysRq documentation in
818 Documentation/admin-guide/sysrq.rst in your favorite kernel tree to
819 see what letters are valid and what they do.
820
821 cad
822 ---
823
824 This invokes the ``Ctl-Alt-Del`` action in the running image.  What exactly
825 this ends up doing is up to init, systemd, etc.  Normally, it reboots the
826 machine.
827
828 stop
829 ----
830
831 This puts the UML in a loop reading mconsole requests until a 'go'
832 mconsole command is received. This is very useful as a
833 debugging/snapshotting tool.
834
835 go
836 --
837
838 This resumes a UML after being paused by a 'stop' command. Note that
839 when the UML has resumed, TCP connections may have timed out and if
840 the UML is paused for a long period of time, crond might go a little
841 crazy, running all the jobs it didn't do earlier.
842
843 proc
844 ----
845
846 This takes one argument - the name of a file in /proc which is printed
847 to the mconsole standard output
848
849 stack
850 -----
851
852 This takes one argument - the pid number of a process. Its stack is
853 printed to a standard output.
854
855 *******************
856 Advanced UML Topics
857 *******************
858
859 Sharing Filesystems between Virtual Machines
860 ============================================
861
862 Don't attempt to share filesystems simply by booting two UMLs from the
863 same file.  That's the same thing as booting two physical machines
864 from a shared disk.  It will result in filesystem corruption.
865
866 Using layered block devices
867 ---------------------------
868
869 The way to share a filesystem between two virtual machines is to use
870 the copy-on-write (COW) layering capability of the ubd block driver.
871 Any changed blocks are stored in the private COW file, while reads come
872 from either device - the private one if the requested block is valid in
873 it, the shared one if not.  Using this scheme, the majority of data
874 which is unchanged is shared between an arbitrary number of virtual
875 machines, each of which has a much smaller file containing the changes
876 that it has made.  With a large number of UMLs booting from a large root
877 filesystem, this leads to a huge disk space saving.
878
879 Sharing file system data will also help performance, since the host will
880 be able to cache the shared data using a much smaller amount of memory,
881 so UML disk requests will be served from the host's memory rather than
882 its disks.  There is a major caveat in doing this on multisocket NUMA
883 machines.  On such hardware, running many UML instances with a shared
884 master image and COW changes may caise issues like NMIs from excess of
885 inter-socket traffic.
886
887 If you are running UML on high end hardware like this, make sure to
888 bind UML to a set of logical cpus residing on the same socket using the
889 ``taskset`` command or have a look at the "tuning" section.
890
891 To add a copy-on-write layer to an existing block device file, simply
892 add the name of the COW file to the appropriate ubd switch::
893
894    ubd0=root_fs_cow,root_fs_debian_22
895
896 where ``root_fs_cow`` is the private COW file and ``root_fs_debian_22`` is
897 the existing shared filesystem.  The COW file need not exist.  If it
898 doesn't, the driver will create and initialize it.
899
900 Disk Usage
901 ----------
902
903 UML has TRIM support which will release any unused space in its disk
904 image files to the underlying OS. It is important to use either ls -ls
905 or du to verify the actual file size.
906
907 COW validity.
908 -------------
909
910 Any changes to the master image will invalidate all COW files. If this
911 happens, UML will *NOT* automatically delete any of the COW files and
912 will refuse to boot. In this case the only solution is to either
913 restore the old image (including its last modified timestamp) or remove
914 all COW files which will result in their recreation. Any changes in
915 the COW files will be lost.
916
917 Cows can moo - uml_moo : Merging a COW file with its backing file
918 -----------------------------------------------------------------
919
920 Depending on how you use UML and COW devices, it may be advisable to
921 merge the changes in the COW file into the backing file every once in
922 a while.
923
924 The utility that does this is uml_moo.  Its usage is::
925
926    uml_moo COW_file new_backing_file
927
928
929 There's no need to specify the backing file since that information is
930 already in the COW file header.  If you're paranoid, boot the new
931 merged file, and if you're happy with it, move it over the old backing
932 file.
933
934 ``uml_moo`` creates a new backing file by default as a safety measure.
935 It also has a destructive merge option which will merge the COW file
936 directly into its current backing file.  This is really only usable
937 when the backing file only has one COW file associated with it.  If
938 there are multiple COWs associated with a backing file, a -d merge of
939 one of them will invalidate all of the others.  However, it is
940 convenient if you're short of disk space, and it should also be
941 noticeably faster than a non-destructive merge.
