GNU Linux-libre 4.19.304-gnu1
[releases.git] / Documentation / admin-guide / hw-vuln / spectre.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 Spectre Side Channels
4 =====================
5
6 Spectre is a class of side channel attacks that exploit branch prediction
7 and speculative execution on modern CPUs to read memory, possibly
8 bypassing access controls. Speculative execution side channel exploits
9 do not modify memory but attempt to infer privileged data in the memory.
10
11 This document covers Spectre variant 1 and Spectre variant 2.
12
13 Affected processors
14 -------------------
15
16 Speculative execution side channel methods affect a wide range of modern
17 high performance processors, since most modern high speed processors
18 use branch prediction and speculative execution.
19
20 The following CPUs are vulnerable:
21
22     - Intel Core, Atom, Pentium, and Xeon processors
23
24     - AMD Phenom, EPYC, and Zen processors
25
26     - IBM POWER and zSeries processors
27
28     - Higher end ARM processors
29
30     - Apple CPUs
31
32     - Higher end MIPS CPUs
33
34     - Likely most other high performance CPUs. Contact your CPU vendor for details.
35
36 Whether a processor is affected or not can be read out from the Spectre
37 vulnerability files in sysfs. See :ref:`spectre_sys_info`.
38
39 Related CVEs
40 ------------
41
42 The following CVE entries describe Spectre variants:
43
44    =============   =======================  ==========================
45    CVE-2017-5753   Bounds check bypass      Spectre variant 1
46    CVE-2017-5715   Branch target injection  Spectre variant 2
47    CVE-2019-1125   Spectre v1 swapgs        Spectre variant 1 (swapgs)
48    =============   =======================  ==========================
49
50 Problem
51 -------
52
53 CPUs use speculative operations to improve performance. That may leave
54 traces of memory accesses or computations in the processor's caches,
55 buffers, and branch predictors. Malicious software may be able to
56 influence the speculative execution paths, and then use the side effects
57 of the speculative execution in the CPUs' caches and buffers to infer
58 privileged data touched during the speculative execution.
59
60 Spectre variant 1 attacks take advantage of speculative execution of
61 conditional branches, while Spectre variant 2 attacks use speculative
62 execution of indirect branches to leak privileged memory.
63 See :ref:`[1] <spec_ref1>` :ref:`[5] <spec_ref5>` :ref:`[6] <spec_ref6>`
64 :ref:`[7] <spec_ref7>` :ref:`[10] <spec_ref10>` :ref:`[11] <spec_ref11>`.
65
66 Spectre variant 1 (Bounds Check Bypass)
67 ---------------------------------------
68
69 The bounds check bypass attack :ref:`[2] <spec_ref2>` takes advantage
70 of speculative execution that bypasses conditional branch instructions
71 used for memory access bounds check (e.g. checking if the index of an
72 array results in memory access within a valid range). This results in
73 memory accesses to invalid memory (with out-of-bound index) that are
74 done speculatively before validation checks resolve. Such speculative
75 memory accesses can leave side effects, creating side channels which
76 leak information to the attacker.
77
78 There are some extensions of Spectre variant 1 attacks for reading data
79 over the network, see :ref:`[12] <spec_ref12>`. However such attacks
80 are difficult, low bandwidth, fragile, and are considered low risk.
81
82 Note that, despite "Bounds Check Bypass" name, Spectre variant 1 is not
83 only about user-controlled array bounds checks.  It can affect any
84 conditional checks.  The kernel entry code interrupt, exception, and NMI
85 handlers all have conditional swapgs checks.  Those may be problematic
86 in the context of Spectre v1, as kernel code can speculatively run with
87 a user GS.
88
89 Spectre variant 2 (Branch Target Injection)
90 -------------------------------------------
91
92 The branch target injection attack takes advantage of speculative
93 execution of indirect branches :ref:`[3] <spec_ref3>`.  The indirect
94 branch predictors inside the processor used to guess the target of
95 indirect branches can be influenced by an attacker, causing gadget code
96 to be speculatively executed, thus exposing sensitive data touched by
97 the victim. The side effects left in the CPU's caches during speculative
98 execution can be measured to infer data values.
