crypto/mem_sec.c

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