开源世界的虚拟机 QEMU

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qemu

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bridge-utils

簡介

在 Free Software 的世界中，除了 Bochs 之外，還有一個以速度號稱的 x86 模擬器 - QEMU。

QEMU 的模擬速度約為實機的 25%；約為 Bochs 的 60 倍。Plex86、User-Mode-Linux、VMware 和 Virtual PC 則比 QEMU 快一點，但 Bochs 需要特定的 Kernel Patch；User-Mode-Linux 的 Guest System 必須為 Linux；VMware 和 Virtual PC 則需要在 Guest System 上安裝特定的 Driver，且它們是針對作業系統而進行模擬，並不能說是完整的模擬器。所以 QEMU 仍不失為極優秀的 x86 模擬器。

QEMU 所模擬的硬體列表

    * i440FX host PCI bridge and PIIX3 PCI to ISA bridge

    * Cirrus CLGD 5446 PCI VGA card or dummy VGA card with Bochs VESA extensions (hardware level, including all non standard modes).

    * PS/2 mouse and keyboard

    * 2 PCI IDE interfaces with hard disk and CD-ROM support

    * Floppy disk

    * NE2000 PCI network adapters

    * Serial port

    * Soundblaster 16 card

QEMU 所採用的 PC BIOS 乃取自 Bochs 及 Plex86/Bochs 的 LGPL VGA BIOS。

事前準備

和 Bochs 類似的，在 QEMU 裡，是利用 Image File 來模擬硬碟的；也就是 QEMU 是將一個大大的檔案模擬成一顆硬碟。

我們可以利用 qemu-img 指令來製作這些 Image File，例：

 qemu-img create Sarge.img 2048M

這時就會產生一個名為 Sarge.img 的 COW 檔案。

qemu-img 所產生出來的檔案為取自 User-Mode-Linux 的 Copy On Write (COW) 檔案。這種檔案的特性是：它只儲存修改過的磁區，所以它是一種會 Growing 的檔案格式。但它只能存放在 ext2、ext3 之類，有支援 holes 的檔案系統之中。

在使用 ls -l 來檢視 COW 檔案時，您會發現它的檔案容量就是您所指定的大小；（在上例中，就是 2048 MB）而只有在使用 ls -ls 來檢視時才會出現它真正所佔用的磁碟空間。

注意：在執行 qemu-img 指令時，
若所指定的檔案已經存在了，或是發生任何問題，
qemu-img 幾乎並不會輸出任何的錯誤訊息。使用時請注意。

執行 QEMU

QEMU 並不使用任何的設定檔，它只能以命令列參數來執行；但是把這些參數寫成一個小小的 Script 是輕而易舉的事，所以並不會造成任何的不便。

例：

qemu -fda Boot.img -hda Windows95.img -hdb Source.img -cdrom CWindows95.iso -boot a -m 64 -enable-audio -localtime -user-net


一般參數（節錄）

-fda file / -fdb file：

指定軟碟機。可在此指定 Image 檔案。

-hda file / -hdb file / -hdc file / -hdd file：

指定硬碟 Image 檔案。請勿指定為光碟 ISO 檔案。

-cdrom file：

指定光碟機。可在此指定 ISO 檔案。它將固定使用 hdc 這個位置，
所以 -hdc 不能和 -cdrom 同時使用。

-boot [a|c|d]：

指定開機磁碟。a 為 floppy，c 為硬碟，d 為 CD-ROM。

-m megs：

指定記憶體大小；單位為 MB。預設為 128 MB。

-enable-audio：

啟用音效卡。預設是關閉的。

-localtime：

使用真實時間。建議使用於 MS Windows / DOS 系統。預設上是使用 UTC 時間。

網路設定參數（節錄）

在 QEMU 裡，有三種網路模式可供選擇：

TUN/TAP 模式（預設模式）

在 Linux 系統中，使用 TUN/TAP 介面來模擬網路界面是很標準的做法。

若要使用 TUN/TAP 介面，請切換至 /dev 目錄中，執行

MAKEDEV tun

來建立 tun 之裝置檔。之後，在執行 QEMU 時，QEMU 便會自行載入 tun 模組並產生一個名為 tun0 的網路介面；之後 Guest System 便能夠藉由這個 tun0 介面和外部連線。

