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 (!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 = pti_user_pagetable_walk_p4d(address);
 199         pud_t *pud;
 200
 201         BUILD_BUG_ON(p4d_large(*p4d) != 0);
 202         if (p4d_none(*p4d)) {
 203                 unsigned long new_pud_page = __get_free_page(gfp);
 204                 if (!new_pud_page)
 205                         return NULL;
 206
 207                 set_p4d(p4d, __p4d(_KERNPG_TABLE | __pa(new_pud_page)));
 208         }
 209
 210         pud = pud_offset(p4d, address);
 211         /* The user page tables do not use large mappings: */
 212         if (pud_large(*pud)) {
 213                 WARN_ON(1);
 214                 return NULL;
 215         }
 216         if (pud_none(*pud)) {
 217                 unsigned long new_pmd_page = __get_free_page(gfp);
 218                 if (!new_pmd_page)
 219                         return NULL;
 220
 221                 set_pud(pud, __pud(_KERNPG_TABLE | __pa(new_pmd_page)));
 222         }
 223
 224         return pmd_offset(pud, address);
 225 }
 226
 227 #ifdef CONFIG_X86_VSYSCALL_EMULATION
 228 /*
 229  * Walk the shadow copy of the page tables (optionally) trying to allocate
 230  * page table pages on the way down.  Does not support large pages.
 231  *
 232  * Note: this is only used when mapping *new* kernel data into the
 233  * user/shadow page tables.  It is never used for userspace data.
 234  *
 235  * Returns a pointer to a PTE on success, or NULL on failure.
 236  */
 237 static __init pte_t *pti_user_pagetable_walk_pte(unsigned long address)
 238 {
 239         gfp_t gfp = (GFP_KERNEL | __GFP_NOTRACK | __GFP_ZERO);
 240         pmd_t *pmd = pti_user_pagetable_walk_pmd(address);
 241         pte_t *pte;
 242
 243         /* We can't do anything sensible if we hit a large mapping. */
 244         if (pmd_large(*pmd)) {
 245                 WARN_ON(1);
 246                 return NULL;
 247         }
 248
 249         if (pmd_none(*pmd)) {
 250                 unsigned long new_pte_page = __get_free_page(gfp);
 251                 if (!new_pte_page)
 252                         return NULL;
 253
 254                 set_pmd(pmd, __pmd(_KERNPG_TABLE | __pa(new_pte_page)));
 255         }
 256
 257         pte = pte_offset_kernel(pmd, address);
 258         if (pte_flags(*pte) & _PAGE_USER) {
 259                 WARN_ONCE(1, "attempt to walk to user pte\n");
 260                 return NULL;
 261         }
 262         return pte;
 263 }
 264
 265 static void __init pti_setup_vsyscall(void)
 266 {
 267         pte_t *pte, *target_pte;
 268         unsigned int level;
 269
 270         pte = lookup_address(VSYSCALL_ADDR, &level);
 271         if (!pte || WARN_ON(level != PG_LEVEL_4K) || pte_none(*pte))
 272                 return;
 273
 274         target_pte = pti_user_pagetable_walk_pte(VSYSCALL_ADDR);
 275         if (WARN_ON(!target_pte))
 276                 return;
 277
 278         *target_pte = *pte;
 279         set_vsyscall_pgtable_user_bits(kernel_to_user_pgdp(swapper_pg_dir));
 280 }
 281 #else
 282 static void __init pti_setup_vsyscall(void) { }
 283 #endif
 284
 285 static void
 286 pti_clone_pmds(unsigned long start, unsigned long end, pmdval_t clear)
 287 {
 288         unsigned long addr;
 289
 290         /*
 291          * Clone the populated PMDs which cover start to end. These PMD areas
 292          * can have holes.
 293          */
 294         for (addr = start; addr < end; addr += PMD_SIZE) {
 295                 pmd_t *pmd, *target_pmd;
 296                 pgd_t *pgd;
 297                 p4d_t *p4d;
 298                 pud_t *pud;
 299
 300                 /* Overflow check */
 301                 if (addr < start)
 302                         break;
 303
 304                 pgd = pgd_offset_k(addr);
 305                 if (WARN_ON(pgd_none(*pgd)))
 306                         return;
 307                 p4d = p4d_offset(pgd, addr);
 308                 if (WARN_ON(p4d_none(*p4d)))
 309                         return;
 310                 pud = pud_offset(p4d, addr);
 311                 if (pud_none(*pud))
 312                         continue;
 313                 pmd = pmd_offset(pud, addr);
 314                 if (pmd_none(*pmd))
 315                         continue;
 316
 317                 target_pmd = pti_user_pagetable_walk_pmd(addr);
 318                 if (WARN_ON(!target_pmd))
 319                         return;
 320
 321                 /*
 322                  * Only clone present PMDs.  This ensures only setting
 323                  * _PAGE_GLOBAL on present PMDs.  This should only be
 324                  * called on well-known addresses anyway, so a non-
 325                  * present PMD would be a surprise.
