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本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「我是開發(fā)者FTD」，作者FTD。轉(zhuǎn)載本文請聯(lián)系我是開發(fā)者FTD公眾號。
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hi，大家好，我是開發(fā)者FTD。相信很多同學(xué)在工作中，經(jīng)常會用到Base64編碼，那大家知道為什么會有Base64編碼嗎?我們?yōu)槭裁匆褂盟?，它又是怎么實現(xiàn)的呢?下面就讓我們來一起深入探究一下Base64編碼吧。
Base 家族
在開始之前，我們先給大家介紹一下Base家族。雖然我們在工作中使用最多的是Base64，但是Base家族可不止是只有Base64，除了Base64之外，Base家族還有Base32和Base16。
我們都知道ASCII 編碼，ASCII 編碼是用256(2的8次方)個字符，對二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的方式，同樣的
- Base64 編碼是用64(2的6次方)個字符，對二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的方式
- Base32 編碼是用32(2的5次方)個字符，對二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的方式
- Base16 編碼是用16(2的4次方)個字符，對二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的方式
那Base家族有這么多編碼形式，為什么偏偏使用Base64呢?
- Base64 編碼是用64(2的6次方)個特定的ASCII字符來表示256(2的8次方)個ASCII字符，也就是說三個ASCII字符經(jīng)過Base64編碼后變?yōu)樗膫€的ASCII字符顯示(公約數(shù)為24)，編碼后數(shù)據(jù)長度比原來增加1/3，不足3n用“=”補(bǔ)足。
- Base32 編碼就是用32(2的5次方)個特定的ASCII字符來表示256(2的8次方)個ASCII碼，也就是說五個ASCII字符經(jīng)過Base32編碼后會變?yōu)榘藗€ASCII字符顯示(公約數(shù)為40)，編碼后數(shù)據(jù)長度比原來增加3/5，不足8n用“=”補(bǔ)足。
- Base16 編碼就是用16(2的4次方)個特定的ASCII字符表示256(2的8次方)個ASCII字符，也就是說一個ASCII字符經(jīng)過Base16編碼后會變?yōu)閮蓚€ASCII字符顯示，編碼后數(shù)據(jù)長度比原來增加一倍，不足2n用“=”補(bǔ)足。
從上面可以看出Base64編碼后，長度增加是最少的，這也是我們選用Base64的一個重要原因。
Base64 簡介
Base64顧名思義，就是基于64個可打印字符來表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)的一種方法，「注意它并不是一種加密算法」。對于64個打印字符，我們只需要6個二進(jìn)制位就可以完全表示了。那么我們?nèi)绾卫?個二進(jìn)制位來表示只需要6個二進(jìn)制位就可以完全表示的可打印字符呢?由于2的6次方等于64，所以我們可以將每6個位元為一個單元，對應(yīng)某個可打印字符。三個字節(jié)有24個位元，對應(yīng)于4個Base64單元，即3個字節(jié)需要用4個可打印字符來表示。
Base64是從二進(jìn)制數(shù)據(jù)到字符的過程。所以計算機(jī)中所有的內(nèi)容，包括文本、圖片、音頻、視頻等等都可以使用Base64編碼來表示。
Base64 編碼原理
Base64編碼就是使用64個字符作為一個基本字符集：
小寫字母a-z、大寫字母A-Z、數(shù)字0-9、符號"+"、"/"(再加上作為墊字的"="，實際上是65個字符)
然后，所有其他符號都根據(jù)一定規(guī)則轉(zhuǎn)換成這個字符集中的字符。
具體來說，Base64編碼的轉(zhuǎn)換方式可以分為以下四步：
- 第一步，將每三個字節(jié)作為一組，一共是24個二進(jìn)制位
- 第二步，將這24個二進(jìn)制位分為四組，每個組有6個二進(jìn)制位
- 第三步，在每組前面加兩個00，擴(kuò)展成32個二進(jìn)制位，即四個字節(jié)
- 第四步，根據(jù)下表，得到擴(kuò)展后的每個字節(jié)的對應(yīng)符號，這就是Base64的編碼值
