Estensione del tagging della memoria ARM (MTE)

Perché MTE?

I bug di sicurezza della memoria, ovvero gli errori nella gestione della memoria nei linguaggi di programmazione nativi, sono problemi di codice comuni. Portano a vulnerabilità della sicurezza e problemi di stabilità.

Armv9 ha introdotto l'estensione MTE (Arm Memory Tagging Extension), un'estensione hardware che consente di rilevare i bug use-after-free e buffer-overflow nel codice nativo.

Verificare il supporto

A partire da Android 13, alcuni dispositivi supportano MTE. Per verificare se il dispositivo è in esecuzione con MTE abilitato, esegui il seguente comando:

adb shell grep mte /proc/cpuinfo

Se il risultato è Features : [...] mte, il dispositivo è in esecuzione con MTE abilitato.

Alcuni dispositivi non abilitano MTE per impostazione predefinita, ma consentono agli sviluppatori di riavviare con MTE abilitato. Si tratta di una configurazione sperimentale non consigliata per l'uso normale, in quanto potrebbe ridurre le prestazioni o la stabilità del dispositivo, ma può essere utile per lo sviluppo di app. Per accedere a questa modalità, vai a Opzioni sviluppatore > Memory Tagging Extension nell'app Impostazioni. Se questa opzione non è presente, il dispositivo non supporta l'abilitazione di MTE in questo modo.

Dispositivi con supporto MTE

I seguenti dispositivi sono noti per supportare MTE:

  • Pixel 8 (Shiba)
  • Pixel 8 Pro (Husky)
  • Pixel 8a (Akita)
  • Pixel 9 (Tokay)
  • Pixel 9 Pro (Caiman)
  • Pixel 9 Pro XL (Komodo)
  • Pixel 9 Pro Fold (Comet)
  • Pixel 9a (Tegu)

Modalità operative MTE

MTE supporta due modalità: SYNC e ASYNC. La modalità SYNC fornisce informazioni diagnostiche migliori ed è quindi più adatta per scopi di sviluppo, mentre la modalità ASYNC ha prestazioni elevate che consentono di abilitarla per le app rilasciate.

Modalità sincrona (SYNC)

Questa modalità è ottimizzata per la capacità di debug rispetto alle prestazioni e può essere utilizzata come strumento di rilevamento dei bug preciso, quando è accettabile un sovraccarico delle prestazioni più elevato. Quando è abilitata, MTE SYNC funge anche da mitigazione della sicurezza.

In caso di mancata corrispondenza dei tag, il processore termina il processo sull'istruzione di caricamento o memorizzazione che ha generato l'errore con SIGSEGV (con si_code SEGV_MTESERR) e informazioni complete sull'accesso alla memoria e sull'indirizzo che ha generato l'errore.

Questa modalità è utile durante i test come alternativa più rapida a HWASan che non richiede la ricompilazione del codice o in produzione, quando l'app rappresenta una superficie di attacco vulnerabile. Inoltre, quando la modalità ASYNC (descritta di seguito) ha rilevato un bug, è possibile ottenere un report sui bug accurato utilizzando le API di runtime per passare l'esecuzione alla modalità SYNC.

Inoltre, quando è in esecuzione in modalità SYNC, l'allocatore Android registra l'analisi dello stack di ogni allocazione e deallocazione e li utilizza per fornire report sugli errori migliori che includono la spiegazione di un errore di memoria, come use-after-free o buffer-overflow, e le analisi dello stack degli eventi di memoria pertinenti (per maggiori dettagli, consulta la sezione Comprendere i report MTE). Questi report forniscono informazioni più contestuali e semplificano il tracciamento e la correzione dei bug rispetto alla modalità ASYNC.

Modalità asincrona (ASYNC)

Questa modalità è ottimizzata per le prestazioni rispetto all'accuratezza dei report sui bug e può essere utilizzata per il rilevamento a basso sovraccarico dei bug di sicurezza della memoria. In caso di mancata corrispondenza dei tag, il processore continua l'esecuzione fino alla voce del kernel più vicina (ad esempio una chiamata di sistema o un interrupt del timer), dove termina il processo con SIGSEGV (codice SEGV_MTEAERR) senza registrare l'indirizzo o l'accesso alla memoria che ha generato l'errore.

Questa modalità è utile per mitigare le vulnerabilità di sicurezza della memoria in produzione su codebase ben testate in cui è noto che la densità dei bug di sicurezza della memoria è bassa, il che si ottiene utilizzando la modalità SYNC durante i test.

Abilitare MTE

Per un singolo dispositivo

Per la sperimentazione, le modifiche alla compatibilità delle app possono essere utilizzate per impostare il valore predefinito di memtagMode attributo per un'applicazione che non specifica alcun valore nel manifest (o specifica "default").

