实现Rijndael算法后加密输出文件异常增大的原因排查

核心问题：文件写入的错误用法 #

加密后文件体积暴增的直接原因是写入文件时误用了bytes(val)：

• 在Python中，bytes(n)（n为整数）的作用是创建包含n个空字节（\x00）的字节串，而非将整数n转换为对应的单个字节。
• 例如当val=255时，bytes(255)会生成255个字节，而非预期的b'\xff'。这直接导致每个加密后的字节被扩展成对应数值长度的字节串，最终文件体积疯狂膨胀。

其他潜在隐患 #

代码里还有几个可能引发异常或逻辑错误的问题：

1. 数组类型混乱：
   • 原始文件读取为np.uint8，但padding用np.zeros默认生成float64类型数组，np.append后整个数组类型变为float64，后续转int虽暂时没问题，但容易引发数值偏差。
   • bin_to_hex_arr返回np.int8类型的密钥数组，和uint8的文件数组做XOR运算后，数组类型会被提升为int，可能出现负数（int8范围是-128~127），后续处理会产生异常。
2. Rijndael算法实现不完整：
   你只实现了S盒替换，缺少Rijndael必需的行移位、列混合、轮密钥扩展等核心步骤，这不是一个具备安全性的完整AES加密实现。

1. 修正文件写入逻辑：
   将写入代码的save.write(bytes(val))改为save.write(bytes([val]))，这样会把整数val转换为对应的单个字节写入文件。

2. 统一数组类型：

   • padding时指定类型为uint8：

     padding = np.zeros(16 - (len(file) % 16), dtype=np.uint8)
     

   • bin_to_hex_arr返回uint8类型，避免负数：

     return hexa.reshape([4, 4]).astype(np.uint8)
     

   • 同时给十六进制密钥补全前导零，确保长度符合128位密钥要求：

     hexa = hex(num).replace("0x", "").zfill(32)
     

3. 补全Rijndael算法步骤：
   如果要实现标准AES加密，必须添加轮密钥扩展、行移位、列混合、轮密钥加等步骤，否则加密结果不具备安全性。

# 修正padding类型
padding = np.zeros(16 - (len(file) % 16), dtype=np.uint8)
file = np.append(file, padding)
file = file.reshape([num_boxes, 4, 4])

# 修正密钥转换函数
def bin_to_hex_arr(num):
    hexa = hex(num).replace("0x", "").zfill(32)
    hexa = [int(hexa[i:i+2], 16) for i in range(0, len(hexa), 2)]
    hexa = np.array(hexa)
    return hexa.reshape([4, 4]).astype(np.uint8)

# 修正文件写入逻辑
save = open(f"{FILE_TO_ENCRYPT}.encrypt", "wb")
for val in file.ravel():
    save.write(bytes([val]))
save.close()

内容的提问来源于stack exchange，提问作者RubidiumCode