Master's Thesis

Post-Quantum Encryption on Linux Platform

Final Thesis 1.82 MB Appendix 34.53 kB

Author of thesis: Ing. Jan Havlín

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Jan Hajný, Ph.D.

Reviewer: Ing. Tomáš Lieskovan, Ph.D.

Abstract:

This thesis focuses on the development of an encryption module on the Linux platform. The AES-256-GCM cipher is used for encryption, with its key derived by combining three independent keys generated by the ECDH, ML-KEM768, and optional QKD algorithms. The thesis also addresses the optimization of the cipher’s overhead processes and the generation of cryptographic material. It includes an extension of the key establishment
functionality with the HQC256 algorithm, which serves as an alternative to ML-KEM768. Furthermore, the thesis presents the results of performance and load tests and compares them with the testing results of hardware encryptor.

Keywords:

OpenSSL, Boost::Asio, Encryptor, Thread, Encryption, Linux, PQC, ECDH, ML-KEM, QKD, HQC

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Student obhájil diplomovou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta. Otázky: 1) Tabulky 4.2 a 4.4 ukazují, že u protokolu UDP přenosová rychlost s rostoucím počtem CPU jader klesá. Čím si tento jev vysvětlujete? 2) Měření probíhalo pomocí linuxových jmenných prostorů na jediném zařízení. Jak toto uspořádání (sdílený procesor, absence reálné síťové latence a ztrátovosti) ovlivňuje naměřené rychlosti a nakolik jsou výsledky přenositelné na reálnou síť (např. trasu ČR–Estonsko)? 3) Hraje u přenosové rychlosti roli i paměť? 4) Aplikuje se šifrování stejně u UDP a TCP?

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Department

Department of Telecommunications

Study programme

Information Security (MPC-IBE)

Composition of Committee

prof. Ing. Jan Hajný, Ph.D. (předseda)
JUDr. Ing. František Kasl, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Jan Látal, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Ilgner, Ph.D. (člen)
Ing. František Urban, Ph.D. (člen)
Ing. Willi Lazarov (člen)
Ing. Peter Balušík (člen)
doc. Ing. Karol Molnár, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Jan Hajný, Ph.D.

Práce je zaměřena na implementaci postkvantových mechanismů do Linuxového šifrátoru síťového provozu. Hlavní cíl práce, tj. implementace nového mechanismu ustanovení klíče HQC, považuji za splněný. Práce je dobře čitelná, jasně strukturovaná s dobře identifikovaným praktickým přínosem studenta. Oceňuji srovnání vyvinutého řešení s dalšími alternativami, zejména hardwarovým šifrátorem. Významným plusem je také experimentální provoz šifrátorů na trase ČR – Estonsko, kde student pracoval na DP v rámci stáže.

Po jazykové stránce obsahuje práce drobné nedostatky (zejména nejasné formulace, chybějící návaznosti), ty však nejsou nijak kritické. Formální stránka je v pořádku, rozsah odpovídá typu práce. Práce s literaturou je standardní, odkazů na další zdroje mohlo být více.

Během studia byl student velmi aktivní, pravidelně konzultoval a podílel se na činnostech nad rámec DP, což se odráží v hodnocení. Kladně hodnotím i publikaci v soutěži EEICT, která vznikla na základě DP. Celkově navrhuji hodnocení A / 90b. Points proposed by supervisor: 90

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Tomáš Lieskovan, Ph.D.

Student vybral a ověřil vhodné knihovny, implementoval algoritmus HQC, dodal funkční software, dokumentaci i výsledky funkčních a výkonových testů a provedl srovnání s hardwarovým (FPGA) šifrátorem. Funkčnost řešení byla nezávisle ověřena. Za cenné považuji reálné nasazení na trase ČR–Estonsko ve spolupráci s firmou Cybernetica. Práce je logicky strukturovaná, dobře čitelná a doprovázená vhodně volenými ukázkami kódu. Rozsah odpovídá typu práce, formální úroveň je v pořádku.

Hlavní rezervy spatřuji v hloubce interpretace dat: řada výsledků není komentována a nejsou vysvětleny anomálie – u protokolu UDP přenosová rychlost s rostoucím počtem jader klesá (tab. 4.2, 4.4). Nejsou pojmenována omezení testovací metodiky (obě strany běží na jednom stroji přes jmenné prostory, bez reálné síťové latence), srovnání s HW šifrátorem nemá společný pracovní bod (různý počet jader i MTU) a algoritmus HQC je opakovaně označován za „nestandardizovaný", ačkoli byl institucí NIST vybrán ke standardizaci v březnu 2025. Drobné nedostatky jsou i formální – nesoulad délky testu (text uvádí 8 hodin, tab. 4.5 délku „2 hodiny") a místy nejasné formulace. Práce s literaturou je standardní, odborných zdrojů mohlo být více. Uvedené nedostatky nesnižují praktickou hodnotu odvedené práce, ale ukazují prostor pro vyšší analytickou úroveň. Navrhované hodnocení: A / 90 bodů. Topics for thesis defence:
  1. Tabulky 4.2 a 4.4 ukazují, že u protokolu UDP přenosová rychlost s rostoucím počtem CPU jader klesá. Čím si tento jev vysvětlujete?
  2. Měření probíhalo pomocí linuxových jmenných prostorů na jediném zařízení. Jak toto uspořádání (sdílený procesor, absence reálné síťové latence a ztrátovosti) ovlivňuje naměřené rychlosti a nakolik jsou výsledky přenositelné na reálnou síť (např. trasu ČR–Estonsko)?
Points proposed by reviewer: 90

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová