虚拟机生成 ID 设备

虚拟机生成 ID（vmgenid）设备是一种仿真设备，提供一个 128 位、密码学随机的整数标识符，称为全局唯一标识符（Globally Unique Identifier，GUID）。

管理应用程序（例如 libvirt）可借此通知客户机操作系统：虚拟机正在以不同配置运行（例如执行快照，或从模板创建虚拟机）。客户机操作系统察觉这一变化后，就能采取相应措施，例如将其分布式数据库副本标记为脏、重新初始化随机数生成器等。

要求

以下要求摘自 2012 年 8 月 1 日发布的 Microsoft 虚拟机生成 ID 规范中“如何在虚拟化平台中实现虚拟机生成 ID 支持”一节。

R1a 生成 ID 必须位于按 8 字节对齐的缓冲区中。
R1b 存储生成 ID 的缓冲区必须位于客户机 RAM、ROM 或设备 MMIO 范围内。
R1c 存储生成 ID 的缓冲区必须与操作系统使用的区域分开。
R1d E820 或 UEFI 内存映射中的 AddressRangeMemory 或 AddressRangeACPI 条目不得覆盖该缓冲区。
R1e 生成 ID 不得位于可能以禁用缓存方式映射的页框中。（换言之，无论生成 ID 位于 RAM、ROM 还是 MMIO 中，都只能映射为可缓存。）
R2 至 R5 [Microsoft 规范已将这些 AML 要求充分独立列出，此处直接引用。]
R6 Hypervisor 必须在 VMGenId 设备的作用域内提供一个对该 hypervisor 厂商唯一的 _HID（硬件标识符）对象。

QEMU 实现

上述规范未规定由哪个 ACPI 描述符表包含虚拟机生成 ID 设备。其他实现（Hyper-V 和 Xen）将它放在主描述符表（差异化系统描述表，即 DSDT）中。为方便调试和实现，我们决定将它放在独立的辅助系统描述表（SSDT）中。

以下是从运行中的系统转储的内容:

# iasl -p ./SSDT -d /sys/firmware/acpi/tables/SSDT

Intel ACPI Component Architecture
ASL+ Optimizing Compiler version 20150717-64
Copyright (c) 2000 - 2015 Intel Corporation

Reading ACPI table from file /sys/firmware/acpi/tables/SSDT - Length
00000198 (0x0000C6)
ACPI: SSDT 0x0000000000000000 0000C6 (v01 BOCHS  VMGENID  00000001 BXPC 00000001)
Acpi table [SSDT] successfully installed and loaded
Pass 1 parse of [SSDT]
Pass 2 parse of [SSDT]
Parsing Deferred Opcodes (Methods/Buffers/Packages/Regions)

Parsing completed
Disassembly completed
ASL Output:    ./SSDT.dsl - 1631 bytes
# cat SSDT.dsl
/*
 * Intel ACPI Component Architecture
 * AML/ASL+ Disassembler version 20150717-64
 * Copyright (c) 2000 - 2015 Intel Corporation
 *
 * Disassembling to symbolic ASL+ operators
 *
 * Disassembly of /sys/firmware/acpi/tables/SSDT, Sun Feb  5 00:19:37 2017
 *
 * Original Table Header:
 *     Signature        "SSDT"
 *     Length           0x000000CA (202)
 *     Revision         0x01
 *     Checksum         0x4B
 *     OEM ID           "BOCHS "
 *     OEM Table ID     "VMGENID"
 *     OEM Revision     0x00000001 (1)
 *     Compiler ID      "BXPC"
 *     Compiler Version 0x00000001 (1)
 */
DefinitionBlock ("/sys/firmware/acpi/tables/SSDT.aml", "SSDT", 1, "BOCHS ", "VMGENID", 0x00000001)
{
    Name (VGIA, 0x07FFF000)
    Scope (\_SB)
    {
        Device (VGEN)
        {
            Name (_HID, "QEMUVGID")  // _HID: Hardware ID
            Name (_CID, "VM_Gen_Counter")  // _CID: Compatible ID
            Name (_DDN, "VM_Gen_Counter")  // _DDN: DOS Device Name
            Method (_STA, 0, NotSerialized)  // _STA: Status
            {
                Local0 = 0x0F
                If ((VGIA == Zero))
                {
                    Local0 = Zero
                }

