3020ee3d7a6391061b503500b3ae2c36b51ca07a
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / dev-tools / kasan.rst
1 The Kernel Address Sanitizer (KASAN)
2 ====================================
3
4 Overview
5 --------
6
7 KernelAddressSANitizer (KASAN) is a dynamic memory safety error detector
8 designed to find out-of-bound and use-after-free bugs. KASAN has three modes:
9
10 1. generic KASAN (similar to userspace ASan),
11 2. software tag-based KASAN (similar to userspace HWASan),
12 3. hardware tag-based KASAN (based on hardware memory tagging).
13
14 Generic KASAN is mainly used for debugging due to a large memory overhead.
15 Software tag-based KASAN can be used for dogfood testing as it has a lower
16 memory overhead that allows using it with real workloads. Hardware tag-based
17 KASAN comes with low memory and performance overheads and, therefore, can be
18 used in production. Either as an in-field memory bug detector or as a security
19 mitigation.
20
21 Software KASAN modes (#1 and #2) use compile-time instrumentation to insert
22 validity checks before every memory access and, therefore, require a compiler
23 version that supports that.
24
25 Generic KASAN is supported in GCC and Clang. With GCC, it requires version
26 8.3.0 or later. Any supported Clang version is compatible, but detection of
27 out-of-bounds accesses for global variables is only supported since Clang 11.
28
29 Software tag-based KASAN mode is only supported in Clang.
30
31 The hardware KASAN mode (#3) relies on hardware to perform the checks but
32 still requires a compiler version that supports memory tagging instructions.
33 This mode is supported in GCC 10+ and Clang 11+.
34
35 Both software KASAN modes work with SLUB and SLAB memory allocators,
36 while the hardware tag-based KASAN currently only supports SLUB.
37
38 Currently, generic KASAN is supported for the x86_64, arm, arm64, xtensa, s390,
39 and riscv architectures, and tag-based KASAN modes are supported only for arm64.
40
41 Usage
42 -----
43
44 To enable KASAN, configure the kernel with::
45
46           CONFIG_KASAN=y
47
48 and choose between ``CONFIG_KASAN_GENERIC`` (to enable generic KASAN),
49 ``CONFIG_KASAN_SW_TAGS`` (to enable software tag-based KASAN), and
50 ``CONFIG_KASAN_HW_TAGS`` (to enable hardware tag-based KASAN).
51
52 For software modes, also choose between ``CONFIG_KASAN_OUTLINE`` and
53 ``CONFIG_KASAN_INLINE``. Outline and inline are compiler instrumentation types.
54 The former produces a smaller binary while the latter is 1.1-2 times faster.
55
56 To include alloc and free stack traces of affected slab objects into reports,
57 enable ``CONFIG_STACKTRACE``. To include alloc and free stack traces of affected
58 physical pages, enable ``CONFIG_PAGE_OWNER`` and boot with ``page_owner=on``.
59
60 Error reports
61 ~~~~~~~~~~~~~
62
63 A typical KASAN report looks like this::
64
65     ==================================================================
66     BUG: KASAN: slab-out-of-bounds in kmalloc_oob_right+0xa8/0xbc [test_kasan]
67     Write of size 1 at addr ffff8801f44ec37b by task insmod/2760
68
69     CPU: 1 PID: 2760 Comm: insmod Not tainted 4.19.0-rc3+ #698
70     Hardware name: QEMU Standard PC (i440FX + PIIX, 1996), BIOS 1.10.2-1 04/01/2014
71     Call Trace:
72      dump_stack+0x94/0xd8
73      print_address_description+0x73/0x280
74      kasan_report+0x144/0x187
75      __asan_report_store1_noabort+0x17/0x20
76      kmalloc_oob_right+0xa8/0xbc [test_kasan]
77      kmalloc_tests_init+0x16/0x700 [test_kasan]
78      do_one_initcall+0xa5/0x3ae
79      do_init_module+0x1b6/0x547
80      load_module+0x75df/0x8070
81      __do_sys_init_module+0x1c6/0x200
82      __x64_sys_init_module+0x6e/0xb0
83      do_syscall_64+0x9f/0x2c0
84      entry_SYSCALL_64_after_hwframe+0x44/0xa9
85     RIP: 0033:0x7f96443109da
86     RSP: 002b:00007ffcf0b51b08 EFLAGS: 00000202 ORIG_RAX: 00000000000000af
