x86/retbleed: Add SKL return thunk
authorThomas Gleixner <tglx@linutronix.de>
Thu, 15 Sep 2022 11:11:27 +0000 (13:11 +0200)
committerPeter Zijlstra <peterz@infradead.org>
Mon, 17 Oct 2022 14:41:15 +0000 (16:41 +0200)
commit5d8213864ade86b48fc492584ea86d65a62f892e
tree0005924a00492b018072967b39e46c6f6b511ba6
parent52354973573cc260ff2fc661cb28ff8eaa7b879b
x86/retbleed: Add SKL return thunk

To address the Intel SKL RSB underflow issue in software it's required to
do call depth tracking.

Provide a return thunk for call depth tracking on Intel SKL CPUs.

The tracking does not use a counter. It uses uses arithmetic shift
right on call entry and logical shift left on return.

The depth tracking variable is initialized to 0x8000.... when the call
depth is zero. The arithmetic shift right sign extends the MSB and
saturates after the 12th call. The shift count is 5 so the tracking covers
12 nested calls. On return the variable is shifted left logically so it
becomes zero again.

 CALL       RET
 0: 0x8000000000000000 0x0000000000000000
 1: 0xfc00000000000000 0xf000000000000000
...
11: 0xfffffffffffffff8 0xfffffffffffffc00
12: 0xffffffffffffffff 0xffffffffffffffe0

After a return buffer fill the depth is credited 12 calls before the next
stuffing has to take place.

There is a inaccuracy for situations like this:

   10 calls
    5 returns
    3 calls
    4 returns
    3 calls
    ....

The shift count might cause this to be off by one in either direction, but
there is still a cushion vs. the RSB depth. The algorithm does not claim to
be perfect, but it should obfuscate the problem enough to make exploitation
extremly difficult.

The theory behind this is:

RSB is a stack with depth 16 which is filled on every call. On the return
path speculation "pops" entries to speculate down the call chain. Once the
speculative RSB is empty it switches to other predictors, e.g. the Branch
History Buffer, which can be mistrained by user space and misguide the
speculation path to a gadget.

Call depth tracking is designed to break this speculation path by stuffing
speculation trap calls into the RSB which are never getting a corresponding
return executed. This stalls the prediction path until it gets resteered,

The assumption is that stuffing at the 12th return is sufficient to break
the speculation before it hits the underflow and the fallback to the other
predictors. Testing confirms that it works. Johannes, one of the retbleed
researchers. tried to attack this approach but failed.

There is obviously no scientific proof that this will withstand future
research progress, but all we can do right now is to speculate about it.

The SAR/SHL usage was suggested by Andi Kleen.

Signed-off-by: Thomas Gleixner <tglx@linutronix.de>
Signed-off-by: Peter Zijlstra (Intel) <peterz@infradead.org>
Link: https://lore.kernel.org/r/20220915111147.890071690@infradead.org
arch/x86/entry/entry_64.S
arch/x86/include/asm/current.h
arch/x86/include/asm/nospec-branch.h
arch/x86/kernel/asm-offsets.c
arch/x86/kvm/svm/vmenter.S
arch/x86/lib/retpoline.S