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浅谈Base64编码[转]

發布時間：2025/3/15 编程问答 45 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了浅谈Base64编码[转] 小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

問題來源

使用方法Convert.ToBase64String時候不知所以然。

所以在網上查了點資料：

淺談Base64編碼

我打賭當你見到Base64這個詞的時候你會覺得在哪里見過，因為在你能夠上網看到這篇文章的時候你已經在后臺使用它了。如果您對二進制數有所了解，你就可以開始讀它了。
打開一封Email，查看其原始信息（您可以通過收取、導出該郵件用文本編輯器查看）。你會看到類似這樣的一個效果：
Date: Thu, 25 Dec 2003 06:33:07 +0800
From: "eSX?!" <snaix@yeah.net'>snaix@yeah.net'>snaix@yeah.net'>snaix@yeah.net>
Reply-To: snaix@yeah.net'>snaix@yeah.net'>snaix@yeah.net'>snaix@yeah.net
To: "snaix" <snaix@126.com'>snaix@126.com>
Subject:
X-mailer: Foxmail 5.0 beta2 [cn]
Mime-Version: 1.0
Content-Type: text/plain;
charset="gb2312"
Content-Transfer-Encoding: base64
xOO6w6OsU25haVgNCg0KoaGhodXiysfSu7j2QmFzZTY0tcSy4srU08q8/qOhDQoNCkJlc3QgV2lz
aGVzIQ0KIAkJCQkNCqGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaEgICAgICAgICAgICAgICBl
U1g/IQ0KoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoSAgICAgICAgICAgICAgIHNuYWl4QHll
YWgubmV0DQqhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhICAgICAgICAgMjAwMy0x
Mi0yNQ0K
是否看到了“base64”標記？是否看到了標記下面的一行亂碼？也許你會恍然大悟，對！這就是Base64編碼。

什么是Base64？

按照RFC2045的定義，Base64被定義為：Base64內容傳送編碼被設計用來把任意序列的8位字節描述為一種不易被人直接識別的形式。（The Base64 Content-Transfer-Encoding is designed to represent arbitrary sequences of octets in a form that need not be humanly readable.）

為什么要使用Base64？

在設計這個編碼的時候，我想設計人員最主要考慮了3個問題：
1.是否加密？
2.加密算法復雜程度和效率
3.如何處理傳輸？
??? 加密是肯定的，但是加密的目的不是讓用戶發送非常安全的Email。這種加密方式主要就是“防君子不防小人”。即達到一眼望去完全看不出內容即可。
基于這個目的加密算法的復雜程度和效率也就不能太大和太低。和上一個理由類似，MIME協議等用于發送Email的協議解決的是如何收發Email，而并不是如何安全的收發Email。因此算法的復雜程度要小，效率要高，否則因為發送Email而大量占用資源，路就有點走歪了。
??? 但是，如果是基于以上兩點，那么我們使用最簡單的愷撒法即可，為什么Base64看起來要比愷撒法復雜呢？這是因為在Email的傳送過程中，由于歷史原因，Email只被允許傳送ASCII字符，即一個8位字節的低7位。因此，如果您發送了一封帶有非ASCII字符（即字節的最高位是1）的Email通過有“歷史問題”的網關時就可能會出現問題。網關可能會把最高位置為0！很明顯，問題就這樣產生了！因此，為了能夠正常的傳送Email，這個問題就必須考慮！所以，單單靠改變字母的位置的愷撒之類的方案也就不行了。關于這一點可以參考RFC2046。
基于以上的一些主要原因產生了Base64編碼。

