drivers/misc/lkdtm/bugs.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2 /*
   3  * This is for all the tests related to logic bugs (e.g. bad dereferences,
   4  * bad alignment, bad loops, bad locking, bad scheduling, deep stacks, and
   5  * lockups) along with other things that don't fit well into existing LKDTM
   6  * test source files.
   7  */
   8 #include "lkdtm.h"
   9 #include <linux/list.h>
  10 #include <linux/sched.h>
  11 #include <linux/sched/signal.h>
  12 #include <linux/sched/task_stack.h>
  13 #include <linux/uaccess.h>
  14 #include <linux/slab.h>
  15
  16 #ifdef CONFIG_X86_32
  17 #include <asm/desc.h>
  18 #endif
  19
  20 struct lkdtm_list {
  21         struct list_head node;
  22 };
  23
  24 /*
  25  * Make sure our attempts to over run the kernel stack doesn't trigger
  26  * a compiler warning when CONFIG_FRAME_WARN is set. Then make sure we
  27  * recurse past the end of THREAD_SIZE by default.
  28  */
  29 #if defined(CONFIG_FRAME_WARN) && (CONFIG_FRAME_WARN > 0)
  30 #define REC_STACK_SIZE (_AC(CONFIG_FRAME_WARN, UL) / 2)
  31 #else
  32 #define REC_STACK_SIZE (THREAD_SIZE / 8)
  33 #endif
  34 #define REC_NUM_DEFAULT ((THREAD_SIZE / REC_STACK_SIZE) * 2)
  35
  36 static int recur_count = REC_NUM_DEFAULT;
  37
  38 static DEFINE_SPINLOCK(lock_me_up);
  39
  40 /*
  41  * Make sure compiler does not optimize this function or stack frame away:
  42  * - function marked noinline
  43  * - stack variables are marked volatile
  44  * - stack variables are written (memset()) and read (pr_info())
  45  * - function has external effects (pr_info())
  46  * */
  47 static int noinline recursive_loop(int remaining)
  48 {
  49         volatile char buf[REC_STACK_SIZE];
  50
  51         memset((void *)buf, remaining & 0xFF, sizeof(buf));
  52         pr_info("loop %d/%d ...\n", (int)buf[remaining % sizeof(buf)],
  53                 recur_count);
  54         if (!remaining)
  55                 return 0;
  56         else
  57                 return recursive_loop(remaining - 1);
  58 }
  59
  60 /* If the depth is negative, use the default, otherwise keep parameter. */
  61 void __init lkdtm_bugs_init(int *recur_param)
  62 {
  63         if (*recur_param < 0)
  64                 *recur_param = recur_count;
  65         else
  66                 recur_count = *recur_param;
  67 }
  68
  69 void lkdtm_PANIC(void)
  70 {
  71         panic("dumptest");
  72 }
  73
  74 void lkdtm_BUG(void)
  75 {
  76         BUG();
  77 }
  78
  79 static int warn_counter;
  80
  81 void lkdtm_WARNING(void)
  82 {
  83         WARN_ON(++warn_counter);
  84 }
  85
  86 void lkdtm_WARNING_MESSAGE(void)
  87 {
  88         WARN(1, "Warning message trigger count: %d\n", ++warn_counter);
  89 }
  90
  91 void lkdtm_EXCEPTION(void)
  92 {
  93         *((volatile int *) 0) = 0;
  94 }
  95
  96 void lkdtm_LOOP(void)
  97 {
  98         for (;;)
  99                 ;
 100 }
 101
 102 void lkdtm_EXHAUST_STACK(void)
 103 {
 104         pr_info("Calling function with %lu frame size to depth %d ...\n",
 105                 REC_STACK_SIZE, recur_count);
 106         recursive_loop(recur_count);
 107         pr_info("FAIL: survived without exhausting stack?!\n");
 108 }
 109
 110 static noinline void __lkdtm_CORRUPT_STACK(void *stack)
 111 {
 112         memset(stack, '\xff', 64);
 113 }
 114
 115 /* This should trip the stack canary, not corrupt the return address. */
 116 noinline void lkdtm_CORRUPT_STACK(void)
 117 {
 118         /* Use default char array length that triggers stack protection. */
 119         char data[8] __aligned(sizeof(void *));
 120
 121         __lkdtm_CORRUPT_STACK(&data);
 122
 123         pr_info("Corrupted stack containing char array ...\n");
 124 }
 125
 126 /* Same as above but will only get a canary with -fstack-protector-strong */
 127 noinline void lkdtm_CORRUPT_STACK_STRONG(void)
 128 {
 129         union {
 130                 unsigned short shorts[4];
 131                 unsigned long *ptr;
 132         } data __aligned(sizeof(void *));
 133
 134         __lkdtm_CORRUPT_STACK(&data);
 135
 136         pr_info("Corrupted stack containing union ...\n");
 137 }
 138
 139 void lkdtm_UNALIGNED_LOAD_STORE_WRITE(void)
 140 {
