crypto/mem_sec.c

   1 /*
   2  * Copyright 2015-2016 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
   3  *
   4  * Licensed under the OpenSSL license (the "License").  You may not use
   5  * this file except in compliance with the License.  You can obtain a copy
   6  * in the file LICENSE in the source distribution or at
   7  * https://www.openssl.org/source/license.html
   8  */
   9
  10 /*
  11  * Copyright 2004-2014, Akamai Technologies. All Rights Reserved.
  12  * This file is distributed under the terms of the OpenSSL license.
  13  */
  14
  15 /*
  16  * This file is in two halves. The first half implements the public API
  17  * to be used by external consumers, and to be used by OpenSSL to store
  18  * data in a "secure arena." The second half implements the secure arena.
  19  * For details on that implementation, see below (look for uppercase
  20  * "SECURE HEAP IMPLEMENTATION").
  21  */
  22 #include <openssl/crypto.h>
  23 #include <e_os.h>
  24
  25 #include <string.h>
  26
  27 #if defined(OPENSSL_SYS_LINUX) || defined(OPENSSL_SYS_UNIX)
  28 # define IMPLEMENTED
  29 # include <stdlib.h>
  30 # include <assert.h>
  31 # include <unistd.h>
  32 # include <sys/types.h>
  33 # include <sys/mman.h>
  34 # include <sys/param.h>
  35 # include <sys/stat.h>
  36 # include <fcntl.h>
  37 #endif
  38
  39 #define CLEAR(p, s) OPENSSL_cleanse(p, s)
  40 #ifndef PAGE_SIZE
  41 # define PAGE_SIZE    4096
  42 #endif
  43
  44 #ifdef IMPLEMENTED
  45 static size_t secure_mem_used;
  46
  47 static int secure_mem_initialized;
  48
  49 static CRYPTO_RWLOCK *sec_malloc_lock = NULL;
  50
  51 /*
  52  * These are the functions that must be implemented by a secure heap (sh).
  53  */
  54 static int sh_init(size_t size, int minsize);
  55 static char *sh_malloc(size_t size);
  56 static void sh_free(char *ptr);
  57 static void sh_done(void);
  58 static size_t sh_actual_size(char *ptr);
  59 static int sh_allocated(const char *ptr);
  60 #endif
  61
  62 int CRYPTO_secure_malloc_init(size_t size, int minsize)
  63 {
  64 #ifdef IMPLEMENTED
  65     int ret = 0;
  66
  67     if (!secure_mem_initialized) {
  68         sec_malloc_lock = CRYPTO_THREAD_lock_new();
  69         if (sec_malloc_lock == NULL)
  70             return 0;
  71         ret = sh_init(size, minsize);
  72         secure_mem_initialized = 1;
  73     }
  74
  75     return ret;
  76 #else
  77     return 0;
  78 #endif /* IMPLEMENTED */
  79 }
  80
  81 int CRYPTO_secure_malloc_done()
  82 {
  83 #ifdef IMPLEMENTED
  84     if (secure_mem_used == 0) {
  85         sh_done();
  86         secure_mem_initialized = 0;
  87         CRYPTO_THREAD_lock_free(sec_malloc_lock);
  88         return 1;
  89     }
  90 #endif /* IMPLEMENTED */
  91     return 0;
  92 }
  93
  94 int CRYPTO_secure_malloc_initialized()
  95 {
  96 #ifdef IMPLEMENTED
  97     return secure_mem_initialized;
  98 #else
  99     return 0;
 100 #endif /* IMPLEMENTED */
 101 }
 102
 103 void *CRYPTO_secure_malloc(size_t num, const char *file, int line)
 104 {
 105 #ifdef IMPLEMENTED
 106     void *ret;
 107     size_t actual_size;
 108
 109     if (!secure_mem_initialized) {
 110         return CRYPTO_malloc(num, file, line);
 111     }
 112     CRYPTO_THREAD_write_lock(sec_malloc_lock);
 113     ret = sh_malloc(num);
 114     actual_size = ret ? sh_actual_size(ret) : 0;
 115     secure_mem_used += actual_size;
 116     CRYPTO_THREAD_unlock(sec_malloc_lock);
 117     return ret;
 118 #else
 119     return CRYPTO_malloc(num, file, line);
 120 #endif /* IMPLEMENTED */
 121 }
 122