87     RAX: ffffffffffffffda RBX: 000055dc3ee521a0 RCX: 00007f96443109da
88     RDX: 00007f96445cff88 RSI: 0000000000057a50 RDI: 00007f9644992000
89     RBP: 000055dc3ee510b0 R08: 0000000000000003 R09: 0000000000000000
90     R10: 00007f964430cd0a R11: 0000000000000202 R12: 00007f96445cff88
91     R13: 000055dc3ee51090 R14: 0000000000000000 R15: 0000000000000000
92
93     Allocated by task 2760:
94      save_stack+0x43/0xd0
95      kasan_kmalloc+0xa7/0xd0
96      kmem_cache_alloc_trace+0xe1/0x1b0
97      kmalloc_oob_right+0x56/0xbc [test_kasan]
98      kmalloc_tests_init+0x16/0x700 [test_kasan]
99      do_one_initcall+0xa5/0x3ae
100      do_init_module+0x1b6/0x547
101      load_module+0x75df/0x8070
102      __do_sys_init_module+0x1c6/0x200
103      __x64_sys_init_module+0x6e/0xb0
104      do_syscall_64+0x9f/0x2c0
105      entry_SYSCALL_64_after_hwframe+0x44/0xa9
106
107     Freed by task 815:
108      save_stack+0x43/0xd0
109      __kasan_slab_free+0x135/0x190
110      kasan_slab_free+0xe/0x10
111      kfree+0x93/0x1a0
112      umh_complete+0x6a/0xa0
113      call_usermodehelper_exec_async+0x4c3/0x640
114      ret_from_fork+0x35/0x40
115
116     The buggy address belongs to the object at ffff8801f44ec300
117      which belongs to the cache kmalloc-128 of size 128
118     The buggy address is located 123 bytes inside of
119      128-byte region [ffff8801f44ec300, ffff8801f44ec380)
120     The buggy address belongs to the page:
121     page:ffffea0007d13b00 count:1 mapcount:0 mapping:ffff8801f7001640 index:0x0
122     flags: 0x200000000000100(slab)
123     raw: 0200000000000100 ffffea0007d11dc0 0000001a0000001a ffff8801f7001640
124     raw: 0000000000000000 0000000080150015 00000001ffffffff 0000000000000000
125     page dumped because: kasan: bad access detected
126
127     Memory state around the buggy address:
128      ffff8801f44ec200: fc fc fc fc fc fc fc fc fb fb fb fb fb fb fb fb
129      ffff8801f44ec280: fb fb fb fb fb fb fb fb fc fc fc fc fc fc fc fc
130     >ffff8801f44ec300: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 03
131                                                                     ^
132      ffff8801f44ec380: fc fc fc fc fc fc fc fc fb fb fb fb fb fb fb fb
133      ffff8801f44ec400: fb fb fb fb fb fb fb fb fc fc fc fc fc fc fc fc
134     ==================================================================
135
136 The report header summarizes what kind of bug happened and what kind of access
137 caused it. It is followed by a stack trace of the bad access, a stack trace of
138 where the accessed memory was allocated (in case a slab object was accessed),
139 and a stack trace of where the object was freed (in case of a use-after-free
140 bug report). Next comes a description of the accessed slab object and the
141 information about the accessed memory page.
142
143 In the end, the report shows the memory state around the accessed address.
144 Internally, KASAN tracks memory state separately for each memory granule, which
145 is either 8 or 16 aligned bytes depending on KASAN mode. Each number in the
146 memory state section of the report shows the state of one of the memory
147 granules that surround the accessed address.
148
149 For generic KASAN, the size of each memory granule is 8. The state of each
150 granule is encoded in one shadow byte. Those 8 bytes can be accessible,
151 partially accessible, freed, or be a part of a redzone. KASAN uses the following
152 encoding for each shadow byte: 00 means that all 8 bytes of the corresponding
153 memory region are accessible; number N (1 <= N <= 7) means that the first N
154 bytes are accessible, and other (8 - N) bytes are not; any negative value
155 indicates that the entire 8-byte word is inaccessible. KASAN uses different
156 negative values to distinguish between different kinds of inaccessible memory
157 like redzones or freed memory (see mm/kasan/kasan.h).