                Return (Local0)
            }

            Method (ADDR, 0, NotSerialized)
            {
                Local0 = Package (0x02) {}
                Index (Local0, Zero) = (VGIA + 0x28)
                Index (Local0, One) = Zero
                Return (Local0)
            }
        }
    }

    Method (\_GPE._E05, 0, NotSerialized)  // _Exx: Edge-Triggered GPE
    {
        Notify (\_SB.VGEN, 0x80) // Status Change
    }
}

设计细节：

要求 R1a 至 R1e 规定，存储虚拟机生成 ID 的内存必须由客户机固件分配并持有，这里的固件是 BIOS 或 UEFI。不过，为使这一机制发挥作用，QEMU 必须能够在运行时修改该内存的内容，尤其是在启动备份或快照映像时。为此，QEMU 必须知道所分配的地址。

选用的内存共享机制是可写的 fw_cfg 数据块。这些数据对象对 QEMU 和客户机均可见，并可作为顺序文件寻址。

关于 fw_cfg 的更多信息，请参阅 QEMU 固件配置（fw_cfg）设备。

这里使用两个 fw_cfg 数据块：

/etc/vmgenid_guid

包含实际的虚拟机生成 ID GUID
对客户机只读

/etc/vmgenid_addr

包含已下载的 vmgenid 数据块的地址
客户机可写

QEMU 在启动时向客户机发送以下命令：

为 vmgenid_guid fw_cfg 数据块分配内存。
将 vmgenid_guid 的地址写入 SSDT（即上述 iasl 转储中的 VGIA ACPI 变量）。注意，此修改不会传播回 QEMU。
通过 fw_cfg DMA 接口，将 vmgenid_guid 的地址写回 QEMU 的 vmgenid_addr 副本。

完成第 3 步后，QEMU 即可随时更新 vmgenid_guid 的内容。

由于需要修改 GUID 时 BIOS 或 UEFI 未必会运行，VGIA 的值通过 VMState 机制保存。

规范明确要求，GUID 的任何变化都要触发 ACPI 通知。规范未指定具体使用哪个处理程序，因此 vmgenid 设备使用第一个尚未占用的处理程序：\_GPE._E05。

字节序注意事项：

尽管 Microsoft 文档未作规定，这里假定设备应使用小端格式。

通过命令行或监视器传入的所有 GUID 均按大端处理。通过监视器显示的 GUID 值也采用大端格式。

GUID 存储格式：

为实现 OVMF 的“SDT 头部探测抑制器”，vmgenid_guid fw_cfg 数据块的内容并非只有一个 128 位 GUID。它还包含大量填充，用于对齐并填满一个内存页，如下图所示:

+----------------------------------+
| SSDT：OEM Table ID = VMGENID     |
+----------------------------------+
| ...                              |       页首
| VGIA 双字对象     ---------------|-----> +---------------------------+
| ...                              |       | 固件所分配数组：          |
| 引用 VGIA 的 _STA 方法           |       | "etc/vmgenid_guid"        |
| ...                              |       +---------------------------+
| 引用 VGIA 的 ADDR 方法           |       |  0: OVMF SDT 头部探测     |
| ...                              |       |     抑制器                |
+----------------------------------+       | 36: 填充以实现 8 字节     |
                                           |     对齐                  |
                                           | 40: GUID                  |
                                           | 56: 填充至页大小          |
                                           +---------------------------+
                                           页尾

设备用法：

该设备具有一个属性，只能通过命令行设置：

guid: 设置 GUID 的值。特殊值 auto 指示 QEMU 生成新的随机 GUID。

例如:

QEMU  -device vmgenid,guid="324e6eaf-d1d1-4bf6-bf41-b9bb6c91fb87"
QEMU  -device vmgenid,guid=auto

可通过 QMP/HMP 查询该属性:

(QEMU) query-vm-generation-id
{"return": {"guid": "324e6eaf-d1d1-4bf6-bf41-b9bb6c91fb87"}}

QMP/HMP 接口有意不提供设置该参数的功能。目前没有已知场景需要在 QEMU 运行后修改 GUID，而增加此能力会大幅提升复杂性。