Internet的广泛应用,使人们的生活日新月异,但是因其具有开放性、自由性和无边界性等特点,也暴露诸多安全问题。其中网络窃听,作为一种典型的网络安全威胁,能够捕获到用户的账号、口令等敏感信息,造成的安全风险级别较高、危害性较大,因此受到人们的普遍关注。为防范网络窃听,保护银行、证券机构等要害部门的数据传输安全,本文提出了设计与实现面向特定需求的数据链路层安全协议的研究课题。测试结果表明,该协议是安全实用的。本文的主要工作和创新点包括:1.深入分析了网络窃听的实现原理及其危害,阐述国内外专家及学者针对网络窃听行为而采取的相关防范措施。2.开展了数据链路层安全协议相关理论的研究。在介绍以太网体系结构的基础上,重点分析了以太网基本帧格式和千兆以太网物理子层及其功能,论述了发送时钟合成与接收时钟恢复技术;详细描述了AES算法及其加、解密流程。3.借助传统的以太网物理层芯片和传输介质,利用FPGA可重构性,提出了设计与实现面向特定需求的数据链路层安全协议的思路。从可行性和安全性两个角度,详细分析和论证了协议中的三种技术:时钟技术、前导符技术和加密技术。4.建立了以太网数据链路工程设计方案,设计与实现了面向特定需求的数据链路层安全协议的PCI网卡和交换机原型。5.提出了采用多套加密引擎快速并行实现AES算法的思想,推导了解密密钥扩展的逆向生成过程,完成了优化后的AES加、解密模块的设计与快速并行实现。6.构建实验环境,重点测试了PCI原型卡在改变时钟频率和前导符格式情况下的连通性和速率,以及AES加、解密模块的正确性,有效验证了数据链路层安全协议的功能和性能。