]> asedeno.scripts.mit.edu Git - linux.git/blob - arch/x86/mm/pti.c
ARM: signal: Mark expected switch fall-through
[linux.git] / arch / x86 / mm / pti.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
2 /*
3  * Copyright(c) 2017 Intel Corporation. All rights reserved.
4  *
5  * This code is based in part on work published here:
6  *
7  *      https://github.com/IAIK/KAISER
8  *
9  * The original work was written by and and signed off by for the Linux
10  * kernel by:
11  *
12  *   Signed-off-by: Richard Fellner <richard.fellner@student.tugraz.at>
13  *   Signed-off-by: Moritz Lipp <moritz.lipp@iaik.tugraz.at>
14  *   Signed-off-by: Daniel Gruss <daniel.gruss@iaik.tugraz.at>
15  *   Signed-off-by: Michael Schwarz <michael.schwarz@iaik.tugraz.at>
16  *
17  * Major changes to the original code by: Dave Hansen <dave.hansen@intel.com>
18  * Mostly rewritten by Thomas Gleixner <tglx@linutronix.de> and
19  *                     Andy Lutomirsky <luto@amacapital.net>
20  */
21 #include <linux/kernel.h>
22 #include <linux/errno.h>
23 #include <linux/string.h>
24 #include <linux/types.h>
25 #include <linux/bug.h>
26 #include <linux/init.h>
27 #include <linux/spinlock.h>
28 #include <linux/mm.h>
29 #include <linux/uaccess.h>
30 #include <linux/cpu.h>
31
32 #include <asm/cpufeature.h>
33 #include <asm/hypervisor.h>
34 #include <asm/vsyscall.h>
35 #include <asm/cmdline.h>
36 #include <asm/pti.h>
37 #include <asm/pgtable.h>
38 #include <asm/pgalloc.h>
39 #include <asm/tlbflush.h>
40 #include <asm/desc.h>
41 #include <asm/sections.h>
42
43 #undef pr_fmt
44 #define pr_fmt(fmt)     "Kernel/User page tables isolation: " fmt
45
46 /* Backporting helper */
47 #ifndef __GFP_NOTRACK
48 #define __GFP_NOTRACK   0
49 #endif
50
51 /*
52  * Define the page-table levels we clone for user-space on 32
53  * and 64 bit.
54  */
55 #ifdef CONFIG_X86_64
56 #define PTI_LEVEL_KERNEL_IMAGE  PTI_CLONE_PMD
57 #else
58 #define PTI_LEVEL_KERNEL_IMAGE  PTI_CLONE_PTE
59 #endif
60
61 static void __init pti_print_if_insecure(const char *reason)
62 {
63         if (boot_cpu_has_bug(X86_BUG_CPU_MELTDOWN))
64                 pr_info("%s\n", reason);
65 }
66
67 static void __init pti_print_if_secure(const char *reason)
68 {
69         if (!boot_cpu_has_bug(X86_BUG_CPU_MELTDOWN))
70                 pr_info("%s\n", reason);
71 }
72
73 static enum pti_mode {
74         PTI_AUTO = 0,
75         PTI_FORCE_OFF,
76         PTI_FORCE_ON
77 } pti_mode;
78
79 void __init pti_check_boottime_disable(void)
80 {
81         char arg[5];
82         int ret;
83
84         /* Assume mode is auto unless overridden. */
85         pti_mode = PTI_AUTO;
86
87         if (hypervisor_is_type(X86_HYPER_XEN_PV)) {
88                 pti_mode = PTI_FORCE_OFF;
89                 pti_print_if_insecure("disabled on XEN PV.");
90                 return;
91         }
92
93         ret = cmdline_find_option(boot_command_line, "pti", arg, sizeof(arg));
94         if (ret > 0)  {
95                 if (ret == 3 && !strncmp(arg, "off", 3)) {
96                         pti_mode = PTI_FORCE_OFF;
97                         pti_print_if_insecure("disabled on command line.");
98                         return;
99                 }
100                 if (ret == 2 && !strncmp(arg, "on", 2)) {
101                         pti_mode = PTI_FORCE_ON;
102                         pti_print_if_secure("force enabled on command line.");
103                         goto enable;
104                 }
105                 if (ret == 4 && !strncmp(arg, "auto", 4)) {
106                         pti_mode = PTI_AUTO;
107                         goto autosel;
108                 }
109         }
110
111         if (cmdline_find_option_bool(boot_command_line, "nopti") ||
112             cpu_mitigations_off()) {
113                 pti_mode = PTI_FORCE_OFF;
114                 pti_print_if_insecure("disabled on command line.");
115                 return;
116         }
117
118 autosel:
119         if (!boot_cpu_has_bug(X86_BUG_CPU_MELTDOWN))
120                 return;
121 enable:
122         setup_force_cpu_cap(X86_FEATURE_PTI);
123 }
124
125 pgd_t __pti_set_user_pgtbl(pgd_t *pgdp, pgd_t pgd)
126 {
127         /*
128          * Changes to the high (kernel) portion of the kernelmode page
129          * tables are not automatically propagated to the usermode tables.
