GNU Linux-libre 4.19.211-gnu1
[releases.git] / 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 #include <linux/cpu.h>
39
40 #include <asm/cpufeature.h>
41 #include <asm/hypervisor.h>
42 #include <asm/vsyscall.h>
43 #include <asm/cmdline.h>
44 #include <asm/pti.h>
45 #include <asm/pgtable.h>
46 #include <asm/pgalloc.h>
47 #include <asm/tlbflush.h>
48 #include <asm/desc.h>
49 #include <asm/sections.h>
50
51 #undef pr_fmt
52 #define pr_fmt(fmt)     "Kernel/User page tables isolation: " fmt
53
54 /* Backporting helper */
55 #ifndef __GFP_NOTRACK
56 #define __GFP_NOTRACK   0
57 #endif
58
59 /*
60  * Define the page-table levels we clone for user-space on 32
61  * and 64 bit.
62  */
63 #ifdef CONFIG_X86_64
64 #define PTI_LEVEL_KERNEL_IMAGE  PTI_CLONE_PMD
65 #else
66 #define PTI_LEVEL_KERNEL_IMAGE  PTI_CLONE_PTE
67 #endif
68
69 static void __init pti_print_if_insecure(const char *reason)
70 {
71         if (boot_cpu_has_bug(X86_BUG_CPU_MELTDOWN))
72                 pr_info("%s\n", reason);
73 }
74
75 static void __init pti_print_if_secure(const char *reason)
76 {
77         if (!boot_cpu_has_bug(X86_BUG_CPU_MELTDOWN))
78                 pr_info("%s\n", reason);
79 }
80
81 enum pti_mode {
82         PTI_AUTO = 0,
83         PTI_FORCE_OFF,
84         PTI_FORCE_ON
85 } pti_mode;
86
87 void __init pti_check_boottime_disable(void)
88 {
89         char arg[5];
90         int ret;
91
92         /* Assume mode is auto unless overridden. */
93         pti_mode = PTI_AUTO;
94
95         if (hypervisor_is_type(X86_HYPER_XEN_PV)) {
96                 pti_mode = PTI_FORCE_OFF;
97                 pti_print_if_insecure("disabled on XEN PV.");
98                 return;
99         }
100
101         ret = cmdline_find_option(boot_command_line, "pti", arg, sizeof(arg));
102         if (ret > 0)  {
103                 if (ret == 3 && !strncmp(arg, "off", 3)) {
104                         pti_mode = PTI_FORCE_OFF;
105                         pti_print_if_insecure("disabled on command line.");
106                         return;
107                 }
108                 if (ret == 2 && !strncmp(arg, "on", 2)) {
109                         pti_mode = PTI_FORCE_ON;
110                         pti_print_if_secure("force enabled on command line.");
111                         goto enable;
112                 }
113                 if (ret == 4 && !strncmp(arg, "auto", 4)) {
114                         pti_mode = PTI_AUTO;
115                         goto autosel;
116                 }
117         }
118
119         if (cmdline_find_option_bool(boot_command_line, "nopti") ||
120             cpu_mitigations_off()) {
121                 pti_mode = PTI_FORCE_OFF;
122                 pti_print_if_insecure("disabled on command line.");
123                 return;
124         }
125
126 autosel:
127         if (!boot_cpu_has_bug(X86_BUG_CPU_MELTDOWN))
128                 return;
129 enable:
130         setup_force_cpu_cap(X86_FEATURE_PTI);
131 }
132
133 pgd_t __pti_set_user_pgtbl(pgd_t *pgdp, pgd_t pgd)
134 {
135         /*
136          * Changes to the high (kernel) portion of the kernelmode page
137          * tables are not automatically propagated to the usermode tables.
138          *
139          * Users should keep in mind that, unlike the kernelmode tables,
140          * there is no vmalloc_fault equivalent for the usermode tables.
141          * Top-level entries added to init_mm's usermode pgd after boot
142          * will not be automatically propagated to other mms.
143          */
144         if (!pgdp_maps_userspace(pgdp))
145                 return pgd;
146
147         /*
148          * The user page tables get the full PGD, accessible from
149          * userspace:
150          */
151         kernel_to_user_pgdp(pgdp)->pgd = pgd.pgd;
152
153         /*
154          * If this is normal user memory, make it NX in the kernel
155          * pagetables so that, if we somehow screw up and return to
156          * usermode with the kernel CR3 loaded, we'll get a page fault
157          * instead of allowing user code to execute with the wrong CR3.
