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 static pid_t stack_pid;
 138 static unsigned long stack_addr;
 139
 140 void lkdtm_REPORT_STACK(void)
 141 {
 142         volatile uintptr_t magic;
 143         pid_t pid = task_pid_nr(current);
 144
 145         if (pid != stack_pid) {
 146                 pr_info("Starting stack offset tracking for pid %d\n", pid);
 147                 stack_pid = pid;
 148                 stack_addr = (uintptr_t)&magic;
 149         }
 150
 151         pr_info("Stack offset: %d\n", (int)(stack_addr - (uintptr_t)&magic));
 152 }
 153
 154 void lkdtm_UNALIGNED_LOAD_STORE_WRITE(void)
 155 {
 156         static u8 data[5] __attribute__((aligned(4))) = {1, 2, 3, 4, 5};
 157         u32 *p;
 158         u32 val = 0x12345678;
 159
 160         p = (u32 *)(data + 1);
 161         if (*p == 0)
 162                 val = 0x87654321;
 163         *p = val;
 164
 165         if (IS_ENABLED(CONFIG_HAVE_EFFICIENT_UNALIGNED_ACCESS))
 166                 pr_err("XFAIL: arch has CONFIG_HAVE_EFFICIENT_UNALIGNED_ACCESS\n");
 167 }
 168
 169 void lkdtm_SOFTLOCKUP(void)
 170 {
 171         preempt_disable();
 172         for (;;)
 173                 cpu_relax();
 174 }
 175
 176 void lkdtm_HARDLOCKUP(void)
 177 {
 178         local_irq_disable();
 179         for (;;)
 180                 cpu_relax();
 181 }
 182
 183 void lkdtm_SPINLOCKUP(void)
 184 {
 185         /* Must be called twice to trigger. */
 186         spin_lock(&lock_me_up);
 187         /* Let sparse know we intended to exit holding the lock. */
 188         __release(&lock_me_up);
 189 }
 190
 191 void lkdtm_HUNG_TASK(void)
 192 {
 193         set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
 194         schedule();
 195 }
 196
 197 volatile unsigned int huge = INT_MAX - 2;
 198 volatile unsigned int ignored;
 199
 200 void lkdtm_OVERFLOW_SIGNED(void)
 201 {
 202         int value;
 203
 204         value = huge;
 205         pr_info("Normal signed addition ...\n");
 206         value += 1;
 207         ignored = value;
 208
 209         pr_info("Overflowing signed addition ...\n");
 210         value += 4;
 211         ignored = value;
 212 }
 213
 214
 215 void lkdtm_OVERFLOW_UNSIGNED(void)
 216 {
 217         unsigned int value;
 218
 219         value = huge;
 220         pr_info("Normal unsigned addition ...\n");
 221         value += 1;
 222         ignored = value;
 223
 224         pr_info("Overflowing unsigned addition ...\n");
 225         value += 4;
 226         ignored = value;
 227 }
 228
 229 /* Intentionally using old-style flex array definition of 1 byte. */
 230 struct array_bounds_flex_array {
 231         int one;
 232         int two;
 233         char data[1];
 234 };
 235
 236 struct array_bounds {
 237         int one;
 238         int two;
 239         char data[8];
 240         int three;
 241 };
 242
 243 void lkdtm_ARRAY_BOUNDS(void)
 244 {
 245         struct array_bounds_flex_array *not_checked;
 246         struct array_bounds *checked;
 247         volatile int i;
 248
 249         not_checked = kmalloc(sizeof(*not_checked) * 2, GFP_KERNEL);
 250         checked = kmalloc(sizeof(*checked) * 2, GFP_KERNEL);
 251
 252         pr_info("Array access within bounds ...\n");
 253         /* For both, touch all bytes in the actual member size. */
 254         for (i = 0; i < sizeof(checked->data); i++)
 255                 checked->data[i] = 'A';
 256         /*
 257          * For the uninstrumented flex array member, also touch 1 byte
 258          * beyond to verify it is correctly uninstrumented.