99
100 .. _poison_btb:
101
102 In Spectre variant 2 attacks, the attacker can steer speculative indirect
103 branches in the victim to gadget code by poisoning the branch target
104 buffer of a CPU used for predicting indirect branch addresses. Such
105 poisoning could be done by indirect branching into existing code,
106 with the address offset of the indirect branch under the attacker's
107 control. Since the branch prediction on impacted hardware does not
108 fully disambiguate branch address and uses the offset for prediction,
109 this could cause privileged code's indirect branch to jump to a gadget
110 code with the same offset.
111
112 The most useful gadgets take an attacker-controlled input parameter (such
113 as a register value) so that the memory read can be controlled. Gadgets
114 without input parameters might be possible, but the attacker would have
115 very little control over what memory can be read, reducing the risk of
116 the attack revealing useful data.
117
118 One other variant 2 attack vector is for the attacker to poison the
119 return stack buffer (RSB) :ref:`[13] <spec_ref13>` to cause speculative
120 subroutine return instruction execution to go to a gadget.  An attacker's
121 imbalanced subroutine call instructions might "poison" entries in the
122 return stack buffer which are later consumed by a victim's subroutine
123 return instructions.  This attack can be mitigated by flushing the return
124 stack buffer on context switch, or virtual machine (VM) exit.
125
126 On systems with simultaneous multi-threading (SMT), attacks are possible
127 from the sibling thread, as level 1 cache and branch target buffer
128 (BTB) may be shared between hardware threads in a CPU core.  A malicious
129 program running on the sibling thread may influence its peer's BTB to
130 steer its indirect branch speculations to gadget code, and measure the
131 speculative execution's side effects left in level 1 cache to infer the
132 victim's data.
133
134 Yet another variant 2 attack vector is for the attacker to poison the
135 Branch History Buffer (BHB) to speculatively steer an indirect branch
136 to a specific Branch Target Buffer (BTB) entry, even if the entry isn't
137 associated with the source address of the indirect branch. Specifically,
138 the BHB might be shared across privilege levels even in the presence of
139 Enhanced IBRS.
140
141 Currently the only known real-world BHB attack vector is via
142 unprivileged eBPF. Therefore, it's highly recommended to not enable
143 unprivileged eBPF, especially when eIBRS is used (without retpolines).
144 For a full mitigation against BHB attacks, it's recommended to use
145 retpolines (or eIBRS combined with retpolines).
146
147 Attack scenarios
148 ----------------
149
150 The following list of attack scenarios have been anticipated, but may
151 not cover all possible attack vectors.
152
153 1. A user process attacking the kernel
154 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
155
156 Spectre variant 1
157 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
158
159    The attacker passes a parameter to the kernel via a register or
160    via a known address in memory during a syscall. Such parameter may
161    be used later by the kernel as an index to an array or to derive
162    a pointer for a Spectre variant 1 attack.  The index or pointer
163    is invalid, but bound checks are bypassed in the code branch taken
164    for speculative execution. This could cause privileged memory to be
165    accessed and leaked.
166
167    For kernel code that has been identified where data pointers could
168    potentially be influenced for Spectre attacks, new "nospec" accessor
169    macros are used to prevent speculative loading of data.
170
171 Spectre variant 1 (swapgs)
172 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
173
174    An attacker can train the branch predictor to speculatively skip the
175    swapgs path for an interrupt or exception.  If they initialize
176    the GS register to a user-space value, if the swapgs is speculatively
177    skipped, subsequent GS-related percpu accesses in the speculation
178    window will be done with the attacker-controlled GS value.  This
179    could cause privileged memory to be accessed and leaked.
180
181    For example:
182
183    ::
184
185      if (coming from user space)
186          swapgs
187      mov %gs:<percpu_offset>, %reg
188      mov (%reg), %reg1
189
190    When coming from user space, the CPU can speculatively skip the
191    swapgs, and then do a speculative percpu load using the user GS
192    value.  So the user can speculatively force a read of any kernel
193    value.  If a gadget exists which uses the percpu value as an address
194    in another load/store, then the contents of the kernel value may
195    become visible via an L1 side channel attack.
196
197    A similar attack exists when coming from kernel space.  The CPU can
198    speculatively do the swapgs, causing the user GS to get used for the
199    rest of the speculative window.
