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
 149 void lkdtm_SOFTLOCKUP(void)
 150 {
 151         preempt_disable();
 152         for (;;)
 153                 cpu_relax();
 154 }
 155
 156 void lkdtm_HARDLOCKUP(void)
 157 {
 158         local_irq_disable();
 159         for (;;)
 160                 cpu_relax();
 161 }
 162
 163 void lkdtm_SPINLOCKUP(void)
 164 {
 165         /* Must be called twice to trigger. */
 166         spin_lock(&lock_me_up);
 167         /* Let sparse know we intended to exit holding the lock. */
 168         __release(&lock_me_up);
 169 }
 170
 171 void lkdtm_HUNG_TASK(void)
 172 {
 173         set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
 174         schedule();
 175 }
 176
 177 volatile unsigned int huge = INT_MAX - 2;
 178 volatile unsigned int ignored;
 179
 180 void lkdtm_OVERFLOW_SIGNED(void)
 181 {
 182         int value;
 183
 184         value = huge;
 185         pr_info("Normal signed addition ...\n");
 186         value += 1;
 187         ignored = value;
 188
 189         pr_info("Overflowing signed addition ...\n");
 190         value += 4;
 191         ignored = value;
 192 }
 193
 194
 195 void lkdtm_OVERFLOW_UNSIGNED(void)
 196 {
 197         unsigned int value;
 198
 199         value = huge;
 200         pr_info("Normal unsigned addition ...\n");
 201         value += 1;
 202         ignored = value;
 203
 204         pr_info("Overflowing unsigned addition ...\n");
 205         value += 4;
 206         ignored = value;
 207 }
 208
 209 /* Intentionally using old-style flex array definition of 1 byte. */
 210 struct array_bounds_flex_array {
 211         int one;
 212         int two;
 213         char data[1];
 214 };
 215
 216 struct array_bounds {
 217         int one;
 218         int two;
 219         char data[8];
 220         int three;
 221 };
 222
 223 void lkdtm_ARRAY_BOUNDS(void)
 224 {
 225         struct array_bounds_flex_array *not_checked;
 226         struct array_bounds *checked;
 227         volatile int i;
 228
 229         not_checked = kmalloc(sizeof(*not_checked) * 2, GFP_KERNEL);
 230         checked = kmalloc(sizeof(*checked) * 2, GFP_KERNEL);
 231
 232         pr_info("Array access within bounds ...\n");
 233         /* For both, touch all bytes in the actual member size. */
 234         for (i = 0; i < sizeof(checked->data); i++)
 235                 checked->data[i] = 'A';
 236         /*
 237          * For the uninstrumented flex array member, also touch 1 byte
 238          * beyond to verify it is correctly uninstrumented.
 239          */
 240         for (i = 0; i < sizeof(not_checked->data) + 1; i++)
 241                 not_checked->data[i] = 'A';
 242
 243         pr_info("Array access beyond bounds ...\n");
 244         for (i = 0; i < sizeof(checked->data) + 1; i++)
 245                 checked->data[i] = 'B';
 246
 247         kfree(not_checked);
 248         kfree(checked);
 249         pr_err("FAIL: survived array bounds overflow!\n");
 250 }
 251
 252 void lkdtm_CORRUPT_LIST_ADD(void)
 253 {
 254         /*
 255          * Initially, an empty list via LIST_HEAD:
 256          *      test_head.next = &test_head
 257          *      test_head.prev = &test_head
 258          */
 259         LIST_HEAD(test_head);
 260         struct lkdtm_list good, bad;
 261         void *target[2] = { };
 262         void *redirection = &target;
 263
 264         pr_info("attempting good list addition\n");
 265
 266         /*
 267          * Adding to the list performs these actions:
 268          *      test_head.next->prev = &good.node
 269          *      good.node.next = test_head.next
 270          *      good.node.prev = test_head
 271          *      test_head.next = good.node
 272          */
 273         list_add(&good.node, &test_head);
 274
 275         pr_info("attempting corrupted list addition\n");
 276         /*
 277          * In simulating this "write what where" primitive, the "what" is
 278          * the address of &bad.node, and the "where" is the address held
 279          * by "redirection".
