人们对网络安全的要求越来越高,提出了诸如TLS、IPsec等安全协议来保障网络层的通信安全,但一直缺少对更底层——数据链路层的保护协议,MACsec（Media Access Control Security,媒体访问控制安全）协议的出现填补了这一空缺。MACsec协议提供安全的MAC层数据发送和接收服务,功能包括以太网帧用户数据加密、以太网帧完整性检查、数据源真实性校验以及抗重播保护。但是在网络通信中启用MACsec服务会降低网络中数据的传输速率,为了尽可能降低MACsec处理过程中造成的速率损失,高性能的MACsec协议硬件实现就显得尤为重要。在分析IEEE802.1AE协议的基础上,实现了高性能MACsec硬件设计,采用提高GCM-AES算法性能和多通道并行操作两个方法来加速MACsec处理过程。在优化GCM-AES算法性能方面,重新划分了AES加密过程的流水线结构,将复杂的S盒过程划分为延时较为均衡的5级流水,因此整个AES过程形成了10级轮间流水,每轮6级子流水,共计60级流水的流水线结构,提升了AES模块的吞吐率;同时,基于GHASH算法特点采用了新型2度并行的计算方式,将需要认证的数据俩俩一组进行GHASH运算,有效减少了逐级迭代的次数,降低了GHASH模块的延时,提升了GHASH模块的吞吐率。在设计多路MACsec处理通道方面,接收通路ISEC和发送通路ESEC都设计了4路并行的MACsec处理通道,从DMA发送到MACsec处理模块的以太网帧依次有序地送往0、1、2、3通道进行处理,再依次送进BUFFER中缓存。通过以上两方面的优化,完成了高性能MACsec硬件设计。为高性能MACsec硬件设计搭建了仿真验证环境,利用SystemVerilog语言的随机性大量产生输入到待测模块中的激励和需要配置的参数,充足的仿真结果验证了本设计能够正确地提供MACsec服务,在仿真时钟频率为100MHz的情况下,吞吐率达到约20Gbps。最后,在仿真的基础上完成了FPGA硬件实现,综合结果表明时钟频率能够达到100MHz,实验结果表明MACsec硬件设计功能正确、系统稳定,基本满足了高性能MACsec处理的需要。