158
159 In the report above, the arrow points to the shadow byte ``03``, which means
160 that the accessed address is partially accessible.
161
162 For tag-based KASAN modes, this last report section shows the memory tags around
163 the accessed address (see the `Implementation details`_ section).
164
165 Note that KASAN bug titles (like ``slab-out-of-bounds`` or ``use-after-free``)
166 are best-effort: KASAN prints the most probable bug type based on the limited
167 information it has. The actual type of the bug might be different.
168
169 Generic KASAN also reports up to two auxiliary call stack traces. These stack
170 traces point to places in code that interacted with the object but that are not
171 directly present in the bad access stack trace. Currently, this includes
172 call_rcu() and workqueue queuing.
173
174 Boot parameters
175 ~~~~~~~~~~~~~~~
176
177 Hardware tag-based KASAN mode (see the section about various modes below) is
178 intended for use in production as a security mitigation. Therefore, it supports
179 boot parameters that allow to disable KASAN competely or otherwise control
180 particular KASAN features.
181
182 - ``kasan=off`` or ``=on`` controls whether KASAN is enabled (default: ``on``).
183
184 - ``kasan.mode=sync`` or ``=async`` controls whether KASAN is configured in
185   synchronous or asynchronous mode of execution (default: ``sync``).
186   Synchronous mode: a bad access is detected immediately when a tag
187   check fault occurs.
188   Asynchronous mode: a bad access detection is delayed. When a tag check
189   fault occurs, the information is stored in hardware (in the TFSR_EL1
190   register for arm64). The kernel periodically checks the hardware and
191   only reports tag faults during these checks.
192
193 - ``kasan.stacktrace=off`` or ``=on`` disables or enables alloc and free stack
194   traces collection (default: ``on``).
195
196 - ``kasan.fault=report`` or ``=panic`` controls whether to only print a KASAN
197   report or also panic the kernel (default: ``report``). Note, that tag
198   checking gets disabled after the first reported bug.
199
200 Implementation details
201 ----------------------
202
203 Generic KASAN
204 ~~~~~~~~~~~~~
205
206 From a high level perspective, KASAN's approach to memory error detection is
207 similar to that of kmemcheck: use shadow memory to record whether each byte of
208 memory is safe to access, and use compile-time instrumentation to insert checks
209 of shadow memory on each memory access.
210
211 Generic KASAN dedicates 1/8th of kernel memory to its shadow memory (e.g. 16TB
212 to cover 128TB on x86_64) and uses direct mapping with a scale and offset to
213 translate a memory address to its corresponding shadow address.
214
215 Here is the function which translates an address to its corresponding shadow
216 address::
217
218     static inline void *kasan_mem_to_shadow(const void *addr)
219     {
220         return ((unsigned long)addr >> KASAN_SHADOW_SCALE_SHIFT)
221                 + KASAN_SHADOW_OFFSET;
222     }
223
224 where ``KASAN_SHADOW_SCALE_SHIFT = 3``.
225
226 Compile-time instrumentation is used to insert memory access checks. Compiler
227 inserts function calls (__asan_load*(addr), __asan_store*(addr)) before each
228 memory access of size 1, 2, 4, 8 or 16. These functions check whether memory
229 access is valid or not by checking corresponding shadow memory.
230
231 GCC 5.0 has possibility to perform inline instrumentation. Instead of making
232 function calls GCC directly inserts the code to check the shadow memory.
233 This option significantly enlarges kernel but it gives x1.1-x2 performance
234 boost over outline instrumented kernel.
235
236 Generic KASAN is the only mode that delays the reuse of freed object via
237 quarantine (see mm/kasan/quarantine.c for implementation).
238
239 Software tag-based KASAN
240 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
241
242 Software tag-based KASAN requires software memory tagging support in the form
243 of HWASan-like compiler instrumentation (see HWASan documentation for details).
244
245 Software tag-based KASAN is currently only implemented for arm64 architecture.
246
247 Software tag-based KASAN uses the Top Byte Ignore (TBI) feature of arm64 CPUs
248 to store a pointer tag in the top byte of kernel pointers. Like generic KASAN
249 it uses shadow memory to store memory tags associated with each 16-byte memory
250 cell (therefore it dedicates 1/16th of the kernel memory for shadow memory).
