一种灵活性高的16比特S盒设计方法

来源：计算机技术与发展杂志2025年第03期北京时间：

作者：闫庆文;郭影*;刘文芬;陈文;陆永灿

摘要：S 盒作为分组密码的主要非线性部件,是决定算法整体安全性的关键。 当前,基于代换-置换-代换(SPS)结构和非线性反馈移位寄存器(NFSR)构造 16 比特 S 盒是两种主流方法,但存在差分/ 线性性质弱、迭代轮数多的问题。 基于此,提出了一种密码学性质良好、迭代轮数较少的 S 盒设计方法。 此外,现有的 S 盒设计较少关注灵活性。 该文提出的 16 比特 S 盒设计方案在整体架构及核心部件的选择上具有高度灵活的特点,可以充分满足这一需求。 进一步地,为解决 16 比特 S 盒安全评估效率低的问题,采用预存储优化算法及 GPU 技术加速求解,显著降低了计算的时间复杂度。 实验结果表明,新构造的 S 盒密码学性质表现良好。 最优 S 盒的代数次数为 14,差分均匀度为 20,非线性度为 32 000,透明阶值为15.981 7,严格雪崩准则度为 0. 498 0。 将该 S 盒应用于 NBC 和 Piccolo 算法时,降低了两者抵抗经典攻击的最小安全界轮数,验证了 S 盒具有较高的安全级别,可以为密码算法的设计提供非线性部件支持。

关键词：S盒;灵活性;仿射等价;GPU技术;差分均匀度