 326                  */
 327                 if (WARN_ON(!(pmd_flags(*pmd) & _PAGE_PRESENT)))
 328                         return;
 329
 330                 /*
 331                  * Setting 'target_pmd' below creates a mapping in both
 332                  * the user and kernel page tables.  It is effectively
 333                  * global, so set it as global in both copies.  Note:
 334                  * the X86_FEATURE_PGE check is not _required_ because
 335                  * the CPU ignores _PAGE_GLOBAL when PGE is not
 336                  * supported.  The check keeps consistentency with
 337                  * code that only set this bit when supported.
 338                  */
 339                 if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE))
 340                         *pmd = pmd_set_flags(*pmd, _PAGE_GLOBAL);
 341
 342                 /*
 343                  * Copy the PMD.  That is, the kernelmode and usermode
 344                  * tables will share the last-level page tables of this
 345                  * address range
 346                  */
 347                 *target_pmd = pmd_clear_flags(*pmd, clear);
 348         }
 349 }
 350
 351 #ifdef CONFIG_X86_64
 352 /*
 353  * Clone a single p4d (i.e. a top-level entry on 4-level systems and a
 354  * next-level entry on 5-level systems.
 355  */
 356 static void __init pti_clone_p4d(unsigned long addr)
 357 {
 358         p4d_t *kernel_p4d, *user_p4d;
 359         pgd_t *kernel_pgd;
 360
 361         user_p4d = pti_user_pagetable_walk_p4d(addr);
 362         kernel_pgd = pgd_offset_k(addr);
 363         kernel_p4d = p4d_offset(kernel_pgd, addr);
 364         *user_p4d = *kernel_p4d;
 365 }
 366
 367 /*
 368  * Clone the CPU_ENTRY_AREA into the user space visible page table.
 369  */
 370 static void __init pti_clone_user_shared(void)
 371 {
 372         pti_clone_p4d(CPU_ENTRY_AREA_BASE);
 373 }
 374
 375 #else /* CONFIG_X86_64 */
 376
 377 /*
 378  * On 32 bit PAE systems with 1GB of Kernel address space there is only
 379  * one pgd/p4d for the whole kernel. Cloning that would map the whole
 380  * address space into the user page-tables, making PTI useless. So clone
 381  * the page-table on the PMD level to prevent that.
 382  */
 383 static void __init pti_clone_user_shared(void)
 384 {
 385         unsigned long start, end;
 386
 387         start = CPU_ENTRY_AREA_BASE;
 388         end   = start + (PAGE_SIZE * CPU_ENTRY_AREA_PAGES);
 389
 390         pti_clone_pmds(start, end, 0);
 391 }
 392 #endif /* CONFIG_X86_64 */
 393
 394 /*
 395  * Clone the ESPFIX P4D into the user space visible page table
 396  */
 397 static void __init pti_setup_espfix64(void)
 398 {
 399 #ifdef CONFIG_X86_ESPFIX64
 400         pti_clone_p4d(ESPFIX_BASE_ADDR);
 401 #endif
 402 }
 403
 404 /*
 405  * Clone the populated PMDs of the entry and irqentry text and force it RO.
 406  */
 407 static void pti_clone_entry_text(void)
 408 {
 409         pti_clone_pmds((unsigned long) __entry_text_start,
 410                         (unsigned long) __irqentry_text_end,
 411                        _PAGE_RW);
 412 }
 413
 414 /*
 415  * Global pages and PCIDs are both ways to make kernel TLB entries
 416  * live longer, reduce TLB misses and improve kernel performance.
 417  * But, leaving all kernel text Global makes it potentially accessible
 418  * to Meltdown-style attacks which make it trivial to find gadgets or
 419  * defeat KASLR.
 420  *
 421  * Only use global pages when it is really worth it.
 422  */
 423 static inline bool pti_kernel_image_global_ok(void)
 424 {
 425         /*
 426          * Systems with PCIDs get litlle benefit from global
 427          * kernel text and are not worth the downsides.
 428          */
 429         if (cpu_feature_enabled(X86_FEATURE_PCID))
 430                 return false;
 431
 432         /*
 433          * Only do global kernel image for pti=auto.  Do the most
 434          * secure thing (not global) if pti=on specified.
 435          */
 436         if (pti_mode != PTI_AUTO)
 437                 return false;
 438
 439         /*
 440          * K8 may not tolerate the cleared _PAGE_RW on the userspace
 441          * global kernel image pages.  Do the safe thing (disable
 442          * global kernel image).  This is unlikely to ever be
 443          * noticed because PTI is disabled by default on AMD CPUs.