130          *
131          * Users should keep in mind that, unlike the kernelmode tables,
132          * there is no vmalloc_fault equivalent for the usermode tables.
133          * Top-level entries added to init_mm's usermode pgd after boot
134          * will not be automatically propagated to other mms.
135          */
136         if (!pgdp_maps_userspace(pgdp))
137                 return pgd;
138
139         /*
140          * The user page tables get the full PGD, accessible from
141          * userspace:
142          */
143         kernel_to_user_pgdp(pgdp)->pgd = pgd.pgd;
144
145         /*
146          * If this is normal user memory, make it NX in the kernel
147          * pagetables so that, if we somehow screw up and return to
148          * usermode with the kernel CR3 loaded, we'll get a page fault
149          * instead of allowing user code to execute with the wrong CR3.
150          *
151          * As exceptions, we don't set NX if:
152          *  - _PAGE_USER is not set.  This could be an executable
153          *     EFI runtime mapping or something similar, and the kernel
154          *     may execute from it
155          *  - we don't have NX support
156          *  - we're clearing the PGD (i.e. the new pgd is not present).
157          */
158         if ((pgd.pgd & (_PAGE_USER|_PAGE_PRESENT)) == (_PAGE_USER|_PAGE_PRESENT) &&
159             (__supported_pte_mask & _PAGE_NX))
160                 pgd.pgd |= _PAGE_NX;
161
162         /* return the copy of the PGD we want the kernel to use: */
163         return pgd;
164 }
165
166 /*
167  * Walk the user copy of the page tables (optionally) trying to allocate
168  * page table pages on the way down.
169  *
170  * Returns a pointer to a P4D on success, or NULL on failure.
171  */
172 static p4d_t *pti_user_pagetable_walk_p4d(unsigned long address)
173 {
174         pgd_t *pgd = kernel_to_user_pgdp(pgd_offset_k(address));
175         gfp_t gfp = (GFP_KERNEL | __GFP_NOTRACK | __GFP_ZERO);
176
177         if (address < PAGE_OFFSET) {
178                 WARN_ONCE(1, "attempt to walk user address\n");
179                 return NULL;
180         }
181
182         if (pgd_none(*pgd)) {
183                 unsigned long new_p4d_page = __get_free_page(gfp);
184                 if (WARN_ON_ONCE(!new_p4d_page))
185                         return NULL;
186
187                 set_pgd(pgd, __pgd(_KERNPG_TABLE | __pa(new_p4d_page)));
188         }
189         BUILD_BUG_ON(pgd_large(*pgd) != 0);
190
191         return p4d_offset(pgd, address);
192 }
193
194 /*
195  * Walk the user copy of the page tables (optionally) trying to allocate
196  * page table pages on the way down.
197  *
198  * Returns a pointer to a PMD on success, or NULL on failure.