158          *
159          * As exceptions, we don't set NX if:
160          *  - _PAGE_USER is not set.  This could be an executable
161          *     EFI runtime mapping or something similar, and the kernel
162          *     may execute from it
163          *  - we don't have NX support
164          *  - we're clearing the PGD (i.e. the new pgd is not present).
165          */
166         if ((pgd.pgd & (_PAGE_USER|_PAGE_PRESENT)) == (_PAGE_USER|_PAGE_PRESENT) &&
167             (__supported_pte_mask & _PAGE_NX))
168                 pgd.pgd |= _PAGE_NX;
169
170         /* return the copy of the PGD we want the kernel to use: */
171         return pgd;
172 }
173
174 /*
175  * Walk the user copy of the page tables (optionally) trying to allocate
176  * page table pages on the way down.
177  *
178  * Returns a pointer to a P4D on success, or NULL on failure.
179  */
180 static p4d_t *pti_user_pagetable_walk_p4d(unsigned long address)
181 {
182         pgd_t *pgd = kernel_to_user_pgdp(pgd_offset_k(address));
183         gfp_t gfp = (GFP_KERNEL | __GFP_NOTRACK | __GFP_ZERO);
184
185         if (address < PAGE_OFFSET) {
186                 WARN_ONCE(1, "attempt to walk user address\n");
187                 return NULL;
188         }
189
190         if (pgd_none(*pgd)) {
191                 unsigned long new_p4d_page = __get_free_page(gfp);
192                 if (WARN_ON_ONCE(!new_p4d_page))
193                         return NULL;
194
195                 set_pgd(pgd, __pgd(_KERNPG_TABLE | __pa(new_p4d_page)));
196         }
197         BUILD_BUG_ON(pgd_large(*pgd) != 0);
198
199         return p4d_offset(pgd, address);
200 }
201
202 /*
203  * Walk the user copy of the page tables (optionally) trying to allocate
204  * page table pages on the way down.
205  *
206  * Returns a pointer to a PMD on success, or NULL on failure.
207  */
208 static pmd_t *pti_user_pagetable_walk_pmd(unsigned long address)
209 {
210         gfp_t gfp = (GFP_KERNEL | __GFP_NOTRACK | __GFP_ZERO);
211         p4d_t *p4d;
212         pud_t *pud;
213
214         p4d = pti_user_pagetable_walk_p4d(address);
215         if (!p4d)
216                 return NULL;
217
218         BUILD_BUG_ON(p4d_large(*p4d) != 0);
219         if (p4d_none(*p4d)) {
220                 unsigned long new_pud_page = __get_free_page(gfp);
221                 if (WARN_ON_ONCE(!new_pud_page))
222                         return NULL;
223
224                 set_p4d(p4d, __p4d(_KERNPG_TABLE | __pa(new_pud_page)));
225         }
226
227         pud = pud_offset(p4d, address);
228         /* The user page tables do not use large mappings: */
229         if (pud_large(*pud)) {
230                 WARN_ON(1);
231                 return NULL;
232         }
233         if (pud_none(*pud)) {
234                 unsigned long new_pmd_page = __get_free_page(gfp);
235                 if (WARN_ON_ONCE(!new_pmd_page))
236                         return NULL;
237
238                 set_pud(pud, __pud(_KERNPG_TABLE | __pa(new_pmd_page)));
239         }
240
241         return pmd_offset(pud, address);
242 }
243
244 /*
245  * Walk the shadow copy of the page tables (optionally) trying to allocate
246  * page table pages on the way down.  Does not support large pages.
247  *
248  * Note: this is only used when mapping *new* kernel data into the
249  * user/shadow page tables.  It is never used for userspace data.
250  *
251  * Returns a pointer to a PTE on success, or NULL on failure.
