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Hier ist ein praktischer, ingenieurfreundlicher Entwurf für ein faseroptisches chaotisches Verschlüsselungssystem auf Basis von FPGA, plus das, was aus der jüngsten Literatur bekannt ist, Kompromisse und ein minimaler HDL-Kern, um Sie zu beginnen.

Faseroptisches chaotisches Verschlüsselungssystem basierend auf FPGA

Was „Chaos-Verschlüsselung über Glasfaser“ bedeuten kann (2 praktikable Architekturen)

Rein digitale Chaoserzeugung im FPGA + Standard-Optiklink (für Produkte empfohlen)
- Das FPGA generiert einen chaotischen Schlüsselstrom (z. B. aus Logistik-/Tent-/Lorenz-Abbildungen), führt eine Stream-Chiffre/XOR-Verschlüsselung durch und moduliert die verschlüsselten Bits auf eine herkömmliche optische Übertragung (PAM-4, QPSK/16QAM).
- Vorteile: Funktioniert mit handelsüblichen optischen Modulen (SFP28/CFP/Analog-Frontends), gut validierbar, skalierbar bis 10–400 Gb/s. Viele veröffentlichte Chaos-Chiffren auf FPGA.
Physikalische Chaosoptik mit Lasersynchronisation (Forschung/fortgeschritten)
- Ein Halbleiterlaser (z. B. DFB) wird über Rückkopplung/Injektion in einen chaotischen Zustand gebracht, die Nachricht darin eingebettet (Maskierung, Chaos-Shift-Keying) und am Empfänger über Synchronisation wiedergewonnen.
- Das FPGA übernimmt Hochgeschwindigkeits-DAC/ADC, Entzerrung, Takt-/Trägerwiedergewinnung, schlüsselabhängige Parameter und FEC. Forschungsergebnisse zeigen bereits Übertragungen mit 100 Gb/s und 800–8190 km Reichweite – jedoch noch nicht für Serienprodukte geeignet.

Systemblockdiagramm (Text)

Tx (FPGA)

Schlüssel & Sitzungsverwaltung → Chaos-PRNG-Kerne (mehrere Abbildungen gemischt) → Stream-Chiffre (XOR/Add über GF(2^n)) → Framer/FEC (z. B. KP4/RS) → Mapper (PAM-4 / QPSK/16QAM) → DACs
Optik: Treiber → IQ-Modulator oder MZM → EDFA/VOA/OSNR-Management → Glasfaser

Rx (FPGA)

Koherenter/IMDD-Empfänger → ADCs → Taktrückgewinnung → CD/PMD-Entzerrung + Equalizer → Träger-/Phasenwiedergewinnung → De-Framing/FEC → Entschlüsselung (gleicher Chaos-PRNG) → Klartext

(Bei physikalischem Chaos zusätzlich: chaotischer Laser mit Rückkopplung am Tx, synchronisierter Laser am Rx.)

Zentrale FPGA-Bausteine

Chaotische PRNG-Kerne: Parallelisierte diskrete Abbildungen (Logistik, Tent, Chebyshev, Lorenz), mit Whitening (z. B. Xorshift/LFSR).
Chaos-basierte Stream-Chiffre: Schlüsselstrom K → C = P ⊕ K oder Modulo-Addition. Lässt sich auch mit AES/ZUC kombinieren.
High-Speed-I/O und DSP: SerDes bis 112 Gb/s, PAM-4 oder kohärente DSP-Blöcke (CD/PMD-Kompensation, Carrier Recovery).

Optische Hardware (typische Komponenten)

Tx: DFB/ECL-Laser → IQ-Modulator oder MZM, RF-Treiber, VOA, EDFA, Isolator.
Rx: Koherenter Empfänger (90°-Hybrid + Balanced-PDs) oder APD/PD mit TIA → Hochgeschwindigkeits-ADCs.
Chaosoptik (Forschung): Laser mit optischer Rückkopplung oder gegenseitiger Injektion; Delay-Linie, OC/ISO.

Minimaler HDL-Sketch (Logistische Abbildung, Q1.31)

// x_{n+1} = r * x_n * (1 - x_n), r in (3.57, 4.0), Q1.31 Fixed Point
module logistic_q31(
input wire clk, en,
input wire [31:0] r,
input wire [31:0] x_in,
output reg [31:0] x_out
);
wire [31:0] one_minus_x = 32'h7FFFFFFF - x_in;
wire [63:0] mult1 = $signed(x_in) * $signed(one_minus_x);
wire [31:0] term = mult1[62:31];
wire [63:0] mult2 = $signed(r) * $signed(term);
wire [31:0] nextx = mult2[62:31];

always @(posedge clk) if (en) x_out <= nextx;
endmodule

Sicherheitshinweise

Endliche Präzision reduziert Chaos → Risiko schwacher Schlüsselströme; deshalb mit bewährten Verfahren (AES-GCM, ZUC) kombinieren.
Chaos auf physikalischer Ebene ist interessant, ersetzt aber keine Kryptographie; eher als zusätzliche Schutzschicht nutzen.

Leistungsziele

Durchsatz: Keystream ≥ Datenrate (z. B. ≥100 Gb/s → ≥4 parallele PRNG-Lanes).
Ressourcen: Chaos-PRNG < 10 k LUTs je Lane; für kohärente DSP benötigt man High-End-FPGAs (UltraScale/Stratix-10/Agilex).
Latenz: < 1 µs im Cipher-Pfad, einige 10 µs im kohärenten DSP.
Reichweite: Forschung zeigt >800 km, teils bis 8190 km.

Test/Validierung

Zufälligkeit: NIST SP 800-22, Dieharder.
Sicherheitsvergleich: Gegen AES-GCM/ZUC messen.
Link-Performance: BER/FER vs. OSNR, Dispersion/PMD.
Chaos-Laser: Synchronisationsbereich, Zeitverzögerungssignatur (TDS) testen.

Kurzfassung

Ein faseroptisches Chaos-Verschlüsselungssystem auf FPGA-Basis kann digital (Chaos-PRNG + normale Optik) oder physikalisch (chaotische Laser mit Synchronisation) realisiert werden.
Digital ist praktikabel für Produkte (10–400 Gb/s), physikalisch aktuell eher Forschung. FPGA-Bausteine: Chaotische PRNGs, Stream-Chiffre, FEC, SerDes, DSP. Für Sicherheit empfiehlt sich die Kombination mit klassischen Verfahren (AES/ZUC). Moderne Forschung zeigt bereits 100 Gb/s Links und mehrere tausend Kilometer Reichweite.