 123 void *CRYPTO_secure_zalloc(size_t num, const char *file, int line)
 124 {
 125     void *ret = CRYPTO_secure_malloc(num, file, line);
 126
 127     if (ret != NULL)
 128         memset(ret, 0, num);
 129     return ret;
 130 }
 131
 132 void CRYPTO_secure_free(void *ptr, const char *file, int line)
 133 {
 134 #ifdef IMPLEMENTED
 135     size_t actual_size;
 136
 137     if (ptr == NULL)
 138         return;
 139     if (!CRYPTO_secure_allocated(ptr)) {
 140         CRYPTO_free(ptr, file, line);
 141         return;
 142     }
 143     CRYPTO_THREAD_write_lock(sec_malloc_lock);
 144     actual_size = sh_actual_size(ptr);
 145     CLEAR(ptr, actual_size);
 146     secure_mem_used -= actual_size;
 147     sh_free(ptr);
 148     CRYPTO_THREAD_unlock(sec_malloc_lock);
 149 #else
 150     CRYPTO_free(ptr, file, line);
 151 #endif /* IMPLEMENTED */
 152 }
 153
 154 int CRYPTO_secure_allocated(const void *ptr)
 155 {
 156 #ifdef IMPLEMENTED
 157     int ret;
 158
 159     if (!secure_mem_initialized)
 160         return 0;
 161     CRYPTO_THREAD_write_lock(sec_malloc_lock);
 162     ret = sh_allocated(ptr);
 163     CRYPTO_THREAD_unlock(sec_malloc_lock);
 164     return ret;
 165 #else
 166     return 0;
 167 #endif /* IMPLEMENTED */
 168 }
 169
 170 size_t CRYPTO_secure_used()
 171 {
 172 #ifdef IMPLEMENTED
 173     return secure_mem_used;
 174 #else
 175     return 0;
 176 #endif /* IMPLEMENTED */
 177 }
 178
 179 size_t CRYPTO_secure_actual_size(void *ptr)
 180 {
 181 #ifdef IMPLEMENTED
 182     size_t actual_size;
 183
 184     CRYPTO_THREAD_write_lock(sec_malloc_lock);
 185     actual_size = sh_actual_size(ptr);
 186     CRYPTO_THREAD_unlock(sec_malloc_lock);
 187     return actual_size;
 188 #else
 189     return 0;
 190 #endif
 191 }
 192 /* END OF PAGE ...
 193
 194    ... START OF PAGE */
 195
 196 /*
 197  * SECURE HEAP IMPLEMENTATION
 198  */
 199 #ifdef IMPLEMENTED
 200
 201
 202 /*
 203  * The implementation provided here uses a fixed-sized mmap() heap,
 204  * which is locked into memory, not written to core files, and protected
 205  * on either side by an unmapped page, which will catch pointer overruns
 206  * (or underruns) and an attempt to read data out of the secure heap.
 207  * Free'd memory is zero'd or otherwise cleansed.
 208  *
 209  * This is a pretty standard buddy allocator.  We keep areas in a multiple
 210  * of "sh.minsize" units.  The freelist and bitmaps are kept separately,
 211  * so all (and only) data is kept in the mmap'd heap.
 212  *
 213  * This code assumes eight-bit bytes.  The numbers 3 and 7 are all over the
 214  * place.
 215  */
 216
 217 #define ONE ((size_t)1)
 218
 219 # define TESTBIT(t, b)  (t[(b) >> 3] &  (ONE << ((b) & 7)))
 220 # define SETBIT(t, b)   (t[(b) >> 3] |= (ONE << ((b) & 7)))
 221 # define CLEARBIT(t, b) (t[(b) >> 3] &= (0xFF & ~(ONE << ((b) & 7))))
 222
 223 #define WITHIN_ARENA(p) \
 224     ((char*)(p) >= sh.arena && (char*)(p) < &sh.arena[sh.arena_size])
 225 #define WITHIN_FREELIST(p) \
 226     ((char*)(p) >= (char*)sh.freelist && (char*)(p) < (char*)&sh.freelist[sh.freelist_size])
 227
 228
 229 typedef struct sh_list_st
 230 {
 231     struct sh_list_st *next;
 232     struct sh_list_st **p_next;
 233 } SH_LIST;
 234
 235 typedef struct sh_st
 236 {
 237     char* map_result;
 238     size_t map_size;
 239     char *arena;
 240     size_t arena_size;
 241     char **freelist;
 242     ossl_ssize_t freelist_size;
 243     size_t minsize;
 244     unsigned char *bittable;
 245     unsigned char *bitmalloc;
 246     size_t bittable_size; /* size in bits */
 247 } SH;
 248