200
201 Spectre variant 2
202 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
203
204    A spectre variant 2 attacker can :ref:`poison <poison_btb>` the branch
205    target buffer (BTB) before issuing syscall to launch an attack.
206    After entering the kernel, the kernel could use the poisoned branch
207    target buffer on indirect jump and jump to gadget code in speculative
208    execution.
209
210    If an attacker tries to control the memory addresses leaked during
211    speculative execution, he would also need to pass a parameter to the
212    gadget, either through a register or a known address in memory. After
213    the gadget has executed, he can measure the side effect.
214
215    The kernel can protect itself against consuming poisoned branch
216    target buffer entries by using return trampolines (also known as
217    "retpoline") :ref:`[3] <spec_ref3>` :ref:`[9] <spec_ref9>` for all
218    indirect branches. Return trampolines trap speculative execution paths
219    to prevent jumping to gadget code during speculative execution.
220    x86 CPUs with Enhanced Indirect Branch Restricted Speculation
221    (Enhanced IBRS) available in hardware should use the feature to
222    mitigate Spectre variant 2 instead of retpoline. Enhanced IBRS is
223    more efficient than retpoline.
224
225    There may be gadget code in firmware which could be exploited with
226    Spectre variant 2 attack by a rogue user process. To mitigate such
227    attacks on x86, Indirect Branch Restricted Speculation (IBRS) feature
228    is turned on before the kernel invokes any firmware code.
229
230 2. A user process attacking another user process
231 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
232
233    A malicious user process can try to attack another user process,
234    either via a context switch on the same hardware thread, or from the
235    sibling hyperthread sharing a physical processor core on simultaneous
236    multi-threading (SMT) system.
237
238    Spectre variant 1 attacks generally require passing parameters
239    between the processes, which needs a data passing relationship, such
240    as remote procedure calls (RPC).  Those parameters are used in gadget
241    code to derive invalid data pointers accessing privileged memory in
242    the attacked process.
243
244    Spectre variant 2 attacks can be launched from a rogue process by
245    :ref:`poisoning <poison_btb>` the branch target buffer.  This can
246    influence the indirect branch targets for a victim process that either
247    runs later on the same hardware thread, or running concurrently on
248    a sibling hardware thread sharing the same physical core.
249
250    A user process can protect itself against Spectre variant 2 attacks
251    by using the prctl() syscall to disable indirect branch speculation
252    for itself.  An administrator can also cordon off an unsafe process
253    from polluting the branch target buffer by disabling the process's
254    indirect branch speculation. This comes with a performance cost
255    from not using indirect branch speculation and clearing the branch
256    target buffer.  When SMT is enabled on x86, for a process that has
257    indirect branch speculation disabled, Single Threaded Indirect Branch
258    Predictors (STIBP) :ref:`[4] <spec_ref4>` are turned on to prevent the
259    sibling thread from controlling branch target buffer.  In addition,
260    the Indirect Branch Prediction Barrier (IBPB) is issued to clear the
261    branch target buffer when context switching to and from such process.
262
263    On x86, the return stack buffer is stuffed on context switch.
264    This prevents the branch target buffer from being used for branch
265    prediction when the return stack buffer underflows while switching to
266    a deeper call stack. Any poisoned entries in the return stack buffer
267    left by the previous process will also be cleared.
268
269    User programs should use address space randomization to make attacks
270    more difficult (Set /proc/sys/kernel/randomize_va_space = 1 or 2).
271
272 3. A virtualized guest attacking the host
273 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
274
275    The attack mechanism is similar to how user processes attack the
276    kernel.  The kernel is entered via hyper-calls or other virtualization
277    exit paths.
278
279    For Spectre variant 1 attacks, rogue guests can pass parameters
280    (e.g. in registers) via hyper-calls to derive invalid pointers to
281    speculate into privileged memory after entering the kernel.  For places
282    where such kernel code has been identified, nospec accessor macros
283    are used to stop speculative memory access.
284
285    For Spectre variant 2 attacks, rogue guests can :ref:`poison
286    <poison_btb>` the branch target buffer or return stack buffer, causing
287    the kernel to jump to gadget code in the speculative execution paths.
