基于旋转非奇异二进制矩阵族的动态S-box构造方法

《Scientific Reports》：Dynamic S-box construction via rotationally nonsingular binary matrix families for symmetric-key block ciphers

　　替换盒是对称密钥密码的基本非线性组件，动态S-box生成提供了一种在运行过程中多样化非线性层的方法。然而，许多现有方法专注于构建或优化单个S-box，未能提供在整个生成家族中保持主要密码特性的系统机制。为了解决这一局限性，本研究引入了基于旋转非奇异二进制矩阵族（RNBMF）的结构化动态S-box构建方法。一个64位二进制种子被循环旋转以生成64个相互关联的8×8二进制矩阵，这些矩阵用作在GF(2^8)上乘法逆元周围的可重现仿射层。通过循环行排列引起的行列式等价结构，完整矩阵族的容许条件从64次行列式检查精确减少到8个代表性测试。对10,000个不同生成的S-box的大规模评估确认了稳定的非线性度112、线性逼近概率0.0625、差分均匀性4、代数次数7和Boomerang均匀性6，而SAC行为、不动点模式和置换周期结构仍然是实例依赖的，因此可以作为额外的筛选标准。作为集成级评估，生成的S-box也在常见的可逆RGB置换-扩散配置中进行了评估，产生的密文熵接近8，相邻像素相关性接近零，NPCR和UACI值接近其理论参考值，并实现了精确的图像恢复。这些结果表明，所提出的RNBMF框架提供了一种紧凑且可重现的机制，用于基于逆元的S-box的仿射多样化，同时保持其主要仿射不变密码特征，并能够选择结构上更优的代表用于动态替换层。