kasan: docs: update HW_TAGS implementation details section
[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 KASAN is affected by the generic ``panic_on_warn`` command line parameter.
178 When it is enabled, KASAN panics the kernel after printing a bug report.
179
180 By default, KASAN prints a bug report only for the first invalid memory access.
181 With ``kasan_multi_shot``, KASAN prints a report on every invalid access. This
182 effectively disables ``panic_on_warn`` for KASAN reports.
183
184 Hardware tag-based KASAN mode (see the section about various modes below) is
185 intended for use in production as a security mitigation. Therefore, it supports
186 boot parameters that allow disabling KASAN or controlling its features.
187
188 - ``kasan=off`` or ``=on`` controls whether KASAN is enabled (default: ``on``).
189
190 - ``kasan.mode=sync`` or ``=async`` controls whether KASAN is configured in
191   synchronous or asynchronous mode of execution (default: ``sync``).
192   Synchronous mode: a bad access is detected immediately when a tag
193   check fault occurs.
194   Asynchronous mode: a bad access detection is delayed. When a tag check
195   fault occurs, the information is stored in hardware (in the TFSR_EL1
196   register for arm64). The kernel periodically checks the hardware and
197   only reports tag faults during these checks.
198
199 - ``kasan.stacktrace=off`` or ``=on`` disables or enables alloc and free stack
200   traces collection (default: ``on``).
201
202 - ``kasan.fault=report`` or ``=panic`` controls whether to only print a KASAN
203   report or also panic the kernel (default: ``report``). The panic happens even
204   if ``kasan_multi_shot`` is enabled.
205
206 Implementation details
207 ----------------------
208
209 Generic KASAN
210 ~~~~~~~~~~~~~
211
212 Software KASAN modes use shadow memory to record whether each byte of memory is
213 safe to access and use compile-time instrumentation to insert shadow memory
214 checks before each memory access.
215
216 Generic KASAN dedicates 1/8th of kernel memory to its shadow memory (16TB
217 to cover 128TB on x86_64) and uses direct mapping with a scale and offset to
218 translate a memory address to its corresponding shadow address.
219
220 Here is the function which translates an address to its corresponding shadow
221 address::
222
223     static inline void *kasan_mem_to_shadow(const void *addr)
224     {
225         return (void *)((unsigned long)addr >> KASAN_SHADOW_SCALE_SHIFT)
226                 + KASAN_SHADOW_OFFSET;
227     }
228
229 where ``KASAN_SHADOW_SCALE_SHIFT = 3``.
230
231 Compile-time instrumentation is used to insert memory access checks. Compiler
232 inserts function calls (``__asan_load*(addr)``, ``__asan_store*(addr)``) before
233 each memory access of size 1, 2, 4, 8, or 16. These functions check whether
234 memory accesses are valid or not by checking corresponding shadow memory.
235
236 With inline instrumentation, instead of making function calls, the compiler
237 directly inserts the code to check shadow memory. This option significantly
238 enlarges the kernel, but it gives an x1.1-x2 performance boost over the
239 outline-instrumented kernel.
240
241 Generic KASAN is the only mode that delays the reuse of freed objects via
242 quarantine (see mm/kasan/quarantine.c for implementation).
243
244 Software tag-based KASAN
245 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
246
247 Software tag-based KASAN uses a software memory tagging approach to checking
248 access validity. It is currently only implemented for the arm64 architecture.
249
250 Software tag-based KASAN uses the Top Byte Ignore (TBI) feature of arm64 CPUs
251 to store a pointer tag in the top byte of kernel pointers. It uses shadow memory
252 to store memory tags associated with each 16-byte memory cell (therefore, it
253 dedicates 1/16th of the kernel memory for shadow memory).
254
255 On each memory allocation, software tag-based KASAN generates a random tag, tags
256 the allocated memory with this tag, and embeds the same tag into the returned
257 pointer.
258
259 Software tag-based KASAN uses compile-time instrumentation to insert checks
260 before each memory access. These checks make sure that the tag of the memory
261 that is being accessed is equal to the tag of the pointer that is used to access
262 this memory. In case of a tag mismatch, software tag-based KASAN prints a bug
263 report.