199  */
200 static pmd_t *pti_user_pagetable_walk_pmd(unsigned long address)
201 {
202         gfp_t gfp = (GFP_KERNEL | __GFP_NOTRACK | __GFP_ZERO);
203         p4d_t *p4d;
204         pud_t *pud;
205
206         p4d = pti_user_pagetable_walk_p4d(address);
207         if (!p4d)
208                 return NULL;
209
210         BUILD_BUG_ON(p4d_large(*p4d) != 0);
211         if (p4d_none(*p4d)) {
212                 unsigned long new_pud_page = __get_free_page(gfp);
213                 if (WARN_ON_ONCE(!new_pud_page))
214                         return NULL;
215
216                 set_p4d(p4d, __p4d(_KERNPG_TABLE | __pa(new_pud_page)));
217         }
218
219         pud = pud_offset(p4d, address);
220         /* The user page tables do not use large mappings: */
221         if (pud_large(*pud)) {
222                 WARN_ON(1);
223                 return NULL;
224         }
225         if (pud_none(*pud)) {
226                 unsigned long new_pmd_page = __get_free_page(gfp);
227                 if (WARN_ON_ONCE(!new_pmd_page))
228                         return NULL;
229
230                 set_pud(pud, __pud(_KERNPG_TABLE | __pa(new_pmd_page)));
231         }
232
233         return pmd_offset(pud, address);
234 }
235
236 /*
237  * Walk the shadow copy of the page tables (optionally) trying to allocate
238  * page table pages on the way down.  Does not support large pages.
239  *
240  * Note: this is only used when mapping *new* kernel data into the
241  * user/shadow page tables.  It is never used for userspace data.
242  *
243  * Returns a pointer to a PTE on success, or NULL on failure.
244  */
245 static pte_t *pti_user_pagetable_walk_pte(unsigned long address)
246 {
247         gfp_t gfp = (GFP_KERNEL | __GFP_NOTRACK | __GFP_ZERO);
248         pmd_t *pmd;
249         pte_t *pte;
250
251         pmd = pti_user_pagetable_walk_pmd(address);
252         if (!pmd)
253                 return NULL;
254
255         /* We can't do anything sensible if we hit a large mapping. */
256         if (pmd_large(*pmd)) {
257                 WARN_ON(1);
258                 return NULL;
259         }
260
261         if (pmd_none(*pmd)) {
262                 unsigned long new_pte_page = __get_free_page(gfp);
263                 if (!new_pte_page)
264                         return NULL;
265
266                 set_pmd(pmd, __pmd(_KERNPG_TABLE | __pa(new_pte_page)));
267         }
268
269         pte = pte_offset_kernel(pmd, address);
270         if (pte_flags(*pte) & _PAGE_USER) {
271                 WARN_ONCE(1, "attempt to walk to user pte\n");
272                 return NULL;
273         }
274         return pte;
275 }
276
277 #ifdef CONFIG_X86_VSYSCALL_EMULATION
278 static void __init pti_setup_vsyscall(void)
279 {
280         pte_t *pte, *target_pte;
281         unsigned int level;
282
283         pte = lookup_address(VSYSCALL_ADDR, &level);
284         if (!pte || WARN_ON(level != PG_LEVEL_4K) || pte_none(*pte))
285                 return;
286
287         target_pte = pti_user_pagetable_walk_pte(VSYSCALL_ADDR);
288         if (WARN_ON(!target_pte))
289                 return;
290
291         *target_pte = *pte;
292         set_vsyscall_pgtable_user_bits(kernel_to_user_pgdp(swapper_pg_dir));
293 }
294 #else
295 static void __init pti_setup_vsyscall(void) { }
296 #endif
297
298 enum pti_clone_level {
299         PTI_CLONE_PMD,
300         PTI_CLONE_PTE,
301 };
302
303 static void
304 pti_clone_pgtable(unsigned long start, unsigned long end,
305                   enum pti_clone_level level)
306 {
307         unsigned long addr;
308
309         /*
310          * Clone the populated PMDs which cover start to end. These PMD areas
311          * can have holes.
