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 #if IS_ENABLED(CONFIG_X86_32) && !IS_ENABLED(CONFIG_UML)
  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         pr_info("Corrupting stack containing char array ...\n");
 122         __lkdtm_CORRUPT_STACK((void *)&data);
 123 }
 124
 125 /* Same as above but will only get a canary with -fstack-protector-strong */
 126 noinline void lkdtm_CORRUPT_STACK_STRONG(void)
 127 {
 128         union {
 129                 unsigned short shorts[4];
 130                 unsigned long *ptr;
 131         } data __aligned(sizeof(void *));
 132
 133         pr_info("Corrupting stack containing union ...\n");
 134         __lkdtm_CORRUPT_STACK((void *)&data);
 135 }
 136
 137 void lkdtm_UNALIGNED_LOAD_STORE_WRITE(void)
 138 {
 139         static u8 data[5] __attribute__((aligned(4))) = {1, 2, 3, 4, 5};
 140         u32 *p;
 141         u32 val = 0x12345678;
 142
 143         p = (u32 *)(data + 1);
 144         if (*p == 0)
 145                 val = 0x87654321;
 146         *p = val;
 147
 148         if (IS_ENABLED(CONFIG_HAVE_EFFICIENT_UNALIGNED_ACCESS))
 149                 pr_err("XFAIL: arch has CONFIG_HAVE_EFFICIENT_UNALIGNED_ACCESS\n");
 150 }
 151
 152 void lkdtm_SOFTLOCKUP(void)
 153 {
 154         preempt_disable();
 155         for (;;)
 156                 cpu_relax();
 157 }
 158
 159 void lkdtm_HARDLOCKUP(void)
 160 {
 161         local_irq_disable();
 162         for (;;)
 163                 cpu_relax();
 164 }
 165
 166 void lkdtm_SPINLOCKUP(void)
 167 {
 168         /* Must be called twice to trigger. */
 169         spin_lock(&lock_me_up);
 170         /* Let sparse know we intended to exit holding the lock. */
 171         __release(&lock_me_up);
 172 }
 173
 174 void lkdtm_HUNG_TASK(void)
 175 {
 176         set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
 177         schedule();
 178 }
 179
 180 volatile unsigned int huge = INT_MAX - 2;
 181 volatile unsigned int ignored;
 182
 183 void lkdtm_OVERFLOW_SIGNED(void)
 184 {
 185         int value;
 186
 187         value = huge;
 188         pr_info("Normal signed addition ...\n");
 189         value += 1;
 190         ignored = value;
 191
 192         pr_info("Overflowing signed addition ...\n");
 193         value += 4;
 194         ignored = value;
 195 }
 196
 197
 198 void lkdtm_OVERFLOW_UNSIGNED(void)
 199 {
 200         unsigned int value;
 201
 202         value = huge;
 203         pr_info("Normal unsigned addition ...\n");
 204         value += 1;
 205         ignored = value;
 206
 207         pr_info("Overflowing unsigned addition ...\n");
 208         value += 4;
 209         ignored = value;
 210 }
 211
 212 /* Intentionally using old-style flex array definition of 1 byte. */
 213 struct array_bounds_flex_array {
 214         int one;
 215         int two;
 216         char data[1];
 217 };
 218
 219 struct array_bounds {
 220         int one;
 221         int two;
 222         char data[8];
 223         int three;
 224 };
 225
 226 void lkdtm_ARRAY_BOUNDS(void)
 227 {
 228         struct array_bounds_flex_array *not_checked;
 229         struct array_bounds *checked;
 230         volatile int i;
 231
 232         not_checked = kmalloc(sizeof(*not_checked) * 2, GFP_KERNEL);
 233         checked = kmalloc(sizeof(*checked) * 2, GFP_KERNEL);
 234         if (!not_checked || !checked) {
 235                 kfree(not_checked);
 236                 kfree(checked);
 237                 return;
 238         }
 239
 240         pr_info("Array access within bounds ...\n");
 241         /* For both, touch all bytes in the actual member size. */
 242         for (i = 0; i < sizeof(checked->data); i++)
 243                 checked->data[i] = 'A';
 244         /*
 245          * For the uninstrumented flex array member, also touch 1 byte
 246          * beyond to verify it is correctly uninstrumented.
