Documentation/livepatch/module-elf-format.rst

   1 ===========================
   2 Livepatch module ELF format
   3 ===========================
   4
   5 This document outlines the ELF format requirements that livepatch modules must follow.
   6
   7
   8 .. Table of Contents
   9
  10 .. contents:: :local:
  11
  12
  13 1. Background and motivation
  14 ============================
  15
  16 Formerly, livepatch required separate architecture-specific code to write
  17 relocations. However, arch-specific code to write relocations already
  18 exists in the module loader, so this former approach produced redundant
  19 code. So, instead of duplicating code and re-implementing what the module
  20 loader can already do, livepatch leverages existing code in the module
  21 loader to perform the all the arch-specific relocation work. Specifically,
  22 livepatch reuses the apply_relocate_add() function in the module loader to
  23 write relocations. The patch module ELF format described in this document
  24 enables livepatch to be able to do this. The hope is that this will make
  25 livepatch more easily portable to other architectures and reduce the amount
  26 of arch-specific code required to port livepatch to a particular
  27 architecture.
  28
  29 Since apply_relocate_add() requires access to a module's section header
  30 table, symbol table, and relocation section indices, ELF information is
  31 preserved for livepatch modules (see section 5). Livepatch manages its own
  32 relocation sections and symbols, which are described in this document. The
  33 ELF constants used to mark livepatch symbols and relocation sections were
  34 selected from OS-specific ranges according to the definitions from glibc.
  35
  36 Why does livepatch need to write its own relocations?
  37 -----------------------------------------------------
  38 A typical livepatch module contains patched versions of functions that can
  39 reference non-exported global symbols and non-included local symbols.
  40 Relocations referencing these types of symbols cannot be left in as-is
  41 since the kernel module loader cannot resolve them and will therefore
  42 reject the livepatch module. Furthermore, we cannot apply relocations that
  43 affect modules not yet loaded at patch module load time (e.g. a patch to a
  44 driver that is not loaded). Formerly, livepatch solved this problem by
  45 embedding special "dynrela" (dynamic rela) sections in the resulting patch
  46 module ELF output. Using these dynrela sections, livepatch could resolve
  47 symbols while taking into account its scope and what module the symbol
  48 belongs to, and then manually apply the dynamic relocations. However this
  49 approach required livepatch to supply arch-specific code in order to write
  50 these relocations. In the new format, livepatch manages its own SHT_RELA
  51 relocation sections in place of dynrela sections, and the symbols that the
  52 relas reference are special livepatch symbols (see section 2 and 3). The
  53 arch-specific livepatch relocation code is replaced by a call to
  54 apply_relocate_add().
  55
  56 2. Livepatch modinfo field
  57 ==========================
  58
  59 Livepatch modules are required to have the "livepatch" modinfo attribute.
  60 See the sample livepatch module in samples/livepatch/ for how this is done.
  61
  62 Livepatch modules can be identified by users by using the 'modinfo' command
  63 and looking for the presence of the "livepatch" field. This field is also
  64 used by the kernel module loader to identify livepatch modules.
  65
  66 Example:
  67 --------
  68
  69 **Modinfo output:**
  70
  71 ::
  72
  73         % modinfo livepatch-meminfo.ko
  74         filename:               livepatch-meminfo.ko
  75         livepatch:              Y
  76         license:                GPL
  77         depends:
  78         vermagic:               4.3.0+ SMP mod_unload
  79
  80 3. Livepatch relocation sections
  81 ================================
  82
  83 A livepatch module manages its own ELF relocation sections to apply
  84 relocations to modules as well as to the kernel (vmlinux) at the
  85 appropriate time. For example, if a patch module patches a driver that is
  86 not currently loaded, livepatch will apply the corresponding livepatch
  87 relocation section(s) to the driver once it loads.
  88
  89 Each "object" (e.g. vmlinux, or a module) within a patch module may have
  90 multiple livepatch relocation sections associated with it (e.g. patches to
  91 multiple functions within the same object). There is a 1-1 correspondence
  92 between a livepatch relocation section and the target section (usually the
  93 text section of a function) to which the relocation(s) apply. It is
  94 also possible for a livepatch module to have no livepatch relocation
  95 sections, as in the case of the sample livepatch module (see
  96 samples/livepatch).
  97
  98 Since ELF information is preserved for livepatch modules (see Section 5), a
  99 livepatch relocation section can be applied simply by passing in the
 100 appropriate section index to apply_relocate_add(), which then uses it to
 101 access the relocation section and apply the relocations.
 102
 103 Every symbol referenced by a rela in a livepatch relocation section is a
 104 livepatch symbol. These must be resolved before livepatch can call
 105 apply_relocate_add(). See Section 3 for more information.
