ในการเข้ารหัสลับ S -box ( substitution-box ) เป็นส่วนประกอบพื้นฐานของอัลกอริธึมกุญแจสมมาตรซึ่งทำหน้าที่แทนที่ ในการเข้ารหัสแบบบล็อกโดยทั่วไปจะใช้เพื่อปกปิดความสัมพันธ์ระหว่างกุญแจและข้อความที่เข้ารหัสจึงทำให้มั่นใจได้ถึงคุณสมบัติความสับสนของแชนนอนในทางคณิตศาสตร์ S-box เป็นฟังก์ชันบูลีนเวกเตอร์ ที่ไม่เชิงเส้น ^{[ 1 ] [ 2 ]}

โดยทั่วไป S-box จะรับบิตอินพุตจำนวนหนึ่งm และแปลงเป็นบิตเอาต์พุตจำนวนหนึ่งnโดยที่nไม่จำเป็นต้องเท่ากับm ^{[ 3 ]} S-box ขนาดm × nสามารถนำไปใช้เป็นตารางค้นหา ที่มี คำ2 ^m คำ แต่ละคำมี nบิต โดยปกติจะใช้ตารางคงที่ เช่นในมาตรฐานการเข้ารหัสข้อมูล (DES) แต่ใน การเข้ารหัสบางแบบตารางจะถูกสร้างขึ้นแบบไดนามิกจากคีย์ (เช่น อัลกอริทึมการเข้ารหัส BlowfishและTwofish )

ตัวอย่างที่ดีของตารางคงที่คือ S-box จาก DES (S ₅ ) ซึ่งแปลงอินพุต 6 บิตเป็นเอาต์พุต 4 บิต:

เมื่อได้รับอินพุต 6 บิต ผลลัพธ์ 4 บิตจะพบได้โดยการเลือกแถวโดยใช้บิตสองบิตนอกสุด (บิตแรกและบิตสุดท้าย) และคอลัมน์โดยใช้บิตสี่บิตในสุด ตัวอย่างเช่น อินพุต " 0 1101 1 " มีบิตนอกสุดคือ " 01 " และบิตในสุดคือ "1101" ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกันจะเป็น "1001" ^{[ 4 ]}

เมื่อ DES ได้รับการเผยแพร่ครั้งแรกในปี 1977 เกณฑ์การออกแบบของ S-box ถูกเก็บเป็นความลับเพื่อหลีกเลี่ยงการเปิดเผยเทคนิคการวิเคราะห์การเข้ารหัสแบบดิฟเฟอเรนเชียล (ซึ่งยังไม่เป็นที่รู้จักในวงกว้าง) ส่งผลให้การวิจัยเกี่ยวกับสิ่งที่ทำให้ S-box ดีนั้นมีน้อยมากในขณะนั้น ในทางกลับกัน S-box ทั้งแปดของ DES เป็นหัวข้อของการศึกษาอย่างเข้มข้นเป็นเวลาหลายปีเนื่องจากความกังวลว่า อาจมี ช่องโหว่ ( ช่องโหว่ที่รู้เฉพาะนักออกแบบเท่านั้น) ซ่อนอยู่ในการเข้ารหัส เนื่องจาก S-box เป็นส่วนที่ไม่เป็นเชิงเส้นเพียงส่วนเดียวของการเข้ารหัส การเปิดเผย S-box เหล่านั้นจะส่งผลให้การเข้ารหัสทั้งหมดเสียหาย^{[ 5 ]}

ในที่สุดเกณฑ์การออกแบบ S-box ก็ได้รับการเผยแพร่ (ในCoppersmith 1994 ) หลังจากการค้นพบการวิเคราะห์การเข้ารหัสแบบดิฟเฟอเรนเชียลอีกครั้งในที่สาธารณะ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเกณฑ์เหล่านั้นได้รับการปรับแต่งอย่างระมัดระวังเพื่อเพิ่มความต้านทานต่อการโจมตีเฉพาะนี้จนไม่ดีไปกว่าการโจมตีแบบบรูทฟอร์ซ Biham และ Shamir พบว่าแม้แต่การปรับเปลี่ยนเล็กน้อยใน S-box ก็สามารถทำให้ DES อ่อนแอลงอย่างมาก^{[ 6 ]}

