आर्म मेमोरी टैगिंग एक्सटेंशन (एमटीई)

एमटीई का इस्तेमाल क्यों करें?

मेमोरी की सुरक्षा से जुड़ी गड़बड़ियां, कोड से जुड़ी सामान्य समस्याएं हैं. ये गड़बड़ियां, नेटिव प्रोग्रामिंग भाषाओं में मेमोरी को मैनेज करने के दौरान होती हैं. इनसे सुरक्षा से जुड़े जोखिमों के साथ-साथ, स्थिरता से जुड़ी समस्याएं भी हो सकती हैं.

Armv9 ने Arm Memory Tagging Extension (MTE) को पेश किया है. यह एक हार्डवेयर एक्सटेंशन है. इसकी मदद से, नेटिव कोड में use-after-free और buffer-overflow बग का पता लगाया जा सकता है.

यह देखना कि सुविधा उपलब्ध है या नहीं

Android 13 से, कुछ डिवाइसों पर एमटीई की सुविधा काम करती है. यह देखने के लिए कि आपके डिवाइस पर MTE की सुविधा चालू है या नहीं, यह कमांड चलाएं:

adb shell grep mte /proc/cpuinfo

अगर नतीजे में Features : [...] mte दिखता है, तो इसका मतलब है कि आपके डिवाइस पर MTE चालू है.

कुछ डिवाइसों पर एमटीई डिफ़ॉल्ट रूप से चालू नहीं होता. हालांकि, ये डेवलपर को एमटीई चालू करके रीबूट करने की अनुमति देते हैं. यह एक एक्सपेरिमेंटल कॉन्फ़िगरेशन है. इसका इस्तेमाल सामान्य तौर पर करने का सुझाव नहीं दिया जाता, क्योंकि इससे डिवाइस की परफ़ॉर्मेंस या स्थिरता कम हो सकती है. हालांकि, यह ऐप्लिकेशन डेवलपमेंट के लिए फ़ायदेमंद हो सकता है. इस मोड को ऐक्सेस करने के लिए, सेटिंग ऐप्लिकेशन में डेवलपर विकल्प > मेमोरी टैगिंग एक्सटेंशन पर जाएं. अगर यह विकल्प मौजूद नहीं है, तो इसका मतलब है कि आपके डिवाइस पर इस तरीके से MTE को चालू नहीं किया जा सकता.

MTE की सुविधा वाले डिवाइस

इन डिवाइसों पर MTE की सुविधा काम करती है:

• 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)
• Pixel 10 (Frankel)
• Pixel 10 Pro (Blazer)
• Pixel 10 Pro XL (Mustang)
• Pixel 10 Pro Fold (Rango)
• Pixel 10a (Stallion)

MTE के ऑपरेटिंग मोड

एमटीई, दो मोड के साथ काम करता है: सिंक और एसिंक. सिंक मोड में गड़बड़ी की बेहतर जानकारी मिलती है. इसलिए, यह डेवलपमेंट के लिए ज़्यादा सही है. वहीं, एसिंक मोड की परफ़ॉर्मेंस अच्छी होती है. इसलिए, इसे रिलीज़ किए गए ऐप्लिकेशन के लिए चालू किया जा सकता है.

सिंक्रोनस मोड (SYNC)

इस मोड को परफ़ॉर्मेंस के बजाय डीबग करने के लिए ऑप्टिमाइज़ किया गया है. इसका इस्तेमाल, बग का सटीक पता लगाने वाले टूल के तौर पर किया जा सकता है. हालांकि, ऐसा तब किया जा सकता है, जब परफ़ॉर्मेंस ओवरहेड ज़्यादा हो. एमटीई सिंक की सुविधा चालू होने पर, यह सुरक्षा से जुड़ी समस्याओं को कम करने में भी मदद करती है.

टैग के मेल न खाने पर, प्रोसेसर SIGSEGV (si_code SEGV_MTESERR के साथ) के साथ, गड़बड़ी वाले लोड या स्टोर निर्देश पर प्रोसेस को बंद कर देता है. साथ ही, मेमोरी ऐक्सेस और गड़बड़ी वाले पते के बारे में पूरी जानकारी देता है.

यह मोड, टेस्टिंग के दौरान HWASan के तेज़ विकल्प के तौर पर काम आता है. इसके लिए, आपको अपने कोड को फिर से कंपाइल करने की ज़रूरत नहीं होती. इसके अलावा, प्रोडक्शन के दौरान भी इसका इस्तेमाल किया जा सकता है, जब आपका ऐप्लिकेशन किसी हमले के लिए संवेदनशील हो. इसके अलावा, जब ASYNC मोड (नीचे बताया गया है) में कोई गड़बड़ी मिलती है, तो रनटाइम एपीआई का इस्तेमाल करके, एक्ज़ीक्यूशन को SYNC मोड पर स्विच किया जा सकता है. इससे गड़बड़ी की सटीक रिपोर्ट मिल सकती है.

