The importance of preventing microarchitectural timing side channels in security-critical applications has surged in recent years. Constant-time programming has emerged as a best-practice technique for preventing the leakage of secret information through timing. It is based on the assumption that the timing of certain basic machine instructions is independent of their respective input data. However, whether or not an instruction satisfies this data-independent timing criterion varies between individual processor microarchitectures. In this paper, we propose a novel methodology to formally verify data-oblivious behavior in hardware using standard property checking techniques. The proposed methodology is based on an inductive property that enables scalability even to complex out-of-order cores. We show that proving this inductive property is sufficient to exhaustively verify data-obliviousness at the microarchitectural level. In addition, the paper discusses several techniques that can be used to make the verification process easier and faster. We demonstrate the feasibility of the proposed methodology through case studies on several open-source designs. One case study uncovered a data-dependent timing violation in the extensively verified and highly secure IBEX RISC-V core. In addition to several hardware accelerators and in-order processors, our experiments also include RISC-V BOOM, a complex out-of-order processor, highlighting the scalability of the approach.


翻译:近年来,在安全关键应用中防止微架构时序侧信道的重要性急剧上升。常量时间编程已成为防止通过时序泄露秘密信息的最佳实践技术。该技术基于以下假设:某些基本机器指令的时序与各自的输入数据无关。然而,指令是否满足这一数据无关时序标准因处理器微架构的不同而异。本文提出了一种新颖的方法,利用标准属性检查技术对硬件中的数据无关行为进行形式化验证。所提出的方法基于一种归纳属性,即使对于复杂的乱序处理器核也能实现可扩展性。我们证明,证明这一归纳属性足以在微架构级别彻底验证数据无关性。此外,本文还讨论了若干可用于使验证过程更简便、更高效的技术。我们通过多个开源设计案例研究展示了所提出方法的可行性。其中一项案例研究在经广泛验证且高度安全的IBEX RISC-V核中发现了一个数据相关的时序违例。除了若干硬件加速器和顺序处理器外,我们的实验还包括复杂乱序处理器RISC-V BOOM,这突显了该方法可扩展性。

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