 106
 107 3.1 Livepatch relocation section format
 108 =======================================
 109
 110 Livepatch relocation sections must be marked with the SHF_RELA_LIVEPATCH
 111 section flag. See include/uapi/linux/elf.h for the definition. The module
 112 loader recognizes this flag and will avoid applying those relocation sections
 113 at patch module load time. These sections must also be marked with SHF_ALLOC,
 114 so that the module loader doesn't discard them on module load (i.e. they will
 115 be copied into memory along with the other SHF_ALLOC sections).
 116
 117 The name of a livepatch relocation section must conform to the following
 118 format::
 119
 120   .klp.rela.objname.section_name
 121   ^        ^^     ^ ^          ^
 122   |________||_____| |__________|
 123      [A]      [B]        [C]
 124
 125 [A]
 126   The relocation section name is prefixed with the string ".klp.rela."
 127
 128 [B]
 129   The name of the object (i.e. "vmlinux" or name of module) to
 130   which the relocation section belongs follows immediately after the prefix.
 131
 132 [C]
 133   The actual name of the section to which this relocation section applies.
 134
 135 Examples:
 136 ---------
 137
 138 **Livepatch relocation section names:**
 139
 140 ::
 141
 142   .klp.rela.ext4.text.ext4_attr_store
 143   .klp.rela.vmlinux.text.cmdline_proc_show
 144
 145 **`readelf --sections` output for a patch
 146 module that patches vmlinux and modules 9p, btrfs, ext4:**
 147
 148 ::
 149
 150   Section Headers:
 151   [Nr] Name                          Type                    Address          Off    Size   ES Flg Lk Inf Al
 152   [ snip ]
 153   [29] .klp.rela.9p.text.caches.show RELA                    0000000000000000 002d58 0000c0 18 AIo 64   9  8
 154   [30] .klp.rela.btrfs.text.btrfs.feature.attr.show RELA     0000000000000000 002e18 000060 18 AIo 64  11  8
 155   [ snip ]
 156   [34] .klp.rela.ext4.text.ext4.attr.store RELA              0000000000000000 002fd8 0000d8 18 AIo 64  13  8
 157   [35] .klp.rela.ext4.text.ext4.attr.show RELA               0000000000000000 0030b0 000150 18 AIo 64  15  8
 158   [36] .klp.rela.vmlinux.text.cmdline.proc.show RELA         0000000000000000 003200 000018 18 AIo 64  17  8
 159   [37] .klp.rela.vmlinux.text.meminfo.proc.show RELA         0000000000000000 003218 0000f0 18 AIo 64  19  8
 160   [ snip ]                                       ^                                             ^
 161                                                  |                                             |
 162                                                 [*]                                           [*]
 163
 164 [*]
 165   Livepatch relocation sections are SHT_RELA sections but with a few special
 166   characteristics. Notice that they are marked SHF_ALLOC ("A") so that they will
 167   not be discarded when the module is loaded into memory, as well as with the
 168   SHF_RELA_LIVEPATCH flag ("o" - for OS-specific).
 169
 170 **`readelf --relocs` output for a patch module:**
 171
 172 ::
 173
 174   Relocation section '.klp.rela.btrfs.text.btrfs_feature_attr_show' at offset 0x2ba0 contains 4 entries:
 175       Offset             Info             Type               Symbol's Value  Symbol's Name + Addend
 176   000000000000001f  0000005e00000002 R_X86_64_PC32          0000000000000000 .klp.sym.vmlinux.printk,0 - 4
 177   0000000000000028  0000003d0000000b R_X86_64_32S           0000000000000000 .klp.sym.btrfs.btrfs_ktype,0 + 0
 178   0000000000000036  0000003b00000002 R_X86_64_PC32          0000000000000000 .klp.sym.btrfs.can_modify_feature.isra.3,0 - 4
 179   000000000000004c  0000004900000002 R_X86_64_PC32          0000000000000000 .klp.sym.vmlinux.snprintf,0 - 4
 180   [ snip ]                                                                   ^
 181                                                                              |
 182                                                                             [*]
 183
 184 [*]
 185   Every symbol referenced by a relocation is a livepatch symbol.
 186
 187 4. Livepatch symbols
 188 ====================
 189
 190 Livepatch symbols are symbols referred to by livepatch relocation sections.
 191 These are symbols accessed from new versions of functions for patched
 192 objects, whose addresses cannot be resolved by the module loader (because
 193 they are local or unexported global syms). Since the module loader only
 194 resolves exported syms, and not every symbol referenced by the new patched
 195 functions is exported, livepatch symbols were introduced. They are used
 196 also in cases where we cannot immediately know the address of a symbol when
 197 a patch module loads. For example, this is the case when livepatch patches
 198 a module that is not loaded yet. In this case, the relevant livepatch
 199 symbols are resolved simply when the target module loads. In any case, for
 200 any livepatch relocation section, all livepatch symbols referenced by that
 201 section must be resolved before livepatch can call apply_relocate_add() for
 202 that reloc section.