Base64 編碼的字符索引表如下所示：
| 數(shù)值 | 字符 | 數(shù)值 | 字符 | 數(shù)值 | 字符 | 數(shù)值 | 字符 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | A | 16 | Q | 32 | g | 48 | w |
| 1 | B | 17 | R | 33 | h | 49 | x |
| 2 | C | 18 | S | 34 | i | 50 | y |
| 3 | D | 19 | T | 35 | j | 51 | z |
| 4 | E | 20 | U | 36 | k | 52 | 0 |
| 5 | F | 21 | V | 37 | l | 53 | 1 |
| 6 | G | 22 | W | 38 | m | 54 | 2 |
| 7 | H | 23 | X | 39 | n | 55 | 3 |
| 8 | I | 24 | Y | 40 | o | 56 | 4 |
| 9 | J | 25 | Z | 41 | p | 57 | 5 |
| 10 | K | 26 | a | 42 | q | 58 | 6 |
| 11 | L | 27 | b | 43 | r | 59 | 7 |
| 12 | M | 28 | c | 44 | s | 60 | 8 |
| 13 | N | 29 | d | 45 | t | 61 | 9 |
| 14 | O | 30 | e | 46 | u | 62 | + |
| 15 | P | 31 | f | 47 | v | 63 | / |
有了這個字符索引表，我們就可以把任意的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成Base64的編碼了，下面我們通過幾個例子，給大家展示一下轉(zhuǎn)換的過程。
1，假設(shè)現(xiàn)在有字符串 「FTD」 需要轉(zhuǎn)換成base64的編碼格式
- 第一步：“F”、“T”、"D" 字符對應(yīng)的ASCII碼值分別為70，84，68，對應(yīng)的二進(jìn)制值是01000110、01010100、01000100。如圖第二三行所示，由此組成一個24位的二進(jìn)制字符串。
- 第二步：將24位二進(jìn)制按照每6位二進(jìn)制位一組分成四組。
- 第三步：在上面每一組前面補(bǔ)兩個0，擴(kuò)展成32個二進(jìn)制位，此時變?yōu)樗膫€字節(jié)：00010001、00100101、00010001、00000100。分別對應(yīng)的值(Base64編碼索引)為：17、37、17、4。
- 第四步：用上面的值在Base64 字符索引表中進(jìn)行查找，分別對應(yīng)：R、I、R、E。
因此字符串 “FTD” 經(jīng)過Base64 編碼之后就變?yōu)椋篟IRE 。
2，上面的例子中的字符正好是三個字節(jié)，如果字節(jié)數(shù)不足三個時該如何處理呢?下面我們以「F」 和 「FT」 分別舉例說明如下：
如上表所示，由于字符F的二進(jìn)制為01000110，按照每6位進(jìn)行分組，此時只能分成一組，第二組缺少4位，如果位數(shù)不足時，用0補(bǔ)齊;第三組和第四組完全沒有數(shù)據(jù)，則用**=「補(bǔ)上。因此，字符F經(jīng)過Base64編碼后得到的數(shù)值為」Rg==**。
3，下面我們再看一下如果只有兩個字符的情況：
如上表所示，這個也屬于位數(shù)不足，需要補(bǔ)位的情況。第一組和第二組按照正常的分組計算，第三組由于不足位數(shù)，最后兩位補(bǔ)0，第四組完全沒有數(shù)據(jù)，用**=「補(bǔ)上。因此，字符FT經(jīng)過Base64編碼后得到的數(shù)值為」RlQ=**。
關(guān)于中文的Base64編碼
大家都知道中文編碼有很多種，例如「GB2312、GBK、GB18030」，不同的漢字使用不同的編碼格式進(jìn)行編碼后，它的二進(jìn)制是不同的，所以在進(jìn)行Base64編碼后，他們的Base64編碼的值也是不同的。這就要求我們在解碼的時候需要注意原文的字符集格式，一定要保持一致才能正確解碼。
例如：
中文 “【我是開發(fā)者FTD】公眾號” UTF-8 格式的Base64 編碼后的值是：44CQ5oiR5piv5byA5Y+R6ICFRlRE44CR5YWs5LyX5Y+3
中文 “【我是開發(fā)者FTD】公眾號” GB2312 格式的Base64 編碼后的值是：ob7O0srHv6q3otXfRlREob+5q9bausU=
Base64 是加密算法嗎?
