密码S盒设计与安全性分析一直是分组密码研究中的重点。密码S盒作为分组密码的关键性部件,为密码算法提供混淆,决定着算法的安全性。衡量密码S盒安全强度的指标包括代数次数、线性度、差分均匀度、透明阶等。传统的构造方法设计S盒有一定的局限性,如因搜索空间有限导致构造的S盒复杂性不够容易受到攻击,或者效率太低等。计算智能算法在S盒的设计方面表现卓越,具有较好的优化性能。本文侧重研究4×4和8×8密码S盒的自动搜索与分析,主要内容如下:1)基于元胞自动机(Cellular Automata,CA)规则,提出4×4 S盒的一种新搜索方法。基于CA规则S盒的设计机制,分析了基于CA规则S盒代数表达式的生成形式。通过优化CA规则,搜索出新的4×4 S盒,对生成的4×4 S盒的密码指标进行分析,筛选出性质优良的4×4最优S盒。实验表明,更多4×4最优S盒被发现,有利于实现S盒的扩展;此外,该方法还可以将CA规则下3类4×4次优S盒转化为4×4最优S盒。与已有结果相比,新生成的4×4最优S盒具有较低透明阶,具有一定的抗差分功耗攻击(Differential Power Attack,DPA)的能力。2)基于Feistel-SP结构,提出8×8 S盒的设计方案SB_F,并给出了SB_F型设计方案相应的搜索算法。此方案选取的是具有轻量化、低成本及高效实现的小盒,利用3轮的Feistel-SP结构自动搜索出新的8×8 S盒,并对新的8×8 S盒的传统密码学指标和透明阶进行测试。实验结果表明,基于SB_F型方案设计的8×8密码S盒具有良好的密码性质,并且在理论上分析了S盒的硬件实现。3)基于Feistel和L-M混合结构,提出8×8 S盒的设计方法。基于2轮Feistel结构和1轮L-M结构实现S盒设计。结果表明,基于SB_L型方案设计的8×8密码S盒的代数次数为7,非线性度为96,RTO最小为7.5029,具有良好的密码性质。与已有算法结构生成S盒相比,新生成的8×8 S盒的代数次数达到最优,在一定程度上降低了透明阶。