ARMv8.3 的 PAC 特性

名词释义：

• PAC: Pointer Authentication Code
• PA: Pointer Authentication
• SCTLR: System ConTroL Register

该特性为指针值提供【签名】和【校验】的能力。ARM64 硬件上提供 5 个秘钥，分别用于为三种地址生成 PAC：

• 代码地址：API{A,B}Key
• 数据地址：APD{A,B}Key
• 通用地址：APGAKey

PAC 的值是关于以下三者的函数：1、指针本身；2、上下文相关值（也称 Modifier）¹；3、秘钥。

生成后，PAC 会被附在指针值上（即“签在上面”），其所处的位置和长度与当前处理器：1）设置的虚拟地址长度以及；2）是否使能了 Address Tagging（即 TBI 特性）有关：

• 使能了 Address Tagging：
• 未使能 Address Tagging：

详见《Arm® Architecture Reference Manual for A-profile architecture》 （发布号 I.a）中的 D8.8.1 PAC field 一节。

值得一提的是，在不支持该特性的低版本处理器上，相关指令会被当作 nop 来执行。这一点在高通的文档 上有提及。

利用方式

目前最常见的利用方式如下：

1. 压栈保存时用 paciasp，基于 APIAKey 和 SP 对 LR 进行签名；
2. 出栈使用时用 autiasp，基于 APIAKey 和 SP 对 LR 进行校验。

该方式实现了一种后向 CFI（Backward-edge CFI），即针对返回地址的防护。除此之外，有的厂商（如苹果的 Mac 系统）还利用 PAC 实现前向 CFI（Forward-edge CFI），针对函数间接调用的防护；以及 DFI，针对重要数据指针的防护。

若要为某个程序开启这类保护，需要使用合适版本的编译器，并在编译构建时添加编译参数 -mbranch-protection=（可选值请参考编译器手册，如这里 ）。如此，pac*/aut* 系列指令就会由编译器安插在程序里适当的位置。可参考 Linux 内核的 PAC 编译支持：commit 74afda4016a7 (“arm64: compile the kernel with ptrauth return address signing”) 。

Linux 内核利用现状

Linux 内核引入 ARMv8.3 Pointer Authentication 的初始补丁集：(v7) arm64: return address signing 。

当前 Linux 内核仅实现了上述基于 PAC 的后向 CFI 方案，配有两个 configs：

• ARM64_PTR_AUTH：支持用户态 PA，在各进程执行 exec() 时初始化秘钥
• ARM64_PTR_AUTH_KERNEL²：（在编译器支持的情况下）使能内核态 PA，内核本身会使能对返回地址的保护

具体使用方式如内核文档 所述：

When CONFIG_ARM64_PTR_AUTH is selected, and relevant HW support is present, the kernel will assign random key values to each process at exec*() time. The keys are shared by all threads within the process, and are preserved across fork().

对上述的 5 个秘钥，内核态会使用 IA（若内核态 PA 开启的话）；另外 update_sctlr_el1() 的注释也有提到：在内核态中 EnIA³ 不能被关闭，仅当从内核态退出至用户态内核退出（即类似关机这样的场景）⁴时才可能按需关闭。

1void update_sctlr_el1(u64 sctlr)
2{
3	/*                                                                      
4	 * EnIA must not be cleared while in the kernel as this is necessary for
5	 * in-kernel PAC. It will be cleared on kernel exit if needed.
6	 */                                                                     
7	sysreg_clear_set(sctlr_el1, SCTLR_USER_MASK & ~SCTLR_ELx_ENIA, sctlr);
8	// ...
9}

一个陷阱

在 Linux 内核中，每个进程都有各自的一套 PA 秘钥，每次进程切换都涉及秘钥切换。而秘钥切换存在这样一个问题：若在一个使能了 PA 的函数执行过程中切换新的秘钥，

 1paciasp
 2stp fp, lr, [sp, #-FRAME_SIZE]!
 3mov fp, sp
 4
 5/* ... function body ... */
 6pa_switch_keys
 7/* ... function body ... */
 8
 9ldp fp, lr, [sp], #FRAME_SIZE
10autiasp
11ret

那么在函数准备返回时，由于加密 LR 用的秘钥与切换后的秘钥不一致，autiasp 一定会发生校验错误。

关于这个情况，Linux 内核的应对有两点：

• 在进程切换（context switch）的最后阶段才切换秘钥：

  1__switch_to(prev, next)
  2  ptrauth_thread_switch_user(next)
  3  last = cpu_switch_to(prev, next) // really the last moment
  4    ptrauth_keys_install_kernel
  

  其中 cpu_switch_to() 是一个汇编函数，切换了包括 SP 和 LR 在内的 callee-saved registers；ptrauth_keys_install_kernel 是一段汇编宏，不涉及函数上下文切换，仅切换 APIAKey。从内核线程的视角来看，进入和退出 cpu_switch_to() 时的 SP、LR 与 APIAKey 三者是匹配的。

• 内核初始化秘钥的过程不涉及函数调用，如 commit 33e45234987e 所述：

  The keys for idle threads need to be set before calling any C functions, because it is not possible to enter and exit a function with different keys.

  1start_kernel             // never returns so it's fine
  2  boot_init_stack_canary // always_inline
  3    ptrauth_thread_init_kernel(current)   // macro
  4    ptrauth_thread_switch_kernel(current) // macro
  

其他厂商利用情况

目前已知苹果已在 A12 及后续 A 系列处理器上支持了 PAC，并在 iOS、macOS 等操作系统的层面上基于 PAC 实现了前向 CFI、后向 CFI 及 DFI 防护。摘自苹果开发者文档 ：

• Return addresses are signed with a key that’s unique per process, using a salt derived from the stack pointer.
• Function pointers are signed with a key that’s fixed across all processes, allowing sharing of library code between processes.
• Virtual method table entries are signed with a key that’s shared across all apps, using a salt derived from the method signature.

参考资料

• Arm® Architecture Reference Manual for A-profile architecture, issue I.a
• Pointer Authentication on ARMv8.3: Design and Analysis of the New Software Security Instructions from Qualcomm
• ARMv8.3 Pointer Authentication for LSS 2017 (local copy )
• (v7) arm64: return address signing ，Linux 内核引入该特性的初始补丁集
• Examining Pointer Authentication on the iPhone XS from Google Project Zero