942
943 ``uml_moo`` is installed with the UML distribution packages and is
944 available as a part of UML utilities.
945
946 Host file access
947 ==================
948
949 If you want to access files on the host machine from inside UML, you
950 can treat it as a separate machine and either nfs mount directories
951 from the host or copy files into the virtual machine with scp.
952 However, since UML is running on the host, it can access those
953 files just like any other process and make them available inside the
954 virtual machine without the need to use the network.
955 This is possible with the hostfs virtual filesystem.  With it, you
956 can mount a host directory into the UML filesystem and access the
957 files contained in it just as you would on the host.
958
959 *SECURITY WARNING*
960
961 Hostfs without any parameters to the UML Image will allow the image
962 to mount any part of the host filesystem and write to it. Always
963 confine hostfs to a specific "harmless" directory (for example ``/var/tmp``)
964 if running UML. This is especially important if UML is being run as root.
965
966 Using hostfs
967 ------------
968
969 To begin with, make sure that hostfs is available inside the virtual
970 machine with::
971
972    # cat /proc/filesystems
973
974 ``hostfs`` should be listed.  If it's not, either rebuild the kernel
975 with hostfs configured into it or make sure that hostfs is built as a
976 module and available inside the virtual machine, and insmod it.
977
978
979 Now all you need to do is run mount::
980
981    # mount none /mnt/host -t hostfs
982
983 will mount the host's ``/`` on the virtual machine's ``/mnt/host``.
984 If you don't want to mount the host root directory, then you can
985 specify a subdirectory to mount with the -o switch to mount::
986
987    # mount none /mnt/home -t hostfs -o /home
988
989 will mount the hosts's /home on the virtual machine's /mnt/home.
990
991 hostfs as the root filesystem
992 -----------------------------
993
994 It's possible to boot from a directory hierarchy on the host using
995 hostfs rather than using the standard filesystem in a file.
996 To start, you need that hierarchy.  The easiest way is to loop mount
997 an existing root_fs file::
998
999    #  mount root_fs uml_root_dir -o loop
1000
1001
1002 You need to change the filesystem type of ``/`` in ``etc/fstab`` to be
1003 'hostfs', so that line looks like this::
1004
1005    /dev/ubd/0       /        hostfs      defaults          1   1
1006
1007 Then you need to chown to yourself all the files in that directory
1008 that are owned by root.  This worked for me::
1009
1010    #  find . -uid 0 -exec chown jdike {} \;
1011
1012 Next, make sure that your UML kernel has hostfs compiled in, not as a
1013 module.  Then run UML with the boot device pointing at that directory::
1014
1015    ubd0=/path/to/uml/root/directory
1016
1017 UML should then boot as it does normally.
1018
1019 Hostfs Caveats
1020 --------------
1021
1022 Hostfs does not support keeping track of host filesystem changes on the
1023 host (outside UML). As a result, if a file is changed without UML's
1024 knowledge, UML will not know about it and its own in-memory cache of
1025 the file may be corrupt. While it is possible to fix this, it is not
1026 something which is being worked on at present.
1027
1028 Tuning UML
1029 ============
1030
1031 UML at present is strictly uniprocessor. It will, however spin up a
1032 number of threads to handle various functions.
1033
1034 The UBD driver, SIGIO and the MMU emulation do that. If the system is
1035 idle, these threads will be migrated to other processors on a SMP host.
1036 This, unfortunately, will usually result in LOWER performance because of
1037 all of the cache/memory synchronization traffic between cores. As a
1038 result, UML will usually benefit from being pinned on a single CPU
1039 especially on a large system. This can result in performance differences
1040 of 5 times or higher on some benchmarks.
1041
1042 Similarly, on large multi-node NUMA systems UML will benefit if all of
1043 its memory is allocated from the same NUMA node it will run on. The
1044 OS will *NOT* do that by default. In order to do that, the sysadmin
1045 needs to create a suitable tmpfs ramdisk bound to a particular node
1046 and use that as the source for UML RAM allocation by specifying it
1047 in the TMP or TEMP environment variables. UML will look at the values
1048 of ``TMPDIR``, ``TMP`` or ``TEMP`` for that. If that fails, it will
1049 look for shmfs mounted under ``/dev/shm``. If everything else fails use
1050 ``/tmp/`` regardless of the filesystem type used for it::
1051
1052    mount -t tmpfs -ompol=bind:X none /mnt/tmpfs-nodeX
1053    TEMP=/mnt/tmpfs-nodeX taskset -cX linux options options options..
1054
1055 *******************************************
1056 Contributing to UML and Developing with UML
1057 *******************************************
1058
1059 UML is an excellent platform to develop new Linux kernel concepts -
1060 filesystems, devices, virtualization, etc. It provides unrivalled
1061 opportunities to create and test them without being constrained to
1062 emulating specific hardware.
