代換-置換網絡 - 維基百科，自由的百科全書

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簡略表示的SPN算法變種，其中包括三輪加密，使用多個S盒和P盒，加密16位的明文塊到等長密文塊。S盒由*S_i*表示，P盒由 P表示，輪密鑰為*K_i*。

在密碼學中，代換-置換網絡（或譯作置換排列網絡，英語：Substitution-Permutation Network，縮寫作SP-network或SPN）是乘積密碼和分組加密的一種。美國數學家克勞德·香農為了利用簡單的代換-置換方式進行常規加密，在1949年發明了代換-置換網絡。

簡介

代換-置換網絡是一系列被應用於分組密碼中相關的數學運算，高級加密標準（英語：AES）、3-Way（英語：3-Way）、Kuznyechik（英語：Kuznyechik）、PRESENT（英語：PRESENT_(cipher)）、SAFER（英語：SAFER）、SHARK、Square都有涉用。這種加密網絡使用明文塊和密鑰塊作為輸入，並通過交錯的若干「輪」（或「層」）代換操作和置換操作產生密文塊。代換（Substitution）和置換（Permutation）分別被稱作S盒（替換盒，英語：S-boxes）和P盒（排列盒，英語：P-boxes）。由於其實施於硬件的高效性，SPN的應用十分廣泛。^[1]

定義

一個SPN包括兩個長度分別為l, m的映射變換，變換結果為lm分組長度的明文到相同分組長度的密文空間。為對分組進行加密，需要一個同樣長度為lm的密鑰。而該密鑰每一輪加密中均不相同，由初始密鑰K按照一定原則產生。加密主要包括三個部分：代換，置換和輪密鑰混合（通常為異或（英語：XOR）操作）。^[2] 密鑰的生成規則稱為密鑰編排算法。

定義：

$\pi _{s}:\lbrace 0,1\rbrace ^{l}\to \lbrace 0,1\rbrace ^{l}$

$\pi _{p}:\lbrace 1,2,..,lm\rbrace \to \lbrace 1,2,..,lm\rbrace$

為S盒和P盒。加密共N輪。則對

$K\subseteq (\lbrace 0,1\rbrace ^{lm})^{N}$

的密鑰編排方案，使用如下算法順序加密明文x：

$\pi _{s}:x\longrightarrow w$
$\pi _{p}:w\longrightarrow u$
$xor:u,K^{N}\longrightarrow v$

直至生成密文。

變種

被選作高級加密標準的Rijndael使用的就是8比特映射到8比特的S盒，密鑰長度最小為128比特，最小輪數為10，分組長度同樣為128比特。該大小的S盒和密鑰長度保證了安全性。常用的變種包括使用不止一個S盒，或者在每一輪中增加或替換一個可逆的線性變換，這可以在高級加密標準中看到。

參見

Feistel架構
乘積密碼（英語：Product cipher）
Square (cipher)（英語：Square (cipher)）
國際資料加密演算法（英語：IDEA）

參考文獻

^ 《密碼學原理和實踐》[加]道格拉斯·R·史丁森 3.2節置換-代換網絡。
^ "Principles and Performance of Cryptographic Algorithms" by Bart Preneel, Vincent Rijmen, and Antoon Bosselaers.

延伸閲讀

Katz, Jonathan; Lindell, Yehuda. Introduction to Modern Cryptography. CRC Press. 2007. ISBN 9781584885511.
Stinson, Douglas R. Cryptography. Theory and Practice Third. Chapman & Hall/CRC. 2006. ISBN 1584885084.

閱論編分組密碼

常見加密算法	AES Blowfish DES（內部細節 · 3DES） Serpent Twofish

次常見加密算法	Camellia CAST-128（英語：CAST-128） IDEA RC2（英語：RC2） RC5 SEED（英語：SEED） Skipjack（英語：Skipjack） TEA XTEA