請參考以下這個 Script 來設定 TUN/TAP 介面：
（請將 192.168.1.254 替換成一個空的 IP 位址。這個位址將由 tun 介面所使用。）
（請將 192.168.1.101 替換成一個空的 IP 位址。這個位址將由 Guest System 使用。）

#!/bin/bash
/sbin/ifconfig ${1##/*/} 192.168.1.254
route add -host 192.168.1.101 dev ${1##/*/}

這樣子在 QEMU 啟動時，就會將 tun 裝置設定為 192.168.1.254 了。

由於執行這個 Scrip 需要 root 之權限，所以必須具有 root 身份才能正常啟用這個模式的。且 tun 裝置的 IP 位置和 Guest System 的 IP 位址是寫死在 Script 裡的，所以在使用上並不是很方便。

藉由 TUN/TAP 介面來和網路連線。必須採用固定 IP，但 IP 可以隨意指定； Guest System 可以連線出去，Host OS 也可以和 Guest System 連線，但外部網路的其它電腦則完全無法連線進來。

User-Nat 模式

使用 User Mode Network Stack 來模擬網路界面。Guest System 必須採用 DHCP，且一定會得到 10.0.2.x 的 IP，同時，Gateway 會指向 10.0.2.2，DNS 則指向 10.0.2.3。

Guest System 可以連線出去，但 Host OS 和外部網路的其它電腦則完全無法連線進來。

由於 User Mode Network Stack 無法完全支援 ping 指令，所以 Guest System 只能 Ping 到 Host OS，無法 ping 到外部網路的其它電腦。

Dummy Net 模式

並不實地得進行任何網路連線。

網路介面的命令例參數（節錄）

-nics n：

模擬幾個網路介面。預設為 1 個，最多為 6 個。

-n script：

設定 TUN/TAP 網路連線的 Script；預設為使用 /etc/qemu-ifup。

-user-net：

使用 User Mode Network Stack。
若未指定或找不到 TUN/TAP 的 Script 時，則會採用這個模式。

-dummy-net：

使用虛擬的網路介面。這個網路介面將不會傳送接收任的網路連線。

除錯 / 進階選項（節錄）

-S：

在啟動時暫停 CPU 之運作。使用 c 來繼續執行。

-d item1,...

將 LOG 輸出至 /tmp/qemu.log 中。
使用 -d ? 來查看會產生 LOG 的項目之列表。

-isa：

模擬一個純 ISA 系統；預設上則是模擬成 PCI 系統。

-std-vga：

將顯示卡模擬成一個同時包含了 VESA Bochs 擴充的標準 VGA 卡。
預設則模擬為 CL-GD5446 PCI 顯示卡。

QEMU Monitor（節錄）

在執行 QEMU 後，會出現一個

(qemu)

的提示。在這個提示下可以輸入一些指令來操作 QEMU。例：

help 或 ? [cmd]

顯示說明文字

info 指令：

顯示系統狀態。例：

★ info network，顯示網路介面狀態

★ info block，顯示儲存裝置狀態

★ info registers，顯示 CPU 的暫存器狀態

★ info history，顯示歷史指令

q 或 quit：

關閉模擬器

eject [-f] device：

退出裝置。使用 -f 來強制退出

change device filename：

更換抽取式媒體。如：軟碟片或是光碟片。

screendump filename：

截取螢幕畫面，儲存成 PPM 影像。

log item1[,...]

將所指定的項目之 LOG 寫入 /tmp/qemu.log 中。

savevm filename：

將整個模擬器狀態儲存至檔案中

loadvm filename：

由檔案中載入模擬器狀態

stop

停止模擬

c 或 cont

繼續模擬

sendkey keys

傳送某個鍵擊給模擬器。使用 - 來連結複合鍵。例：

sendkey ctrl-alt-f1

將會傳送 <Ctrl><Alt><F1> 給模擬器。

system_reset

重新啟動系統。

快捷鍵

在 QEMU 的系統裡，可以按下 <Ctrl><Shift> 來跳離 QEMU；
按下 <Ctrl><Shift><f> 來進入全螢幕的畫面。

網路介面解決方案

使用 sudo 來執行 QEMU

如果要使用 TUN/TAP 介面，必須以 root 身份來設定 TUN/TAP 介面才行。所以建議採用 sudo 的方式執行 QEMU。

☆　以 root 或是 SUID 或 sudo 來執行任何程式都是大風險，
尤其是使用者可以自行設定 QEMU 呼叫某一個 Script 來設定網路，
若 QEMU 以 SUID/sudo 來執行的話，將可能引起極嚴重之安全問題。

