רשת פייסטל היא המבנה הפופולרי ביותר של צופן בלוקים והיא קרויה על שם ממציאה הורסט פייסטל. מבנה זה פותח במעבדות IBM לפני המצאת התקן הישן DES ונחשב עד ימינו כמבנה בטוח. כמתואר בתרשים משמאל, זהו מבנה חסכוני שממיר טרנספורמציה formula_48 שהיא פונקציה חד-כיוונית פסאודו אקראית כלשהי שאינה בהכרח הפיכה, או סט של טרנספורמציות המאוגדים יחד בכינוי F-box לפרמוטציה. כלומר שההצפנה תהיה הפיכה ופענוח יתאפשר בהפעלת אותה פונקציה בשינוי סדר בתי המפתח בלבד ולא יהיה צורך בפונקציית פענוח נפרדת. רשת פייסטל מחלקת את בלוק הטקסט הקריא לשני חצאים, מפעילה את הפונקציה formula_48 על מחצית אחת, כאשר התוצאה הופכת למפתח הצפנה איתו מצפינים את המחצית השנייה באמצעות XOR ואז שני החצאים מחליפים מקומות, דהיינו פלט צד ימין הופך לקלט צד שמאל וחוזר חלילה עד להשלמת כל הסבבים. אפשר לראות שהפענוח הוא חזרה על התהליך במהופך, כיוון שבכל סבב השינוי משפיע רק על מחצית אחת (היות שההצפנה מבוצעת ב-XOR היא הפיכה, כלומר חיבור חוזר ב-XOR עם המפתח מחזיר את הערך המקורי). רשת פייסטל נמצאת בשימוש בצפני בלוקים אחדים, ביניהם DES, Twofish, MARS והיא פופולרית בשל הפשטות וקלות היישום.
קיימות מספר וריאציות של רשת פייסטל, ביניהן כאלו שמבוצעות עם ארבעה או יותר חלקים, כאשר בכל סבב חלקם עוברים טרנספורמציה בהתאם לאחרים ולאחר מכן מחליפים מקומות בסדר מסוים (כמו בצופן MARS). רשת פייסטל הבסיסית (כמתואר בתרשים) היא; בהינתן פונקציה formula_48 ומפתח הצפנה מחולק לתת-מפתחות formula_69, בלוק הקלט המיועד להצפנה formula_70 מחולק לשני חצאים formula_71 ואז:
פלט הצופן יהיה formula_74 והפענוח מתבצע בסדר הפוך הקלט הוא formula_74 והפונקציה מתחילה מ-formula_76 ויורדת עד formula_77 כשבכל שלב:
הפלט הסופי הוא formula_71. היתרון של רשת פייסטל הוא שהפונקציה הפנימית לא חייבת להיות הפיכה. כל פונקציה יכולה להתאים ובלבד שמספר הסבבים יספק שולי ביטחון מספיקים. מספר מועט מדי של סבבים מאפשר שבירת הצופן בקלות ואילו מספר גבוה גורע מיעילותו.
רשת החלפה תמורה.
רשת החלפה-תמורה היא מבנה בסיסי של פונקציית ההצפנה הפנימית של צופן בלוקים, לפי הרעיון שהגה לראשונה קלוד שאנון אבי תורת האינפורמציה. היא יושמה לראשונה בצופן DES. רשת החלפה-תמורה בקיצור SPN מקבלת בלוק קלט ורשימה של תת-מפתחות הצפנה במספר הדרוש ומבצעת שלוש "טרנספורמציות" עיקריות על כל סיביות הבלוק שנקרא לפעמים 'מצב' (state), במספר חזרות שנקבע מראש כשכל מפתח משמש בסבב אחד. הטרנספורמציות כוללות: שכבת החלפה אי-ליניארית, שכבת פיזור ליניארית (תמורה) ושכבת הוספת מפתח סודי, לא בהכרח לפי סדר זה. במקרה של צופן המיושם במבנה פייסטל כמו DES הפענוח מתבצע עם אותה פונקציה אך בהיפוך סדר המפתחות בלבד. לעומת זאת בצופן כמו AES שאינו בנוי בסגנון רשת פייסטל, אלא הפונקציה הפנימית שלו משפיעה על כל סיביות בלוק הקלט באופן אחיד, כל הטרנספורמציות של הפונקציה הפנימית כולל הפונקציה האי-ליניארית, חייבות להיות הפיכות כדי שהפענוח יצליח. כדי שתהיה בטוחה רשת החלפה-תמורה חייבת לכלול טרנספורמציה אי-ליניארית. בעיקר, הפונקציה האי-ליניארית מהווה את עיקר חוסנו של צופן הבלוקים נגד קריפטואנליזה ליניארית ודיפרנציאלית רבות העוצמה, לכן צריך להשקיע מאמץ ומחשבה רבה בתכנון הפונקציות האי-ליניאריות כך שיהדפו התקפות מסוג זה. קיימות שתי שיטות עיקריות להוספת אי-ליניאריות לצופן, הראשונה מתבססת על תיבות החלפה והשנייה על פעולת חיבור או כפל מודולרי מעל שדה סופי. שתיהן נחקרו היטב ונמצאות בשימוש בצפנים מודרניים רבים.
רשת אינוולוציה.
רשת אינוולוציה שנקראת גם 'מבנה ליי מסי' על שם מפתחי צופן IDEA היא רשת הצפנה הדומה לרשת פייסטל ללא צורך בתיבות החלפה. הקלט מחולק לשני חצאים ובכל סבב לאחר הפעלת הפונקציה הפנימית שנקראת כאן בקיצור MA הצדדים מחליפים מקומות. הפונקציה MA (כמתואר בתרשים) שהוא שילוב של פעולות בחבורות אלגבריות שונות, שאין ביניהן דיסטריבוטיביות או אסוציאטיביות. הפעולות הן כפל מודולו formula_81 המסומן בקיצור formula_82 וחיבור בשלמים מודולו formula_83 המסומן בקיצור formula_84 בשילוב עם XOR המסומן ב-formula_43. למשל אפשר לראות שאם מציבים formula_86 בשתי המשוואות, הביטויים הבאים נכונים:
דרך ידועה להוספת "אי-ליניאריות" לצופן היא שילוב של פעולות אלגבריות פשוטות בשדות סופיים שונים כמו חיבור מודולרי, פעולת XOR והזזה מעגלית ויושמה בצפנים מודרניים רבים ביניהם Salsa20 ,Threefish, בפונקציית הגיבוב SipHash ועוד. בדרך כלל משלבים בין חיבור מודולו שלם כלשהו כמו 32 או 64 סיביות (לצורך יעילות), הזזה מעגלית בהיסטים קבועים או דינאמיים ופעולת XOR ששקולה לחיבור מודולו 2, המבוצעות במבנה הנקרא בקיצור ARX דהיינו "או-מוציא של חיבור לאחר הזזה מעגלית" כאשר סדר הפעולות אינו חשוב. מבנה זה אינו עושה שימוש בתיבות החלפה והוכח כבטוח כנגד התקפה דיפרנציאלית וכן עמיד כנגד התקפת תזמון וכן התקפות קריפטוגרפיות אחרות כמו התקפת גלישה והתקפת הזזה מעגלית. חסרונו העיקרי הוא שבגלל פשטותו הרבה יש צורך במספר גבוה יותר של סבבים כדי להשיג שולי ביטחון טובים. במבנה זה נעשה שימוש בצפנים רבים. דוגמה לשימוש כזה היא הפונקציה MIX מצופן Threefish:
מחברים תחילה את formula_91 מודולו formula_55 ואז formula_93 הוא תוצאת XOR של formula_94 עם formula_95 לאחר הזזה מעגלית לפי קבוע כלשהו formula_96.
אופני הפעלה.
