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10Gbps光链路物理层的自同步加密技术

DOI：10.1109/TC.2018.2890259 期刊：IEEE Transactions on Computers 出版年份：2019 更新时间：2025-09-23 15:23:52
摘要： 本工作提出并开发了一种适用于10千兆光链路的新自同步加密方法。研究考虑了在基于64b/66b编码（如10GBase-R）的物理层中引入此类加密所需的必要修改。所提方案通过采用基于FPE（格式保留加密）分组密码的流对称加密技术，直接对64b/66b数据块进行加密，该加密以PSCFB（流水线统计密码反?。┠Ｊ皆诵?。本文主要创新点之一是针对该模式开展的安全性分析——首次推导出任意攻击者在此方案下IND-CPA（选择明文攻击不可区分性）优势的表达式，并得出该模式与传统模式具有同等安全性的结论。此外，整个系统已在FPGA（现场可编程门阵列）上完成仿真与实现。通过以太网数据帧测试加密光链路表明：该方案能够在此层级实现流量加密，在获得最大吞吐量的同时有效隐藏被动窃听者的流量特征。
作者： Adrián Pérez-Resa，Miguel Garcia-Bosque，Carlos Sánchez-Azqueta，Santiago Celma
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

为10千兆光链路提出并开发一种新的自同步加密方法，基于64b/66b编码解决物理层安全问题，重点实现最大吞吐量并隐藏被动窃听者的流量模式。

研究成果

提出的针对10Gbps光链路的自同步加密方法成功采用PSCFB模式与FPE分组密码对64b/66b数据块进行加密，在零开销条件下实现了线速加密（延迟仅266纳秒）。安全分析给出了形式化的IND-CPA优势表达式，证明其在特定条件下可达到传统加密模式同等安全性。实验验证了加密、解密及同步功能的正确性，且通过流量模式掩蔽有效防范窃听。该系统兼容现有硬件并支持向100吉比特以太网等更高速率扩展，但密钥管理仍是未来需完善的方向。

研究不足

该加密系统需要超频PSCFB子系统以实现100%吞吐量，但会引入额外延迟。密钥分发与刷新机制未完全解决，依赖IEEE 802.1X或QKD等外部协议。区块大小和流水线级数（P=58）对安全性和同步特性构成约束，在安全性（IND-CPA优势）与SRD、EPF等固有指标间存在权衡。

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