252  */
253 static pte_t *pti_user_pagetable_walk_pte(unsigned long address)
254 {
255         gfp_t gfp = (GFP_KERNEL | __GFP_NOTRACK | __GFP_ZERO);
256         pmd_t *pmd;
257         pte_t *pte;
258
259         pmd = pti_user_pagetable_walk_pmd(address);
260         if (!pmd)
261                 return NULL;
262
263         /* We can't do anything sensible if we hit a large mapping. */
264         if (pmd_large(*pmd)) {
265                 WARN_ON(1);
266                 return NULL;
267         }
268
269         if (pmd_none(*pmd)) {
270                 unsigned long new_pte_page = __get_free_page(gfp);
271                 if (!new_pte_page)
272                         return NULL;
273
274                 set_pmd(pmd, __pmd(_KERNPG_TABLE | __pa(new_pte_page)));
275         }
276
277         pte = pte_offset_kernel(pmd, address);
278         if (pte_flags(*pte) & _PAGE_USER) {
279                 WARN_ONCE(1, "attempt to walk to user pte\n");
280                 return NULL;
281         }
282         return pte;
283 }
284
285 #ifdef CONFIG_X86_VSYSCALL_EMULATION
286 static void __init pti_setup_vsyscall(void)
287 {
288         pte_t *pte, *target_pte;
289         unsigned int level;
290
291         pte = lookup_address(VSYSCALL_ADDR, &level);
292         if (!pte || WARN_ON(level != PG_LEVEL_4K) || pte_none(*pte))
293                 return;
294
295         target_pte = pti_user_pagetable_walk_pte(VSYSCALL_ADDR);
296         if (WARN_ON(!target_pte))
297                 return;
298
299         *target_pte = *pte;
300         set_vsyscall_pgtable_user_bits(kernel_to_user_pgdp(swapper_pg_dir));
301 }
302 #else
303 static void __init pti_setup_vsyscall(void) { }
304 #endif
305
306 enum pti_clone_level {
307         PTI_CLONE_PMD,
308         PTI_CLONE_PTE,
309 };
310
311 static void
312 pti_clone_pgtable(unsigned long start, unsigned long end,
313                   enum pti_clone_level level)
314 {
315         unsigned long addr;
316
317         /*
318          * Clone the populated PMDs which cover start to end. These PMD areas
319          * can have holes.
320          */
321         for (addr = start; addr < end;) {
322                 pte_t *pte, *target_pte;
323                 pmd_t *pmd, *target_pmd;
324                 pgd_t *pgd;
325                 p4d_t *p4d;
326                 pud_t *pud;
327
328                 /* Overflow check */
329                 if (addr < start)
330                         break;
331
332                 pgd = pgd_offset_k(addr);
333                 if (WARN_ON(pgd_none(*pgd)))
334                         return;
335                 p4d = p4d_offset(pgd, addr);
336                 if (WARN_ON(p4d_none(*p4d)))
337                         return;
338
339                 pud = pud_offset(p4d, addr);
340                 if (pud_none(*pud)) {
341                         WARN_ON_ONCE(addr & ~PUD_MASK);
342                         addr = round_up(addr + 1, PUD_SIZE);
343                         continue;
344                 }
345
346                 pmd = pmd_offset(pud, addr);
347                 if (pmd_none(*pmd)) {
348                         WARN_ON_ONCE(addr & ~PMD_MASK);
349                         addr = round_up(addr + 1, PMD_SIZE);
350                         continue;
351                 }
352
353                 if (pmd_large(*pmd) || level == PTI_CLONE_PMD) {
354                         target_pmd = pti_user_pagetable_walk_pmd(addr);
355                         if (WARN_ON(!target_pmd))
356                                 return;
357
358                         /*
359                          * Only clone present PMDs.  This ensures only setting
360                          * _PAGE_GLOBAL on present PMDs.  This should only be
361                          * called on well-known addresses anyway, so a non-
362                          * present PMD would be a surprise.
363                          */
364                         if (WARN_ON(!(pmd_flags(*pmd) & _PAGE_PRESENT)))
365                                 return;
366
367                         /*
368                          * Setting 'target_pmd' below creates a mapping in both
369                          * the user and kernel page tables.  It is effectively
370                          * global, so set it as global in both copies.  Note:
371                          * the X86_FEATURE_PGE check is not _required_ because
372                          * the CPU ignores _PAGE_GLOBAL when PGE is not
373                          * supported.  The check keeps consistentency with
374                          * code that only set this bit when supported.
375                          */
376                         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE))
377                                 *pmd = pmd_set_flags(*pmd, _PAGE_GLOBAL);
378
379                         /*
380                          * Copy the PMD.  That is, the kernelmode and usermode
381                          * tables will share the last-level page tables of this
382                          * address range
383                          */
384                         *target_pmd = *pmd;
385
386                         addr += PMD_SIZE;
387
388                 } else if (level == PTI_CLONE_PTE) {
389
390                         /* Walk the page-table down to the pte level */
391                         pte = pte_offset_kernel(pmd, addr);
392                         if (pte_none(*pte)) {
393                                 addr += PAGE_SIZE;
394                                 continue;
395                         }
396
397                         /* Only clone present PTEs */
398                         if (WARN_ON(!(pte_flags(*pte) & _PAGE_PRESENT)))
399                                 return;
400
401                         /* Allocate PTE in the user page-table */
402                         target_pte = pti_user_pagetable_walk_pte(addr);
403                         if (WARN_ON(!target_pte))
404                                 return;
405
406                         /* Set GLOBAL bit in both PTEs */
407                         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE))
408                                 *pte = pte_set_flags(*pte, _PAGE_GLOBAL);
409
410                         /* Clone the PTE */
411                         *target_pte = *pte;
412
413                         addr += PAGE_SIZE;
414
415                 } else {
416                         BUG();
417                 }
418         }
419 }
420
421 #ifdef CONFIG_X86_64
422 /*
423  * Clone a single p4d (i.e. a top-level entry on 4-level systems and a
424  * next-level entry on 5-level systems.