इसके अलावा, SYNC मोड में काम करते समय, Android ऐलोकेटर हर ऐलोकेशन और डीऐलोकेशन का स्टैक ट्रेस रिकॉर्ड करता है. साथ ही, इनका इस्तेमाल बेहतर गड़बड़ी रिपोर्ट देने के लिए करता है. इन रिपोर्ट में, मेमोरी से जुड़ी गड़बड़ी के बारे में जानकारी शामिल होती है. जैसे, फ़्री की गई मेमोरी को इस्तेमाल करने की गड़बड़ी या बफ़र ओवरफ़्लो. साथ ही, इनमें मेमोरी से जुड़ी घटनाओं के स्टैक ट्रेस भी शामिल होते हैं. ज़्यादा जानकारी के लिए, MTE रिपोर्ट को समझना लेख पढ़ें. इस तरह की रिपोर्ट में, ज़्यादा जानकारी होती है. साथ ही, एसिंक्रोनस मोड की तुलना में, बग को आसानी से ट्रैक और ठीक किया जा सकता है.

एसिंक्रोनस मोड (ASYNC)

इस मोड को गड़बड़ी की रिपोर्ट की सटीक जानकारी के बजाय, परफ़ॉर्मेंस के लिए ऑप्टिमाइज़ किया गया है. इसका इस्तेमाल, मेमोरी सेफ़्टी से जुड़ी गड़बड़ियों का पता लगाने के लिए किया जा सकता है. टैग के मेल न खाने पर, प्रोसेसर तब तक एक्ज़ीक्यूशन जारी रखता है, जब तक कि वह सबसे नज़दीकी कर्नल एंट्री (जैसे कि syscall या टाइमर इंटरप्ट) तक नहीं पहुंच जाता. इसके बाद, वह SIGSEGV (कोड SEGV_MTEAERR) के साथ प्रोसेस को बंद कर देता है. ऐसा करते समय, वह गड़बड़ी वाले पते या मेमोरी ऐक्सेस को रिकॉर्ड नहीं करता.

यह मोड, प्रोडक्शन में मेमोरी सेफ़्टी से जुड़ी जोखिमों को कम करने के लिए फ़ायदेमंद है. यह उन कोडबेस के लिए फ़ायदेमंद है जिनकी अच्छी तरह से जांच की गई है और जिनमें मेमोरी सेफ़्टी से जुड़ी गड़बड़ियों की संख्या कम है. ऐसा टेस्टिंग के दौरान SYNC मोड का इस्तेमाल करके किया जाता है.

एमटीई चालू करना

किसी एक डिवाइस के लिए

एक्सपेरिमेंट के लिए, ऐप्लिकेशन के साथ काम करने से जुड़े बदलावों का इस्तेमाल किया जा सकता है. इससे, ऐसे ऐप्लिकेशन के लिए memtagMode एट्रिब्यूट की डिफ़ॉल्ट वैल्यू सेट की जा सकती है जो मेनिफ़ेस्ट में कोई वैल्यू नहीं देता या "default" वैल्यू देता है.

ये सेटिंग, सिस्टम > ऐडवांस > डेवलपर के लिए सेटिंग और टूल > ग्लोबल सेटिंग मेन्यू में ऐप्लिकेशन के साथ काम करने से जुड़े बदलाव में जाकर देखी जा सकती हैं. NATIVE_MEMTAG_ASYNC या NATIVE_MEMTAG_SYNC सेट करने पर, किसी ऐप्लिकेशन के लिए एमटीई चालू हो जाता है.

इसके अलावा, इसे am कमांड का इस्तेमाल करके भी सेट किया जा सकता है. इसके लिए, यह तरीका अपनाएं:

• सिंक मोड के लिए: $ adb shell am compat enable NATIVE_MEMTAG_SYNC my.app.name
• ASYNC मोड के लिए: $ adb shell am compat enable NATIVE_MEMTAG_ASYNC my.app.name

Gradle में

अपने Gradle प्रोजेक्ट की सभी डीबग बिल्ड के लिए एमटीई चालू किया जा सकता है. इसके लिए,

<?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>

app/src/debug/AndroidManifest.xml में बदलें. इससे डीबग बिल्ड के लिए, आपके मेनिफ़ेस्ट के memtagMode को सिंक करने की सुविधा बंद हो जाएगी.

इसके अलावा, कस्टम buildType के सभी बिल्ड के लिए, MTE की सुविधा चालू की जा सकती है. इसके लिए, अपना buildType बनाएं और एक्सएमएल को app/src/<name of buildType>/AndroidManifest.xml में डालें.

किसी भी ऐसे डिवाइस पर मौजूद APK के लिए

एमटीई की सुविधा डिफ़ॉल्ट रूप से बंद होती है. MTE का इस्तेमाल करने वाले ऐप्लिकेशन, AndroidManifest.xml में मौजूद <application> या <process> टैग में android:memtagMode सेट करके ऐसा कर सकते हैं.