264
265 Software tag-based KASAN also has two instrumentation modes (outline, which
266 emits callbacks to check memory accesses; and inline, which performs the shadow
267 memory checks inline). With outline instrumentation mode, a bug report is
268 printed from the function that performs the access check. With inline
269 instrumentation, a ``brk`` instruction is emitted by the compiler, and a
270 dedicated ``brk`` handler is used to print bug reports.
271
272 Software tag-based KASAN uses 0xFF as a match-all pointer tag (accesses through
273 pointers with the 0xFF pointer tag are not checked). The value 0xFE is currently
274 reserved to tag freed memory regions.
275
276 Software tag-based KASAN currently only supports tagging of slab and page_alloc
277 memory.
278
279 Hardware tag-based KASAN
280 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
281
282 Hardware tag-based KASAN is similar to the software mode in concept but uses
283 hardware memory tagging support instead of compiler instrumentation and
284 shadow memory.
285
286 Hardware tag-based KASAN is currently only implemented for arm64 architecture
287 and based on both arm64 Memory Tagging Extension (MTE) introduced in ARMv8.5
288 Instruction Set Architecture and Top Byte Ignore (TBI).
289
290 Special arm64 instructions are used to assign memory tags for each allocation.
291 Same tags are assigned to pointers to those allocations. On every memory
292 access, hardware makes sure that the tag of the memory that is being accessed is
293 equal to the tag of the pointer that is used to access this memory. In case of a
294 tag mismatch, a fault is generated, and a report is printed.
295
296 Hardware tag-based KASAN uses 0xFF as a match-all pointer tag (accesses through
297 pointers with the 0xFF pointer tag are not checked). The value 0xFE is currently
298 reserved to tag freed memory regions.
299
300 Hardware tag-based KASAN currently only supports tagging of slab and page_alloc
301 memory.
302
303 If the hardware does not support MTE (pre ARMv8.5), hardware tag-based KASAN
304 will not be enabled. In this case, all KASAN boot parameters are ignored.
305
306 Note that enabling CONFIG_KASAN_HW_TAGS always results in in-kernel TBI being
307 enabled. Even when ``kasan.mode=off`` is provided or when the hardware does not
308 support MTE (but supports TBI).
309
310 Hardware tag-based KASAN only reports the first found bug. After that, MTE tag
311 checking gets disabled.
312
313 Shadow memory
314 -------------
315
316 The kernel maps memory in a number of different parts of the address
317 space. This poses something of a problem for KASAN, which requires
318 that all addresses accessed by instrumented code have a valid shadow
319 region.
320
321 The range of kernel virtual addresses is large: there is not enough
322 real memory to support a real shadow region for every address that
323 could be accessed by the kernel.
324
325 Default behaviour
326 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
327
328 By default, architectures only map real memory over the shadow region
329 for the linear mapping (and potentially other small areas). For all
330 other areas - such as vmalloc and vmemmap space - a single read-only
331 page is mapped over the shadow area. This read-only shadow page
332 declares all memory accesses as permitted.
333
334 This presents a problem for modules: they do not live in the linear
335 mapping, but in a dedicated module space. By hooking in to the module
336 allocator, KASAN can temporarily map real shadow memory to cover
337 them. This allows detection of invalid accesses to module globals, for
338 example.
339
340 This also creates an incompatibility with ``VMAP_STACK``: if the stack
341 lives in vmalloc space, it will be shadowed by the read-only page, and
342 the kernel will fault when trying to set up the shadow data for stack
343 variables.
344
345 CONFIG_KASAN_VMALLOC
346 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
347
348 With ``CONFIG_KASAN_VMALLOC``, KASAN can cover vmalloc space at the
349 cost of greater memory usage. Currently this is only supported on x86.
350
351 This works by hooking into vmalloc and vmap, and dynamically
352 allocating real shadow memory to back the mappings.
353
354 Most mappings in vmalloc space are small, requiring less than a full
355 page of shadow space. Allocating a full shadow page per mapping would
356 therefore be wasteful. Furthermore, to ensure that different mappings
357 use different shadow pages, mappings would have to be aligned to
358 ``KASAN_GRANULE_SIZE * PAGE_SIZE``.
