Linux 5.15安全特性之ARM64 PAC

ARM64 PAC（Pointer Authentication Code）机制是ARM架构中引入的一种安全特性，旨在提供指针的完整性和安全性保护。它通过在指针中插入一段额外的代码进行签名，以验证指针的完整性，从而抵御缓冲区溢出和代码注入等攻击。

PAC机制的主要原理如下：

1. 指针加密

当指针被创建时，其地址会被与密码密钥进行混淆，并生成一个加密签名。这个加密签名就是指针的PAC。

2. 指针验证

每当使用指针时，PAC会被解密并与解密后的地址进行比较。如果PAC验证失败，即指示指针已被篡改，系统将拒绝访问该指针所指向的内存。

PAC机制提供了AKey签名验证方法：

AKey签名

AKey签名机制是一种用于验证指针完整性的签名方法。它通过将地址密钥（AKey）与指针进行混淆并生成签名（PAC），以确保每个线程或进程都有其独特的PAC。

AKey是一个16位的加密密钥，它与线程或进程的特定标识（Thread Identifier, TID）相关联。TID是一个唯一的标识符，用于区分不同的线程或进程。每个线程或进程在运行时都会有一个唯一的TID和AKey。

AKey签名机制的工作原理如下：

1. AKey生成：对于每个线程或进程，系统会生成一个16位的AKey。这个AKey与TID相关联，确保每个线程或进程都有唯一的AKey。

2. 指针加密：在创建指针时，系统会使用该指针的地址与AKey进行异或运算（XOR），得到一个新的加密地址。

3. 签名生成：加密地址与PAC位域进行组合，生成最终的指针签名（PAC）。

4. 指针验证：每当使用指针时，系统会对PAC进行解密，并与相应的标识（如TID）和加密后的地址进行比较。如果PAC验证失败，即指示指针已被篡改，系统将拒绝访问该指针所指向的内存。

通过将AKey与每个线程或进程关联，AKey签名机制确保了指针的完整性和安全性。这种机制不仅可以抵御缓冲区溢出和代码注入等攻击，而且还可以防止指针的意外修改或篡改。同时，由于每个线程或进程具有唯一的AKey，这也增加了指针的随机性和安全性。

需要注意的是，AKey签名机制只是PAC机制中的一种验证方法，ARM64还有其他的签名和验证机制，如BKey签名机制和VA签名。这些机制共同工作，提供了更强的指针完整性保护。

具体实现上，PAC机制涉及到硬件和软件层面的支持：

1. 硬件支持：ARM64架构中引入了一系列新的指令，如指针加密指令（PACIA、PACIB、PACDA、PACDB）和指针验证指令（AUTIA、AUTIA1716、AUTIB、AUTIB1716、AUTDA、AUTDA1716、AUTDB、AUTDB1716），用来处理指针的加密和验证。

2. 软件支持：操作系统和编译器需要对PAC机制进行适当的支持。操作系统需要负责生成、验证和管理AKey和XKey，而编译器需要处理相应的指令插入和优化。

ARM64 PAC机制的引入旨在提高系统的安全性，防止针对指针的缓冲区溢出和代码注入攻击。它在软件和硬件层面提供了一种有效的指针完整性保护机制。