 249 static SH sh;
 250
 251 static size_t sh_getlist(char *ptr)
 252 {
 253     ossl_ssize_t list = sh.freelist_size - 1;
 254     size_t bit = (sh.arena_size + ptr - sh.arena) / sh.minsize;
 255
 256     for (; bit; bit >>= 1, list--) {
 257         if (TESTBIT(sh.bittable, bit))
 258             break;
 259         OPENSSL_assert((bit & 1) == 0);
 260     }
 261
 262     return list;
 263 }
 264
 265
 266 static int sh_testbit(char *ptr, int list, unsigned char *table)
 267 {
 268     size_t bit;
 269
 270     OPENSSL_assert(list >= 0 && list < sh.freelist_size);
 271     OPENSSL_assert(((ptr - sh.arena) & ((sh.arena_size >> list) - 1)) == 0);
 272     bit = (ONE << list) + ((ptr - sh.arena) / (sh.arena_size >> list));
 273     OPENSSL_assert(bit > 0 && bit < sh.bittable_size);
 274     return TESTBIT(table, bit);
 275 }
 276
 277 static void sh_clearbit(char *ptr, int list, unsigned char *table)
 278 {
 279     size_t bit;
 280
 281     OPENSSL_assert(list >= 0 && list < sh.freelist_size);
 282     OPENSSL_assert(((ptr - sh.arena) & ((sh.arena_size >> list) - 1)) == 0);
 283     bit = (ONE << list) + ((ptr - sh.arena) / (sh.arena_size >> list));
 284     OPENSSL_assert(bit > 0 && bit < sh.bittable_size);
 285     OPENSSL_assert(TESTBIT(table, bit));
 286     CLEARBIT(table, bit);
 287 }
 288
 289 static void sh_setbit(char *ptr, int list, unsigned char *table)
 290 {
 291     size_t bit;
 292
 293     OPENSSL_assert(list >= 0 && list < sh.freelist_size);
 294     OPENSSL_assert(((ptr - sh.arena) & ((sh.arena_size >> list) - 1)) == 0);
 295     bit = (ONE << list) + ((ptr - sh.arena) / (sh.arena_size >> list));
 296     OPENSSL_assert(bit > 0 && bit < sh.bittable_size);
 297     OPENSSL_assert(!TESTBIT(table, bit));
 298     SETBIT(table, bit);
 299 }
 300
 301 static void sh_add_to_list(char **list, char *ptr)
 302 {
 303     SH_LIST *temp;
 304
 305     OPENSSL_assert(WITHIN_FREELIST(list));
 306     OPENSSL_assert(WITHIN_ARENA(ptr));
 307
 308     temp = (SH_LIST *)ptr;
 309     temp->next = *(SH_LIST **)list;
 310     OPENSSL_assert(temp->next == NULL || WITHIN_ARENA(temp->next));
 311     temp->p_next = (SH_LIST **)list;
 312
 313     if (temp->next != NULL) {
 314         OPENSSL_assert((char **)temp->next->p_next == list);
 315         temp->next->p_next = &(temp->next);
 316     }
 317
 318     *list = ptr;
 319 }
 320
 321 static void sh_remove_from_list(char *ptr)
 322 {
 323     SH_LIST *temp, *temp2;
 324
 325     temp = (SH_LIST *)ptr;
 326     if (temp->next != NULL)
 327         temp->next->p_next = temp->p_next;
 328     *temp->p_next = temp->next;
 329     if (temp->next == NULL)
 330         return;
 331
 332     temp2 = temp->next;
 333     OPENSSL_assert(WITHIN_FREELIST(temp2->p_next) || WITHIN_ARENA(temp2->p_next));
 334 }
 335
 336
 337 static int sh_init(size_t size, int minsize)
 338 {
 339     int i, ret;
 340     size_t pgsize;
 341     size_t aligned;
 342
 343     memset(&sh, 0, sizeof sh);
 344
 345     /* make sure size and minsize are powers of 2 */
 346     OPENSSL_assert(size > 0);
 347     OPENSSL_assert((size & (size - 1)) == 0);
 348     OPENSSL_assert(minsize > 0);
 349     OPENSSL_assert((minsize & (minsize - 1)) == 0);
 350     if (size <= 0 || (size & (size - 1)) != 0)
 351         goto err;
 352     if (minsize <= 0 || (minsize & (minsize - 1)) != 0)
 353         goto err;
 354
 355     sh.arena_size = size;
 356     sh.minsize = minsize;
 357     sh.bittable_size = (sh.arena_size / sh.minsize) * 2;
 358
 359     sh.freelist_size = -1;
 360     for (i = sh.bittable_size; i; i >>= 1)