其他加密算法	3-Way（英語：3-Way） ABC（英語：ABC (cipher)） Akelarre（英語：Akelarre (cipher)） Anubis（英語：Anubis (cipher)） ARIA（英語：ARIA (cipher)） BaseKing（英語：BaseKing） BassOmatic（英語：BassOmatic） BATON（英語：BATON） BEAR and LION（英語：BEAR and LION ciphers） CAST-256（英語：CAST-256） CIKS-1（英語：CIKS-1） CIPHERUNICORN-A（英語：CIPHERUNICORN-A） CIPHERUNICORN-E（英語：CIPHERUNICORN-E） CLEFIA（英語：CLEFIA） CMEA（英語：Cellular Message Encryption Algorithm） Cobra（英語：Cobra ciphers） COCONUT98（英語：COCONUT98） Crab（英語：Crab (cipher)） Cryptomeria/C2（英語：Cryptomeria cipher） CRYPTON（英語：CRYPTON (cipher)） CS-Cipher（英語：CS-Cipher） DEAL（英語：DEAL） DES-X（英語：DES-X） DFC（英語：DFC (cipher)） E2（英語：E2 (cipher)） FEAL（英語：FEAL） FEA-M（英語：FEA-M） FROG（英語：FROG） G-DES（英語：GDES） GOST（英語：GOST (block cipher)） Grand Cru（英語：Grand Cru (cipher)） Hasty Pudding cipher（英語：Hasty Pudding cipher） Hierocrypt（英語：Hierocrypt） ICE（英語：ICE (cipher)） IDEA NXT（英語：Idea NXT） Intel Cascade Cipher（英語：Intel Cascade Cipher） Iraqi（英語：Iraqi block cipher） KASUMI（英語：KASUMI (block cipher)） KeeLoq（英語：KeeLoq） KHAZAD（英語：KHAZAD） Khufu and Khafre（英語：Khufu and Khafre） KN-Cipher（英語：KN-Cipher） Ladder-DES（英語：Ladder-DES） Libelle（英語：Libelle (cipher)） LOKI97（英語：LOKI97） LOKI89/91（英語：LOKI） Lucifer（英語：Lucifer (cipher)） M6（英語：M6 (cipher)） M8（英語：M8 (cipher)） MacGuffin（英語：MacGuffin (cipher)） Madryga（英語：Madryga） MAGENTA（英語：MAGENTA） MARS（英語：MARS (cipher)） Mercy（英語：Mercy (cipher)） MESH（英語：MESH (cipher)） MISTY1（英語：MISTY1） MMB（英語：MMB） MULTI2（英語：MULTI2） MultiSwap（英語：MultiSwap） New Data Seal（英語：New Data Seal） NewDES（英語：NewDES） Nimbus（英語：Nimbus (cipher)） NOEKEON（英語：NOEKEON） NUSH（英語：NUSH） Q（英語：Q (cipher)） RC6 REDOC（英語：REDOC） Red Pike（英語：Red Pike (cipher)） S-1（英語：S-1 block cipher） SAFER（英語：SAFER） SAVILLE（英語：SAVILLE） SC2000（英語：SC2000） SHACAL（英語：SHACAL） SHARK SM4 Speck Spectr-H64（英語：Spectr-H64） Square（英語：Square (cipher)） SXAL/MBAL（英語：SXAL/MBAL） Threefish（英語：Threefish） Treyfer（英語：Treyfer） UES（英語：UES (cipher)） Xenon（英語：Xenon (cipher)） xmx（英語：xmx） XXTEA Zodiac（英語：Zodiac (cipher)）

密碼設計	Feistel網絡密鑰調度（英語：Key schedule）乘積密碼 S盒 P盒代換-置換網絡混淆與擴散雪崩效應密鑰白化密鑰長度塊大小

攻擊（密碼分析）	窮舉攻擊/蠻力攻擊（EFF DES破解機）中途相遇攻擊（Biclique攻擊（英語：Biclique attack） · 三子集中途相遇攻擊（英語：Biclique attack））線性密碼分析（英語：Linear cryptanalysis）（堆積引理（英語：Piling-up lemma））差分密碼分析（不可能差分密碼分析（英語：Impossible differential cryptanalysis））截斷差分分析（英語：Truncated differential cryptanalysis）高階差分分析（英語：Higher-order differential cryptanalysis）差分-線性攻擊（英語：Differential-linear）區分攻擊（英語：Distinguishing attack）（已知密鑰區分攻擊（英語：Known-key distinguishing attack））積分密碼分析（英語：Integral cryptanalysis）回力鏢攻擊（英語：Boomerang attack）模n密碼分析（英語：Mod n cryptanalysis）相關密鑰攻擊（英語：Related-key attack）滑動攻擊（英語：Slide attack）迴旋密碼分析（英語：Rotational cryptanalysis）計時攻擊（英語：Timing attack） XSL攻擊（英語：XSL attack）插值攻擊 Partitioning（英語：Partitioning cryptanalysis）戴維斯攻擊（英語：Davies' attack）回彈攻擊（英語：Rebound attack）弱密鑰（英語：Weak key）肯德爾等級相關係數（英語：Kendall tau rank correlation coefficient）卡方檢驗時間、內存、數據取捨攻擊（英語：Time/memory/data tradeoff attack）

密碼標準	高級加密標準（AES）評選過程 CRYPTREC（英語：CRYPTREC） NESSIE（英語：NESSIE）

工作方式	初始向量工作模式填充

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