 141         static u8 data[5] __attribute__((aligned(4))) = {1, 2, 3, 4, 5};
 142         u32 *p;
 143         u32 val = 0x12345678;
 144
 145         p = (u32 *)(data + 1);
 146         if (*p == 0)
 147                 val = 0x87654321;
 148         *p = val;
 149 }
 150
 151 void lkdtm_SOFTLOCKUP(void)
 152 {
 153         preempt_disable();
 154         for (;;)
 155                 cpu_relax();
 156 }
 157
 158 void lkdtm_HARDLOCKUP(void)
 159 {
 160         local_irq_disable();
 161         for (;;)
 162                 cpu_relax();
 163 }
 164
 165 void lkdtm_SPINLOCKUP(void)
 166 {
 167         /* Must be called twice to trigger. */
 168         spin_lock(&lock_me_up);
 169         /* Let sparse know we intended to exit holding the lock. */
 170         __release(&lock_me_up);
 171 }
 172
 173 void lkdtm_HUNG_TASK(void)
 174 {
 175         set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
 176         schedule();
 177 }
 178
 179 volatile unsigned int huge = INT_MAX - 2;
 180 volatile unsigned int ignored;
 181
 182 void lkdtm_OVERFLOW_SIGNED(void)
 183 {
 184         int value;
 185
 186         value = huge;
 187         pr_info("Normal signed addition ...\n");
 188         value += 1;
 189         ignored = value;
 190
 191         pr_info("Overflowing signed addition ...\n");
 192         value += 4;
 193         ignored = value;
 194 }
 195
 196
 197 void lkdtm_OVERFLOW_UNSIGNED(void)
 198 {
 199         unsigned int value;
 200
 201         value = huge;
 202         pr_info("Normal unsigned addition ...\n");
 203         value += 1;
 204         ignored = value;
 205
 206         pr_info("Overflowing unsigned addition ...\n");
 207         value += 4;
 208         ignored = value;
 209 }
 210
 211 /* Intentionally using old-style flex array definition of 1 byte. */
 212 struct array_bounds_flex_array {
 213         int one;
 214         int two;
 215         char data[1];
 216 };
 217
 218 struct array_bounds {
 219         int one;
 220         int two;
 221         char data[8];
 222         int three;
 223 };
 224
 225 void lkdtm_ARRAY_BOUNDS(void)
 226 {
 227         struct array_bounds_flex_array *not_checked;
 228         struct array_bounds *checked;
 229         volatile int i;
 230
 231         not_checked = kmalloc(sizeof(*not_checked) * 2, GFP_KERNEL);
 232         checked = kmalloc(sizeof(*checked) * 2, GFP_KERNEL);
 233
 234         pr_info("Array access within bounds ...\n");
 235         /* For both, touch all bytes in the actual member size. */
 236         for (i = 0; i < sizeof(checked->data); i++)
 237                 checked->data[i] = 'A';
 238         /*
 239          * For the uninstrumented flex array member, also touch 1 byte
 240          * beyond to verify it is correctly uninstrumented.
 241          */
 242         for (i = 0; i < sizeof(not_checked->data) + 1; i++)
 243                 not_checked->data[i] = 'A';
 244
 245         pr_info("Array access beyond bounds ...\n");
 246         for (i = 0; i < sizeof(checked->data) + 1; i++)
 247                 checked->data[i] = 'B';
 248
 249         kfree(not_checked);
 250         kfree(checked);
 251 }
 252
 253 void lkdtm_CORRUPT_LIST_ADD(void)
 254 {
 255         /*
 256          * Initially, an empty list via LIST_HEAD:
 257          *      test_head.next = &test_head
 258          *      test_head.prev = &test_head
 259          */
 260         LIST_HEAD(test_head);
 261         struct lkdtm_list good, bad;
 262         void *target[2] = { };
 263         void *redirection = &target;
 264
 265         pr_info("attempting good list addition\n");
 266
 267         /*
 268          * Adding to the list performs these actions:
 269          *      test_head.next->prev = &good.node
 270          *      good.node.next = test_head.next
 271          *      good.node.prev = test_head
 272          *      test_head.next = good.node
 273          */
 274         list_add(&good.node, &test_head);
 275
 276         pr_info("attempting corrupted list addition\n");
 277         /*
 278          * In simulating this "write what where" primitive, the "what" is
 279          * the address of &bad.node, and the "where" is the address held
 280          * by "redirection".