1063
1064 Example - want to try how linux will work with 4096 "proper" network
1065 devices?
1066
1067 Not an issue with UML. At the same time, this is something which
1068 is difficult with other virtualization packages - they are
1069 constrained by the number of devices allowed on the hardware bus
1070 they are trying to emulate (for example 16 on a PCI bus in qemu).
1071
1072 If you have something to contribute such as a patch, a bugfix, a
1073 new feature, please send it to ``linux-um@lists.infradead.org``
1074
1075 Please follow all standard Linux patch guidelines such as cc-ing
1076 relevant maintainers and run ``./sripts/checkpatch.pl`` on your patch.
1077 For more details see ``Documentation/process/submitting-patches.rst``
1078
1079 Note - the list does not accept HTML or attachments, all emails must
1080 be formatted as plain text.
1081
1082 Developing always goes hand in hand with debugging. First of all,
1083 you can always run UML under gdb and there will be a whole section
1084 later on on how to do that. That, however, is not the only way to
1085 debug a linux kernel. Quite often adding tracing statements and/or
1086 using UML specific approaches such as ptracing the UML kernel process
1087 are significantly more informative.
1088
1089 Tracing UML
1090 =============
1091
1092 When running UML consists of a main kernel thread and a number of
1093 helper threads. The ones of interest for tracing are NOT the ones
1094 that are already ptraced by UML as a part of its MMU emulation.
1095
1096 These are usually the first three threads visible in a ps display.
1097 The one with the lowest PID number and using most CPU is usually the
1098 kernel thread. The other threads are the disk
1099 (ubd) device helper thread and the sigio helper thread.
1100 Running ptrace on this thread usually results in the following picture::
1101
1102    host$ strace -p 16566
1103    --- SIGIO {si_signo=SIGIO, si_code=POLL_IN, si_band=65} ---
1104    epoll_wait(4, [{EPOLLIN, {u32=3721159424, u64=3721159424}}], 64, 0) = 1
1105    epoll_wait(4, [], 64, 0)                = 0
1106    rt_sigreturn({mask=[PIPE]})             = 16967
1107    ptrace(PTRACE_GETREGS, 16967, NULL, 0xd5f34f38) = 0
1108    ptrace(PTRACE_GETREGSET, 16967, NT_X86_XSTATE, [{iov_base=0xd5f35010, iov_len=832}]) = 0
1109    ptrace(PTRACE_GETSIGINFO, 16967, NULL, {si_signo=SIGTRAP, si_code=0x85, si_pid=16967, si_uid=0}) = 0
1110    ptrace(PTRACE_SETREGS, 16967, NULL, 0xd5f34f38) = 0
1111    ptrace(PTRACE_SETREGSET, 16967, NT_X86_XSTATE, [{iov_base=0xd5f35010, iov_len=2696}]) = 0
1112    ptrace(PTRACE_SYSEMU, 16967, NULL, 0)   = 0
1113    --- SIGCHLD {si_signo=SIGCHLD, si_code=CLD_TRAPPED, si_pid=16967, si_uid=0, si_status=SIGTRAP, si_utime=65, si_stime=89} ---
1114    wait4(16967, [{WIFSTOPPED(s) && WSTOPSIG(s) == SIGTRAP | 0x80}], WSTOPPED|__WALL, NULL) = 16967
1115    ptrace(PTRACE_GETREGS, 16967, NULL, 0xd5f34f38) = 0
1116    ptrace(PTRACE_GETREGSET, 16967, NT_X86_XSTATE, [{iov_base=0xd5f35010, iov_len=832}]) = 0
1117    ptrace(PTRACE_GETSIGINFO, 16967, NULL, {si_signo=SIGTRAP, si_code=0x85, si_pid=16967, si_uid=0}) = 0
1118    timer_settime(0, 0, {it_interval={tv_sec=0, tv_nsec=0}, it_value={tv_sec=0, tv_nsec=2830912}}, NULL) = 0
1119    getpid()                                = 16566
1120    clock_nanosleep(CLOCK_MONOTONIC, 0, {tv_sec=1, tv_nsec=0}, NULL) = ? ERESTART_RESTARTBLOCK (Interrupted by signal)
1121    --- SIGALRM {si_signo=SIGALRM, si_code=SI_TIMER, si_timerid=0, si_overrun=0, si_value={int=1631716592, ptr=0x614204f0}} ---
1122    rt_sigreturn({mask=[PIPE]})             = -1 EINTR (Interrupted system call)
1123
1124 This is a typical picture from a mostly idle UML instance
1125
1126 * UML interrupt controller uses epoll - this is UML waiting for IO
1127   interrupts:
1128
1129    epoll_wait(4, [{EPOLLIN, {u32=3721159424, u64=3721159424}}], 64, 0) = 1
1130
1131 * The sequence of ptrace calls is part of MMU emulation and runnin the
1132   UML userspace
1133 * ``timer_settime`` is part of the UML high res timer subsystem mapping
1134   timer requests from inside UML onto the host high resultion timers.
