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   1 iTLB multihit
   2 =============
   3
   4 iTLB multihit is an erratum where some processors may incur a machine check
   5 error, possibly resulting in an unrecoverable CPU lockup, when an
   6 instruction fetch hits multiple entries in the instruction TLB. This can
   7 occur when the page size is changed along with either the physical address
   8 or cache type. A malicious guest running on a virtualized system can
   9 exploit this erratum to perform a denial of service attack.
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  11
  12 Affected processors
  13 -------------------
  14
  15 Variations of this erratum are present on most Intel Core and Xeon processor
  16 models. The erratum is not present on:
  17
  18    - non-Intel processors
  19
  20    - Some Atoms (Airmont, Bonnell, Goldmont, GoldmontPlus, Saltwell, Silvermont)
  21
  22    - Intel processors that have the PSCHANGE_MC_NO bit set in the
  23      IA32_ARCH_CAPABILITIES MSR.
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  25
  26 Related CVEs
  27 ------------
  28
  29 The following CVE entry is related to this issue:
  30
  31    ==============  =================================================
  32    CVE-2018-12207  Machine Check Error Avoidance on Page Size Change
  33    ==============  =================================================
  34
  35
  36 Problem
  37 -------
  38
  39 Privileged software, including OS and virtual machine managers (VMM), are in
  40 charge of memory management. A key component in memory management is the control
  41 of the page tables. Modern processors use virtual memory, a technique that creates
  42 the illusion of a very large memory for processors. This virtual space is split
  43 into pages of a given size. Page tables translate virtual addresses to physical
  44 addresses.
  45
  46 To reduce latency when performing a virtual to physical address translation,
  47 processors include a structure, called TLB, that caches recent translations.
  48 There are separate TLBs for instruction (iTLB) and data (dTLB).
  49
  50 Under this errata, instructions are fetched from a linear address translated
  51 using a 4 KB translation cached in the iTLB. Privileged software modifies the
  52 paging structure so that the same linear address using large page size (2 MB, 4
  53 MB, 1 GB) with a different physical address or memory type.  After the page
  54 structure modification but before the software invalidates any iTLB entries for
  55 the linear address, a code fetch that happens on the same linear address may
  56 cause a machine-check error which can result in a system hang or shutdown.
  57
  58
  59 Attack scenarios
  60 ----------------
  61
  62 Attacks against the iTLB multihit erratum can be mounted from malicious
  63 guests in a virtualized system.
  64
  65
  66 iTLB multihit system information
  67 --------------------------------
  68
  69 The Linux kernel provides a sysfs interface to enumerate the current iTLB
  70 multihit status of the system:whether the system is vulnerable and which
  71 mitigations are active. The relevant sysfs file is:
  72
  73 /sys/devices/system/cpu/vulnerabilities/itlb_multihit
  74
  75 The possible values in this file are:
  76
  77 .. list-table::
  78
  79      * - Not affected
  80        - The processor is not vulnerable.
  81      * - KVM: Mitigation: Split huge pages
  82        - Software changes mitigate this issue.
  83      * - KVM: Mitigation: VMX unsupported
  84        - KVM is not vulnerable because Virtual Machine Extensions (VMX) is not supported.
  85      * - KVM: Mitigation: VMX disabled
  86        - KVM is not vulnerable because Virtual Machine Extensions (VMX) is disabled.
  87      * - KVM: Vulnerable
  88        - The processor is vulnerable, but no mitigation enabled
  89
  90
  91 Enumeration of the erratum
  92 --------------------------------
  93
  94 A new bit has been allocated in the IA32_ARCH_CAPABILITIES (PSCHANGE_MC_NO) msr
  95 and will be set on CPU's which are mitigated against this issue.
  96
  97    =======================================   ===========   ===============================
  98    IA32_ARCH_CAPABILITIES MSR                Not present   Possibly vulnerable,check model
  99    IA32_ARCH_CAPABILITIES[PSCHANGE_MC_NO]    '0'           Likely vulnerable,check model
 100    IA32_ARCH_CAPABILITIES[PSCHANGE_MC_NO]    '1'           Not vulnerable
 101    =======================================   ===========   ===============================
 102
 103
 104 Mitigation mechanism
 105 -------------------------
 106
 107 This erratum can be mitigated by restricting the use of large page sizes to
 108 non-executable pages.  This forces all iTLB entries to be 4K, and removes
 109 the possibility of multiple hits.
 110
 111 In order to mitigate the vulnerability, KVM initially marks all huge pages
 112 as non-executable. If the guest attempts to execute in one of those pages,
 113 the page is broken down into 4K pages, which are then marked executable.
 114
 115 If EPT is disabled or not available on the host, KVM is in control of TLB
 116 flushes and the problematic situation cannot happen.  However, the shadow
 117 EPT paging mechanism used by nested virtualization is vulnerable, because
 118 the nested guest can trigger multiple iTLB hits by modifying its own
 119 (non-nested) page tables.  For simplicity, KVM will make large pages
 120 non-executable in all shadow paging modes.
 121
 122 Mitigation control on the kernel command line and KVM - module parameter
 123 ------------------------------------------------------------------------
 124
 125 The KVM hypervisor mitigation mechanism for marking huge pages as
 126 non-executable can be controlled with a module parameter "nx_huge_pages=".
 127 The kernel command line allows to control the iTLB multihit mitigations at
 128 boot time with the option "kvm.nx_huge_pages=".
 129
 130 The valid arguments for these options are:
 131
 132   ==========  ================================================================
 133   force       Mitigation is enabled. In this case, the mitigation implements
 134               non-executable huge pages in Linux kernel KVM module. All huge
 135               pages in the EPT are marked as non-executable.
 136               If a guest attempts to execute in one of those pages, the page is
 137               broken down into 4K pages, which are then marked executable.
 138
 139   off         Mitigation is disabled.
 140
 141   auto        Enable mitigation only if the platform is affected and the kernel
 142               was not booted with the "mitigations=off" command line parameter.
 143               This is the default option.
 144   ==========  ================================================================
 145
 146
 147 Mitigation selection guide
 148 --------------------------
 149
 150 1. No virtualization in use
 151 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 152
 153    The system is protected by the kernel unconditionally and no further
 154    action is required.
 155
 156 2. Virtualization with trusted guests
 157 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 158
 159    If the guest comes from a trusted source, you may assume that the guest will
 160    not attempt to maliciously exploit these errata and no further action is
 161    required.
 162
 163 3. Virtualization with untrusted guests
 164 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 165    If the guest comes from an untrusted source, the guest host kernel will need
 166    to apply iTLB multihit mitigation via the kernel command line or kvm
 167    module parameter.