 281          */
 282         test_head.next = redirection;
 283         list_add(&bad.node, &test_head);
 284
 285         if (target[0] == NULL && target[1] == NULL)
 286                 pr_err("Overwrite did not happen, but no BUG?!\n");
 287         else
 288                 pr_err("list_add() corruption not detected!\n");
 289 }
 290
 291 void lkdtm_CORRUPT_LIST_DEL(void)
 292 {
 293         LIST_HEAD(test_head);
 294         struct lkdtm_list item;
 295         void *target[2] = { };
 296         void *redirection = &target;
 297
 298         list_add(&item.node, &test_head);
 299
 300         pr_info("attempting good list removal\n");
 301         list_del(&item.node);
 302
 303         pr_info("attempting corrupted list removal\n");
 304         list_add(&item.node, &test_head);
 305
 306         /* As with the list_add() test above, this corrupts "next". */
 307         item.node.next = redirection;
 308         list_del(&item.node);
 309
 310         if (target[0] == NULL && target[1] == NULL)
 311                 pr_err("Overwrite did not happen, but no BUG?!\n");
 312         else
 313                 pr_err("list_del() corruption not detected!\n");
 314 }
 315
 316 /* Test if unbalanced set_fs(KERNEL_DS)/set_fs(USER_DS) check exists. */
 317 void lkdtm_CORRUPT_USER_DS(void)
 318 {
 319         pr_info("setting bad task size limit\n");
 320         set_fs(KERNEL_DS);
 321
 322         /* Make sure we do not keep running with a KERNEL_DS! */
 323         force_sig(SIGKILL);
 324 }
 325
 326 /* Test that VMAP_STACK is actually allocating with a leading guard page */
 327 void lkdtm_STACK_GUARD_PAGE_LEADING(void)
 328 {
 329         const unsigned char *stack = task_stack_page(current);
 330         const unsigned char *ptr = stack - 1;
 331         volatile unsigned char byte;
 332
 333         pr_info("attempting bad read from page below current stack\n");
 334
 335         byte = *ptr;
 336
 337         pr_err("FAIL: accessed page before stack!\n");
 338 }
 339
 340 /* Test that VMAP_STACK is actually allocating with a trailing guard page */
 341 void lkdtm_STACK_GUARD_PAGE_TRAILING(void)
 342 {
 343         const unsigned char *stack = task_stack_page(current);
 344         const unsigned char *ptr = stack + THREAD_SIZE;
 345         volatile unsigned char byte;
 346
 347         pr_info("attempting bad read from page above current stack\n");
 348
 349         byte = *ptr;
 350
 351         pr_err("FAIL: accessed page after stack!\n");
 352 }
 353
 354 void lkdtm_UNSET_SMEP(void)
 355 {
 356 #if IS_ENABLED(CONFIG_X86_64) && !IS_ENABLED(CONFIG_UML)
 357 #define MOV_CR4_DEPTH   64
 358         void (*direct_write_cr4)(unsigned long val);
 359         unsigned char *insn;
 360         unsigned long cr4;
 361         int i;
 362
 363         cr4 = native_read_cr4();
 364
 365         if ((cr4 & X86_CR4_SMEP) != X86_CR4_SMEP) {
 366                 pr_err("FAIL: SMEP not in use\n");
 367                 return;
 368         }
 369         cr4 &= ~(X86_CR4_SMEP);
 370
 371         pr_info("trying to clear SMEP normally\n");
 372         native_write_cr4(cr4);
 373         if (cr4 == native_read_cr4()) {
 374                 pr_err("FAIL: pinning SMEP failed!\n");
 375                 cr4 |= X86_CR4_SMEP;
 376                 pr_info("restoring SMEP\n");
 377                 native_write_cr4(cr4);
 378                 return;
 379         }
 380         pr_info("ok: SMEP did not get cleared\n");
 381
 382         /*
 383          * To test the post-write pinning verification we need to call
 384          * directly into the middle of native_write_cr4() where the
 385          * cr4 write happens, skipping any pinning. This searches for
 386          * the cr4 writing instruction.
