Documentation/arm64/pointer-authentication.rst

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   2 Pointer authentication in AArch64 Linux
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   5 Author: Mark Rutland <mark.rutland@arm.com>
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   7 Date: 2017-07-19
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   9 This document briefly describes the provision of pointer authentication
  10 functionality in AArch64 Linux.
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  13 Architecture overview
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  16 The ARMv8.3 Pointer Authentication extension adds primitives that can be
  17 used to mitigate certain classes of attack where an attacker can corrupt
  18 the contents of some memory (e.g. the stack).
  19
  20 The extension uses a Pointer Authentication Code (PAC) to determine
  21 whether pointers have been modified unexpectedly. A PAC is derived from
  22 a pointer, another value (such as the stack pointer), and a secret key
  23 held in system registers.
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  25 The extension adds instructions to insert a valid PAC into a pointer,
  26 and to verify/remove the PAC from a pointer. The PAC occupies a number
  27 of high-order bits of the pointer, which varies dependent on the
  28 configured virtual address size and whether pointer tagging is in use.
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  30 A subset of these instructions have been allocated from the HINT
  31 encoding space. In the absence of the extension (or when disabled),
  32 these instructions behave as NOPs. Applications and libraries using
  33 these instructions operate correctly regardless of the presence of the
  34 extension.
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  36 The extension provides five separate keys to generate PACs - two for
  37 instruction addresses (APIAKey, APIBKey), two for data addresses
  38 (APDAKey, APDBKey), and one for generic authentication (APGAKey).
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  41 Basic support
  42 -------------
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  44 When CONFIG_ARM64_PTR_AUTH is selected, and relevant HW support is
  45 present, the kernel will assign random key values to each process at
  46 exec*() time. The keys are shared by all threads within the process, and
  47 are preserved across fork().
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  49 Presence of address authentication functionality is advertised via
  50 HWCAP_PACA, and generic authentication functionality via HWCAP_PACG.
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  52 The number of bits that the PAC occupies in a pointer is 55 minus the
  53 virtual address size configured by the kernel. For example, with a
  54 virtual address size of 48, the PAC is 7 bits wide.
  55
  56 Recent versions of GCC can compile code with APIAKey-based return
  57 address protection when passed the -msign-return-address option. This
  58 uses instructions in the HINT space (unless -march=armv8.3-a or higher
  59 is also passed), and such code can run on systems without the pointer
  60 authentication extension.
  61
  62 In addition to exec(), keys can also be reinitialized to random values
  63 using the PR_PAC_RESET_KEYS prctl. A bitmask of PR_PAC_APIAKEY,
  64 PR_PAC_APIBKEY, PR_PAC_APDAKEY, PR_PAC_APDBKEY and PR_PAC_APGAKEY
  65 specifies which keys are to be reinitialized; specifying 0 means "all
  66 keys".
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  68
  69 Debugging
  70 ---------
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  72 When CONFIG_ARM64_PTR_AUTH is selected, and HW support for address
  73 authentication is present, the kernel will expose the position of TTBR0
  74 PAC bits in the NT_ARM_PAC_MASK regset (struct user_pac_mask), which
  75 userspace can acquire via PTRACE_GETREGSET.
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  77 The regset is exposed only when HWCAP_PACA is set. Separate masks are
  78 exposed for data pointers and instruction pointers, as the set of PAC
  79 bits can vary between the two. Note that the masks apply to TTBR0
  80 addresses, and are not valid to apply to TTBR1 addresses (e.g. kernel
  81 pointers).
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  83 Additionally, when CONFIG_CHECKPOINT_RESTORE is also set, the kernel
  84 will expose the NT_ARM_PACA_KEYS and NT_ARM_PACG_KEYS regsets (struct
  85 user_pac_address_keys and struct user_pac_generic_keys). These can be
  86 used to get and set the keys for a thread.
  87
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  89 Virtualization
  90 --------------
  91
  92 Pointer authentication is enabled in KVM guest when each virtual cpu is
  93 initialised by passing flags KVM_ARM_VCPU_PTRAUTH_[ADDRESS/GENERIC] and
  94 requesting these two separate cpu features to be enabled. The current KVM
  95 guest implementation works by enabling both features together, so both
  96 these userspace flags are checked before enabling pointer authentication.
  97 The separate userspace flag will allow to have no userspace ABI changes
  98 if support is added in the future to allow these two features to be
  99 enabled independently of one another.
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 101 As Arm Architecture specifies that Pointer Authentication feature is
 102 implemented along with the VHE feature so KVM arm64 ptrauth code relies
 103 on VHE mode to be present.
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 105 Additionally, when these vcpu feature flags are not set then KVM will
 106 filter out the Pointer Authentication system key registers from
 107 KVM_GET/SET_REG_* ioctls and mask those features from cpufeature ID
 108 register. Any attempt to use the Pointer Authentication instructions will
 109 result in an UNDEFINED exception being injected into the guest.
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 112 Enabling and disabling keys
 113 ---------------------------
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 115 The prctl PR_PAC_SET_ENABLED_KEYS allows the user program to control which
 116 PAC keys are enabled in a particular task. It takes two arguments, the
 117 first being a bitmask of PR_PAC_APIAKEY, PR_PAC_APIBKEY, PR_PAC_APDAKEY
 118 and PR_PAC_APDBKEY specifying which keys shall be affected by this prctl,
 119 and the second being a bitmask of the same bits specifying whether the key
 120 should be enabled or disabled. For example::
 121
 122   prctl(PR_PAC_SET_ENABLED_KEYS,
 123         PR_PAC_APIAKEY | PR_PAC_APIBKEY | PR_PAC_APDAKEY | PR_PAC_APDBKEY,
 124         PR_PAC_APIBKEY, 0, 0);
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 126 disables all keys except the IB key.
 127
 128 The main reason why this is useful is to enable a userspace ABI that uses PAC
 129 instructions to sign and authenticate function pointers and other pointers
 130 exposed outside of the function, while still allowing binaries conforming to
 131 the ABI to interoperate with legacy binaries that do not sign or authenticate
 132 pointers.
 133
 134 The idea is that a dynamic loader or early startup code would issue this
 135 prctl very early after establishing that a process may load legacy binaries,
 136 but before executing any PAC instructions.
 137
 138 For compatibility with previous kernel versions, processes start up with IA,
 139 IB, DA and DB enabled, and are reset to this state on exec(). Processes created
 140 via fork() and clone() inherit the key enabled state from the calling process.
 141
 142 It is recommended to avoid disabling the IA key, as this has higher performance
 143 overhead than disabling any of the other keys.