算法詳解

??? Base64編碼要求把3個8位字節（3*8=24）轉化為4個6位的字節（4*6=24），之后在6位的前面補兩個0，形成8位一個字節的形式。
具體轉化形式間下圖：
字符串“張3”
11010101 11000101 00110011
00110101 00011100 00010100 00110011
表1
可以這么考慮：把8位的字節連成一串110101011100010100110011
然后每次順序選6個出來之后再把這6二進制數前面再添加兩個0，就成了一個新的字節。之后再選出6個來，再添加0，依此類推，直到24個二進制數全部被選完。
讓我們來看看實際結果：
字符串“張3”
11010101 HEX:D5 11000101 HEX:C5 00110011 HEX:33
00110101 00011100 00010100 00110011
字符’5’ 字符’^\’ 字符’^T’ 字符’3’
十進制53 十進制34 十進制20 十進制51
表2
這樣“張3 ”這個字符串就被Base64表示為”5^\^T3”了么？。錯！
Base64編碼方式并不是單純利用轉化完的內容進行編碼。像’^\’字符是控制字符，并不能通過計算機顯示出來，在某些場合就不能使用了。Base64有其自身的編碼表：
Table 1: The Base64 Alphabet
Value Encoding Value Encoding Value Encoding Value Encoding
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 (pad) =
14 O 31 f 48 w
15 P 32 g 49 x
16 Q 33 h 50 y
表3
這也是Base64名稱的由來，而Base64編碼的結果不是根據算法把編碼變為高兩位是0而低6為代表數據，而是變為了上表的形式，如”A”就有7位，而”a”就只有6位。表中，編碼的編號對應的是得出的新字節的十進制值。因此，從表2可以得到對應的Base64編碼：
字符串“張3”
11010101 HEX:D5 11000101 HEX:C5 00110011 HEX:33
00110101 00011100 00010100 00110011
字符’5’ 字符’^\’ 字符’^T’ 字符’3’
十進制53 十進制34 十進制20 十進制51
字符’1’ 字符’i’ 字符’U’ 字符’z’
表4
這樣，字符串“張3”經過編碼后就成了字符串“1iUz”了。
Base64將3個字節轉變為4個字節，因此，編碼后的代碼量（以字節為單位，下同）約比編碼前的代碼量多了1/3。之所以說是“約”，是因為如果代碼量正好是3的整數倍，那么自然是多了1/3。但如果不是呢？
細心的人可能已經注意到了，在The Base64 Alphabet中的最后一個有一個(pad) =字符。這個字符的目的就是用來處理這個問題的。
當代碼量不是3的整數倍時，代碼量/3的余數自然就是2或者1。轉換的時候，結果不夠6位的用0來補上相應的位置，之后再在6位的前面補兩個0。轉換完空出的結果就用就用“=”來補位。譬如結果若最后余下的為2個字節的“張”：
字符串“張”
11010101 HEX:D5 11000101 HEX:C5
00110101 00011100 00010100
十進制53 十進制34 十進制20 pad
字符’1’ 字符’i’ 字符’U’ 字符’=’
表6
這樣，最后的2個字節被整理成了“1iU=”。
同理，若原代碼只剩下一個字節，那么將會添加兩個“=”。只有這兩種情況，所以，Base64的編碼最多會在編碼結尾有兩個“=”
至于將Base64的解碼，只是一個簡單的編碼的逆過程，讀者可以自己探討。我將在文章的最后給出解碼算法。

算法實現

其實在算法詳解的時候基本上已經說的很清楚了。用于程序上，除去約束判斷，大概可以分為如下幾步幾步：
讀取數據3字節?用AND取前6位，放入新的變量中?右移兩位，高兩位清0?AND取第一個字節的后2位和第二個字節的前4位移位放入新變量中?右移兩位，清0……依此類推。
解碼的類C語言實現的算法：
BYTE LMoveBit(int base, int MoveNum)
{
BYTE result=base;
if(MoveNum==0)return 1;
if(MoveNum==1)return MoveNum;
result=base<<(MoveNum-1);
return result;
}
char base64_alphabet[]=
{'A','B','C','D','E','F','G','H','I','J','K','L','M','N','O','P',
'Q','R','S','T','U','V','W','X','Y','Z','a','b','c','d','e','f',
'g','h','i','j','k','l','m','n','o','p','q','r','s','t','u','v',
'w','x','y','z','0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','+','/','='};
BYTE Base64Decode(char *base64code, DWORD base64length)
{
char buf[4];
int i,j;
int k;
int l=0;
BYTE temp1[4],temp2;
BYTE *Buffer=new BYTE[base64length*3/4];
DWORD base64a=(base64length/4)-1;
DWORD base64b=0;
for(;base64b<base64a+1;base64b++)
{
for(i=0;i<4;i++)
{
buf[i]=*(base64code+(base64b*4)+i);
for(j=0;j<65;j++)
{
if(buf[i]==base64_alphabet[j])
{
temp1[i]=j;
break;
}
}
}
i--;
for(k=1;k<4;k++)
{
if(temp1[i-(k-1)]==64){m_padnum++; continue;}
temp1[i-(k-1)]=temp1[i-(k-1)]/LMoveBit(2,(k-1)*2);
temp2=temp1[i-k];
temp2=temp2&(LMoveBit(2,k*2)-1);
temp2*=LMoveBit(2,8-(2*k));//move 4
temp1[i-(k-1)]=temp1[i-(k-1)]+temp2;
Buffer[base64b*3+(3-k)]=temp1[i-(k-1)];
}
}
return Buffer;
}
根據這段算法，文章最開始給出的Email內容，可以解碼為：
你好，SnaiX
這是一個Base64的測試郵件！
Best Wishes!
eSX?!
snaix@yeah.net'>snaix@yeah.net'>snaix@yeah.net'>snaix@yeah.net
2003-12-25