251
252 On each memory allocation software tag-based KASAN generates a random tag, tags
253 the allocated memory with this tag, and embeds this tag into the returned
254 pointer.
255
256 Software tag-based KASAN uses compile-time instrumentation to insert checks
257 before each memory access. These checks make sure that tag of the memory that
258 is being accessed is equal to tag of the pointer that is used to access this
259 memory. In case of a tag mismatch software tag-based KASAN prints a bug report.
260
261 Software tag-based KASAN also has two instrumentation modes (outline, that
262 emits callbacks to check memory accesses; and inline, that performs the shadow
263 memory checks inline). With outline instrumentation mode, a bug report is
264 simply printed from the function that performs the access check. With inline
265 instrumentation a brk instruction is emitted by the compiler, and a dedicated
266 brk handler is used to print bug reports.
267
268 Software tag-based KASAN uses 0xFF as a match-all pointer tag (accesses through
269 pointers with 0xFF pointer tag aren't checked). The value 0xFE is currently
270 reserved to tag freed memory regions.
271
272 Software tag-based KASAN currently only supports tagging of
273 kmem_cache_alloc/kmalloc and page_alloc memory.
274
275 Hardware tag-based KASAN
276 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
277
278 Hardware tag-based KASAN is similar to the software mode in concept, but uses
279 hardware memory tagging support instead of compiler instrumentation and
280 shadow memory.
281
282 Hardware tag-based KASAN is currently only implemented for arm64 architecture
283 and based on both arm64 Memory Tagging Extension (MTE) introduced in ARMv8.5
284 Instruction Set Architecture, and Top Byte Ignore (TBI).
285
286 Special arm64 instructions are used to assign memory tags for each allocation.
287 Same tags are assigned to pointers to those allocations. On every memory
288 access, hardware makes sure that tag of the memory that is being accessed is
289 equal to tag of the pointer that is used to access this memory. In case of a
290 tag mismatch a fault is generated and a report is printed.
291
292 Hardware tag-based KASAN uses 0xFF as a match-all pointer tag (accesses through
293 pointers with 0xFF pointer tag aren't checked). The value 0xFE is currently
294 reserved to tag freed memory regions.
295
296 Hardware tag-based KASAN currently only supports tagging of
297 kmem_cache_alloc/kmalloc and page_alloc memory.
298
299 If the hardware doesn't support MTE (pre ARMv8.5), hardware tag-based KASAN
300 won't be enabled. In this case all boot parameters are ignored.
301
302 Note, that enabling CONFIG_KASAN_HW_TAGS always results in in-kernel TBI being
303 enabled. Even when kasan.mode=off is provided, or when the hardware doesn't
304 support MTE (but supports TBI).
305
306 Hardware tag-based KASAN only reports the first found bug. After that MTE tag
307 checking gets disabled.
308
309 Shadow memory
310 -------------
311
312 The kernel maps memory in a number of different parts of the address
313 space. This poses something of a problem for KASAN, which requires
314 that all addresses accessed by instrumented code have a valid shadow
315 region.
316
317 The range of kernel virtual addresses is large: there is not enough
318 real memory to support a real shadow region for every address that
319 could be accessed by the kernel.
320
321 Default behaviour
322 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
323
324 By default, architectures only map real memory over the shadow region
325 for the linear mapping (and potentially other small areas). For all
326 other areas - such as vmalloc and vmemmap space - a single read-only
327 page is mapped over the shadow area. This read-only shadow page
328 declares all memory accesses as permitted.
329
330 This presents a problem for modules: they do not live in the linear
331 mapping, but in a dedicated module space. By hooking in to the module
332 allocator, KASAN can temporarily map real shadow memory to cover
333 them. This allows detection of invalid accesses to module globals, for
334 example.
335
336 This also creates an incompatibility with ``VMAP_STACK``: if the stack
337 lives in vmalloc space, it will be shadowed by the read-only page, and
338 the kernel will fault when trying to set up the shadow data for stack
339 variables.
340
341 CONFIG_KASAN_VMALLOC
342 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
343
344 With ``CONFIG_KASAN_VMALLOC``, KASAN can cover vmalloc space at the
345 cost of greater memory usage. Currently this is only supported on x86.
346
347 This works by hooking into vmalloc and vmap, and dynamically
348 allocating real shadow memory to back the mappings.