1135 * ``clock_nanosleep`` is UML going into idle (similar to the way a PC
1136   will execute an ACPI idle).
1137
1138 As you can see UML will generate quite a bit of output even in idle.The output
1139 can be very informative when observing IO. It shows the actual IO calls, their
1140 arguments and returns values.
1141
1142 Kernel debugging
1143 ================
1144
1145 You can run UML under gdb now, though it will not necessarily agree to
1146 be started under it. If you are trying to track a runtime bug, it is
1147 much better to attach gdb to a running UML instance and let UML run.
1148
1149 Assuming the same PID number as in the previous example, this would be::
1150
1151    # gdb -p 16566
1152
1153 This will STOP the UML instance, so you must enter `cont` at the GDB
1154 command line to request it to continue. It may be a good idea to make
1155 this into a gdb script and pass it to gdb as an argument.
1156
1157 Developing Device Drivers
1158 =========================
1159
1160 Nearly all UML drivers are monolithic. While it is possible to build a
1161 UML driver as a kernel module, that limits the possible functionality
1162 to in-kernel only and non-UML specific.  The reason for this is that
1163 in order to really leverage UML, one needs to write a piece of
1164 userspace code which maps driver concepts onto actual userspace host
1165 calls.
1166
1167 This forms the so called "user" portion of the driver. While it can
1168 reuse a lot of kernel concepts, it is generally just another piece of
1169 userspace code. This portion needs some matching "kernel" code which
1170 resides inside the UML image and which implements the Linux kernel part.
1171
1172 *Note: There are very few limitations in the way "kernel" and "user" interact*.
1173
1174 UML does not have a strictly defined kernel to host API. It does not
1175 try to emulate a specific architecture or bus. UML's "kernel" and
1176 "user" can share memory, code and interact as needed to implement
1177 whatever design the software developer has in mind. The only
1178 limitations are purely technical. Due to a lot of functions and
1179 variables having the same names, the developer should be careful
1180 which includes and libraries they are trying to refer to.
1181
1182 As a result a lot of userspace code consists of simple wrappers.
1183 F.e. ``os_close_file()`` is just a wrapper around ``close()``
1184 which ensures that the userspace function close does not clash
1185 with similarly named function(s) in the kernel part.
1186
1187 Security Considerations
1188 -----------------------
1189
1190 Drivers or any new functionality should default to not
1191 accepting arbitrary filename, bpf code or other  parameters
1192 which can affect the host from inside the UML instance.
1193 For example, specifying the socket used for IPC communication
1194 between a driver and the host at the UML command line is OK
1195 security-wise. Allowing it as a loadable module parameter
1196 isn't.
1197
1198 If such functionality is desireable for a particular application
1199 (e.g. loading BPF "firmware" for raw socket network transports),
1200 it should be off by default and should be explicitly turned on
1201 as a command line parameter at startup.
1202
1203 Even with this in mind, the level of isolation between UML
1204 and the host is relatively weak. If the UML userspace is
1205 allowed to load arbitrary kernel drivers, an attacker can
1206 use this to break out of UML. Thus, if UML is used in
1207 a production application, it is recommended that all modules
1208 are loaded at boot and kernel module loading is disabled
1209 afterwards.