    * 安裝 sudo 套件。

    * 以 visudo 來建立 sudo 的設定檔，並設定不用輸入密碼即可執行 QEMU：

（其中的 UserName 和 HostName 請替換成您的系統設定，或設定為 ALL。）

Cmnd_Alias    QEMU=/usr/bin/qemu
UserName    HostName=NOPASSWD: QEMU

    * 編輯 .bashrc，讓 qemu 能預設以 sudo qemu 來執行：

alias qemu='sudo qemu'

    * 執行 qemu，並以 ps aux | grep bochs 來確認 qemu 是否以 root 的身份執行？


讓 TUN/TAP 介面可以和實體網路連線

若依前文所提的方式來設定 TUN/TAP 介面，則 Guest System 則只能使用固定 IP、且除了 Host OS 之外，外部網路的其它電腦會完全無法連線至 Guest System。這種做法並非十全十美。

解決方案之一是將 TUN/TAP 介面和實體網路給 Bind 在一起，也就是將數個實體網路介面合成一個 Bridge 介面：

設定 Bridge 介面

    * 安裝 bridge-utils 套件

    * 在 /etc/network/interfaces 加入一段：（在此假設是使用 DHCP 來設定網路的）

iface bridge inet dhcp

其中的 bridge 名稱可以自訂。

這樣子我們在日後就可以用 ifup、ifdown、ifconfig 等指令來直接操作 bridge 這個介面了。

當然囉，使用 ifconfig、route、dhclient 等指令來手動操作當然也可以；這就全憑個人喜好了。

    * 這數個要 Bind 在一起的實體網路介面之 IP 必須為 0.0.0.0，並啟用 promisc 模式：

ifconfig eth0 0.0.0.0 promisc up

    * 宣告一個名為 bridge 介面的『Bridge』；並設定其動作模式：

# 建立一個名為 bridge 的 Bridge 介面
brctl addbr bridge
# 轉送延遲時間，Bridge 切換至 listening 及 learning 狀態所需時間。
# Bridge 會花一點時間來記錄每個實體介面的 MAC Address。
brctl setfd bridge 0
# 傳送 STP Hello 封包的頻率。設定為 0 因為我們不使用 STP 這個功能。
brctl sethello bridge 0
# 關閉 spanning tree protocol 功能。用不著...
brctl stp bridge off

    * 此時，可以使用 ifconfig -a 來檢視是否出現了 bridge 這個介面。

    * 將 eth0 給 Bind 至 bridge 上：

brctl addif bridge eth0

    * 啟用 bridge 介面：

■ 如果在 /etc/network/interfaces 已設定了 bridge 資訊的話：

ifup bridge

■ 若 bridge 使用 DHCP：

dhclient bridge

■ 手動設定 bridge 參數：

ifconfig bridge 192.168.1.1 netmask 255.255.255.0 up
route add default gw 192.168.1.254

    * 檢視 Bridge 的狀況：

brctl show

    * 由於將數個介面合成了一個 bridge 介面，

而像是 iptables、pppoe 等等設定也必須視情況而有所變更。
而如何設定 iptables 就超過了本篇的範圍之外，在此就略過不加討論了。

關閉 bridge 的方式

    * 關閉 bridge 介面：

ifdown bridge
ifconfig bridge down

    * 解除 Bind 在 bridge 上的 eth0：

brctl delif bridge eth0

    * 移去 bridge 介面：

brctl delbr bridge

    * 啟用 eth0：（如果在 /etc/network/interfaces 已設定了 eth0 資訊的話）

ifup eth0

這時，eth0 應該就恢後原有的狀態了。

/etc/init.d/bridge

將以上步驟寫成 /etc/init.d/bridge：

#!/bin/sh

PATH=/usr/local/sbin:/sbin:/usr/sbin:/usr/local/bin:/bin:/usr/bin

if [ "$(id -u)" != "0" ]; then
    echo "$0: To $1 Bridge, you must be root."
    exit 1
fi