 259          */
 260         for (i = 0; i < sizeof(not_checked->data) + 1; i++)
 261                 not_checked->data[i] = 'A';
 262
 263         pr_info("Array access beyond bounds ...\n");
 264         for (i = 0; i < sizeof(checked->data) + 1; i++)
 265                 checked->data[i] = 'B';
 266
 267         kfree(not_checked);
 268         kfree(checked);
 269         pr_err("FAIL: survived array bounds overflow!\n");
 270 }
 271
 272 void lkdtm_CORRUPT_LIST_ADD(void)
 273 {
 274         /*
 275          * Initially, an empty list via LIST_HEAD:
 276          *      test_head.next = &test_head
 277          *      test_head.prev = &test_head
 278          */
 279         LIST_HEAD(test_head);
 280         struct lkdtm_list good, bad;
 281         void *target[2] = { };
 282         void *redirection = &target;
 283
 284         pr_info("attempting good list addition\n");
 285
 286         /*
 287          * Adding to the list performs these actions:
 288          *      test_head.next->prev = &good.node
 289          *      good.node.next = test_head.next
 290          *      good.node.prev = test_head
 291          *      test_head.next = good.node
 292          */
 293         list_add(&good.node, &test_head);
 294
 295         pr_info("attempting corrupted list addition\n");
 296         /*
 297          * In simulating this "write what where" primitive, the "what" is
 298          * the address of &bad.node, and the "where" is the address held
 299          * by "redirection".
 300          */
 301         test_head.next = redirection;
 302         list_add(&bad.node, &test_head);
 303
 304         if (target[0] == NULL && target[1] == NULL)
 305                 pr_err("Overwrite did not happen, but no BUG?!\n");
 306         else {
 307                 pr_err("list_add() corruption not detected!\n");
 308                 pr_expected_config(CONFIG_DEBUG_LIST);
 309         }
 310 }
 311
 312 void lkdtm_CORRUPT_LIST_DEL(void)
 313 {
 314         LIST_HEAD(test_head);
 315         struct lkdtm_list item;
 316         void *target[2] = { };
 317         void *redirection = &target;
 318
 319         list_add(&item.node, &test_head);
 320
 321         pr_info("attempting good list removal\n");
 322         list_del(&item.node);
 323
 324         pr_info("attempting corrupted list removal\n");
 325         list_add(&item.node, &test_head);
 326
 327         /* As with the list_add() test above, this corrupts "next". */
 328         item.node.next = redirection;
 329         list_del(&item.node);
 330
 331         if (target[0] == NULL && target[1] == NULL)
 332                 pr_err("Overwrite did not happen, but no BUG?!\n");
 333         else {
 334                 pr_err("list_del() corruption not detected!\n");
 335                 pr_expected_config(CONFIG_DEBUG_LIST);
 336         }
 337 }
 338
 339 /* Test that VMAP_STACK is actually allocating with a leading guard page */
 340 void lkdtm_STACK_GUARD_PAGE_LEADING(void)
 341 {
 342         const unsigned char *stack = task_stack_page(current);
 343         const unsigned char *ptr = stack - 1;
 344         volatile unsigned char byte;
 345
 346         pr_info("attempting bad read from page below current stack\n");
 347
 348         byte = *ptr;
 349
 350         pr_err("FAIL: accessed page before stack! (byte: %x)\n", byte);
 351 }
 352
 353 /* Test that VMAP_STACK is actually allocating with a trailing guard page */
 354 void lkdtm_STACK_GUARD_PAGE_TRAILING(void)
 355 {
 356         const unsigned char *stack = task_stack_page(current);
 357         const unsigned char *ptr = stack + THREAD_SIZE;
 358         volatile unsigned char byte;
 359
 360         pr_info("attempting bad read from page above current stack\n");
 361
 362         byte = *ptr;
 363
