S盒是密碼學中用於執行置換計算的基本結構，特別是在分組密碼算法中，它是唯一的非線性結構。S盒的主要功能是對輸入數據進行簡單的「代替」操作，即將一定長度的輸入（通常是多個比特）映射到一個較短的輸出（通常是一個位元組或更少）。這種映射關係是非線性的，意味著輸入比特的微小變化可能導致輸出比特的顯著變化，從而增強了密碼系統的安全性。
S盒的設計是一個複雜的過程，需要考慮多種因素，包括算法的安全性、性能和實現複雜性。在設計S盒時，通常需要避免明顯的模式和規律，以防止密碼分析者利用這些模式來破解算法。此外，S盒的大小和複雜性也需要根據具體的套用場景和性能要求來平衡。
S盒的工作原理可以概括為兩個主要步驟：行選擇和列選擇。首先，根據輸入的某幾個比特（通常是輸入的一半）來選擇S盒中的一行。接著，使用輸入的比特中剩下的部分（在上述例子中，是剩下的2個比特）來選擇選定行中的一個值。這個值就是S盒的輸出。通過這種方式，S盒實現了一種「混淆」和「擴散」的效果，這是密碼學中兩個重要的安全原則。
例如，在DES算法中，替代由8個不同的S盒完成，每個S盒有6位輸入4位輸出。一個S盒就是一個4行16列的表，盒中的每一項都是一個4位二進制數表示的十進制數。輸入的高低兩位做為行數H，中間四位做為列數L，在S-BOX中查找第H行L列對應的數據。S盒的行列計數都是從0開始。
總的來說，S盒作為一種重要的密碼學工具，在現代加密算法的安全性和性能中扮演著關鍵角色。了解S盒的基本概念、工作原理及其在密碼學中的作用，對於理解現代加密算法的安全性和性能至關重要。