 444          */
 445         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_K8))
 446                 return false;
 447
 448         /*
 449          * RANDSTRUCT derives its hardening benefits from the
 450          * attacker's lack of knowledge about the layout of kernel
 451          * data structures.  Keep the kernel image non-global in
 452          * cases where RANDSTRUCT is in use to help keep the layout a
 453          * secret.
 454          */
 455         if (IS_ENABLED(CONFIG_GCC_PLUGIN_RANDSTRUCT))
 456                 return false;
 457
 458         return true;
 459 }
 460
 461 /*
 462  * For some configurations, map all of kernel text into the user page
 463  * tables.  This reduces TLB misses, especially on non-PCID systems.
 464  */
 465 static void pti_clone_kernel_text(void)
 466 {
 467         /*
 468          * rodata is part of the kernel image and is normally
 469          * readable on the filesystem or on the web.  But, do not
 470          * clone the areas past rodata, they might contain secrets.
 471          */
 472         unsigned long start = PFN_ALIGN(_text);
 473         unsigned long end = (unsigned long)__end_rodata_aligned;
 474
 475         if (!pti_kernel_image_global_ok())
 476                 return;
 477
 478         pr_debug("mapping partial kernel image into user address space\n");
 479
 480         /*
 481          * Note that this will undo _some_ of the work that
 482          * pti_set_kernel_image_nonglobal() did to clear the
 483          * global bit.
 484          */
 485         pti_clone_pmds(start, end, 0);
 486 }
 487
 488 /*
 489  * This is the only user for it and it is not arch-generic like
 490  * the other set_memory.h functions.  Just extern it.
 491  */
 492 extern int set_memory_nonglobal(unsigned long addr, int numpages);
 493 static void pti_set_kernel_image_nonglobal(void)
 494 {
 495         /*
 496          * The identity map is created with PMDs, regardless of the
 497          * actual length of the kernel.  We need to clear
 498          * _PAGE_GLOBAL up to a PMD boundary, not just to the end
 499          * of the image.
 500          */
 501         unsigned long start = PFN_ALIGN(_text);
 502         unsigned long end = ALIGN((unsigned long)_end, PMD_PAGE_SIZE);
 503
 504         if (pti_kernel_image_global_ok())
 505                 return;
 506
 507         set_memory_nonglobal(start, (end - start) >> PAGE_SHIFT);
 508 }
 509
 510 /*
 511  * Initialize kernel page table isolation
 512  */
 513 void __init pti_init(void)
 514 {
 515         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
 516                 return;
 517
 518         pr_info("enabled\n");
 519
 520 #ifdef CONFIG_X86_32
 521         /*
 522          * We check for X86_FEATURE_PCID here. But the init-code will
 523          * clear the feature flag on 32 bit because the feature is not
 524          * supported on 32 bit anyway. To print the warning we need to
 525          * check with cpuid directly again.
 526          */
 527         if (cpuid_ecx(0x1) && BIT(17)) {
 528                 /* Use printk to work around pr_fmt() */
 529                 printk(KERN_WARNING "\n");
 530                 printk(KERN_WARNING "************************************************************\n");
 531                 printk(KERN_WARNING "** WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING!  **\n");
 532                 printk(KERN_WARNING "**                                                        **\n");
 533                 printk(KERN_WARNING "** You are using 32-bit PTI on a 64-bit PCID-capable CPU. **\n");
 534                 printk(KERN_WARNING "** Your performance will increase dramatically if you     **\n");
 535                 printk(KERN_WARNING "** switch to a 64-bit kernel!                             **\n");
 536                 printk(KERN_WARNING "**                                                        **\n");
 537                 printk(KERN_WARNING "** WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING!  **\n");
 538                 printk(KERN_WARNING "************************************************************\n");
 539         }
 540 #endif
 541
 542         pti_clone_user_shared();
 543
 544         /* Undo all global bits from the init pagetables in head_64.S: */
 545         pti_set_kernel_image_nonglobal();
 546         /* Replace some of the global bits just for shared entry text: */
 547         pti_clone_entry_text();
 548         pti_setup_espfix64();
 549         pti_setup_vsyscall();
 550 }
 551
 552 /*
 553  * Finalize the kernel mappings in the userspace page-table. Some of the
 554  * mappings for the kernel image might have changed since pti_init()
 555  * cloned them. This is because parts of the kernel image have been
 556  * mapped RO and/or NX.  These changes need to be cloned again to the
 557  * userspace page-table.
 558  */
 559 void pti_finalize(void)
 560 {
 561         /*
 562          * We need to clone everything (again) that maps parts of the
 563          * kernel image.
 564          */
 565         pti_clone_entry_text();
 566         pti_clone_kernel_text();
 567 }