288
289    To mitigate variant 2, the host kernel can use return trampolines
290    for indirect branches to bypass the poisoned branch target buffer,
291    and flushing the return stack buffer on VM exit.  This prevents rogue
292    guests from affecting indirect branching in the host kernel.
293
294    To protect host processes from rogue guests, host processes can have
295    indirect branch speculation disabled via prctl().  The branch target
296    buffer is cleared before context switching to such processes.
297
298 4. A virtualized guest attacking other guest
299 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
300
301    A rogue guest may attack another guest to get data accessible by the
302    other guest.
303
304    Spectre variant 1 attacks are possible if parameters can be passed
305    between guests.  This may be done via mechanisms such as shared memory
306    or message passing.  Such parameters could be used to derive data
307    pointers to privileged data in guest.  The privileged data could be
308    accessed by gadget code in the victim's speculation paths.
309
310    Spectre variant 2 attacks can be launched from a rogue guest by
311    :ref:`poisoning <poison_btb>` the branch target buffer or the return
312    stack buffer. Such poisoned entries could be used to influence
313    speculation execution paths in the victim guest.
314
315    Linux kernel mitigates attacks to other guests running in the same
316    CPU hardware thread by flushing the return stack buffer on VM exit,
317    and clearing the branch target buffer before switching to a new guest.
318
319    If SMT is used, Spectre variant 2 attacks from an untrusted guest
320    in the sibling hyperthread can be mitigated by the administrator,
321    by turning off the unsafe guest's indirect branch speculation via
322    prctl().  A guest can also protect itself by turning on microcode
323    based mitigations (such as IBPB or STIBP on x86) within the guest.
324
325 .. _spectre_sys_info:
326
327 Spectre system information
328 --------------------------
329
330 The Linux kernel provides a sysfs interface to enumerate the current
331 mitigation status of the system for Spectre: whether the system is
332 vulnerable, and which mitigations are active.
333
334 The sysfs file showing Spectre variant 1 mitigation status is:
335
336    /sys/devices/system/cpu/vulnerabilities/spectre_v1
337
338 The possible values in this file are:
339
340   .. list-table::
341
342      * - 'Not affected'
343        - The processor is not vulnerable.
344      * - 'Vulnerable: __user pointer sanitization and usercopy barriers only; no swapgs barriers'
345        - The swapgs protections are disabled; otherwise it has
346          protection in the kernel on a case by case base with explicit
347          pointer sanitation and usercopy LFENCE barriers.
348      * - 'Mitigation: usercopy/swapgs barriers and __user pointer sanitization'
349        - Protection in the kernel on a case by case base with explicit
350          pointer sanitation, usercopy LFENCE barriers, and swapgs LFENCE
351          barriers.
352
353 However, the protections are put in place on a case by case basis,
354 and there is no guarantee that all possible attack vectors for Spectre
355 variant 1 are covered.
356
357 The spectre_v2 kernel file reports if the kernel has been compiled with
358 retpoline mitigation or if the CPU has hardware mitigation, and if the
359 CPU has support for additional process-specific mitigation.
360
361 This file also reports CPU features enabled by microcode to mitigate
362 attack between user processes:
363
364 1. Indirect Branch Prediction Barrier (IBPB) to add additional
365    isolation between processes of different users.
366 2. Single Thread Indirect Branch Predictors (STIBP) to add additional
367    isolation between CPU threads running on the same core.
368
369 These CPU features may impact performance when used and can be enabled
370 per process on a case-by-case base.
371
372 The sysfs file showing Spectre variant 2 mitigation status is:
373
374    /sys/devices/system/cpu/vulnerabilities/spectre_v2
375
376 The possible values in this file are:
377
378   - Kernel status:
379
380   ========================================  =================================
381   'Not affected'                            The processor is not vulnerable
382   'Mitigation: None'                        Vulnerable, no mitigation
383   'Mitigation: Retpolines'                  Use Retpoline thunks
384   'Mitigation: LFENCE'                      Use LFENCE instructions
385   'Mitigation: Enhanced IBRS'               Hardware-focused mitigation
386   'Mitigation: Enhanced IBRS + Retpolines'  Hardware-focused + Retpolines
387   'Mitigation: Enhanced IBRS + LFENCE'      Hardware-focused + LFENCE
388   ========================================  =================================
389
390   - Firmware status: Show if Indirect Branch Restricted Speculation (IBRS) is
391     used to protect against Spectre variant 2 attacks when calling firmware (x86 only).