312          */
313         for (addr = start; addr < end;) {
314                 pte_t *pte, *target_pte;
315                 pmd_t *pmd, *target_pmd;
316                 pgd_t *pgd;
317                 p4d_t *p4d;
318                 pud_t *pud;
319
320                 /* Overflow check */
321                 if (addr < start)
322                         break;
323
324                 pgd = pgd_offset_k(addr);
325                 if (WARN_ON(pgd_none(*pgd)))
326                         return;
327                 p4d = p4d_offset(pgd, addr);
328                 if (WARN_ON(p4d_none(*p4d)))
329                         return;
330
331                 pud = pud_offset(p4d, addr);
332                 if (pud_none(*pud)) {
333                         addr += PUD_SIZE;
334                         continue;
335                 }
336
337                 pmd = pmd_offset(pud, addr);
338                 if (pmd_none(*pmd)) {
339                         addr += PMD_SIZE;
340                         continue;
341                 }
342
343                 if (pmd_large(*pmd) || level == PTI_CLONE_PMD) {
344                         target_pmd = pti_user_pagetable_walk_pmd(addr);
345                         if (WARN_ON(!target_pmd))
346                                 return;
347
348                         /*
349                          * Only clone present PMDs.  This ensures only setting
350                          * _PAGE_GLOBAL on present PMDs.  This should only be
351                          * called on well-known addresses anyway, so a non-
352                          * present PMD would be a surprise.
353                          */
354                         if (WARN_ON(!(pmd_flags(*pmd) & _PAGE_PRESENT)))
355                                 return;
356
357                         /*
358                          * Setting 'target_pmd' below creates a mapping in both
359                          * the user and kernel page tables.  It is effectively
360                          * global, so set it as global in both copies.  Note:
361                          * the X86_FEATURE_PGE check is not _required_ because
362                          * the CPU ignores _PAGE_GLOBAL when PGE is not
363                          * supported.  The check keeps consistentency with
364                          * code that only set this bit when supported.
365                          */
366                         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE))
367                                 *pmd = pmd_set_flags(*pmd, _PAGE_GLOBAL);
368
369                         /*
370                          * Copy the PMD.  That is, the kernelmode and usermode
371                          * tables will share the last-level page tables of this
372                          * address range
373                          */
374                         *target_pmd = *pmd;
375
376                         addr += PMD_SIZE;
377
378                 } else if (level == PTI_CLONE_PTE) {
379
380                         /* Walk the page-table down to the pte level */
381                         pte = pte_offset_kernel(pmd, addr);
382                         if (pte_none(*pte)) {
383                                 addr += PAGE_SIZE;
384                                 continue;
385                         }
386
387                         /* Only clone present PTEs */
388                         if (WARN_ON(!(pte_flags(*pte) & _PAGE_PRESENT)))
389                                 return;
390
391                         /* Allocate PTE in the user page-table */
392                         target_pte = pti_user_pagetable_walk_pte(addr);
393                         if (WARN_ON(!target_pte))
394                                 return;
395
396                         /* Set GLOBAL bit in both PTEs */
397                         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE))
398                                 *pte = pte_set_flags(*pte, _PAGE_GLOBAL);
399
400                         /* Clone the PTE */
401                         *target_pte = *pte;
402
403                         addr += PAGE_SIZE;
404
405                 } else {
406                         BUG();
407                 }
408         }
409 }
410
411 #ifdef CONFIG_X86_64
412 /*
413  * Clone a single p4d (i.e. a top-level entry on 4-level systems and a
414  * next-level entry on 5-level systems.
415  */
416 static void __init pti_clone_p4d(unsigned long addr)
417 {
418         p4d_t *kernel_p4d, *user_p4d;
419         pgd_t *kernel_pgd;
420
421         user_p4d = pti_user_pagetable_walk_p4d(addr);
422         if (!user_p4d)
423                 return;
424
425         kernel_pgd = pgd_offset_k(addr);
426         kernel_p4d = p4d_offset(kernel_pgd, addr);
427         *user_p4d = *kernel_p4d;
428 }
429
430 /*
431  * Clone the CPU_ENTRY_AREA and associated data into the user space visible
432  * page table.
433  */
434 static void __init pti_clone_user_shared(void)
435 {
436         unsigned int cpu;
437
438         pti_clone_p4d(CPU_ENTRY_AREA_BASE);
439
440         for_each_possible_cpu(cpu) {
441                 /*
442                  * The SYSCALL64 entry code needs to be able to find the
443                  * thread stack and needs one word of scratch space in which
444                  * to spill a register.  All of this lives in the TSS, in
445                  * the sp1 and sp2 slots.
446                  *
447                  * This is done for all possible CPUs during boot to ensure
448                  * that it's propagated to all mms.  If we were to add one of
449                  * these mappings during CPU hotplug, we would need to take
450                  * some measure to make sure that every mm that subsequently
451                  * ran on that CPU would have the relevant PGD entry in its
452                  * pagetables.  The usual vmalloc_fault() mechanism would not
453                  * work for page faults taken in entry_SYSCALL_64 before RSP
454                  * is set up.
