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   1 iTLB multihit
   2 =============
   3
   4 iTLB multihit is an erratum where some processors may incur a machine check
   5 error, possibly resulting in an unrecoverable CPU lockup, when an
   6 instruction fetch hits multiple entries in the instruction TLB. This can
   7 occur when the page size is changed along with either the physical address
   8 or cache type. A malicious guest running on a virtualized system can
   9 exploit this erratum to perform a denial of service attack.
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  11
  12 Affected processors
  13 -------------------
  14
  15 Variations of this erratum are present on most Intel Core and Xeon processor
  16 models. The erratum is not present on:
  17
  18    - non-Intel processors
  19
  20    - Some Atoms (Airmont, Bonnell, Goldmont, GoldmontPlus, Saltwell, Silvermont)
  21
  22    - Intel processors that have the PSCHANGE_MC_NO bit set in the
  23      IA32_ARCH_CAPABILITIES MSR.
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  26 Related CVEs
  27 ------------
  28
  29 The following CVE entry is related to this issue:
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  31    ==============  =================================================
  32    CVE-2018-12207  Machine Check Error Avoidance on Page Size Change
  33    ==============  =================================================
  34
  35
  36 Problem
  37 -------
  38
  39 Privileged software, including OS and virtual machine managers (VMM), are in
  40 charge of memory management. A key component in memory management is the control
  41 of the page tables. Modern processors use virtual memory, a technique that creates
  42 the illusion of a very large memory for processors. This virtual space is split
  43 into pages of a given size. Page tables translate virtual addresses to physical
  44 addresses.
  45
  46 To reduce latency when performing a virtual to physical address translation,
  47 processors include a structure, called TLB, that caches recent translations.
  48 There are separate TLBs for instruction (iTLB) and data (dTLB).
  49
  50 Under this errata, instructions are fetched from a linear address translated
  51 using a 4 KB translation cached in the iTLB. Privileged software modifies the
  52 paging structure so that the same linear address using large page size (2 MB, 4
  53 MB, 1 GB) with a different physical address or memory type.  After the page
  54 structure modification but before the software invalidates any iTLB entries for
  55 the linear address, a code fetch that happens on the same linear address may
  56 cause a machine-check error which can result in a system hang or shutdown.
  57
  58
  59 Attack scenarios
  60 ----------------
  61
  62 Attacks against the iTLB multihit erratum can be mounted from malicious
  63 guests in a virtualized system.
  64
  65
  66 iTLB multihit system information
  67 --------------------------------
  68
  69 The Linux kernel provides a sysfs interface to enumerate the current iTLB
  70 multihit status of the system:whether the system is vulnerable and which
  71 mitigations are active. The relevant sysfs file is:
  72
  73 /sys/devices/system/cpu/vulnerabilities/itlb_multihit
  74
  75 The possible values in this file are:
  76
  77 .. list-table::
  78
  79      * - Not affected
  80        - The processor is not vulnerable.
  81      * - KVM: Mitigation: Split huge pages
  82        - Software changes mitigate this issue.
  83      * - KVM: Vulnerable
  84        - The processor is vulnerable, but no mitigation enabled
  85
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  87 Enumeration of the erratum
  88 --------------------------------
  89
  90 A new bit has been allocated in the IA32_ARCH_CAPABILITIES (PSCHANGE_MC_NO) msr
  91 and will be set on CPU's which are mitigated against this issue.
  92
  93    =======================================   ===========   ===============================
  94    IA32_ARCH_CAPABILITIES MSR                Not present   Possibly vulnerable,check model
  95    IA32_ARCH_CAPABILITIES[PSCHANGE_MC_NO]    '0'           Likely vulnerable,check model
  96    IA32_ARCH_CAPABILITIES[PSCHANGE_MC_NO]    '1'           Not vulnerable
  97    =======================================   ===========   ===============================
  98
  99
 100 Mitigation mechanism
 101 -------------------------
 102
 103 This erratum can be mitigated by restricting the use of large page sizes to
 104 non-executable pages.  This forces all iTLB entries to be 4K, and removes
 105 the possibility of multiple hits.
 106
 107 In order to mitigate the vulnerability, KVM initially marks all huge pages
 108 as non-executable. If the guest attempts to execute in one of those pages,
 109 the page is broken down into 4K pages, which are then marked executable.
 110
 111 If EPT is disabled or not available on the host, KVM is in control of TLB
 112 flushes and the problematic situation cannot happen.  However, the shadow
 113 EPT paging mechanism used by nested virtualization is vulnerable, because
 114 the nested guest can trigger multiple iTLB hits by modifying its own
 115 (non-nested) page tables.  For simplicity, KVM will make large pages
 116 non-executable in all shadow paging modes.
 117
 118 Mitigation control on the kernel command line and KVM - module parameter
 119 ------------------------------------------------------------------------
 120
 121 The KVM hypervisor mitigation mechanism for marking huge pages as
 122 non-executable can be controlled with a module parameter "nx_huge_pages=".
 123 The kernel command line allows to control the iTLB multihit mitigations at
 124 boot time with the option "kvm.nx_huge_pages=".
 125
 126 The valid arguments for these options are:
 127
 128   ==========  ================================================================
 129   force       Mitigation is enabled. In this case, the mitigation implements
 130               non-executable huge pages in Linux kernel KVM module. All huge
 131               pages in the EPT are marked as non-executable.
 132               If a guest attempts to execute in one of those pages, the page is
 133               broken down into 4K pages, which are then marked executable.
 134
 135   off         Mitigation is disabled.
 136
 137   auto        Enable mitigation only if the platform is affected and the kernel
 138               was not booted with the "mitigations=off" command line parameter.
 139               This is the default option.
 140   ==========  ================================================================
 141
 142
 143 Mitigation selection guide
 144 --------------------------
 145
 146 1. No virtualization in use
 147 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 148
 149    The system is protected by the kernel unconditionally and no further
 150    action is required.
 151
 152 2. Virtualization with trusted guests
 153 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 154
 155    If the guest comes from a trusted source, you may assume that the guest will
 156    not attempt to maliciously exploit these errata and no further action is
 157    required.
 158
 159 3. Virtualization with untrusted guests
 160 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 161    If the guest comes from an untrusted source, the guest host kernel will need
 162    to apply iTLB multihit mitigation via the kernel command line or kvm
 163    module parameter.