知识扩展——(转)一篇文章彻底弄懂Base64编码原理

  在互联网中的每一刻,你可能都在享受着Base64带来的便捷,但对于Base64的基础原理又了解多少?今天这篇博文带领大家了解一下Base64的底层实现。

一、Base64的由来

  目前Base64已经成为网络上常见的传输8Bit字节代码的编码方式之一。在做支付系统时,系统之间的报文交互都需要使用Base64对明文进行转码,然后再进行签名或加密,之后再进行(或再次Base64)传输。那么,Base64到底起到什么作用呢?

  在参数传输的过程中经常遇到的一种情况:使用全英文的没问题,但一旦涉及到中文就会出现乱码情况。与此类似,网络上传输的字符并不全是可打印的字符,比如二进制文件、图片等。Base64的出现就是为了解决此问题,它是基于64个可打印的字符来表示二进制的数据的一种方法。电子邮件刚问世的时候,只能传输英文,但后来随着用户的增加,中文、日文等文字的用户也有需求,但这些字符并不能被服务器或网关有效处理,因此Base64就登场了。随之,Base64在URL、Cookie、网页传输少量二进制文件中也有相应的使用。

1.1 Base64的编码原理

Base64的原理比较简单,每当我们使用Base64时都会先定义一个类似这样的数组:

['A', 'B', 'C', ... 'a', 'b', 'c', ... '0', '1', ... '+', '/'] 1 上面就是Base64的索引表,字符选用了"A-Z、a-z、0-9、+、/" 64个可打印字符,这是标准的Base64协议规定。在日常使用中我们还会看到“=”或“==”号出现在Base64的编码结果中,“=”在此是作为填充字符出现,后面会讲到。

1.2 具体转换步骤

  • 第一步,将待转换的字符串每三个字节分为一组,每个字节占8bit,那么共有24个二进制位。
  • 第二步,将上面的24个二进制位每6个一组,共分为4组。
  • 第三步,在每组前面添加两个0,每组由6个变为8个二进制位,总共32个二进制位,即四个字节。
  • 第四步,根据Base64编码对照表(见下图)获得对应的值。
0 A  17 R   34 i   51 z

1 B  18 S   35 j   52 0

2 C  19 T   36 k   53 1

3 D  20 U   37 l   54 2

4 E  21 V   38 m   55 3

5 F  22 W   39 n   56 4

6 G  23 X   40 o   57 5

7 H  24 Y   41 p   58 6

8 I  25 Z   42 q   59 7

9 J  26 a   43 r   60 8

10 K  27 b   44 s   61 9

11 L  28 c   45 t   62 +

12 M  29 d   46 u   63 /

13 N  30 e   47 v

14 O  31 f   48 w   

15 P  32 g   49 x

16 Q  33 h   50 y

从上面的步骤我们发现:

  • Base64字符表中的字符原本用6个bit就可以表示,现在前面添加2个0,变为8个bit,会造成一定的浪费。因此,Base64编码之后的文本,要比原文大约三分之一。
  • 为什么使用3个字节一组呢?因为6和8的最小公倍数为24,三个字节正好24个二进制位,每6个bit位一组,恰好能够分为4组

1.3 示例说明

  以下图的表格为示例,我们具体分析一下整个过程。

  • 第一步:“M”、“a”、"n"对应的ASCII码值分别为77,97,110,对应的二进制值是01001101、01100001、01101110。如图第二三行所示,由此组成一个24位的二进制字符串。
  • 第二步:如图红色框,将24位每6位二进制位一组分成四组。
  • 第三步:在上面每一组前面补两个0,扩展成32个二进制位,此时变为四个字节:00010011、00010110、00000101、00101110。分别对应的值(Base64编码索引)为:19、22、5、46。
  • 第四步:用上面的值在Base64编码表中进行查找,分别对应:T、W、F、u。因此“Man”Base64编码之后就变为:TWFu。
  • 位数不足情况

上面是按照三个字节来举例说明的,如果字节数不足三个,那么该如何处理?

  • 两个字节:两个字节共16个二进制位,依旧按照规则进行分组。此时总共16个二进制位,每6个一组,则第三组缺少2位,用0补齐,得到三个Base64编码,第四组完全没有数据则用“=”补上。因此,上图中“BC”转换之后为“QKM=”;
  • 一个字节:一个字节共8个二进制位,依旧按照规则进行分组。此时共8个二进制位,每6个一组,则第二组缺少4位,用0补齐,得到两个Base64编码,而后面两组没有对应数据,都用“=”补上。因此,上图中“A”转换之后为“QQ==”;

1.4 注意事项

大多数编码都是由字符串转化成二进制的过程,而Base64的编码则是从二进制转换为字符串。与常规恰恰相反,Base64编码主要用在传输、存储、表示二进制领域,不能算得上加密,只是无法直接看到明文。也可以通过打乱Base64编码来进行加密。中文有多种编码(比如:utf-8、gb2312、gbk等),不同编码对应Base64编码结果都不一样。

1.5 延伸

  上面我们已经看到了Base64就是用6位(2的6次幂就是64)表示字符,因此成为Base64。同理,Base32就是用5位,Base16就是用4位。大家可以按照上面的步骤进行演化一下。

二、Java 验证

最后,我们用一段Java代码来验证一下上面的转换结果:

package com.secbro2.blog.utils;

import sun.misc.BASE64Encoder;

/**
 * @author zzs
 */
public class Base64Utils {

    public static void main(String[] args) {
        String man = "Man";
        String a = "A";
        String bc = "BC";

        BASE64Encoder encoder = new BASE64Encoder();
        System.out.println("Man base64结果为:" + encoder.encode(man.getBytes()));
        System.out.println("BC base64结果为:" + encoder.encode(bc.getBytes()));
        System.out.println("A base64结果为:" + encoder.encode(a.getBytes()));
    }
}

打印结果为:

Man base64结果为:TWFu
BC base64结果为:QkM=
A base64结果为:QQ==

以上结果与我们分析所得完全一致。

三、小结

  本节课程用实例和图文分析带大家了解了Base64的基本操作原理,如果学完之后有所收获,那就帮忙转发一下吧。原文链接:https://www.choupangxia.com/topic/detail/61

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