392
393   ========== =============================================================
394   'IBRS_FW'  Protection against user program attacks when calling firmware
395   ========== =============================================================
396
397   - Indirect branch prediction barrier (IBPB) status for protection between
398     processes of different users. This feature can be controlled through
399     prctl() per process, or through kernel command line options. This is
400     an x86 only feature. For more details see below.
401
402   ===================   ========================================================
403   'IBPB: disabled'      IBPB unused
404   'IBPB: always-on'     Use IBPB on all tasks
405   'IBPB: conditional'   Use IBPB on SECCOMP or indirect branch restricted tasks
406   ===================   ========================================================
407
408   - Single threaded indirect branch prediction (STIBP) status for protection
409     between different hyper threads. This feature can be controlled through
410     prctl per process, or through kernel command line options. This is x86
411     only feature. For more details see below.
412
413   ====================  ========================================================
414   'STIBP: disabled'     STIBP unused
415   'STIBP: forced'       Use STIBP on all tasks
416   'STIBP: conditional'  Use STIBP on SECCOMP or indirect branch restricted tasks
417   ====================  ========================================================
418
419   - Return stack buffer (RSB) protection status:
420
421   =============   ===========================================
422   'RSB filling'   Protection of RSB on context switch enabled
423   =============   ===========================================
424
425   - EIBRS Post-barrier Return Stack Buffer (PBRSB) protection status:
426
427   ===========================  =======================================================
428   'PBRSB-eIBRS: SW sequence'   CPU is affected and protection of RSB on VMEXIT enabled
429   'PBRSB-eIBRS: Vulnerable'    CPU is vulnerable
430   'PBRSB-eIBRS: Not affected'  CPU is not affected by PBRSB
431   ===========================  =======================================================
432
433 Full mitigation might require a microcode update from the CPU
434 vendor. When the necessary microcode is not available, the kernel will
435 report vulnerability.
436
437 Turning on mitigation for Spectre variant 1 and Spectre variant 2
438 -----------------------------------------------------------------
439
440 1. Kernel mitigation
441 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
442
443 Spectre variant 1
444 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
445
446    For the Spectre variant 1, vulnerable kernel code (as determined
447    by code audit or scanning tools) is annotated on a case by case
448    basis to use nospec accessor macros for bounds clipping :ref:`[2]
449    <spec_ref2>` to avoid any usable disclosure gadgets. However, it may
450    not cover all attack vectors for Spectre variant 1.
451
452    Copy-from-user code has an LFENCE barrier to prevent the access_ok()
453    check from being mis-speculated.  The barrier is done by the
454    barrier_nospec() macro.
455
456    For the swapgs variant of Spectre variant 1, LFENCE barriers are
457    added to interrupt, exception and NMI entry where needed.  These
458    barriers are done by the FENCE_SWAPGS_KERNEL_ENTRY and
459    FENCE_SWAPGS_USER_ENTRY macros.
460
461 Spectre variant 2
462 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
463
464    For Spectre variant 2 mitigation, the compiler turns indirect calls or
465    jumps in the kernel into equivalent return trampolines (retpolines)
466    :ref:`[3] <spec_ref3>` :ref:`[9] <spec_ref9>` to go to the target
467    addresses.  Speculative execution paths under retpolines are trapped
468    in an infinite loop to prevent any speculative execution jumping to
469    a gadget.
470
471    To turn on retpoline mitigation on a vulnerable CPU, the kernel
472    needs to be compiled with a gcc compiler that supports the
473    -mindirect-branch=thunk-extern -mindirect-branch-register options.
474    If the kernel is compiled with a Clang compiler, the compiler needs
475    to support -mretpoline-external-thunk option.  The kernel config
476    CONFIG_RETPOLINE needs to be turned on, and the CPU needs to run with
477    the latest updated microcode.
478
479    On Intel Skylake-era systems the mitigation covers most, but not all,
480    cases. See :ref:`[3] <spec_ref3>` for more details.
481
482    On CPUs with hardware mitigation for Spectre variant 2 (e.g. IBRS
483    or enhanced IBRS on x86), retpoline is automatically disabled at run time.