455                  */
456
457                 unsigned long va = (unsigned long)&per_cpu(cpu_tss_rw, cpu);
458                 phys_addr_t pa = per_cpu_ptr_to_phys((void *)va);
459                 pte_t *target_pte;
460
461                 target_pte = pti_user_pagetable_walk_pte(va);
462                 if (WARN_ON(!target_pte))
463                         return;
464
465                 *target_pte = pfn_pte(pa >> PAGE_SHIFT, PAGE_KERNEL);
466         }
467 }
468
469 #else /* CONFIG_X86_64 */
470
471 /*
472  * On 32 bit PAE systems with 1GB of Kernel address space there is only
473  * one pgd/p4d for the whole kernel. Cloning that would map the whole
474  * address space into the user page-tables, making PTI useless. So clone
475  * the page-table on the PMD level to prevent that.
476  */
477 static void __init pti_clone_user_shared(void)
478 {
479         unsigned long start, end;
480
481         start = CPU_ENTRY_AREA_BASE;
482         end   = start + (PAGE_SIZE * CPU_ENTRY_AREA_PAGES);
483
484         pti_clone_pgtable(start, end, PTI_CLONE_PMD);
485 }
486 #endif /* CONFIG_X86_64 */
487
488 /*
489  * Clone the ESPFIX P4D into the user space visible page table
490  */
491 static void __init pti_setup_espfix64(void)
492 {
493 #ifdef CONFIG_X86_ESPFIX64
494         pti_clone_p4d(ESPFIX_BASE_ADDR);
495 #endif
496 }
497
498 /*
499  * Clone the populated PMDs of the entry and irqentry text and force it RO.
500  */
501 static void pti_clone_entry_text(void)
502 {
503         pti_clone_pgtable((unsigned long) __entry_text_start,
504                           (unsigned long) __irqentry_text_end,
505                           PTI_CLONE_PMD);
506 }
507
508 /*
509  * Global pages and PCIDs are both ways to make kernel TLB entries
510  * live longer, reduce TLB misses and improve kernel performance.
511  * But, leaving all kernel text Global makes it potentially accessible
512  * to Meltdown-style attacks which make it trivial to find gadgets or
513  * defeat KASLR.
514  *
515  * Only use global pages when it is really worth it.
516  */
517 static inline bool pti_kernel_image_global_ok(void)
518 {
519         /*
520          * Systems with PCIDs get litlle benefit from global
521          * kernel text and are not worth the downsides.
522          */
523         if (cpu_feature_enabled(X86_FEATURE_PCID))
524                 return false;
525
526         /*
527          * Only do global kernel image for pti=auto.  Do the most
528          * secure thing (not global) if pti=on specified.
529          */
530         if (pti_mode != PTI_AUTO)
531                 return false;
532
533         /*
534          * K8 may not tolerate the cleared _PAGE_RW on the userspace
535          * global kernel image pages.  Do the safe thing (disable
536          * global kernel image).  This is unlikely to ever be
537          * noticed because PTI is disabled by default on AMD CPUs.
538          */
539         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_K8))
540                 return false;
541
542         /*
543          * RANDSTRUCT derives its hardening benefits from the
544          * attacker's lack of knowledge about the layout of kernel
545          * data structures.  Keep the kernel image non-global in
546          * cases where RANDSTRUCT is in use to help keep the layout a
547          * secret.
548          */
549         if (IS_ENABLED(CONFIG_GCC_PLUGIN_RANDSTRUCT))
550                 return false;
551
552         return true;
553 }
554
555 /*
556  * This is the only user for these and it is not arch-generic
557  * like the other set_memory.h functions.  Just extern them.
558  */
559 extern int set_memory_nonglobal(unsigned long addr, int numpages);
560 extern int set_memory_global(unsigned long addr, int numpages);
561
562 /*
563  * For some configurations, map all of kernel text into the user page
564  * tables.  This reduces TLB misses, especially on non-PCID systems.