349
350 Most mappings in vmalloc space are small, requiring less than a full
351 page of shadow space. Allocating a full shadow page per mapping would
352 therefore be wasteful. Furthermore, to ensure that different mappings
353 use different shadow pages, mappings would have to be aligned to
354 ``KASAN_GRANULE_SIZE * PAGE_SIZE``.
355
356 Instead, KASAN shares backing space across multiple mappings. It allocates
357 a backing page when a mapping in vmalloc space uses a particular page
358 of the shadow region. This page can be shared by other vmalloc
359 mappings later on.
360
361 KASAN hooks into the vmap infrastructure to lazily clean up unused shadow
362 memory.
363
364 To avoid the difficulties around swapping mappings around, KASAN expects
365 that the part of the shadow region that covers the vmalloc space will
366 not be covered by the early shadow page, but will be left
367 unmapped. This will require changes in arch-specific code.
368
369 This allows ``VMAP_STACK`` support on x86, and can simplify support of
370 architectures that do not have a fixed module region.
371
372 For developers
373 --------------
374
375 Ignoring accesses
376 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
377
378 Software KASAN modes use compiler instrumentation to insert validity checks.
379 Such instrumentation might be incompatible with some part of the kernel, and
380 therefore needs to be disabled. To disable instrumentation for specific files
381 or directories, add a line similar to the following to the respective kernel
382 Makefile:
383
384 - For a single file (e.g. main.o)::
385
386     KASAN_SANITIZE_main.o := n
387
388 - For all files in one directory::
389
390     KASAN_SANITIZE := n
391
392
393 Tests
394 ~~~~~
395
396 KASAN tests consist of two parts:
397
398 1. Tests that are integrated with the KUnit Test Framework. Enabled with
399 ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST``. These tests can be run and partially verified
400 automatically in a few different ways, see the instructions below.
401
402 2. Tests that are currently incompatible with KUnit. Enabled with
403 ``CONFIG_KASAN_MODULE_TEST`` and can only be run as a module. These tests can
404 only be verified manually, by loading the kernel module and inspecting the
405 kernel log for KASAN reports.
406
407 Each KUnit-compatible KASAN test prints a KASAN report if an error is detected.
408 Then the test prints its number and status.
409
410 When a test passes::
411
412         ok 28 - kmalloc_double_kzfree
413
414 When a test fails due to a failed ``kmalloc``::
415
416         # kmalloc_large_oob_right: ASSERTION FAILED at lib/test_kasan.c:163
417         Expected ptr is not null, but is
418         not ok 4 - kmalloc_large_oob_right
419
420 When a test fails due to a missing KASAN report::
421
422         # kmalloc_double_kzfree: EXPECTATION FAILED at lib/test_kasan.c:629
423         Expected kasan_data->report_expected == kasan_data->report_found, but
424         kasan_data->report_expected == 1
425         kasan_data->report_found == 0
426         not ok 28 - kmalloc_double_kzfree
427
428 At the end the cumulative status of all KASAN tests is printed. On success::
429
430         ok 1 - kasan
431
432 Or, if one of the tests failed::
433
434         not ok 1 - kasan
435
436
437 There are a few ways to run KUnit-compatible KASAN tests.
438
439 1. Loadable module
440
441 With ``CONFIG_KUNIT`` enabled, ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST`` can be built as
442 a loadable module and run on any architecture that supports KASAN by loading
443 the module with insmod or modprobe. The module is called ``test_kasan``.
444
445 2. Built-In
446
447 With ``CONFIG_KUNIT`` built-in, ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST`` can be built-in
448 on any architecure that supports KASAN. These and any other KUnit tests enabled
449 will run and print the results at boot as a late-init call.
450
451 3. Using kunit_tool
452
453 With ``CONFIG_KUNIT`` and ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST`` built-in, it's also
454 possible use ``kunit_tool`` to see the results of these and other KUnit tests
455 in a more readable way. This will not print the KASAN reports of the tests that
456 passed. Use `KUnit documentation <https://www.kernel.org/doc/html/latest/dev-tools/kunit/index.html>`_
457 for more up-to-date information on ``kunit_tool``.
458
459 .. _KUnit: https://www.kernel.org/doc/html/latest/dev-tools/kunit/index.html