Questi sono disponibili in Sistema > Avanzate > Opzioni sviluppatore > Modifiche alla compatibilità delle app nel menu delle impostazioni globali. L'impostazione di NATIVE_MEMTAG_ASYNC o NATIVE_MEMTAG_SYNC abilita MTE per una determinata applicazione.

In alternativa, puoi impostare questa opzione utilizzando il comando am come segue:

  • Per la modalità SYNC: $ adb shell am compat enable NATIVE_MEMTAG_SYNC my.app.name
  • Per la modalità ASYNC: $ adb shell am compat enable NATIVE_MEMTAG_ASYNC my.app.name

In Gradle

Puoi abilitare MTE per tutte le build di debug del tuo progetto Gradle inserendo

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
    xmlns:tools="http://schemas.android.com/tools">

    <application android:memtagMode="sync" tools:replace="android:memtagMode"/>
</manifest>

in app/src/debug/AndroidManifest.xml. In questo modo, memtagMode del manifest verrà sostituito con sync per le build di debug.

In alternativa, puoi abilitare MTE per tutte le build di un buildType personalizzato. Per farlo, crea il tuo buildType e inserisci il codice XML in app/src/<name of buildType>/AndroidManifest.xml.

Per un APK su qualsiasi dispositivo compatibile

MTE è disattivato per impostazione predefinita. Le app che vogliono utilizzare MTE possono farlo impostando android:memtagMode nel tag <application> o <process> in AndroidManifest.xml.

android:memtagMode=(off|default|sync|async)

Quando viene impostato sul tag <application>, l'attributo influisce su tutti i processi utilizzati dall'applicazione e può essere sostituito per i singoli processi impostando il tag <process>.

Creare con l'instrumentazione

L'abilitazione di MTE come spiegato in precedenza consente di rilevare i bug di danneggiamento della memoria nell'heap nativo. Per rilevare il danneggiamento della memoria nello stack, oltre ad abilitare MTE per l'app, il codice deve essere ricompilato con l'instrumentazione. L'app risultante verrà eseguita solo su dispositivi compatibili con MTE.

Per creare il codice nativo (JNI) dell'app con MTE:

ndk-build

Nel file Application.mk:

APP_CFLAGS := -fsanitize=memtag -fno-omit-frame-pointer -march=armv8-a+memtag
APP_LDFLAGS := -fsanitize=memtag -fsanitize-memtag-mode=sync -march=armv8-a+memtag

CMake

Per ogni target in CMakeLists.txt:

target_compile_options(${TARGET} PUBLIC -fsanitize=memtag -fno-omit-frame-pointer -march=armv8-a+memtag)
target_link_options(${TARGET} PUBLIC -fsanitize=memtag -fsanitize-memtag-mode=sync -march=armv8-a+memtag)

Esegui l'app

Dopo aver abilitato MTE, utilizza e testa l'app normalmente. Se viene rilevato un problema di sicurezza della memoria, l'app si arresta in modo anomalo con un tombstone simile a questo (nota SIGSEGV con SEGV_MTESERR per SYNC o SEGV_MTEAERR per ASYNC):

pid: 13935, tid: 13935, name: sanitizer-statu  >>> sanitizer-status <<<
uid: 0
tagged_addr_ctrl: 000000000007fff3
signal 11 (SIGSEGV), code 9 (SEGV_MTESERR), fault addr 0x800007ae92853a0
Cause: [MTE]: Use After Free, 0 bytes into a 32-byte allocation at 0x7ae92853a0
x0  0000007cd94227cc  x1  0000007cd94227cc  x2  ffffffffffffffd0  x3  0000007fe81919c0
x4  0000007fe8191a10  x5  0000000000000004  x6  0000005400000051  x7  0000008700000021
x8  0800007ae92853a0  x9  0000000000000000  x10 0000007ae9285000  x11 0000000000000030
x12 000000000000000d  x13 0000007cd941c858  x14 0000000000000054  x15 0000000000000000
x16 0000007cd940c0c8  x17 0000007cd93a1030  x18 0000007cdcac6000  x19 0000007fe8191c78
x20 0000005800eee5c4  x21 0000007fe8191c90  x22 0000000000000002  x23 0000000000000000
x24 0000000000000000  x25 0000000000000000  x26 0000000000000000  x27 0000000000000000
x28 0000000000000000  x29 0000007fe8191b70
lr  0000005800eee0bc  sp  0000007fe8191b60  pc  0000005800eee0c0  pst 0000000060001000