 361         sh.freelist_size++;
 362
 363     sh.freelist = OPENSSL_zalloc(sh.freelist_size * sizeof (char *));
 364     OPENSSL_assert(sh.freelist != NULL);
 365     if (sh.freelist == NULL)
 366         goto err;
 367
 368     sh.bittable = OPENSSL_zalloc(sh.bittable_size >> 3);
 369     OPENSSL_assert(sh.bittable != NULL);
 370     if (sh.bittable == NULL)
 371         goto err;
 372
 373     sh.bitmalloc = OPENSSL_zalloc(sh.bittable_size >> 3);
 374     OPENSSL_assert(sh.bitmalloc != NULL);
 375     if (sh.bitmalloc == NULL)
 376         goto err;
 377
 378     /* Allocate space for heap, and two extra pages as guards */
 379 #if defined(_SC_PAGE_SIZE) || defined (_SC_PAGESIZE)
 380     {
 381 # if defined(_SC_PAGE_SIZE)
 382         long tmppgsize = sysconf(_SC_PAGE_SIZE);
 383 # else
 384         long tmppgsize = sysconf(_SC_PAGESIZE);
 385 # endif
 386         if (tmppgsize < 1)
 387             pgsize = PAGE_SIZE;
 388         else
 389             pgsize = (size_t)tmppgsize;
 390     }
 391 #else
 392     pgsize = PAGE_SIZE;
 393 #endif
 394     sh.map_size = pgsize + sh.arena_size + pgsize;
 395     if (1) {
 396 #ifdef MAP_ANON
 397         sh.map_result = mmap(NULL, sh.map_size,
 398                              PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_ANON|MAP_PRIVATE, -1, 0);
 399     } else {
 400 #endif
 401         int fd;
 402
 403         sh.map_result = MAP_FAILED;
 404         if ((fd = open("/dev/zero", O_RDWR)) >= 0) {
 405             sh.map_result = mmap(NULL, sh.map_size,
 406                                  PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0);
 407             close(fd);
 408         }
 409     }
 410     OPENSSL_assert(sh.map_result != MAP_FAILED);
 411     if (sh.map_result == MAP_FAILED)
 412         goto err;
 413     sh.arena = (char *)(sh.map_result + pgsize);
 414     sh_setbit(sh.arena, 0, sh.bittable);
 415     sh_add_to_list(&sh.freelist[0], sh.arena);
 416
 417     /* Now try to add guard pages and lock into memory. */
 418     ret = 1;
 419
 420     /* Starting guard is already aligned from mmap. */
 421     if (mprotect(sh.map_result, pgsize, PROT_NONE) < 0)
 422         ret = 2;
 423
 424     /* Ending guard page - need to round up to page boundary */
 425     aligned = (pgsize + sh.arena_size + (pgsize - 1)) & ~(pgsize - 1);
 426     if (mprotect(sh.map_result + aligned, pgsize, PROT_NONE) < 0)
 427         ret = 2;
 428
 429     if (mlock(sh.arena, sh.arena_size) < 0)
 430         ret = 2;
 431 #ifdef MADV_DONTDUMP
 432     if (madvise(sh.arena, sh.arena_size, MADV_DONTDUMP) < 0)
 433         ret = 2;
 434 #endif
 435
 436     return ret;
 437
 438  err:
 439     sh_done();
 440     return 0;
 441 }
 442
 443 static void sh_done()
 444 {
 445     OPENSSL_free(sh.freelist);
 446     OPENSSL_free(sh.bittable);
 447     OPENSSL_free(sh.bitmalloc);
 448     if (sh.map_result != NULL && sh.map_size)
 449         munmap(sh.map_result, sh.map_size);
 450     memset(&sh, 0, sizeof sh);
 451 }
 452
 453 static int sh_allocated(const char *ptr)
 454 {
 455     return WITHIN_ARENA(ptr) ? 1 : 0;
 456 }
 457
 458 static char *sh_find_my_buddy(char *ptr, int list)
 459 {
 460     size_t bit;
 461     char *chunk = NULL;
 462
 463     bit = (ONE << list) + (ptr - sh.arena) / (sh.arena_size >> list);
 464     bit ^= 1;
 465
 466     if (TESTBIT(sh.bittable, bit) && !TESTBIT(sh.bitmalloc, bit))
 467         chunk = sh.arena + ((bit & ((ONE << list) - 1)) * (sh.arena_size >> list));
 468
 469     return chunk;
 470 }
 471
 472 static char *sh_malloc(size_t size)
 473 {
