Base64编码原理
Base64编码原理
Base64作用
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。
Base64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', ... '+', '/']
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。
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。
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==”；
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。
Base64代码实现
- python
class MyBase64():
base64_dict = {}
string_temp = ('ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ'
'abcdefghijklmnopqrstuvwxyz'
'0123456789+/')
ascii_string = ''.join([chr(i) for i in range(4, 2 ** 7 - 1)])
def __init__(self, string):
# 初始化，创建 base64 编码字典
self.string = string
for i in range(2 ** 6):
self.base64_dict[i] = self.string_temp[i]
def convert(self):
# base64 编码过程
# 编码
string_encode_byte = self.string.encode('utf-8')
# 十进制化
string_digit_list = list(string_encode_byte)
# 二进制化 + 0 填充
string_bin_list = []
for item in string_digit_list:
string_bin_list.append(str(bin(item))[2:].zfill(8))
# 字符串合并
string_sum = ''.join(string_bin_list)
# 6 的倍数，不足 0 填充
string_fill = self.fillIt(string_sum, factor=6, item='0')
# 切片，6位一个单位
string_bin_list2 = self.splitIt(string_fill, bits=6)
# 十进制化
string_digit_list2 = []
for item in string_bin_list2:
string_digit_list2.append(int(item, 2))
# 查表
string_base64_list = []
for item in string_digit_list2:
string_base64_list.append(self.base64_dict[item])
# 拼接
string_sum2 = ''.join(string_base64_list)
# 4 的倍数，不足填充 =
string_convert = self.fillIt(string_sum2, factor=4, item='=')
return string_convert
def fillIt(self, string, factor, item):
"""
指定倍数填充指定字符
string：原字符串
factor：倍数
item：填充字符
"""
length = len(string)
remainder = length % factor
if remainder:
times = factor - remainder
string = string + times * item
return string
def splitIt(self, string, bits):
"""
指定位数切片
string：原字符串
bits：每次切片数量
"""
length = len(string)
new_list = []
for i in range(bits, length + 1, bits):
new_list.append(string[i - bits:i])
remain = length % bits
if remain != 0:
new_list.append(string[-remain:])
return new_list
if __name__ == '__main__':
string = input()
myBase64 = MyBase64(string)
enc_string = myBase64.convert()
print("测试字符串：{}".format(string))
print("base64：{}".format(enc_string))
- c
// base64.cpp
#include <iostream>
#include <windows.h>
#include "Base64.h"
using namespace std;
char *base64_encode(const char* data, int data_len)
{
//int data_len = strlen(data);
int prepare = 0;
int ret_len;
int temp = 0;
char *ret = NULL;
char *f = NULL;
int tmp = 0;
char changed[4];
int i = 0;
ret_len = data_len / 3;
temp = data_len % 3;
if (temp > 0)
{
ret_len += 1;
}
ret_len = ret_len*4 + 1;
ret = (char *)malloc(ret_len);
if ( ret == NULL)
{
printf("No enough memory.\n");
exit(0);
}
memset(ret, 0, ret_len);
f = ret;
while (tmp < data_len)
{
temp = 0;
prepare = 0;
memset(changed, '\0', 4);
while (temp < 3)
{
//printf("tmp = %d\n", tmp);
if (tmp >= data_len)
{
break;
}
prepare = ((prepare << 8) | (data[tmp] & 0xFF));
tmp++;
temp++;
}
prepare = (prepare<<((3-temp)*8));
//printf("before for : temp = %d, prepare = %d\n", temp, prepare);
for (i = 0; i < 4 ;i++ )
{
if (temp < i)
{
changed[i] = 0x40; // 瀵瑰簲鐮佽〃涓殑 '='
}
else
{
changed[i] = (prepare>>((3-i)*6)) & 0x3F;
}
*f = base[changed[i]];
//printf("%.2X", changed[i]);
f++;
}
}
*f = '\0';
return ret;
}
static char find_pos(char ch)
{
char *ptr = (char*)strrchr(base, ch);//the last position (the only) in base[]
return (ptr - base);
}
char *base64_decode(const char *data, int data_len)
{
int ret_len = (data_len / 4) * 3;
int equal_count = 0;
char *ret = NULL;
char *f = NULL;
int tmp = 0;
int temp = 0;
int prepare = 0;
int i = 0;
if (*(data + data_len - 1) == '=')
{
equal_count += 1;
}
if (*(data + data_len - 2) == '=')
{
equal_count += 1;
}
if (*(data + data_len - 3) == '=')
{//seems impossible
equal_count += 1;
}
switch (equal_count)
{
case 0:
ret_len += 4;//3 + 1 [1 for NULL]
break;
case 1:
ret_len += 4;//Ceil((6*3)/8)+1
break;
case 2:
ret_len += 3;//Ceil((6*2)/8)+1
break;
case 3:
ret_len += 2;//Ceil((6*1)/8)+1
break;
}
ret = (char *)malloc(ret_len);
if (ret == NULL)
{
printf("No enough memory.\n");
exit(0);
}
memset(ret, 0, ret_len);
f = ret;
while (tmp < (data_len - equal_count))
{
temp = 0;
prepare = 0;
while (temp < 4)
{
if (tmp >= (data_len - equal_count))
{
break;
}
prepare = (prepare << 6) | (find_pos(data[tmp]));
temp++;
tmp++;
}
prepare = prepare << ((4-temp) * 6);
for (i=0; i<3 ;i++ )
{
if (i == temp)
{
break;
}
*f = (char)((prepare>>((2-i)*8)) & 0xFF);
f++;
}
}
*f = '\0';
return ret;
}
int main() {
char text[200];
printf("请输入待加密字符：");
int i=0;
do
{
scanf("%s",&text[i]);
i++;
}while(getchar()!='\n');
printf("%s\n", base64_encode(text, strlen(text)));
return 0;
}
// base64.h
#ifndef BASE64_H
#define BASE64_H
const char base[] = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/=";
char* base64_encode(const char* data, int data_len);
char* base64_decode(const char* data, int data_len);
#endif
参考博客：