backtrace:
      #00 pc 00000000000010c0  /system/bin/sanitizer-status (test_crash_malloc_uaf()+40) (BuildId: 953fc93301472d0b72709b2b9a9f6f30)
      #01 pc 00000000000014a4  /system/bin/sanitizer-status (test(void (*)())+132) (BuildId: 953fc93301472d0b72709b2b9a9f6f30)
      #02 pc 00000000000019cc  /system/bin/sanitizer-status (main+1032) (BuildId: 953fc93301472d0b72709b2b9a9f6f30)
      #03 pc 00000000000487d8  /apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libc.so (__libc_init+96) (BuildId: 6ab39e35a2fae7efbe9a04e9bbb14331)

deallocated by thread 13935:
      #00 pc 000000000004643c  /apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libc.so (scudo::Allocator<scudo::AndroidConfig, &(scudo_malloc_postinit)>::quarantineOrDeallocateChunk(scudo::Options, void*, scudo::Chunk::UnpackedHeader*, unsigned long)+688) (BuildId: 6ab39e35a2fae7efbe9a04e9bbb14331)
      #01 pc 00000000000421e4  /apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libc.so (scudo::Allocator<scudo::AndroidConfig, &(scudo_malloc_postinit)>::deallocate(void*, scudo::Chunk::Origin, unsigned long, unsigned long)+212) (BuildId: 6ab39e35a2fae7efbe9a04e9bbb14331)
      #02 pc 00000000000010b8  /system/bin/sanitizer-status (test_crash_malloc_uaf()+32) (BuildId: 953fc93301472d0b72709b2b9a9f6f30)
      #03 pc 00000000000014a4  /system/bin/sanitizer-status (test(void (*)())+132) (BuildId: 953fc93301472d0b72709b2b9a9f6f30)

allocated by thread 13935:
      #00 pc 0000000000042020  /apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libc.so (scudo::Allocator<scudo::AndroidConfig, &(scudo_malloc_postinit)>::allocate(unsigned long, scudo::Chunk::Origin, unsigned long, bool)+1300) (BuildId: 6ab39e35a2fae7efbe9a04e9bbb14331)
      #01 pc 0000000000042394  /apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libc.so (scudo_malloc+36) (BuildId: 6ab39e35a2fae7efbe9a04e9bbb14331)
      #02 pc 000000000003cc9c  /apex/com.android.runtime/lib64/bionic/libc.so (malloc+36) (BuildId: 6ab39e35a2fae7efbe9a04e9bbb14331)
      #03 pc 00000000000010ac  /system/bin/sanitizer-status (test_crash_malloc_uaf()+20) (BuildId: 953fc93301472d0b72709b2b9a9f6f30)
      #04 pc 00000000000014a4  /system/bin/sanitizer-status (test(void (*)())+132) (BuildId: 953fc93301472d0b72709b2b9a9f6f30)
Learn more about MTE reports: https://source.android.com/docs/security/test/memory-safety/mte-report

Per maggiori dettagli, consulta la sezione Comprendere i report MTE nella documentazione AOSP. Puoi anche eseguire il debug dell'app con Android Studio e il debugger si arresta alla riga che causa l'accesso alla memoria non valido.

Utenti esperti: utilizzare MTE nel proprio allocatore

Per utilizzare MTE per la memoria non allocata tramite gli allocatori di sistema normali, devi modificare l'allocatore per taggare la memoria e i puntatori.

Le pagine dell'allocatore devono essere allocate utilizzando PROT_MTE nel prot flag di mmap (o mprotect).

Tutte le allocazioni con tag devono essere allineate a 16 byte, poiché i tag possono essere assegnati solo a blocchi di 16 byte (noti anche come granuli).

Prima di restituire un puntatore, devi utilizzare l'istruzione IRG per generare un tag casuale e memorizzarlo nel puntatore.

Segui queste istruzioni per taggare la memoria sottostante:

  • STG: tagga un singolo granulo di 16 byte
  • ST2G: tagga due granuli di 16 byte
  • DC GVA: tagga la cacheline con lo stesso tag

In alternativa, le seguenti istruzioni inizializzano anche la memoria con zero:

  • STZG: tagga e inizializza con zero un singolo granulo di 16 byte
  • STZ2G: tagga e inizializza con zero due granuli di 16 byte
  • DC GZVA: tagga e inizializza con zero la cacheline con lo stesso tag

Tieni presente che queste istruzioni non sono supportate sulle CPU meno recenti, quindi devi eseguirle in modo condizionale quando MTE è abilitato. Puoi verificare se MTE è abilitato per il tuo processo:

#include <sys/prctl.h>

bool runningWithMte() {
      int mode = prctl(PR_GET_TAGGED_ADDR_CTRL, 0, 0, 0, 0);
      return mode != -1 && mode & PR_MTE_TCF_MASK;
}

L'implementazione di scudo può essere utile come riferimento.

Scopri di più

Per saperne di più, consulta la Guida utente di MTE per il sistema operativo Android scritta da Arm.