Base64 主要不是用來加密的，它主要的用途是把一些二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)成普通字符用于網(wǎng)絡(luò)傳輸，這是因為一些二進(jìn)制字符在傳輸協(xié)議中屬于控制字符，不能直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。另外，還有一些系統(tǒng)中只能使用ASCII字符。Base64 編碼就是用來將非ASCII字符的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ASCII字符的一種方法。Base64 并不是安全領(lǐng)域下的加密解密算法，雖然有時候也會經(jīng)?？吹剿^的Base64加密解密算法。其實Base64只能算是一個編碼算法，對數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行編碼來適合網(wǎng)絡(luò)傳輸。雖然Base64編碼過后原文也變成無法直接理解的字符格式，但是這種編碼方式比較初級，很簡單，很容易就可以被還原成原文，所以如果有比較重要的信息需要加密，一定要使用我們之前文章中介紹的那些加密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的安全保護(hù)。
Base64 編碼實現(xiàn)
Java語言中有多個庫實現(xiàn)了Base64編碼，不管哪一個庫，最終的結(jié)果都是一樣的。
JDK 提供的 Base64 編碼實現(xiàn)：
- public static String encode(String data) {
- return Base64.getEncoder().encodeToString(data.getBytes());
- }
- public static String decode(String base64Data) {
- return new String(Base64.getDecoder().decode(base64Data));
- }
Bouncy Castle 提供的 Base64 編碼實現(xiàn)：
- public static String encode(String data) {
- return new String(Base64.encode(data.getBytes()));
- }
- public static String decode(String base64Data) {
- return new String(Base64.decode(base64Data));
- }
Commons Codec 提供的 Base64 編碼實現(xiàn)：
- public static String encode(String data) {
- return Base64.encodeBase64String(data.getBytes());
- }
- public static String decode(String base64Data) {
- return new String(Base64.decodeBase64(base64Data));
- }
下面讓我們用Java語言的實現(xiàn)來驗證一下，我們第二章節(jié)的推理是否正確吧，代碼如下：
- public static void main(String[] args) {
- String ftd = "FTD";
- String ft = "FT";
- String f = "F";
- System.out.println("FTD base64 編碼:" + encode(ftd));
- System.out.println("FT base64 編碼:" + encode(ft));
- System.out.println("F base64 編碼:" + encode(f));
- }
輸出結(jié)果為：
- FTD base64 編碼:RlRE
- FT base64 編碼:RlQ=
- F base64 編碼:Rg==
可以看到，和我們分析所得的結(jié)果是完全一樣的。
查看完整代碼請訪問：
https://github.com/ForTheDevelopers/JavaSecurity
總結(jié)
Base64是我們在工作中經(jīng)常用到，但是很少有人會深入研究一下它的實現(xiàn)原理，如果理解不當(dāng)，甚至可能還會有人用它當(dāng)做加解密用到業(yè)務(wù)系統(tǒng)關(guān)鍵位置，可能會引發(fā)比較嚴(yán)重的后果，相信大家看完上述的內(nèi)容后，應(yīng)該對Base64編碼已經(jīng)有了深刻的理解了吧。
本文名稱：一文帶你讀懂Base64編碼
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