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盒类型及问题

S盒在密码学中扮演着重要角色，常见的S盒类型有压缩S盒、扩展S盒和普通S盒。
- 压缩S盒 ：以DES S盒为例，每个DES S盒输入6位，输出4位，差值为16（8×2），丢弃的位是之前添加的位。如图8.3所示为压缩S盒。
- 扩展S盒 ：输出的位比输入的位多，一种简单的实现方法是复制部分输入位，如图8.4所示。

压缩和扩展S盒存在一些显著问题：
|问题|详情|
| ---- | ---- |
|可逆性（解密）|由于这两种类型的S盒会改变总位数，逆转过程困难，设计算法时需格外小心，否则可能无法解密。|
|信息丢失|特别是压缩S盒，不过在DES中，由于算法前期扩展了位，所以能避免信息丢失。|

总体而言，使用压缩或扩展S盒会给S盒设计带来显著复杂性，因此普通S盒更为常见。

2. S盒设计考虑因素

无论创建何种类型的S盒，要成为有效的S盒，必须具备某些特征，其有效性通常通过三个标准来衡量：
- 严格雪崩准则（SAC）
- 定义 ：当明文的一位发生变化时，密文的多位应发生变化。理想情况下，一位明文的变化应使约一半的密文位发生变化。严格雪崩准则要求对于任何输入位，输出位有0.5的概率发生变化。
- 示例 ：
- 初始明文：10110011，加密后密文：11100100。
- 改变一位明文