arch/x86/mm/pti.c

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