# Default settings
bridge_interface='bridge'
bind_ethernet='eth0'

case "$1" in
    start)
        printf "Starting Bridge ... "
        ifdown $bind_ethernet
        ifconfig $bind_ethernet down
        ifconfig $bind_ethernet 0.0.0.0 promisc up
        brctl addbr $bridge_interface
        brctl setfd $bridge_interface 0
        brctl sethello $bridge_interface 0
        brctl stp $bridge_interface off
        brctl addif $bridge_interface $bind_ethernet
        ifup $bridge_interface
        echo ""
        brctl show
        echo ""
        ;;
    stop)
        ifdown $bridge_interface
        ifconfig $bridge_interface down
        brctl delif $bridge_interface $bind_ethernet
        brctl delbr $bridge_interface
        ifup $bind_ethernet
        ;;
    restart|reload)
        $0 stop && $0 start
        ;;
    *)
        echo "Usage: $0 {start|stop|restart}"
        exit 1
        ;;
esac

您可以考慮讓這個 Script 在開機時自動執行：（在此時設定其啟動編號為 13）

update-rc.d bridge start 13 0 2 3 4 5 6 .

這樣就可以在開機時就自動產生 bridge 這個介面囉。

設定 TUN/TAP 介面的 Script

而 QEMU 設定 TUN/TAP 介面的 Script 也要改成：（建議寫入 /etc/qemu-ifup 中）

#!/bin/bash

ifconfig ${1##/*/} 0.0.0.0 promisc up
brctl addif bridge ${1##/*/}

這樣子，只要 QEMU 一啟動，在 QEMU 裡的 Guest System 就可以傳送接收 DHCP、Windows Login 等封包，外部網路的其它電腦也可以自由連線至 Guest System 了。

小技巧

如果在無線網路卡上啟動 Bridge 可能會遭遇到困難，這時您可以在啟動 Bridge 之前先啟動無線網路卡，很可能可以解決這個困擾哦！

另外，因為 Bridge 介面很可能會用到 iptbale 裡的 ipt_physdev 模組。請自行參考 iptables 之說明。

而這個方式也適用於 User-Mode-Linux 及 Bochs 等等用得到 TUN/TAP 介面的程式哦！

設定 Guest System 小技巧

MS Windows 95/98/Me

在 QEMU 裡執行 MS Windows 95/98 時，將使得 CPU 的 Loading 永遠維持在 100%。您可以到 AMN Software (http://www.amn.ru/) 下載並安裝 Amn Task Manager 來解決這個問題。

另外，Windows 95/98/ME 在安裝完成後，在該顯示遊標的地方只會出現一個大大的白色方塊。（可能是一個 Bug...），所以建議使用 -std-vga 參數來暫時避開這個問題。

MS Windows 2000

某些版本會出現『磁碟空間不足』之錯誤訊息，重新启动QEMU即可。

GNU/Linux

在安裝時，不管是 Woody 或是 Sarge 都能夠自動驅動 QEMU 所模擬的 NE2000 PCI 網路卡。

若想使用 X Window，顯示卡模組請採用 vesa 或是 cirrus 模組；色深建議採用 16 bit。

若想使用 Kernel 2.6.x，因為 Kernel 2.6.x 會精確得檢查電腦硬體時鐘的時間，而這是 QEMU 無法模擬的。請在開機時加上 clock=pit 參數來避開這個問題。

執行畫面截圖

附註

以上介紹的只是 QEMU 的 Full System Emulation 模式；QEMU 另外還支援了類似 User-Mode-Linux 的 User Mode Emulation，如果日後有機會會針對這個部份加以補充的。

參考資訊

QEMU CPU Emulator (http://fabrice.bellard.free.fr/qemu/)

QEMU CPU Emulator User Documentation (http://fabrice.bellard.free.fr/qemu/qemu-doc.html)

QEMU Internals (http://fabrice.bellard.free.fr/qemu/qemu-tech.html)

QEMU FAQ (http://fabrice.bellard.free.fr/qemu/faq.html)

Networking UML using bridging (http://edeca.net/articles/bridging/index.html)

Mini HOWTO：Ethernet Bridge + netfilter以太網橋+netfilter Howto