 203
 204 Livepatch symbols must be marked with SHN_LIVEPATCH so that the module
 205 loader can identify and ignore them. Livepatch modules keep these symbols
 206 in their symbol tables, and the symbol table is made accessible through
 207 module->symtab.
 208
 209 4.1 A livepatch module's symbol table
 210 =====================================
 211 Normally, a stripped down copy of a module's symbol table (containing only
 212 "core" symbols) is made available through module->symtab (See layout_symtab()
 213 in kernel/module/kallsyms.c). For livepatch modules, the symbol table copied
 214 into memory on module load must be exactly the same as the symbol table produced
 215 when the patch module was compiled. This is because the relocations in each
 216 livepatch relocation section refer to their respective symbols with their symbol
 217 indices, and the original symbol indices (and thus the symtab ordering) must be
 218 preserved in order for apply_relocate_add() to find the right symbol.
 219
 220 For example, take this particular rela from a livepatch module:::
 221
 222   Relocation section '.klp.rela.btrfs.text.btrfs_feature_attr_show' at offset 0x2ba0 contains 4 entries:
 223       Offset             Info             Type               Symbol's Value  Symbol's Name + Addend
 224   000000000000001f  0000005e00000002 R_X86_64_PC32          0000000000000000 .klp.sym.vmlinux.printk,0 - 4
 225
 226   This rela refers to the symbol '.klp.sym.vmlinux.printk,0', and the symbol index is encoded
 227   in 'Info'. Here its symbol index is 0x5e, which is 94 in decimal, which refers to the
 228   symbol index 94.
 229   And in this patch module's corresponding symbol table, symbol index 94 refers to that very symbol:
 230   [ snip ]
 231   94: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT OS [0xff20] .klp.sym.vmlinux.printk,0
 232   [ snip ]
 233
 234 4.2 Livepatch symbol format
 235 ===========================
 236
 237 Livepatch symbols must have their section index marked as SHN_LIVEPATCH, so
 238 that the module loader can identify them and not attempt to resolve them.
 239 See include/uapi/linux/elf.h for the actual definitions.
 240
 241 Livepatch symbol names must conform to the following format::
 242
 243   .klp.sym.objname.symbol_name,sympos
 244   ^       ^^     ^ ^         ^ ^
 245   |_______||_____| |_________| |
 246      [A]     [B]       [C]    [D]
 247
 248 [A]
 249   The symbol name is prefixed with the string ".klp.sym."
 250
 251 [B]
 252   The name of the object (i.e. "vmlinux" or name of module) to
 253   which the symbol belongs follows immediately after the prefix.
 254
 255 [C]
 256   The actual name of the symbol.
 257
 258 [D]
 259   The position of the symbol in the object (as according to kallsyms)
 260   This is used to differentiate duplicate symbols within the same
 261   object. The symbol position is expressed numerically (0, 1, 2...).
 262   The symbol position of a unique symbol is 0.
 263
 264 Examples:
 265 ---------
 266
 267 **Livepatch symbol names:**
 268
 269 ::
 270
 271         .klp.sym.vmlinux.snprintf,0
 272         .klp.sym.vmlinux.printk,0
 273         .klp.sym.btrfs.btrfs_ktype,0
 274
 275 **`readelf --symbols` output for a patch module:**
 276
 277 ::
 278
 279   Symbol table '.symtab' contains 127 entries:
 280      Num:    Value          Size Type    Bind   Vis     Ndx         Name
 281      [ snip ]
 282       73: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT OS [0xff20] .klp.sym.vmlinux.snprintf,0
 283       74: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT OS [0xff20] .klp.sym.vmlinux.capable,0
 284       75: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT OS [0xff20] .klp.sym.vmlinux.find_next_bit,0
 285       76: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT OS [0xff20] .klp.sym.vmlinux.si_swapinfo,0
 286     [ snip ]                                               ^
 287                                                            |
 288                                                           [*]
 289
 290 [*]
 291   Note that the 'Ndx' (Section index) for these symbols is SHN_LIVEPATCH (0xff20).
 292   "OS" means OS-specific.
 293
 294 5. Symbol table and ELF section access
 295 ======================================
 296 A livepatch module's symbol table is accessible through module->symtab.
 297
 298 Since apply_relocate_add() requires access to a module's section headers,
 299 symbol table, and relocation section indices, ELF information is preserved for
 300 livepatch modules and is made accessible by the module loader through
 301 module->klp_info, which is a :c:type:`klp_modinfo` struct. When a livepatch module
 302 loads, this struct is filled in by the module loader.