484
485    Systems which support enhanced IBRS (eIBRS) enable IBRS protection once at
486    boot, by setting the IBRS bit, and they're automatically protected against
487    Spectre v2 variant attacks, including cross-thread branch target injections
488    on SMT systems (STIBP). In other words, eIBRS enables STIBP too.
489
490    Legacy IBRS systems clear the IBRS bit on exit to userspace and
491    therefore explicitly enable STIBP for that
492
493    The retpoline mitigation is turned on by default on vulnerable
494    CPUs. It can be forced on or off by the administrator
495    via the kernel command line and sysfs control files. See
496    :ref:`spectre_mitigation_control_command_line`.
497
498    On x86, indirect branch restricted speculation is turned on by default
499    before invoking any firmware code to prevent Spectre variant 2 exploits
500    using the firmware.
501
502    Using kernel address space randomization (CONFIG_RANDOMIZE_BASE=y
503    and CONFIG_SLAB_FREELIST_RANDOM=y in the kernel configuration) makes
504    attacks on the kernel generally more difficult.
505
506 2. User program mitigation
507 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
508
509    User programs can mitigate Spectre variant 1 using LFENCE or "bounds
510    clipping". For more details see :ref:`[2] <spec_ref2>`.
511
512    For Spectre variant 2 mitigation, individual user programs
513    can be compiled with return trampolines for indirect branches.
514    This protects them from consuming poisoned entries in the branch
515    target buffer left by malicious software.
516
517    On legacy IBRS systems, at return to userspace, implicit STIBP is disabled
518    because the kernel clears the IBRS bit. In this case, the userspace programs
519    can disable indirect branch speculation via prctl() (See
520    :ref:`Documentation/userspace-api/spec_ctrl.rst <set_spec_ctrl>`).
521    On x86, this will turn on STIBP to guard against attacks from the
522    sibling thread when the user program is running, and use IBPB to
523    flush the branch target buffer when switching to/from the program.
524
525    Restricting indirect branch speculation on a user program will
526    also prevent the program from launching a variant 2 attack
527    on x86.  All sand-boxed SECCOMP programs have indirect branch
528    speculation restricted by default.  Administrators can change
529    that behavior via the kernel command line and sysfs control files.
530    See :ref:`spectre_mitigation_control_command_line`.
531
532    Programs that disable their indirect branch speculation will have
533    more overhead and run slower.
534
535    User programs should use address space randomization
536    (/proc/sys/kernel/randomize_va_space = 1 or 2) to make attacks more
537    difficult.
538
539 3. VM mitigation
540 ^^^^^^^^^^^^^^^^
541
542    Within the kernel, Spectre variant 1 attacks from rogue guests are
543    mitigated on a case by case basis in VM exit paths. Vulnerable code
544    uses nospec accessor macros for "bounds clipping", to avoid any
545    usable disclosure gadgets.  However, this may not cover all variant
546    1 attack vectors.
547
548    For Spectre variant 2 attacks from rogue guests to the kernel, the
549    Linux kernel uses retpoline or Enhanced IBRS to prevent consumption of
550    poisoned entries in branch target buffer left by rogue guests.  It also
551    flushes the return stack buffer on every VM exit to prevent a return
552    stack buffer underflow so poisoned branch target buffer could be used,
553    or attacker guests leaving poisoned entries in the return stack buffer.
554
555    To mitigate guest-to-guest attacks in the same CPU hardware thread,
556    the branch target buffer is sanitized by flushing before switching
557    to a new guest on a CPU.
558
559    The above mitigations are turned on by default on vulnerable CPUs.
560
561    To mitigate guest-to-guest attacks from sibling thread when SMT is
562    in use, an untrusted guest running in the sibling thread can have
563    its indirect branch speculation disabled by administrator via prctl().
564
565    The kernel also allows guests to use any microcode based mitigation
566    they choose to use (such as IBPB or STIBP on x86) to protect themselves.
567
568 .. _spectre_mitigation_control_command_line:
569
570 Mitigation control on the kernel command line
571 ---------------------------------------------
572
573 Spectre variant 2 mitigation can be disabled or force enabled at the
574 kernel command line.