 364         pr_err("FAIL: accessed page after stack! (byte: %x)\n", byte);
 365 }
 366
 367 void lkdtm_UNSET_SMEP(void)
 368 {
 369 #if IS_ENABLED(CONFIG_X86_64) && !IS_ENABLED(CONFIG_UML)
 370 #define MOV_CR4_DEPTH   64
 371         void (*direct_write_cr4)(unsigned long val);
 372         unsigned char *insn;
 373         unsigned long cr4;
 374         int i;
 375
 376         cr4 = native_read_cr4();
 377
 378         if ((cr4 & X86_CR4_SMEP) != X86_CR4_SMEP) {
 379                 pr_err("FAIL: SMEP not in use\n");
 380                 return;
 381         }
 382         cr4 &= ~(X86_CR4_SMEP);
 383
 384         pr_info("trying to clear SMEP normally\n");
 385         native_write_cr4(cr4);
 386         if (cr4 == native_read_cr4()) {
 387                 pr_err("FAIL: pinning SMEP failed!\n");
 388                 cr4 |= X86_CR4_SMEP;
 389                 pr_info("restoring SMEP\n");
 390                 native_write_cr4(cr4);
 391                 return;
 392         }
 393         pr_info("ok: SMEP did not get cleared\n");
 394
 395         /*
 396          * To test the post-write pinning verification we need to call
 397          * directly into the middle of native_write_cr4() where the
 398          * cr4 write happens, skipping any pinning. This searches for
 399          * the cr4 writing instruction.
 400          */
 401         insn = (unsigned char *)native_write_cr4;
 402         for (i = 0; i < MOV_CR4_DEPTH; i++) {
 403                 /* mov %rdi, %cr4 */
 404                 if (insn[i] == 0x0f && insn[i+1] == 0x22 && insn[i+2] == 0xe7)
 405                         break;
 406                 /* mov %rdi,%rax; mov %rax, %cr4 */
 407                 if (insn[i]   == 0x48 && insn[i+1] == 0x89 &&
 408                     insn[i+2] == 0xf8 && insn[i+3] == 0x0f &&
 409                     insn[i+4] == 0x22 && insn[i+5] == 0xe0)
 410                         break;
 411         }
 412         if (i >= MOV_CR4_DEPTH) {
 413                 pr_info("ok: cannot locate cr4 writing call gadget\n");
 414                 return;
 415         }
 416         direct_write_cr4 = (void *)(insn + i);
 417
 418         pr_info("trying to clear SMEP with call gadget\n");
 419         direct_write_cr4(cr4);
 420         if (native_read_cr4() & X86_CR4_SMEP) {
 421                 pr_info("ok: SMEP removal was reverted\n");
 422         } else {
 423                 pr_err("FAIL: cleared SMEP not detected!\n");
 424                 cr4 |= X86_CR4_SMEP;
 425                 pr_info("restoring SMEP\n");
 426                 native_write_cr4(cr4);
 427         }
 428 #else
 429         pr_err("XFAIL: this test is x86_64-only\n");
 430 #endif
 431 }
 432
 433 void lkdtm_DOUBLE_FAULT(void)
 434 {
 435 #if IS_ENABLED(CONFIG_X86_32) && !IS_ENABLED(CONFIG_UML)
 436         /*
 437          * Trigger #DF by setting the stack limit to zero.  This clobbers
 438          * a GDT TLS slot, which is okay because the current task will die
 439          * anyway due to the double fault.
 440          */
 441         struct desc_struct d = {
 442                 .type = 3,      /* expand-up, writable, accessed data */
 443                 .p = 1,         /* present */
 444                 .d = 1,         /* 32-bit */
 445                 .g = 0,         /* limit in bytes */
 446                 .s = 1,         /* not system */
 447         };
 448
 449         local_irq_disable();
 450         write_gdt_entry(get_cpu_gdt_rw(smp_processor_id()),
 451                         GDT_ENTRY_TLS_MIN, &d, DESCTYPE_S);
 452
 453         /*
 454          * Put our zero-limit segment in SS and then trigger a fault.  The
 455          * 4-byte access to (%esp) will fault with #SS, and the attempt to
 456          * deliver the fault will recursively cause #SS and result in #DF.