 280          */
 281         test_head.next = redirection;
 282         list_add(&bad.node, &test_head);
 283
 284         if (target[0] == NULL && target[1] == NULL)
 285                 pr_err("Overwrite did not happen, but no BUG?!\n");
 286         else
 287                 pr_err("list_add() corruption not detected!\n");
 288 }
 289
 290 void lkdtm_CORRUPT_LIST_DEL(void)
 291 {
 292         LIST_HEAD(test_head);
 293         struct lkdtm_list item;
 294         void *target[2] = { };
 295         void *redirection = &target;
 296
 297         list_add(&item.node, &test_head);
 298
 299         pr_info("attempting good list removal\n");
 300         list_del(&item.node);
 301
 302         pr_info("attempting corrupted list removal\n");
 303         list_add(&item.node, &test_head);
 304
 305         /* As with the list_add() test above, this corrupts "next". */
 306         item.node.next = redirection;
 307         list_del(&item.node);
 308
 309         if (target[0] == NULL && target[1] == NULL)
 310                 pr_err("Overwrite did not happen, but no BUG?!\n");
 311         else
 312                 pr_err("list_del() corruption not detected!\n");
 313 }
 314
 315 /* Test if unbalanced set_fs(KERNEL_DS)/set_fs(USER_DS) check exists. */
 316 void lkdtm_CORRUPT_USER_DS(void)
 317 {
 318         pr_info("setting bad task size limit\n");
 319         set_fs(KERNEL_DS);
 320
 321         /* Make sure we do not keep running with a KERNEL_DS! */
 322         force_sig(SIGKILL);
 323 }
 324
 325 /* Test that VMAP_STACK is actually allocating with a leading guard page */
 326 void lkdtm_STACK_GUARD_PAGE_LEADING(void)
 327 {
 328         const unsigned char *stack = task_stack_page(current);
 329         const unsigned char *ptr = stack - 1;
 330         volatile unsigned char byte;
 331
 332         pr_info("attempting bad read from page below current stack\n");
 333
 334         byte = *ptr;
 335
 336         pr_err("FAIL: accessed page before stack! (byte: %x)\n", byte);
 337 }
 338
 339 /* Test that VMAP_STACK is actually allocating with a trailing guard page */
 340 void lkdtm_STACK_GUARD_PAGE_TRAILING(void)
 341 {
 342         const unsigned char *stack = task_stack_page(current);
 343         const unsigned char *ptr = stack + THREAD_SIZE;
 344         volatile unsigned char byte;
 345
 346         pr_info("attempting bad read from page above current stack\n");
 347
 348         byte = *ptr;
 349
 350         pr_err("FAIL: accessed page after stack! (byte: %x)\n", byte);
 351 }
 352
 353 void lkdtm_UNSET_SMEP(void)
 354 {
 355 #if IS_ENABLED(CONFIG_X86_64) && !IS_ENABLED(CONFIG_UML)
 356 #define MOV_CR4_DEPTH   64
 357         void (*direct_write_cr4)(unsigned long val);
 358         unsigned char *insn;
 359         unsigned long cr4;
 360         int i;
 361
 362         cr4 = native_read_cr4();
 363
 364         if ((cr4 & X86_CR4_SMEP) != X86_CR4_SMEP) {
 365                 pr_err("FAIL: SMEP not in use\n");
 366                 return;
 367         }
 368         cr4 &= ~(X86_CR4_SMEP);
 369
 370         pr_info("trying to clear SMEP normally\n");
 371         native_write_cr4(cr4);
 372         if (cr4 == native_read_cr4()) {
 373                 pr_err("FAIL: pinning SMEP failed!\n");
 374                 cr4 |= X86_CR4_SMEP;
 375                 pr_info("restoring SMEP\n");
 376                 native_write_cr4(cr4);
 377                 return;
 378         }
 379         pr_info("ok: SMEP did not get cleared\n");
 380
 381         /*
 382          * To test the post-write pinning verification we need to call
 383          * directly into the middle of native_write_cr4() where the
 384          * cr4 write happens, skipping any pinning. This searches for
 385          * the cr4 writing instruction.