575
576         nospectre_v1
577
578                 [X86,PPC] Disable mitigations for Spectre Variant 1
579                 (bounds check bypass). With this option data leaks are
580                 possible in the system.
581
582         nospectre_v2
583
584                 [X86] Disable all mitigations for the Spectre variant 2
585                 (indirect branch prediction) vulnerability. System may
586                 allow data leaks with this option, which is equivalent
587                 to spectre_v2=off.
588
589
590         spectre_v2=
591
592                 [X86] Control mitigation of Spectre variant 2
593                 (indirect branch speculation) vulnerability.
594                 The default operation protects the kernel from
595                 user space attacks.
596
597                 on
598                         unconditionally enable, implies
599                         spectre_v2_user=on
600                 off
601                         unconditionally disable, implies
602                         spectre_v2_user=off
603                 auto
604                         kernel detects whether your CPU model is
605                         vulnerable
606
607                 Selecting 'on' will, and 'auto' may, choose a
608                 mitigation method at run time according to the
609                 CPU, the available microcode, the setting of the
610                 CONFIG_RETPOLINE configuration option, and the
611                 compiler with which the kernel was built.
612
613                 Selecting 'on' will also enable the mitigation
614                 against user space to user space task attacks.
615
616                 Selecting 'off' will disable both the kernel and
617                 the user space protections.
618
619                 Specific mitigations can also be selected manually:
620
621                 retpoline               auto pick between generic,lfence
622                 retpoline,generic       Retpolines
623                 retpoline,lfence        LFENCE; indirect branch
624                 retpoline,amd           alias for retpoline,lfence
625                 eibrs                   enhanced IBRS
626                 eibrs,retpoline         enhanced IBRS + Retpolines
627                 eibrs,lfence            enhanced IBRS + LFENCE
628
629                 Not specifying this option is equivalent to
630                 spectre_v2=auto.
631
632 For user space mitigation:
633
634         spectre_v2_user=
635
636                 [X86] Control mitigation of Spectre variant 2
637                 (indirect branch speculation) vulnerability between
638                 user space tasks
639
640                 on
641                         Unconditionally enable mitigations. Is
642                         enforced by spectre_v2=on
643
644                 off
645                         Unconditionally disable mitigations. Is
646                         enforced by spectre_v2=off
647
648                 prctl
649                         Indirect branch speculation is enabled,
650                         but mitigation can be enabled via prctl
651                         per thread. The mitigation control state
652                         is inherited on fork.
653
654                 prctl,ibpb
655                         Like "prctl" above, but only STIBP is
656                         controlled per thread. IBPB is issued
657                         always when switching between different user
658                         space processes.
659
660                 seccomp
661                         Same as "prctl" above, but all seccomp
662                         threads will enable the mitigation unless
663                         they explicitly opt out.
664
665                 seccomp,ibpb
666                         Like "seccomp" above, but only STIBP is
667                         controlled per thread. IBPB is issued
668                         always when switching between different
669                         user space processes.
670
671                 auto
672                         Kernel selects the mitigation depending on
673                         the available CPU features and vulnerability.
674
675                 Default mitigation:
676                 If CONFIG_SECCOMP=y then "seccomp", otherwise "prctl"
677
678                 Not specifying this option is equivalent to
679                 spectre_v2_user=auto.
680
681                 In general the kernel by default selects
682                 reasonable mitigations for the current CPU. To
683                 disable Spectre variant 2 mitigations, boot with
684                 spectre_v2=off. Spectre variant 1 mitigations
685                 cannot be disabled.
686
687 Mitigation selection guide
688 --------------------------
689
690 1. Trusted userspace
691 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
692
693    If all userspace applications are from trusted sources and do not
694    execute externally supplied untrusted code, then the mitigations can
695    be disabled.
696
697 2. Protect sensitive programs
698 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
699
700    For security-sensitive programs that have secrets (e.g. crypto
701    keys), protection against Spectre variant 2 can be put in place by
702    disabling indirect branch speculation when the program is running
703    (See :ref:`Documentation/userspace-api/spec_ctrl.rst <set_spec_ctrl>`).
704
705 3. Sandbox untrusted programs
706 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
707
708    Untrusted programs that could be a source of attacks can be cordoned
709    off by disabling their indirect branch speculation when they are run
710    (See :ref:`Documentation/userspace-api/spec_ctrl.rst <set_spec_ctrl>`).