 387          */
 388         insn = (unsigned char *)native_write_cr4;
 389         for (i = 0; i < MOV_CR4_DEPTH; i++) {
 390                 /* mov %rdi, %cr4 */
 391                 if (insn[i] == 0x0f && insn[i+1] == 0x22 && insn[i+2] == 0xe7)
 392                         break;
 393                 /* mov %rdi,%rax; mov %rax, %cr4 */
 394                 if (insn[i]   == 0x48 && insn[i+1] == 0x89 &&
 395                     insn[i+2] == 0xf8 && insn[i+3] == 0x0f &&
 396                     insn[i+4] == 0x22 && insn[i+5] == 0xe0)
 397                         break;
 398         }
 399         if (i >= MOV_CR4_DEPTH) {
 400                 pr_info("ok: cannot locate cr4 writing call gadget\n");
 401                 return;
 402         }
 403         direct_write_cr4 = (void *)(insn + i);
 404
 405         pr_info("trying to clear SMEP with call gadget\n");
 406         direct_write_cr4(cr4);
 407         if (native_read_cr4() & X86_CR4_SMEP) {
 408                 pr_info("ok: SMEP removal was reverted\n");
 409         } else {
 410                 pr_err("FAIL: cleared SMEP not detected!\n");
 411                 cr4 |= X86_CR4_SMEP;
 412                 pr_info("restoring SMEP\n");
 413                 native_write_cr4(cr4);
 414         }
 415 #else
 416         pr_err("XFAIL: this test is x86_64-only\n");
 417 #endif
 418 }
 419
 420 void lkdtm_DOUBLE_FAULT(void)
 421 {
 422 #ifdef CONFIG_X86_32
 423         /*
 424          * Trigger #DF by setting the stack limit to zero.  This clobbers
 425          * a GDT TLS slot, which is okay because the current task will die
 426          * anyway due to the double fault.
 427          */
 428         struct desc_struct d = {
 429                 .type = 3,      /* expand-up, writable, accessed data */
 430                 .p = 1,         /* present */
 431                 .d = 1,         /* 32-bit */
 432                 .g = 0,         /* limit in bytes */
 433                 .s = 1,         /* not system */
 434         };
 435
 436         local_irq_disable();
 437         write_gdt_entry(get_cpu_gdt_rw(smp_processor_id()),
 438                         GDT_ENTRY_TLS_MIN, &d, DESCTYPE_S);
 439
 440         /*
 441          * Put our zero-limit segment in SS and then trigger a fault.  The
 442          * 4-byte access to (%esp) will fault with #SS, and the attempt to
 443          * deliver the fault will recursively cause #SS and result in #DF.
 444          * This whole process happens while NMIs and MCEs are blocked by the
 445          * MOV SS window.  This is nice because an NMI with an invalid SS
 446          * would also double-fault, resulting in the NMI or MCE being lost.
 447          */
 448         asm volatile ("movw %0, %%ss; addl $0, (%%esp)" ::
 449                       "r" ((unsigned short)(GDT_ENTRY_TLS_MIN << 3)));
 450
 451         pr_err("FAIL: tried to double fault but didn't die\n");
 452 #else
 453         pr_err("XFAIL: this test is ia32-only\n");
 454 #endif
 455 }
 456
 457 #ifdef CONFIG_ARM64_PTR_AUTH
 458 static noinline void change_pac_parameters(void)
 459 {
 460         /* Reset the keys of current task */
 461         ptrauth_thread_init_kernel(current);
 462         ptrauth_thread_switch_kernel(current);
 463 }
 464
 465 #define CORRUPT_PAC_ITERATE     10
 466 noinline void lkdtm_CORRUPT_PAC(void)
 467 {
 468         int i;
 469
 470         if (!system_supports_address_auth()) {
 471                 pr_err("FAIL: arm64 pointer authentication feature not present\n");
 472                 return;
 473         }
 474
 475         pr_info("Change the PAC parameters to force function return failure\n");
 476         /*
 477          * Pac is a hash value computed from input keys, return address and
 478          * stack pointer. As pac has fewer bits so there is a chance of
 479          * collision, so iterate few times to reduce the collision probability.
 480          */
 481         for (i = 0; i < CORRUPT_PAC_ITERATE; i++)
 482                 change_pac_parameters();
 483
 484         pr_err("FAIL: %s test failed. Kernel may be unstable from here\n", __func__);
 485 }
 486 #else /* !CONFIG_ARM64_PTR_AUTH */
 487 noinline void lkdtm_CORRUPT_PAC(void)
 488 {
 489         pr_err("FAIL: arm64 pointer authentication config disabled\n");
 490 }
 491 #endif