425  */
426 static void __init pti_clone_p4d(unsigned long addr)
427 {
428         p4d_t *kernel_p4d, *user_p4d;
429         pgd_t *kernel_pgd;
430
431         user_p4d = pti_user_pagetable_walk_p4d(addr);
432         if (!user_p4d)
433                 return;
434
435         kernel_pgd = pgd_offset_k(addr);
436         kernel_p4d = p4d_offset(kernel_pgd, addr);
437         *user_p4d = *kernel_p4d;
438 }
439
440 /*
441  * Clone the CPU_ENTRY_AREA into the user space visible page table.
442  */
443 static void __init pti_clone_user_shared(void)
444 {
445         pti_clone_p4d(CPU_ENTRY_AREA_BASE);
446 }
447
448 #else /* CONFIG_X86_64 */
449
450 /*
451  * On 32 bit PAE systems with 1GB of Kernel address space there is only
452  * one pgd/p4d for the whole kernel. Cloning that would map the whole
453  * address space into the user page-tables, making PTI useless. So clone
454  * the page-table on the PMD level to prevent that.
455  */
456 static void __init pti_clone_user_shared(void)
457 {
458         unsigned long start, end;
459
460         start = CPU_ENTRY_AREA_BASE;
461         end   = start + (PAGE_SIZE * CPU_ENTRY_AREA_PAGES);
462
463         pti_clone_pgtable(start, end, PTI_CLONE_PMD);
464 }
465 #endif /* CONFIG_X86_64 */
466
467 /*
468  * Clone the ESPFIX P4D into the user space visible page table
469  */
470 static void __init pti_setup_espfix64(void)
471 {
472 #ifdef CONFIG_X86_ESPFIX64
473         pti_clone_p4d(ESPFIX_BASE_ADDR);
474 #endif
475 }
476
477 /*
478  * Clone the populated PMDs of the entry and irqentry text and force it RO.
479  */
480 static void pti_clone_entry_text(void)
481 {
482         pti_clone_pgtable((unsigned long) __entry_text_start,
483                           (unsigned long) __irqentry_text_end,
484                           PTI_CLONE_PMD);
485 }
486
487 /*
488  * Global pages and PCIDs are both ways to make kernel TLB entries
489  * live longer, reduce TLB misses and improve kernel performance.
490  * But, leaving all kernel text Global makes it potentially accessible
491  * to Meltdown-style attacks which make it trivial to find gadgets or
492  * defeat KASLR.
493  *
494  * Only use global pages when it is really worth it.
495  */
496 static inline bool pti_kernel_image_global_ok(void)
497 {
498         /*
499          * Systems with PCIDs get litlle benefit from global
500          * kernel text and are not worth the downsides.
501          */
502         if (cpu_feature_enabled(X86_FEATURE_PCID))
503                 return false;
504
505         /*
506          * Only do global kernel image for pti=auto.  Do the most
507          * secure thing (not global) if pti=on specified.
508          */
509         if (pti_mode != PTI_AUTO)
510                 return false;
511
512         /*
513          * K8 may not tolerate the cleared _PAGE_RW on the userspace
514          * global kernel image pages.  Do the safe thing (disable
515          * global kernel image).  This is unlikely to ever be
516          * noticed because PTI is disabled by default on AMD CPUs.
517          */
518         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_K8))
519                 return false;
520
521         /*
522          * RANDSTRUCT derives its hardening benefits from the
523          * attacker's lack of knowledge about the layout of kernel
524          * data structures.  Keep the kernel image non-global in
525          * cases where RANDSTRUCT is in use to help keep the layout a
526          * secret.
527          */
528         if (IS_ENABLED(CONFIG_GCC_PLUGIN_RANDSTRUCT))
529                 return false;
530
531         return true;
532 }
533
534 /*
535  * This is the only user for these and it is not arch-generic
536  * like the other set_memory.h functions.  Just extern them.