711    This prevents untrusted programs from polluting the branch target
712    buffer.  All programs running in SECCOMP sandboxes have indirect
713    branch speculation restricted by default. This behavior can be
714    changed via the kernel command line and sysfs control files. See
715    :ref:`spectre_mitigation_control_command_line`.
716
717 3. High security mode
718 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
719
720    All Spectre variant 2 mitigations can be forced on
721    at boot time for all programs (See the "on" option in
722    :ref:`spectre_mitigation_control_command_line`).  This will add
723    overhead as indirect branch speculations for all programs will be
724    restricted.
725
726    On x86, branch target buffer will be flushed with IBPB when switching
727    to a new program. STIBP is left on all the time to protect programs
728    against variant 2 attacks originating from programs running on
729    sibling threads.
730
731    Alternatively, STIBP can be used only when running programs
732    whose indirect branch speculation is explicitly disabled,
733    while IBPB is still used all the time when switching to a new
734    program to clear the branch target buffer (See "ibpb" option in
735    :ref:`spectre_mitigation_control_command_line`).  This "ibpb" option
736    has less performance cost than the "on" option, which leaves STIBP
737    on all the time.
738
739 References on Spectre
740 ---------------------
741
742 Intel white papers:
743
744 .. _spec_ref1:
745
746 [1] `Intel analysis of speculative execution side channels <https://newsroom.intel.com/wp-content/uploads/sites/11/2018/01/Intel-Analysis-of-Speculative-Execution-Side-Channels.pdf>`_.
747
748 .. _spec_ref2:
749
750 [2] `Bounds check bypass <https://software.intel.com/security-software-guidance/software-guidance/bounds-check-bypass>`_.
751
752 .. _spec_ref3:
753
754 [3] `Deep dive: Retpoline: A branch target injection mitigation <https://software.intel.com/security-software-guidance/insights/deep-dive-retpoline-branch-target-injection-mitigation>`_.
755
756 .. _spec_ref4:
757
758 [4] `Deep Dive: Single Thread Indirect Branch Predictors <https://software.intel.com/security-software-guidance/insights/deep-dive-single-thread-indirect-branch-predictors>`_.
759
760 AMD white papers:
761
762 .. _spec_ref5:
763
764 [5] `AMD64 technology indirect branch control extension <https://developer.amd.com/wp-content/resources/Architecture_Guidelines_Update_Indirect_Branch_Control.pdf>`_.
765
766 .. _spec_ref6:
767
768 [6] `Software techniques for managing speculation on AMD processors <https://developer.amd.com/wp-content/resources/Managing-Speculation-on-AMD-Processors.pdf>`_.
769
770 ARM white papers:
771
772 .. _spec_ref7:
773
774 [7] `Cache speculation side-channels <https://developer.arm.com/support/arm-security-updates/speculative-processor-vulnerability/download-the-whitepaper>`_.
775
776 .. _spec_ref8:
777
778 [8] `Cache speculation issues update <https://developer.arm.com/support/arm-security-updates/speculative-processor-vulnerability/latest-updates/cache-speculation-issues-update>`_.
779
780 Google white paper:
781
782 .. _spec_ref9:
783
784 [9] `Retpoline: a software construct for preventing branch-target-injection <https://support.google.com/faqs/answer/7625886>`_.
785
786 MIPS white paper:
787
788 .. _spec_ref10:
789
790 [10] `MIPS: response on speculative execution and side channel vulnerabilities <https://www.mips.com/blog/mips-response-on-speculative-execution-and-side-channel-vulnerabilities/>`_.
791
792 Academic papers:
793
794 .. _spec_ref11:
795
796 [11] `Spectre Attacks: Exploiting Speculative Execution <https://spectreattack.com/spectre.pdf>`_.
797
798 .. _spec_ref12:
799
800 [12] `NetSpectre: Read Arbitrary Memory over Network <https://arxiv.org/abs/1807.10535>`_.
801
802 .. _spec_ref13:
803
804 [13] `Spectre Returns! Speculation Attacks using the Return Stack Buffer <https://www.usenix.org/system/files/conference/woot18/woot18-paper-koruyeh.pdf>`_.