arch/x86/mm/kaslr.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2 /*
   3  * This file implements KASLR memory randomization for x86_64. It randomizes
   4  * the virtual address space of kernel memory regions (physical memory
   5  * mapping, vmalloc & vmemmap) for x86_64. This security feature mitigates
   6  * exploits relying on predictable kernel addresses.
   7  *
   8  * Entropy is generated using the KASLR early boot functions now shared in
   9  * the lib directory (originally written by Kees Cook). Randomization is
  10  * done on PGD & P4D/PUD page table levels to increase possible addresses.
  11  * The physical memory mapping code was adapted to support P4D/PUD level
  12  * virtual addresses. This implementation on the best configuration provides
  13  * 30,000 possible virtual addresses in average for each memory region.
  14  * An additional low memory page is used to ensure each CPU can start with
  15  * a PGD aligned virtual address (for realmode).
  16  *
  17  * The order of each memory region is not changed. The feature looks at
  18  * the available space for the regions based on different configuration
  19  * options and randomizes the base and space between each. The size of the
  20  * physical memory mapping is the available physical memory.
  21  */
  22
  23 #include <linux/kernel.h>
  24 #include <linux/init.h>
  25 #include <linux/random.h>
  26
  27 #include <asm/pgalloc.h>
  28 #include <asm/pgtable.h>
  29 #include <asm/setup.h>
  30 #include <asm/kaslr.h>
  31
  32 #include "mm_internal.h"
  33
  34 #define TB_SHIFT 40
  35
  36 /*
  37  * The end address could depend on more configuration options to make the
  38  * highest amount of space for randomization available, but that's too hard
  39  * to keep straight and caused issues already.
  40  */
  41 static const unsigned long vaddr_end = CPU_ENTRY_AREA_BASE;
  42
  43 /*
  44  * Memory regions randomized by KASLR (except modules that use a separate logic
  45  * earlier during boot). The list is ordered based on virtual addresses. This
  46  * order is kept after randomization.
  47  */
  48 static __initdata struct kaslr_memory_region {
  49         unsigned long *base;
  50         unsigned long size_tb;
  51 } kaslr_regions[] = {
  52         { &page_offset_base, 0 },
  53         { &vmalloc_base, 0 },
  54         { &vmemmap_base, 0 },
  55 };
  56
  57 /* Get size in bytes used by the memory region */
  58 static inline unsigned long get_padding(struct kaslr_memory_region *region)
  59 {
  60         return (region->size_tb << TB_SHIFT);
  61 }
  62
  63 /*
  64  * Apply no randomization if KASLR was disabled at boot or if KASAN
  65  * is enabled. KASAN shadow mappings rely on regions being PGD aligned.
  66  */
  67 static inline bool kaslr_memory_enabled(void)
  68 {
  69         return kaslr_enabled() && !IS_ENABLED(CONFIG_KASAN);
  70 }
  71
  72 /* Initialize base and padding for each memory region randomized with KASLR */
  73 void __init kernel_randomize_memory(void)
  74 {
  75         size_t i;
  76         unsigned long vaddr_start, vaddr;
  77         unsigned long rand, memory_tb;
  78         struct rnd_state rand_state;
  79         unsigned long remain_entropy;
  80         unsigned long vmemmap_size;
  81
  82         vaddr_start = pgtable_l5_enabled() ? __PAGE_OFFSET_BASE_L5 : __PAGE_OFFSET_BASE_L4;
  83         vaddr = vaddr_start;
  84
  85         /*
  86          * These BUILD_BUG_ON checks ensure the memory layout is consistent
  87          * with the vaddr_start/vaddr_end variables. These checks are very
  88          * limited....
  89          */
  90         BUILD_BUG_ON(vaddr_start >= vaddr_end);
  91         BUILD_BUG_ON(vaddr_end != CPU_ENTRY_AREA_BASE);
  92         BUILD_BUG_ON(vaddr_end > __START_KERNEL_map);
  93
  94         if (!kaslr_memory_enabled())
  95                 return;
  96
  97         kaslr_regions[0].size_tb = 1 << (MAX_PHYSMEM_BITS - TB_SHIFT);
  98         kaslr_regions[1].size_tb = VMALLOC_SIZE_TB;
  99
 100         /*
 101          * Update Physical memory mapping to available and
 102          * add padding if needed (especially for memory hotplug support).
 103          */
 104         BUG_ON(kaslr_regions[0].base != &page_offset_base);
 105         memory_tb = DIV_ROUND_UP(max_pfn << PAGE_SHIFT, 1UL << TB_SHIFT) +
 106                 CONFIG_RANDOMIZE_MEMORY_PHYSICAL_PADDING;
 107
 108         /* Adapt phyiscal memory region size based on available memory */
 109         if (memory_tb < kaslr_regions[0].size_tb)
 110                 kaslr_regions[0].size_tb = memory_tb;
 111
 112         /*
 113          * Calculate the vmemmap region size in TBs, aligned to a TB
 114          * boundary.