 247          */
 248         for (i = 0; i < sizeof(not_checked->data) + 1; i++)
 249                 not_checked->data[i] = 'A';
 250
 251         pr_info("Array access beyond bounds ...\n");
 252         for (i = 0; i < sizeof(checked->data) + 1; i++)
 253                 checked->data[i] = 'B';
 254
 255         kfree(not_checked);
 256         kfree(checked);
 257         pr_err("FAIL: survived array bounds overflow!\n");
 258 }
 259
 260 void lkdtm_CORRUPT_LIST_ADD(void)
 261 {
 262         /*
 263          * Initially, an empty list via LIST_HEAD:
 264          *      test_head.next = &test_head
 265          *      test_head.prev = &test_head
 266          */
 267         LIST_HEAD(test_head);
 268         struct lkdtm_list good, bad;
 269         void *target[2] = { };
 270         void *redirection = &target;
 271
 272         pr_info("attempting good list addition\n");
 273
 274         /*
 275          * Adding to the list performs these actions:
 276          *      test_head.next->prev = &good.node
 277          *      good.node.next = test_head.next
 278          *      good.node.prev = test_head
 279          *      test_head.next = good.node
 280          */
 281         list_add(&good.node, &test_head);
 282
 283         pr_info("attempting corrupted list addition\n");
 284         /*
 285          * In simulating this "write what where" primitive, the "what" is
 286          * the address of &bad.node, and the "where" is the address held
 287          * by "redirection".
 288          */
 289         test_head.next = redirection;
 290         list_add(&bad.node, &test_head);
 291
 292         if (target[0] == NULL && target[1] == NULL)
 293                 pr_err("Overwrite did not happen, but no BUG?!\n");
 294         else
 295                 pr_err("list_add() corruption not detected!\n");
 296 }
 297
 298 void lkdtm_CORRUPT_LIST_DEL(void)
 299 {
 300         LIST_HEAD(test_head);
 301         struct lkdtm_list item;
 302         void *target[2] = { };
 303         void *redirection = &target;
 304
 305         list_add(&item.node, &test_head);
 306
 307         pr_info("attempting good list removal\n");
 308         list_del(&item.node);
 309
 310         pr_info("attempting corrupted list removal\n");
 311         list_add(&item.node, &test_head);
 312
 313         /* As with the list_add() test above, this corrupts "next". */
 314         item.node.next = redirection;
 315         list_del(&item.node);
 316
 317         if (target[0] == NULL && target[1] == NULL)
 318                 pr_err("Overwrite did not happen, but no BUG?!\n");
 319         else
 320                 pr_err("list_del() corruption not detected!\n");
 321 }
 322
 323 /* Test that VMAP_STACK is actually allocating with a leading guard page */
 324 void lkdtm_STACK_GUARD_PAGE_LEADING(void)
 325 {
 326         const unsigned char *stack = task_stack_page(current);
 327         const unsigned char *ptr = stack - 1;
 328         volatile unsigned char byte;
 329
 330         pr_info("attempting bad read from page below current stack\n");
 331
 332         byte = *ptr;
 333
 334         pr_err("FAIL: accessed page before stack! (byte: %x)\n", byte);
 335 }
 336
 337 /* Test that VMAP_STACK is actually allocating with a trailing guard page */
 338 void lkdtm_STACK_GUARD_PAGE_TRAILING(void)
 339 {
 340         const unsigned char *stack = task_stack_page(current);
 341         const unsigned char *ptr = stack + THREAD_SIZE;
 342         volatile unsigned char byte;
 343
 344         pr_info("attempting bad read from page above current stack\n");
 345
 346         byte = *ptr;
 347
 348         pr_err("FAIL: accessed page after stack! (byte: %x)\n", byte);
 349 }
 350
 351 void lkdtm_UNSET_SMEP(void)
 352 {
 353 #if IS_ENABLED(CONFIG_X86_64) && !IS_ENABLED(CONFIG_UML)
 354 #define MOV_CR4_DEPTH   64
 355         void (*direct_write_cr4)(unsigned long val);
 356         unsigned char *insn;
 357         unsigned long cr4;
 358         int i;
 359
 360         cr4 = native_read_cr4();
 361
 362         if ((cr4 & X86_CR4_SMEP) != X86_CR4_SMEP) {
 363                 pr_err("FAIL: SMEP not in use\n");
 364                 return;
 365         }
 366         cr4 &= ~(X86_CR4_SMEP);
 367
 368         pr_info("trying to clear SMEP normally\n");
 369         native_write_cr4(cr4);
 370         if (cr4 == native_read_cr4()) {
 371                 pr_err("FAIL: pinning SMEP failed!\n");
 372                 cr4 |= X86_CR4_SMEP;
 373                 pr_info("restoring SMEP\n");
 374                 native_write_cr4(cr4);
 375                 return;
 376         }
 377         pr_info("ok: SMEP did not get cleared\n");
 378
 379         /*
 380          * To test the post-write pinning verification we need to call
 381          * directly into the middle of native_write_cr4() where the
 382          * cr4 write happens, skipping any pinning. This searches for
 383          * the cr4 writing instruction.