359
360 Instead, KASAN shares backing space across multiple mappings. It allocates
361 a backing page when a mapping in vmalloc space uses a particular page
362 of the shadow region. This page can be shared by other vmalloc
363 mappings later on.
364
365 KASAN hooks into the vmap infrastructure to lazily clean up unused shadow
366 memory.
367
368 To avoid the difficulties around swapping mappings around, KASAN expects
369 that the part of the shadow region that covers the vmalloc space will
370 not be covered by the early shadow page, but will be left
371 unmapped. This will require changes in arch-specific code.
372
373 This allows ``VMAP_STACK`` support on x86, and can simplify support of
374 architectures that do not have a fixed module region.
375
376 For developers
377 --------------
378
379 Ignoring accesses
380 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
381
382 Software KASAN modes use compiler instrumentation to insert validity checks.
383 Such instrumentation might be incompatible with some part of the kernel, and
384 therefore needs to be disabled. To disable instrumentation for specific files
385 or directories, add a line similar to the following to the respective kernel
386 Makefile:
387
388 - For a single file (e.g. main.o)::
389
390     KASAN_SANITIZE_main.o := n
391
392 - For all files in one directory::
393
394     KASAN_SANITIZE := n
395
396
397 Tests
398 ~~~~~
399
400 KASAN tests consist of two parts:
401
402 1. Tests that are integrated with the KUnit Test Framework. Enabled with
403 ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST``. These tests can be run and partially verified
404 automatically in a few different ways, see the instructions below.
405
406 2. Tests that are currently incompatible with KUnit. Enabled with
407 ``CONFIG_KASAN_MODULE_TEST`` and can only be run as a module. These tests can
408 only be verified manually, by loading the kernel module and inspecting the
409 kernel log for KASAN reports.
410
411 Each KUnit-compatible KASAN test prints a KASAN report if an error is detected.
412 Then the test prints its number and status.
413
414 When a test passes::
415
416         ok 28 - kmalloc_double_kzfree
417
418 When a test fails due to a failed ``kmalloc``::
419
420         # kmalloc_large_oob_right: ASSERTION FAILED at lib/test_kasan.c:163
421         Expected ptr is not null, but is
422         not ok 4 - kmalloc_large_oob_right
423
424 When a test fails due to a missing KASAN report::
425
426         # kmalloc_double_kzfree: EXPECTATION FAILED at lib/test_kasan.c:629
427         Expected kasan_data->report_expected == kasan_data->report_found, but
428         kasan_data->report_expected == 1
429         kasan_data->report_found == 0
430         not ok 28 - kmalloc_double_kzfree
431
432 At the end the cumulative status of all KASAN tests is printed. On success::
433
434         ok 1 - kasan
435
436 Or, if one of the tests failed::
437
438         not ok 1 - kasan
439
440
441 There are a few ways to run KUnit-compatible KASAN tests.
442
443 1. Loadable module
444
445 With ``CONFIG_KUNIT`` enabled, ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST`` can be built as
446 a loadable module and run on any architecture that supports KASAN by loading
447 the module with insmod or modprobe. The module is called ``test_kasan``.
448
449 2. Built-In
450
451 With ``CONFIG_KUNIT`` built-in, ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST`` can be built-in
452 on any architecure that supports KASAN. These and any other KUnit tests enabled
453 will run and print the results at boot as a late-init call.
454
455 3. Using kunit_tool
456
457 With ``CONFIG_KUNIT`` and ``CONFIG_KASAN_KUNIT_TEST`` built-in, it's also
458 possible use ``kunit_tool`` to see the results of these and other KUnit tests
459 in a more readable way. This will not print the KASAN reports of the tests that
460 passed. Use `KUnit documentation <https://www.kernel.org/doc/html/latest/dev-tools/kunit/index.html>`_
461 for more up-to-date information on ``kunit_tool``.
462
463 .. _KUnit: https://www.kernel.org/doc/html/latest/dev-tools/kunit/index.html