צופן בלוקים בהגדרה נועד להבטחת סודיות של בלוק בגודל קבוע. אך בדרך כלל המידע המיועד להצפנה עולה עשרת מונים על גודל הבלוק. לכן יש צורך לחלקו לבלוקים בגודל המתאים ולהצפינם בזה אחר זה. אם צופן הבלוקים דטרמיניסטי הפעלת פונקציית ההצפנה על בלוק נתון פעם נוספת עם מפתח זהה תניב בלוק צופן זהה. במקרים מסוימים עובדה זו עלולה להוות נקודת תורפה, כיוון שמידע על שכיחות בלוקים זהים עשוי לעזור למתקיף הצופן בחשיפת מידע אודות המערכת. כדי להתגבר על חיסרון זה מיישמים את הצופן במה שקרוי סגנון הפעלה (Mode of operation) בטוח. השיטה הפשוטה ביותר היא פיצול מסר גדול לחלקים נפרדים, כל אחד בגודל הבלוק והצפנתם בנפרד ללא תלות זה בזה. שיטה זו נקראת electronic codebook. בשיטות אחרות כל בלוק מוצפן אחרת. צופן זרם אינו סובל מבעיה זו כיוון שהוא מכיל 'זיכרון', כלומר כל יחידת מידע מוצפנת בהתבסס על מצב פנימי המורכב מתוצאה של הצפנת יחידה קודמת. אפשר לדמות התנהגות צופן זרם גם בצופן בלוקים כך שכל בלוק מוצפן עם מפתח אחר, וגם אם יוצפנו שני בלוקים זהים התוצאה תהיה שונה. בשילוב עם וקטור אתחול אפשר להצפין כמויות גדולות של מידע באופן כזה שלעולם לא יוצפנו שני בלוקים זהים עם מפתח זהה, תופעה זו נקראת הצפנה הסתברותית. השיטות הבסיסיות שעונות להגדרה זו כוללות את CBC ,CFB ,OFB ו-CTR. בשיטות אילו שמים דגש בעיקר על ביטחון ההצפנה ועל התאוששות במצב של שגיאת שידור, אך הן אינן מספקות הגנה מפני שינוי זדוני, מה שקרוי אימות והבטחת שלמות. קיימות שיטות המספקות גם הבטחת שלמות בשילוב קוד אימות מסרים, ביניהן ניתן למנות את: OCB,EAX,CWC וכן CCM ו-GCM.
קריפטואנליזה.
המשימה של "קריפטאנליסט" היא 'שבירת' צופן בלוקים במובן שיהיה באפשרותו לפענח כל טקסט שהוצפן איתו. שבירה טוטאלית היא מצב שבו התוקף מצליח לחשוף את מפתח ההצפנה ששימש להצפנת בלוק מסוים ואז לפענח כל בלוק שהוצפן עם מפתח זה. לעיתים התוקף מצליח לפענח טקסט מוצפן כלשהו מבלי לחשוף את המפתח. התקפת כוח גס היא ההתקפה הישירה והפשוטה ביותר. לפי מודלים שונים של ביטחון (להלן) מהקל לכבד; נתון בידי התוקף בלוק מוצפן אותו הוא מעוניין לפענח, או שבכוונתו לחשוף את מפתח ההצפנה איתו נעשה שימוש כדי לפענח בלוקים אחרים שהוצפנו איתו. במודל חזק יותר, בנוסף בידי התוקף בלוק אחר מוצפן אחד או יותר ויחד איתם בלוקים של טקסט-קריא המתאימים להם (שהוצפנו עם מפתח ההצפנה אותו התוקף מנסה לחשוף). התקפה שמניחה שהתוקף יכול לראות גם את הטקסט המקורי של בלוק מסוים (אך לא של הבלוק המותקף) נקראת התקפת גלוי-ידוע או במקרה חמור יותר היא נקראת התקפת גלוי-נבחר אם ביכולתו לבחור את הבלוקים שברצונו להצפין ולראות את התוצאה (אך עדיין אינו יכול לראות את מפתח ההצפנה או את המקור של הבלוק המותקף). התוקף מנסה את כל המפתחות האפשריים ומריץ את הצופן פעם אחר פעם, בכל פעם עם מפתח אחר עד שעולה על המפתח איתו נעשה שימוש ומנקודה זו ואילך הוא יכול לפענח כל בלוק שהוצפן או יוצפן עם מפתח זה. כל צופן למעט פנקס חד-פעמי ניתן לשבירה באמצעות כוח גס, אך יעילותה ברוב המקרים לא כדאית ואף בלתי אפשרית. למשל ניסוי כל המפתחות האפשריים כאשר המפתח הוא בגודל 256 סיביות בטכנולוגיה הנוכחית עלול להימשך מאות שנים, אפילו בשיתוף פעולה של מיליוני מחשבים. מנקודת ראות תאורטית אין צורך בפועל לשבור צופן, מספיק להוכיח ששבירתו קלה מכוח גס במידה ניכרת כדי להצביע על חולשה. במרוצת השנים פותחו מספר התקפות טובות כנגד צפני בלוקים מהן שיושמו בפועל ולמעשה הביאו לקיצם של כמה אלגוריתמים. מבין ההתקפות העיקריות המפורסמות כיום, אפשר למנות את:
ביטחון.