S-box ใดๆ ที่สร้างผลรวมเชิงเส้นของบิตเอาต์พุตโดยฟังก์ชันโค้งของบิตอินพุตเรียกว่าS-box ที่สมบูรณ์แบบ^{[ 7 ]}

สามารถวิเคราะห์ S-boxes ได้โดยใช้การวิเคราะห์การเข้ารหัสเชิงเส้นและการวิเคราะห์การเข้ารหัสเชิงอนุพันธ์ในรูปแบบของตารางการประมาณเชิงเส้น (LAT) หรือการแปลง Walshและตารางการกระจายความแตกต่าง (DDT) หรือตารางความสัมพันธ์อัตโนมัติและสเปกตรัม ความแข็งแกร่งของมันสามารถสรุปได้ด้วยความไม่เป็นเชิงเส้น (โค้งงอ เกือบโค้งงอ) และความสม่ำเสมอเชิงอนุพันธ์ (ไม่เป็นเชิงเส้นอย่างสมบูรณ์ เกือบไม่เป็นเชิงเส้นอย่างสมบูรณ์) ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 2 ]}

• การจับคู่แบบหนึ่งต่อหนึ่งและทั่วถึง (Bijection), การจับคู่แบบหนึ่งต่อหนึ่ง (Injection) และการจับคู่แบบทั่วถึง (Surjection)
• ฟังก์ชันบูลีน
• หมายเลขที่ไม่มีอะไรซ่อนอยู่
• กล่องเรียงสับเปลี่ยน (P-box)
• รหัสการเรียงสับเปลี่ยน
• ไรน์เดล เอส-บ็อกซ์
• รหัสลับแบบแทนที่

• Kaisa Nyberg (1991). Perfect nonlinear S-boxes . Advances in Cryptology – EUROCRYPT '91. Brighton . หน้า  378–386 . doi : 10.1007/3-540-46416-6_32 .
• S. Mister และC. Adams (1996). การออกแบบ S-box ในทางปฏิบัติ . บันทึกการประชุมเชิง ปฏิบัติการเรื่อง หัวข้อที่เลือกในด้านการเข้ารหัส (SAC '96). มหาวิทยาลัยควีนส์ . หน้า  61–76 . CiteSeerX  10.1.1.40.7715 .
• Schneier, Bruce (1996). การเข้ารหัสลับประยุกต์ ฉบับพิมพ์ครั้งที่สอง . John Wiley & Sons . หน้า  296–298 , 349. ISBN 978-0-471-11709-4.

• Chuck Easttom (2018). "วิธีการทั่วไปสำหรับการออกแบบองค์ประกอบที่ไม่เป็นเชิงเส้นในพรีมิทีฟการเข้ารหัสแบบสมมาตร" 2018 IEEE 8th Annual Computing and Communication Workshop and Conference (CCWC)หน้า  444–449 . doi : 10.1109/CCWC.2018.8301643 . ISBN 978-1-5386-4649-6. S2CID  3659645 .

• Daemen, Joan; Rijmen, Vincent (9 มีนาคม 2013). "ฟังก์ชันช่างก่ออิฐ". การออกแบบ Rijndael: AES - มาตรฐานการเข้ารหัสขั้นสูง (PDF) . Springer Science & Business Media. หน้า  22–23 . ISBN 978-3-662-04722-4. OCLC  1259405449 .

• การสำรวจวรรณกรรมเกี่ยวกับการออกแบบ S-box
• "คำถามเกี่ยวกับการออกแบบ S-box" โดย John Savard
• "การออกแบบกล่องทดแทนโดยอิงตามการแจกแจงแบบเกาส์เซียน"