Přístupnostní navigace
E-application
Search Search Close
Doctoral Thesis
Author of thesis: Ing. Peter Cíbik
Acad. year: 2025/2026
Supervisor: prof. Ing. Jan Hajný, Ph.D.
Reviewers: doc. Ing. Jan Kořenek, Ph.D., doc. Dr. Ing. Martin Novotný
This dissertation confronts the dual challenges of securing high-speed networks and preparing for the quantum computing era. Traditional software cryptography fails to perform at line rates of 100 Gbps, while established public-key algorithms are vulnerable to quantum attacks. This work presents the design, implementation, and empirical validation of a holistic, hardware-accelerated cryptographic system on Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) as a solution. The research progressed from the ground up, beginning with the development of highly-optimized hardware primitives in VHDL (VHSIC Hardware Description Language). High-performance cores were developed for the quantum-resistant AES-256-GCM (Galois-Counter Mode) cipher and the new National Institute of Standards and Technology (NIST) post-quantum standards: ML-KEM (CRYSTALS-Kyber) for key encapsulation and ML-DSA (CRYSTALS-Dilithium) for digital signatures. The subsequent challenge was integrating these isolated components into a cohesive architecture. This culminated in the dissertation's primary contribution: a holistic traffic encryptor. The system's core innovation is a sophisticated hybrid key management mechanism that securely combines keys from classical (Elliptic Curve Diffie-Hellman - ECDH), post-quantum (ML-KEM), and quantum (Quantum Key Distribution - QKD) sources to generate a single, robust session key. To prove its real-world viability, the final architecture was implemented in two distinct models: a high-performance hardware version for network gateways and a compatible software version for less powerful end-devices. The entire system was rigorously validated through empirical testing, which included a long-distance international pilot and high-speed lab benchmarks. These tests confirmed the hardware's ability to provide robust, end-to-end security at line rates up to 100 Gbps.
Field-Programmable Gate Array (FPGA), Hardware Acceleration, Cryptography, Post-Quantum Cryptography (PQC), High-Speed Networks, AES-256-GCM, ML-DSA (CRYSTALS-Dilithium), CRYSTALS-Kyber, Hybrid Key Exchange, VHSIC Hardware Description Language (VHDL), Quantum Key Distribution (QKD), Elliptic Curve Diffie-Hellman (ECDH)
Date of defence
07.04.2026
Result of the defence
Defended (thesis was successfully defended)
Process of defence
Předseda komise uvítal členy komise a uchazeče. Ing. Cíbik prezentoval motivaci své disertační práce, specifikoval stávající mezery v poznání, ze kterých plynou cíle v oblasti hardwarově akcelerované kryptografie. Byly prezentovány dílčí aktivity a dosažené výsledky, přičemž bylo nutné kriticky pohlížet na možná řešení s ohledem na optimální chování. Po prezentaci byly vyzváni školitel a oponenti práce, kteří shrnuli přínos práce a všichni hodnotí práci kladně. Ing. Cíbik reagoval na otázky oponentů. Následně byla zahájena diskuze ze strany členů komise a přítomných hostů. Během diskuze bylo položeno přes 15 otázek, na které Ing. Cíbik velmi dobře reagoval. Po veřejné části, která trvala přes 1 hodinu, následovala neveřejná část, během které členové komise diskutovali a tajně hlasovali.
Language of thesis
English
Faculty
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Department
Department of Telecommunications
Study programme
Information Security (DKC-IBE)
Composition of Committee
prof. Ing. Jaroslav Koton, Ph.D. (předseda) Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D. (člen) doc. Ing. František Urban, CSc. (člen) doc. Mgr. Karel Slavíček, Ph.D. (člen) doc. Dr. Ing. Martin Novotný (člen) doc. Ing. Jan Kořenek, Ph.D. (člen)
Supervisor’s reportprof. Ing. Jan Hajný, Ph.D.
Reviewer’s reportdoc. Ing. Jan Kořenek, Ph.D.
Reviewer’s reportdoc. Dr. Ing. Martin Novotný
Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová