시작에 앞서..
- OS 부팅 및 BIOS, Bootloader 배경지식을 필요로 한다.
- QEMU 자체에 대한 기본적인 배경지식을 필요로 한다.
목표
- QEMU 초기화 프로세스를 분석한다.
- QEMU 가상화 아키텍처를 이해한다.
- QEMU를 통한 Guest OS부팅을 분석한다.
연구/분석 대상
- QEMU
- Source code, Function call stack 단위로 설명하지 않는다.
- 필요시 항목별 업로드 이미지 참고
- qemu-system-x86으로 분석하였고 분석 환경은 기본값에 기반하였다.
- Source code, Function call stack 단위로 설명하지 않는다.
연구/분석
- QEMU initialize process
1. Initialize virtual PC-board
2. Initialize BIOS and virtual peripheral devices
ex). e1000 network device
3. Booting guest OS
분석에 앞서 나열한 1~3 항목을 보면 QEMU의 초기화 과정은 물리 PC의 초기화/시작 과정과 비교하였을 때 별반 다를바 없다는 사실을 알 수 있다. 차이점은 물리 PC환경처럼 준비된 장치나 BIOS 등이 없기 때문에 이 부분은 가상화 장치를 만들어 사용한다는 것이다.
1. Initialize virtual PC-board
Virtual PC-board에서 사용하는 아키텍처와 메모리맵
- I440fx architecture(출처 : https://wiki.qemu.org/Features/Q35)
GDB를 통해 QEMU가 가상으로 만드는 PC-board는 pc-i440fx 아키텍처로 확인된다. 아키텍처에 관하여 pc-q35도 있으며 실행시 인자에 따라 설정이 가능하다. PC-board를 초기화 하는 과정에서 memory map도 결정하는데 이는 e820 map을 사용한다.
- e820 memory map(출처 : https://www.researchgate.net/figure/Example-of-physical-memory-maps-obtained-by-BIOS-e820_fig3_273895166)
- GDB를 통한 아키텍처 확인 -
2. Initialize BIOS and virtual peripheral devices
bios-256k.bin(SeaBIOS)
- SeaBIOS open source project
SeaBIOS is an open-source implementation of an x86 BIOS, serving as a freely available firmware for x86 systems. Aiming for compatibility, it supports standard BIOS features and calling interfaces that are implemented by a typical proprietary x86 BIOS. SeaBIOS can either run on bare hardware as a coreboot payload, or can be used directly in emulators such as QEMU and Bochs.
QEMU는 BIOS를 SeaBIOS라고 하는 바이너리를 사용한다. 이는 QEMU에서도 직접 사용할 수 있다고 명시되어 있다. 어찌보면 당연한 선택인 것이 일반적인 하드웨어 BIOS를 사용한다면 가상으로 만들어둔 장치들을 탐색할 수 있을까? 일반적인 하드웨어 BIOS의 경우 IDSEL이라는 신호를 통하여 주변장치를 인식한다. 하지만 가상으로 만들어둔 장치들이 이에 반응할 리 없다.
- GDB를 통한 BIOS 확인 -
"e1000" peripheral device emulation
QEMU는 주변장치 또한 물리 PC 환경과 마찬가지로 PCI 장치로써 인식하게 해준다. 이로써 Guest OS에서는 실제 장치가 있는 것처럼 작동할 수 있는 것이다.
PCI configuration space 스펙에 맞게 값을 설정해주는 부분을 확인할 수 있다. PCI장치는 장치가 사용할 memory space을 BARs 영역에 기록한다. 하지만 위의 값 설정상 BARs에는 memory space 주소값이 할당되지 않은 모습을 알 수 있다.
왜 할당되지 않았을까?
앞서 1번 항목에서 설명한 memory map과 관련있다. PCI 장치가 스스로 memory address를 설정해버린다면 memory map을 위배할 수 있다. 따라서 PCI BARs는 BIOS 바이너리(bios-256k.bin)가 할당해준다. 실제 할당 부분은 bios-256k 소스코드를 확인하기 바란다.
"e1000" device가 실제 작동할 때 GDB를 통하여 PCI configuration 영역을 확인해보았다. 이 때는 BARs 영역에 사용하는 주소값이 기록되어 있다.
3. Booting guest OS
PC-board 및 emulation 장치를 모두 초기화한 후 bios-256k.bin를 실행한다. bios-256k.bin의 실행으로 부팅 디스크가 감지(0x55, 0xaa)될 것이고 Guest OS의 Bootloader를 통해 사용하고자 하는 OS가 실행된다. 실제 실행과 관련하여 tcg(CPU emulation)를 사용할 것이냐 KVM(hardware accelation)을 사용할 것이냐에 따라 나뉠 수 있고 이는 따로 포스트를 작성하려 한다.
마치며..
- QEMU의 초기화 프로세스를 분석하였다. 아래는 가상머신에 대한 정의이다.
"가상 머신은 물리적 컴퓨터와 동일한 기능을 제공하는 소프트웨어 컴퓨터입니다. 가상 머신은 물리적 컴퓨터처럼 애플리케이션과 운영 체제를 실행합니다. 그러나 가상 머신은 물리적 컴퓨터에서 실행되고 물리적 컴퓨터처럼 작동하는 컴퓨터 파일입니다. 다시 말해 가상 머신은 별도의 컴퓨터 시스템처럼 작동합니다." - 해당 포스트에서 분석한 자료에 기반한다면 "물리적 컴퓨터처럼 작동하는 컴퓨터 파일"이라는 문구를 부정할 수 없다.