 457          * This whole process happens while NMIs and MCEs are blocked by the
 458          * MOV SS window.  This is nice because an NMI with an invalid SS
 459          * would also double-fault, resulting in the NMI or MCE being lost.
 460          */
 461         asm volatile ("movw %0, %%ss; addl $0, (%%esp)" ::
 462                       "r" ((unsigned short)(GDT_ENTRY_TLS_MIN << 3)));
 463
 464         pr_err("FAIL: tried to double fault but didn't die\n");
 465 #else
 466         pr_err("XFAIL: this test is ia32-only\n");
 467 #endif
 468 }
 469
 470 #ifdef CONFIG_ARM64
 471 static noinline void change_pac_parameters(void)
 472 {
 473         if (IS_ENABLED(CONFIG_ARM64_PTR_AUTH_KERNEL)) {
 474                 /* Reset the keys of current task */
 475                 ptrauth_thread_init_kernel(current);
 476                 ptrauth_thread_switch_kernel(current);
 477         }
 478 }
 479 #endif
 480
 481 noinline void lkdtm_CORRUPT_PAC(void)
 482 {
 483 #ifdef CONFIG_ARM64
 484 #define CORRUPT_PAC_ITERATE     10
 485         int i;
 486
 487         if (!IS_ENABLED(CONFIG_ARM64_PTR_AUTH_KERNEL))
 488                 pr_err("FAIL: kernel not built with CONFIG_ARM64_PTR_AUTH_KERNEL\n");
 489
 490         if (!system_supports_address_auth()) {
 491                 pr_err("FAIL: CPU lacks pointer authentication feature\n");
 492                 return;
 493         }
 494
 495         pr_info("changing PAC parameters to force function return failure...\n");
 496         /*
 497          * PAC is a hash value computed from input keys, return address and
 498          * stack pointer. As pac has fewer bits so there is a chance of
 499          * collision, so iterate few times to reduce the collision probability.
 500          */
 501         for (i = 0; i < CORRUPT_PAC_ITERATE; i++)
 502                 change_pac_parameters();
 503
 504         pr_err("FAIL: survived PAC changes! Kernel may be unstable from here\n");
 505 #else
 506         pr_err("XFAIL: this test is arm64-only\n");
 507 #endif
 508 }
 509
 510 void lkdtm_FORTIFY_OBJECT(void)
 511 {
 512         struct target {
 513                 char a[10];
 514         } target[2] = {};
 515         int result;
 516
 517         /*
 518          * Using volatile prevents the compiler from determining the value of
 519          * 'size' at compile time. Without that, we would get a compile error
 520          * rather than a runtime error.
 521          */
 522         volatile int size = 11;
 523
 524         pr_info("trying to read past the end of a struct\n");
 525
 526         result = memcmp(&target[0], &target[1], size);
 527
 528         /* Print result to prevent the code from being eliminated */
 529         pr_err("FAIL: fortify did not catch an object overread!\n"
 530                "\"%d\" was the memcmp result.\n", result);
 531 }
 532
 533 void lkdtm_FORTIFY_SUBOBJECT(void)
 534 {
 535         struct target {
 536                 char a[10];
 537                 char b[10];
 538         } target;
 539         char *src;
 540
 541         src = kmalloc(20, GFP_KERNEL);
 542         strscpy(src, "over ten bytes", 20);
 543
 544         pr_info("trying to strcpy past the end of a member of a struct\n");
 545
 546         /*
 547          * strncpy(target.a, src, 20); will hit a compile error because the
 548          * compiler knows at build time that target.a < 20 bytes. Use strcpy()
 549          * to force a runtime error.
 550          */
 551         strcpy(target.a, src);
 552
 553         /* Use target.a to prevent the code from being eliminated */
 554         pr_err("FAIL: fortify did not catch an sub-object overrun!\n"
 555                "\"%s\" was copied.\n", target.a);
 556
 557         kfree(src);
 558 }