565  */
566 static void pti_clone_kernel_text(void)
567 {
568         /*
569          * rodata is part of the kernel image and is normally
570          * readable on the filesystem or on the web.  But, do not
571          * clone the areas past rodata, they might contain secrets.
572          */
573         unsigned long start = PFN_ALIGN(_text);
574         unsigned long end_clone  = (unsigned long)__end_rodata_aligned;
575         unsigned long end_global = PFN_ALIGN((unsigned long)__stop___ex_table);
576
577         if (!pti_kernel_image_global_ok())
578                 return;
579
580         pr_debug("mapping partial kernel image into user address space\n");
581
582         /*
583          * Note that this will undo _some_ of the work that
584          * pti_set_kernel_image_nonglobal() did to clear the
585          * global bit.
586          */
587         pti_clone_pgtable(start, end_clone, PTI_LEVEL_KERNEL_IMAGE);
588
589         /*
590          * pti_clone_pgtable() will set the global bit in any PMDs
591          * that it clones, but we also need to get any PTEs in
592          * the last level for areas that are not huge-page-aligned.
593          */
594
595         /* Set the global bit for normal non-__init kernel text: */
596         set_memory_global(start, (end_global - start) >> PAGE_SHIFT);
597 }
598
599 static void pti_set_kernel_image_nonglobal(void)
600 {
601         /*
602          * The identity map is created with PMDs, regardless of the
603          * actual length of the kernel.  We need to clear
604          * _PAGE_GLOBAL up to a PMD boundary, not just to the end
605          * of the image.
606          */
607         unsigned long start = PFN_ALIGN(_text);
608         unsigned long end = ALIGN((unsigned long)_end, PMD_PAGE_SIZE);
609
610         /*
611          * This clears _PAGE_GLOBAL from the entire kernel image.
612          * pti_clone_kernel_text() map put _PAGE_GLOBAL back for
613          * areas that are mapped to userspace.
614          */
615         set_memory_nonglobal(start, (end - start) >> PAGE_SHIFT);
616 }
617
618 /*
619  * Initialize kernel page table isolation
620  */
621 void __init pti_init(void)
622 {
623         if (!boot_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
624                 return;
625
626         pr_info("enabled\n");
627
628 #ifdef CONFIG_X86_32
629         /*
630          * We check for X86_FEATURE_PCID here. But the init-code will
631          * clear the feature flag on 32 bit because the feature is not
632          * supported on 32 bit anyway. To print the warning we need to
633          * check with cpuid directly again.
634          */
635         if (cpuid_ecx(0x1) & BIT(17)) {
636                 /* Use printk to work around pr_fmt() */
637                 printk(KERN_WARNING "\n");
638                 printk(KERN_WARNING "************************************************************\n");
639                 printk(KERN_WARNING "** WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING!  **\n");
640                 printk(KERN_WARNING "**                                                        **\n");
641                 printk(KERN_WARNING "** You are using 32-bit PTI on a 64-bit PCID-capable CPU. **\n");
642                 printk(KERN_WARNING "** Your performance will increase dramatically if you     **\n");
643                 printk(KERN_WARNING "** switch to a 64-bit kernel!                             **\n");
644                 printk(KERN_WARNING "**                                                        **\n");
645                 printk(KERN_WARNING "** WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING!  **\n");
646                 printk(KERN_WARNING "************************************************************\n");
647         }
648 #endif
649
650         pti_clone_user_shared();
651
652         /* Undo all global bits from the init pagetables in head_64.S: */
653         pti_set_kernel_image_nonglobal();
654         /* Replace some of the global bits just for shared entry text: */
655         pti_clone_entry_text();
656         pti_setup_espfix64();
657         pti_setup_vsyscall();
658 }
659
660 /*
661  * Finalize the kernel mappings in the userspace page-table. Some of the
662  * mappings for the kernel image might have changed since pti_init()
663  * cloned them. This is because parts of the kernel image have been
664  * mapped RO and/or NX.  These changes need to be cloned again to the
665  * userspace page-table.
666  */
667 void pti_finalize(void)
668 {
669         /*
670          * We need to clone everything (again) that maps parts of the
671          * kernel image.
672          */
673         pti_clone_entry_text();
674         pti_clone_kernel_text();
675
676         debug_checkwx_user();
677 }