 474     ossl_ssize_t list, slist;
 475     size_t i;
 476     char *chunk;
 477
 478     list = sh.freelist_size - 1;
 479     for (i = sh.minsize; i < size; i <<= 1)
 480         list--;
 481     if (list < 0)
 482         return NULL;
 483
 484     /* try to find a larger entry to split */
 485     for (slist = list; slist >= 0; slist--)
 486         if (sh.freelist[slist] != NULL)
 487             break;
 488     if (slist < 0)
 489         return NULL;
 490
 491     /* split larger entry */
 492     while (slist != list) {
 493         char *temp = sh.freelist[slist];
 494
 495         /* remove from bigger list */
 496         OPENSSL_assert(!sh_testbit(temp, slist, sh.bitmalloc));
 497         sh_clearbit(temp, slist, sh.bittable);
 498         sh_remove_from_list(temp);
 499         OPENSSL_assert(temp != sh.freelist[slist]);
 500
 501         /* done with bigger list */
 502         slist++;
 503
 504         /* add to smaller list */
 505         OPENSSL_assert(!sh_testbit(temp, slist, sh.bitmalloc));
 506         sh_setbit(temp, slist, sh.bittable);
 507         sh_add_to_list(&sh.freelist[slist], temp);
 508         OPENSSL_assert(sh.freelist[slist] == temp);
 509
 510         /* split in 2 */
 511         temp += sh.arena_size >> slist;
 512         OPENSSL_assert(!sh_testbit(temp, slist, sh.bitmalloc));
 513         sh_setbit(temp, slist, sh.bittable);
 514         sh_add_to_list(&sh.freelist[slist], temp);
 515         OPENSSL_assert(sh.freelist[slist] == temp);
 516
 517         OPENSSL_assert(temp-(sh.arena_size >> slist) == sh_find_my_buddy(temp, slist));
 518     }
 519
 520     /* peel off memory to hand back */
 521     chunk = sh.freelist[list];
 522     OPENSSL_assert(sh_testbit(chunk, list, sh.bittable));
 523     sh_setbit(chunk, list, sh.bitmalloc);
 524     sh_remove_from_list(chunk);
 525
 526     OPENSSL_assert(WITHIN_ARENA(chunk));
 527
 528     return chunk;
 529 }
 530
 531 static void sh_free(char *ptr)
 532 {
 533     size_t list;
 534     char *buddy;
 535
 536     if (ptr == NULL)
 537         return;
 538     OPENSSL_assert(WITHIN_ARENA(ptr));
 539     if (!WITHIN_ARENA(ptr))
 540         return;
 541
 542     list = sh_getlist(ptr);
 543     OPENSSL_assert(sh_testbit(ptr, list, sh.bittable));
 544     sh_clearbit(ptr, list, sh.bitmalloc);
 545     sh_add_to_list(&sh.freelist[list], ptr);
 546
 547     /* Try to coalesce two adjacent free areas. */
 548     while ((buddy = sh_find_my_buddy(ptr, list)) != NULL) {
 549         OPENSSL_assert(ptr == sh_find_my_buddy(buddy, list));
 550         OPENSSL_assert(ptr != NULL);
 551         OPENSSL_assert(!sh_testbit(ptr, list, sh.bitmalloc));
 552         sh_clearbit(ptr, list, sh.bittable);
 553         sh_remove_from_list(ptr);
 554         OPENSSL_assert(!sh_testbit(ptr, list, sh.bitmalloc));
 555         sh_clearbit(buddy, list, sh.bittable);
 556         sh_remove_from_list(buddy);
 557
 558         list--;
 559
 560         if (ptr > buddy)
 561             ptr = buddy;
 562
 563         OPENSSL_assert(!sh_testbit(ptr, list, sh.bitmalloc));
 564         sh_setbit(ptr, list, sh.bittable);
 565         sh_add_to_list(&sh.freelist[list], ptr);
 566         OPENSSL_assert(sh.freelist[list] == ptr);
 567     }
 568 }
 569
 570 static size_t sh_actual_size(char *ptr)
 571 {
 572     int list;
 573
 574     OPENSSL_assert(WITHIN_ARENA(ptr));
 575     if (!WITHIN_ARENA(ptr))
 576         return 0;
 577     list = sh_getlist(ptr);
 578     OPENSSL_assert(sh_testbit(ptr, list, sh.bittable));
 579     return sh.arena_size / (ONE << list);
 580 }
 581 #endif /* IMPLEMENTED */