22、S盒设计全解析：从DES到Rijndael

S盒设计全解析：从DES到Rijndael

1. S盒设计方法

目前，S盒设计主要有以下几种方法：
- 伪随机数生成法 ：该方法为S盒中的每个条目使用伪随机数生成器。不过，此方法的问题在于无法预先判断所设计的S盒是否满足有效S盒的三个标准，需要进行大量测试。
- 人工设计法 ：这是DES采用的方法。DES的S盒设计细节并未公开，虽然实际的S盒是公开的，但设计方法却不为人知。这些S盒是与美国国家安全局（NSA）合作设计的。
- 数学方法 ：AES使用这种方法，通过特定的数学算法来生成S盒的值。

2. DES S盒

NSA深度参与了DES的S盒设计。曾有参与DES项目的IBM员工表示：“我们把S盒送到华盛顿，回来后它们全变了。”这使得很多人怀疑DES的S盒中可能嵌入了密码学后门，方便NSA破解DES加密的通信。但多年的研究和分析并未发现这样的后门。

DES的S盒具有抵抗差分密码分析的能力。差分密码分析在DES发明时并不为公众所知，直到20世纪80年代末才由Eli Biham和Adi Shamir公开提出。有趣的是，Biham和Shamir都注意到DES对差分密码分析有很强的抵抗力，这表明NSA可能在其公开之前就已经了解差分密码分析，并设计DES来抵抗这种攻击。

DES的S盒是压缩S盒，输入6位，输出4位。以第一个S盒为例，输入的四个中间位的所有可能组合列在S盒的顶行，外部两位的所有可能组合列在最左列。通过匹配左侧的外部位和顶部的内部位，可以找到输出位。有些替换会改变多个位，而有些则改变较少。