 384          */
 385         insn = (unsigned char *)native_write_cr4;
 386         for (i = 0; i < MOV_CR4_DEPTH; i++) {
 387                 /* mov %rdi, %cr4 */
 388                 if (insn[i] == 0x0f && insn[i+1] == 0x22 && insn[i+2] == 0xe7)
 389                         break;
 390                 /* mov %rdi,%rax; mov %rax, %cr4 */
 391                 if (insn[i]   == 0x48 && insn[i+1] == 0x89 &&
 392                     insn[i+2] == 0xf8 && insn[i+3] == 0x0f &&
 393                     insn[i+4] == 0x22 && insn[i+5] == 0xe0)
 394                         break;
 395         }
 396         if (i >= MOV_CR4_DEPTH) {
 397                 pr_info("ok: cannot locate cr4 writing call gadget\n");
 398                 return;
 399         }
 400         direct_write_cr4 = (void *)(insn + i);
 401
 402         pr_info("trying to clear SMEP with call gadget\n");
 403         direct_write_cr4(cr4);
 404         if (native_read_cr4() & X86_CR4_SMEP) {
 405                 pr_info("ok: SMEP removal was reverted\n");
 406         } else {
 407                 pr_err("FAIL: cleared SMEP not detected!\n");
 408                 cr4 |= X86_CR4_SMEP;
 409                 pr_info("restoring SMEP\n");
 410                 native_write_cr4(cr4);
 411         }
 412 #else
 413         pr_err("XFAIL: this test is x86_64-only\n");
 414 #endif
 415 }
 416
 417 void lkdtm_DOUBLE_FAULT(void)
 418 {
 419 #if IS_ENABLED(CONFIG_X86_32) && !IS_ENABLED(CONFIG_UML)
 420         /*
 421          * Trigger #DF by setting the stack limit to zero.  This clobbers
 422          * a GDT TLS slot, which is okay because the current task will die
 423          * anyway due to the double fault.
 424          */
 425         struct desc_struct d = {
 426                 .type = 3,      /* expand-up, writable, accessed data */
 427                 .p = 1,         /* present */
 428                 .d = 1,         /* 32-bit */
 429                 .g = 0,         /* limit in bytes */
 430                 .s = 1,         /* not system */
 431         };
 432
 433         local_irq_disable();
 434         write_gdt_entry(get_cpu_gdt_rw(smp_processor_id()),
 435                         GDT_ENTRY_TLS_MIN, &d, DESCTYPE_S);
 436
 437         /*
 438          * Put our zero-limit segment in SS and then trigger a fault.  The
 439          * 4-byte access to (%esp) will fault with #SS, and the attempt to
 440          * deliver the fault will recursively cause #SS and result in #DF.
 441          * This whole process happens while NMIs and MCEs are blocked by the
 442          * MOV SS window.  This is nice because an NMI with an invalid SS
 443          * would also double-fault, resulting in the NMI or MCE being lost.
 444          */
 445         asm volatile ("movw %0, %%ss; addl $0, (%%esp)" ::
 446                       "r" ((unsigned short)(GDT_ENTRY_TLS_MIN << 3)));
 447
 448         pr_err("FAIL: tried to double fault but didn't die\n");
 449 #else
 450         pr_err("XFAIL: this test is ia32-only\n");
 451 #endif
 452 }
 453
 454 #ifdef CONFIG_ARM64
 455 static noinline void change_pac_parameters(void)
 456 {
 457         if (IS_ENABLED(CONFIG_ARM64_PTR_AUTH)) {
 458                 /* Reset the keys of current task */
 459                 ptrauth_thread_init_kernel(current);
 460                 ptrauth_thread_switch_kernel(current);
 461         }
 462 }
 463 #endif
 464
 465 noinline void lkdtm_CORRUPT_PAC(void)
 466 {
 467 #ifdef CONFIG_ARM64
 468 #define CORRUPT_PAC_ITERATE     10
 469         int i;
 470
 471         if (!IS_ENABLED(CONFIG_ARM64_PTR_AUTH))
 472                 pr_err("FAIL: kernel not built with CONFIG_ARM64_PTR_AUTH\n");
 473
 474         if (!system_supports_address_auth()) {
 475                 pr_err("FAIL: CPU lacks pointer authentication feature\n");
 476                 return;
 477         }
 478
 479         pr_info("changing PAC parameters to force function return failure...\n");
 480         /*
 481          * PAC is a hash value computed from input keys, return address and
 482          * stack pointer. As pac has fewer bits so there is a chance of
 483          * collision, so iterate few times to reduce the collision probability.
 484          */
 485         for (i = 0; i < CORRUPT_PAC_ITERATE; i++)
 486                 change_pac_parameters();
 487
 488         pr_err("FAIL: survived PAC changes! Kernel may be unstable from here\n");
 489 #else
 490         pr_err("XFAIL: this test is arm64-only\n");
 491 #endif
 492 }