 386          */
 387         insn = (unsigned char *)native_write_cr4;
 388         for (i = 0; i < MOV_CR4_DEPTH; i++) {
 389                 /* mov %rdi, %cr4 */
 390                 if (insn[i] == 0x0f && insn[i+1] == 0x22 && insn[i+2] == 0xe7)
 391                         break;
 392                 /* mov %rdi,%rax; mov %rax, %cr4 */
 393                 if (insn[i]   == 0x48 && insn[i+1] == 0x89 &&
 394                     insn[i+2] == 0xf8 && insn[i+3] == 0x0f &&
 395                     insn[i+4] == 0x22 && insn[i+5] == 0xe0)
 396                         break;
 397         }
 398         if (i >= MOV_CR4_DEPTH) {
 399                 pr_info("ok: cannot locate cr4 writing call gadget\n");
 400                 return;
 401         }
 402         direct_write_cr4 = (void *)(insn + i);
 403
 404         pr_info("trying to clear SMEP with call gadget\n");
 405         direct_write_cr4(cr4);
 406         if (native_read_cr4() & X86_CR4_SMEP) {
 407                 pr_info("ok: SMEP removal was reverted\n");
 408         } else {
 409                 pr_err("FAIL: cleared SMEP not detected!\n");
 410                 cr4 |= X86_CR4_SMEP;
 411                 pr_info("restoring SMEP\n");
 412                 native_write_cr4(cr4);
 413         }
 414 #else
 415         pr_err("XFAIL: this test is x86_64-only\n");
 416 #endif
 417 }
 418
 419 void lkdtm_DOUBLE_FAULT(void)
 420 {
 421 #if IS_ENABLED(CONFIG_X86_32) && !IS_ENABLED(CONFIG_UML)
 422         /*
 423          * Trigger #DF by setting the stack limit to zero.  This clobbers
 424          * a GDT TLS slot, which is okay because the current task will die
 425          * anyway due to the double fault.
 426          */
 427         struct desc_struct d = {
 428                 .type = 3,      /* expand-up, writable, accessed data */
 429                 .p = 1,         /* present */
 430                 .d = 1,         /* 32-bit */
 431                 .g = 0,         /* limit in bytes */
 432                 .s = 1,         /* not system */
 433         };
 434
 435         local_irq_disable();
 436         write_gdt_entry(get_cpu_gdt_rw(smp_processor_id()),
 437                         GDT_ENTRY_TLS_MIN, &d, DESCTYPE_S);
 438
 439         /*
 440          * Put our zero-limit segment in SS and then trigger a fault.  The
 441          * 4-byte access to (%esp) will fault with #SS, and the attempt to
 442          * deliver the fault will recursively cause #SS and result in #DF.
 443          * This whole process happens while NMIs and MCEs are blocked by the
 444          * MOV SS window.  This is nice because an NMI with an invalid SS
 445          * would also double-fault, resulting in the NMI or MCE being lost.
 446          */
 447         asm volatile ("movw %0, %%ss; addl $0, (%%esp)" ::
 448                       "r" ((unsigned short)(GDT_ENTRY_TLS_MIN << 3)));
 449
 450         pr_err("FAIL: tried to double fault but didn't die\n");
 451 #else
 452         pr_err("XFAIL: this test is ia32-only\n");
 453 #endif
 454 }
 455
 456 #ifdef CONFIG_ARM64
 457 static noinline void change_pac_parameters(void)
 458 {
 459         if (IS_ENABLED(CONFIG_ARM64_PTR_AUTH)) {
 460                 /* Reset the keys of current task */
 461                 ptrauth_thread_init_kernel(current);
 462                 ptrauth_thread_switch_kernel(current);
 463         }
 464 }
 465 #endif
 466
 467 noinline void lkdtm_CORRUPT_PAC(void)
 468 {
 469 #ifdef CONFIG_ARM64
 470 #define CORRUPT_PAC_ITERATE     10
 471         int i;
 472
 473         if (!IS_ENABLED(CONFIG_ARM64_PTR_AUTH))
 474                 pr_err("FAIL: kernel not built with CONFIG_ARM64_PTR_AUTH\n");
 475
 476         if (!system_supports_address_auth()) {
 477                 pr_err("FAIL: CPU lacks pointer authentication feature\n");
 478                 return;
 479         }
 480
 481         pr_info("changing PAC parameters to force function return failure...\n");
 482         /*
 483          * PAC is a hash value computed from input keys, return address and
 484          * stack pointer. As pac has fewer bits so there is a chance of
 485          * collision, so iterate few times to reduce the collision probability.
 486          */
 487         for (i = 0; i < CORRUPT_PAC_ITERATE; i++)
 488                 change_pac_parameters();
 489
 490         pr_err("FAIL: survived PAC changes! Kernel may be unstable from here\n");
 491 #else
 492         pr_err("XFAIL: this test is arm64-only\n");
 493 #endif
 494 }