537  */
538 extern int set_memory_nonglobal(unsigned long addr, int numpages);
539 extern int set_memory_global(unsigned long addr, int numpages);
540
541 /*
542  * For some configurations, map all of kernel text into the user page
543  * tables.  This reduces TLB misses, especially on non-PCID systems.
544  */
545 static void pti_clone_kernel_text(void)
546 {
547         /*
548          * rodata is part of the kernel image and is normally
549          * readable on the filesystem or on the web.  But, do not
550          * clone the areas past rodata, they might contain secrets.
551          */
552         unsigned long start = PFN_ALIGN(_text);
553         unsigned long end_clone  = (unsigned long)__end_rodata_aligned;
554         unsigned long end_global = PFN_ALIGN((unsigned long)__stop___ex_table);
555
556         if (!pti_kernel_image_global_ok())
557                 return;
558
559         pr_debug("mapping partial kernel image into user address space\n");
560
561         /*
562          * Note that this will undo _some_ of the work that
563          * pti_set_kernel_image_nonglobal() did to clear the
564          * global bit.
565          */
566         pti_clone_pgtable(start, end_clone, PTI_LEVEL_KERNEL_IMAGE);
567
568         /*
569          * pti_clone_pgtable() will set the global bit in any PMDs
570          * that it clones, but we also need to get any PTEs in
571          * the last level for areas that are not huge-page-aligned.
572          */
573
574         /* Set the global bit for normal non-__init kernel text: */
575         set_memory_global(start, (end_global - start) >> PAGE_SHIFT);
576 }
577
578 void pti_set_kernel_image_nonglobal(void)
579 {
580         /*
581          * The identity map is created with PMDs, regardless of the
582          * actual length of the kernel.  We need to clear
583          * _PAGE_GLOBAL up to a PMD boundary, not just to the end
584          * of the image.
585          */
586         unsigned long start = PFN_ALIGN(_text);
587         unsigned long end = ALIGN((unsigned long)_end, PMD_PAGE_SIZE);
588
589         /*
590          * This clears _PAGE_GLOBAL from the entire kernel image.
591          * pti_clone_kernel_text() map put _PAGE_GLOBAL back for
592          * areas that are mapped to userspace.
593          */
594         set_memory_nonglobal(start, (end - start) >> PAGE_SHIFT);
595 }
596
597 /*
598  * Initialize kernel page table isolation
599  */
600 void __init pti_init(void)
601 {
602         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
603                 return;
604
605         pr_info("enabled\n");
606
607 #ifdef CONFIG_X86_32
608         /*
609          * We check for X86_FEATURE_PCID here. But the init-code will
610          * clear the feature flag on 32 bit because the feature is not
611          * supported on 32 bit anyway. To print the warning we need to
612          * check with cpuid directly again.
613          */
614         if (cpuid_ecx(0x1) & BIT(17)) {
615                 /* Use printk to work around pr_fmt() */
616                 printk(KERN_WARNING "\n");
617                 printk(KERN_WARNING "************************************************************\n");
618                 printk(KERN_WARNING "** WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING!  **\n");
619                 printk(KERN_WARNING "**                                                        **\n");
620                 printk(KERN_WARNING "** You are using 32-bit PTI on a 64-bit PCID-capable CPU. **\n");
621                 printk(KERN_WARNING "** Your performance will increase dramatically if you     **\n");
622                 printk(KERN_WARNING "** switch to a 64-bit kernel!                             **\n");
623                 printk(KERN_WARNING "**                                                        **\n");
624                 printk(KERN_WARNING "** WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING!  **\n");
625                 printk(KERN_WARNING "************************************************************\n");
626         }
627 #endif
628
629         pti_clone_user_shared();
630
631         /* Undo all global bits from the init pagetables in head_64.S: */
632         pti_set_kernel_image_nonglobal();
633         /* Replace some of the global bits just for shared entry text: */
634         pti_clone_entry_text();
635         pti_setup_espfix64();
636         pti_setup_vsyscall();
637 }
638
639 /*
640  * Finalize the kernel mappings in the userspace page-table. Some of the
641  * mappings for the kernel image might have changed since pti_init()
642  * cloned them. This is because parts of the kernel image have been
643  * mapped RO and/or NX.  These changes need to be cloned again to the
644  * userspace page-table.
645  */
646 void pti_finalize(void)
647 {
648         if (!boot_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
649                 return;
650         /*
651          * We need to clone everything (again) that maps parts of the
652          * kernel image.
653          */
654         pti_clone_entry_text();
655         pti_clone_kernel_text();
656
657         debug_checkwx_user();
658 }