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

<application> टैग पर सेट होने पर, एट्रिब्यूट का असर ऐप्लिकेशन में इस्तेमाल की जाने वाली सभी प्रोसेस पर पड़ता है. साथ ही, <process> टैग सेट करके, इसे अलग-अलग प्रोसेस के लिए बदला जा सकता है.

इंस्ट्रूमेंटेशन की मदद से बनाना

जैसा कि पहले बताया गया है, MTE को चालू करने से नेटिव हीप पर मेमोरी करप्शन से जुड़ी गड़बड़ियों का पता लगाने में मदद मिलती है. स्टैक पर मेमोरी करप्शन का पता लगाने के लिए, ऐप्लिकेशन के लिए MTE चालू करने के साथ-साथ, कोड को इंस्ट्रुमेंटेशन के साथ फिर से बनाना होगा. इससे बनने वाला ऐप्लिकेशन सिर्फ़ एमटीई की सुविधा वाले डिवाइसों पर चलेगा.

MTE की मदद से, अपने ऐप्लिकेशन का नेटिव (JNI) कोड बनाने के लिए, यह तरीका अपनाएं:

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

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)

अपना ऐप्लिकेशन चलाएं

एमटीई चालू करने के बाद, अपने ऐप्लिकेशन का इस्तेमाल और टेस्टिंग सामान्य तरीके से करें. अगर मेमोरी सेफ़्टी से जुड़ी कोई समस्या मिलती है, तो आपका ऐप्लिकेशन क्रैश हो जाता है. साथ ही, आपको इस तरह का टॉम्बस्टोन दिखता है (ध्यान दें कि SYNC के लिए SIGSEGV के साथ SEGV_MTESERR या ASYNC के लिए SEGV_MTEAERR):

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

ज़्यादा जानकारी के लिए, AOSP के दस्तावेज़ में एमटीई रिपोर्ट के बारे में जानकारी देखें. Android Studio की मदद से अपने ऐप्लिकेशन को डीबग भी किया जा सकता है. इससे डीबगर, उस लाइन पर रुक जाता है जिसकी वजह से मेमोरी का अमान्य ऐक्सेस होता है.

ऐडवांस उपयोगकर्ताओं के लिए: अपने ऐलोकेटर में MTE का इस्तेमाल करना

सिस्टम के सामान्य ऐलोकेटर के ज़रिए मेमोरी को ऐलोकेट न करने के लिए, आपको मेमोरी और पॉइंटर को टैग करने के लिए, अपने ऐलोकेटर में बदलाव करना होगा.

आपके ऐलोकेटर के पेजों को mmap (या mprotect) के prot फ़्लैग में PROT_MTE का इस्तेमाल करके असाइन किया जाना चाहिए.

टैग किए गए सभी असाइनमेंट, 16-बाइट के अलाइन होने चाहिए. ऐसा इसलिए, क्योंकि टैग सिर्फ़ 16-बाइट के चंक (इन्हें ग्रेन्यूल भी कहा जाता है) के लिए असाइन किए जा सकते हैं.

इसके बाद, पॉइंटर को वापस लाने से पहले, आपको IRG निर्देश का इस्तेमाल करके, एक रैंडम टैग जनरेट करना होगा और उसे पॉइंटर में सेव करना होगा.

मेमोरी को टैग करने के लिए, यहां दिए गए निर्देशों का पालन करें:

• STG: 16 बाइट के एक ग्रेन्यूल को टैग करना
• ST2G: टैग दो 16-बाइट ग्रेन्यूल
• DC GVA: एक ही टैग से कैशलाइन को टैग करें

इसके अलावा, यहां दिए गए निर्देशों से भी मेमोरी को शून्य पर सेट किया जा सकता है:

• STZG: 16 बाइट के एक ग्रेन्यूल को टैग और शून्य पर सेट करता है
• STZ2G: टैग और दो 16-बाइट ग्रेन्यूल को शून्य पर सेट करें
• DC GZVA: एक ही टैग का इस्तेमाल करके, कैशलाइन को टैग और ज़ीरो-इनिशियलाइज़ करें

ध्यान दें कि ये निर्देश, पुराने सीपीयू पर काम नहीं करते. इसलिए, MTE चालू होने पर आपको इन्हें शर्तों के साथ चलाना होगा. यह देखा जा सकता है कि आपकी प्रोसेस के लिए, एमटीई की सुविधा चालू है या नहीं:

#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;
}

रेफ़रंस के तौर पर, scudo लागू करने से जुड़ी जानकारी आपके काम आ सकती है.

ज़्यादा जानें

ज़्यादा जानकारी के लिए, Arm की लिखी हुई Android OS के लिए MTE की उपयोगकर्ता गाइड पढ़ें.