 115          */
 116         vmemmap_size = (kaslr_regions[0].size_tb << (TB_SHIFT - PAGE_SHIFT)) *
 117                         sizeof(struct page);
 118         kaslr_regions[2].size_tb = DIV_ROUND_UP(vmemmap_size, 1UL << TB_SHIFT);
 119
 120         /* Calculate entropy available between regions */
 121         remain_entropy = vaddr_end - vaddr_start;
 122         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(kaslr_regions); i++)
 123                 remain_entropy -= get_padding(&kaslr_regions[i]);
 124
 125         prandom_seed_state(&rand_state, kaslr_get_random_long("Memory"));
 126
 127         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(kaslr_regions); i++) {
 128                 unsigned long entropy;
 129
 130                 /*
 131                  * Select a random virtual address using the extra entropy
 132                  * available.
 133                  */
 134                 entropy = remain_entropy / (ARRAY_SIZE(kaslr_regions) - i);
 135                 prandom_bytes_state(&rand_state, &rand, sizeof(rand));
 136                 if (pgtable_l5_enabled())
 137                         entropy = (rand % (entropy + 1)) & P4D_MASK;
 138                 else
 139                         entropy = (rand % (entropy + 1)) & PUD_MASK;
 140                 vaddr += entropy;
 141                 *kaslr_regions[i].base = vaddr;
 142
 143                 /*
 144                  * Jump the region and add a minimum padding based on
 145                  * randomization alignment.
 146                  */
 147                 vaddr += get_padding(&kaslr_regions[i]);
 148                 if (pgtable_l5_enabled())
 149                         vaddr = round_up(vaddr + 1, P4D_SIZE);
 150                 else
 151                         vaddr = round_up(vaddr + 1, PUD_SIZE);
 152                 remain_entropy -= entropy;
 153         }
 154 }
 155
 156 static void __meminit init_trampoline_pud(void)
 157 {
 158         unsigned long paddr, paddr_next;
 159         pgd_t *pgd;
 160         pud_t *pud_page, *pud_page_tramp;
 161         int i;
 162
 163         pud_page_tramp = alloc_low_page();
 164
 165         paddr = 0;
 166         pgd = pgd_offset_k((unsigned long)__va(paddr));
 167         pud_page = (pud_t *) pgd_page_vaddr(*pgd);
 168
 169         for (i = pud_index(paddr); i < PTRS_PER_PUD; i++, paddr = paddr_next) {
 170                 pud_t *pud, *pud_tramp;
 171                 unsigned long vaddr = (unsigned long)__va(paddr);
 172
 173                 pud_tramp = pud_page_tramp + pud_index(paddr);
 174                 pud = pud_page + pud_index(vaddr);
 175                 paddr_next = (paddr & PUD_MASK) + PUD_SIZE;
 176
 177                 *pud_tramp = *pud;
 178         }
 179
 180         set_pgd(&trampoline_pgd_entry,
 181                 __pgd(_KERNPG_TABLE | __pa(pud_page_tramp)));
 182 }
 183
 184 static void __meminit init_trampoline_p4d(void)
 185 {
 186         unsigned long paddr, paddr_next;
 187         pgd_t *pgd;
 188         p4d_t *p4d_page, *p4d_page_tramp;
 189         int i;
 190
 191         p4d_page_tramp = alloc_low_page();
 192
 193         paddr = 0;
 194         pgd = pgd_offset_k((unsigned long)__va(paddr));
 195         p4d_page = (p4d_t *) pgd_page_vaddr(*pgd);
 196
 197         for (i = p4d_index(paddr); i < PTRS_PER_P4D; i++, paddr = paddr_next) {
 198                 p4d_t *p4d, *p4d_tramp;
 199                 unsigned long vaddr = (unsigned long)__va(paddr);
 200
 201                 p4d_tramp = p4d_page_tramp + p4d_index(paddr);
 202                 p4d = p4d_page + p4d_index(vaddr);
 203                 paddr_next = (paddr & P4D_MASK) + P4D_SIZE;
 204
 205                 *p4d_tramp = *p4d;
 206         }
 207
 208         set_pgd(&trampoline_pgd_entry,
 209                 __pgd(_KERNPG_TABLE | __pa(p4d_page_tramp)));
 210 }
 211
 212 /*
 213  * Create PGD aligned trampoline table to allow real mode initialization
 214  * of additional CPUs. Consume only 1 low memory page.
 215  */
 216 void __meminit init_trampoline(void)
 217 {
 218
 219         if (!kaslr_memory_enabled()) {
 220                 init_trampoline_default();
 221                 return;
 222         }
 223
 224         if (pgtable_l5_enabled())
 225                 init_trampoline_p4d();
 226         else
 227                 init_trampoline_pud();
 228 }