第二节：BASE64

目录

• 如何直接区分出Base16、Base32、Base64编码呢?
• base64填充
• 65个字符
• 缺点
• Base64码表
• 代码样例
  • Java
  • JavaScript（CryptoJS）
  • Rust
  • Python
• 更多的Base编码
  • Base58
  • Base58 代码样例

如何直接区分出Base16、Base32、Base64编码呢?

• ASCII 是用128（2^8）个字符，对二进制数据进行编码的方式
• Base64编码是用64（2^6）个字符，对二进制数据进行编码的方式
• Base32就是用32（2^5）个字符，对二进制数据进行编码的方式
• Base16就是用16（2^4）个字符，对二进制数据进行编码的方式

因此可以从编码字符的数量方面入手，对于base16，用于编码的字符只有：1-9，A-F ,只有简单的15个字符。
对于base32而言，编码字符有了明显改变，由base16的类型转变为了A-Z,2-7。
作为base系列中最完善的base64编码，是在base32的基础上，增加了”a-z,0,1,8,9,+,/“，以及特殊填充字符”=”。

Base64是一种基于64个（再加上作为填充字的"="，实际上是 65 个字符）可打印字符来表示二进制数据的编码算法。

Base64不是加密算法，其仅仅是一种编码方式，是一种公开的算法。

base64填充

Base64 编码将一个8位子节序列拆散为6位的片段，并为每个6位的片短分配一个字符，这个字符是Base-64字母表中的64个字符之一。

由于 2⁶ = 64 ，所以每 6 个比特为一个单元，对应某个可打印字符。3 个字节有 24 个比特，对应于 4 个 base64 单元，即 3 个字节可由 4 个可打印字符来表示。

标准的 base64每行为 76个字符。每行末尾添加一个回车换行符(\r\n)。

基于“=”的填充机制，我们可以通过观察Base64编码的字符串最后有几个“=”来判断最后一组24位中有几个“填充字节”。

转换过程如图：

base64_convert

base64编码收到一个8位字节序列，将这个二进制序列流划分成6位的块。
二进制序列有时不能正好平均地分为6位的块，在这种情况下，就在序列末尾填充零位，使二进制序列的长度成为24的倍数(6和8的最小公倍数)。

对已填充的二进制进行编码时，任何完全填充(不包括原始数组中的位)的6位组都有特殊的第65个符号”=”表示。 如果6位组是部分填充的，就将填充位设置为0.

特别注意，Base64编码后的文本的长度总是4的倍数。

原始数据         二进制数据              Base64数据
a:a -- 011000 010011 101001 100001 -- YTph

a:aa -- 011000 010011 101001 100001 011000 01xxxx xxxxxx xxxxxx -- YTphYQ==

a:aaa -- 011000 010011 101001 100001 011000 010110 0001xx xxxxxx -- YTphYWE=

a:aaaa -- 011000 010011 101001 100001 011000 010110 000101 1000001 -- YTphYWFh  

对于base系列的编码解码，可在下面的在线网站进行解码：
base在线编码

65个字符

• 大写字母 A-Z 26个
• 小写字母 a-z 26个
• 数字 0-9 10个
• 符号 "+" 1个
• 符号 "/" 1个
• 填充字 "="

Base64 常用于在处理文本数据的场合，表示、传输、存储一些二进制数据，包括 MIME 的电子邮件及 XML 的一些复杂数据。在 MIME 格式的电子邮件中，base64 可以用来将二进制的字节序列数据编码成 ASCII 字符序列构成的文本。使用时，在传输编码方式中指定 base64。

所以说它本质上是一种将二进制数据转成文本数据的方案。

缺点

Base64编码的缺点是传输效率会降低，因为它把原始数据的长度增加了1/3。

如果把Base64的64个字符编码表换成32个、48个或者58个，就可以使用Base32编码，Base48编码和Base58编码。
字符越少，编码的效率就会越低。

Base64码表

可以看到从0到63的每个数字都对应一个上面的一个字符。

base64_index

代码样例

Java

public static void main(String[] args) {
    baseLen3();
    baseLenMore();
    urlEncoder();
}

private static void baseLen3() {
    byte[] input = new byte[] { (byte) 0xe4, (byte) 0xb8, (byte) 0xad };

    String b64encoded = Base64.getEncoder().encodeToString(input);
    System.out.println(b64encoded);
    Preconditions.checkArgument(
            StringUtils.equals("5Lit", b64encoded), "不符合期望");

    byte[] output = Base64.getDecoder().decode(b64encoded);
    String rs = Arrays.toString(output);
    System.out.println(rs); // [-28, -72, -83]

    Preconditions.checkArgument(
            StringUtils.equals("[-28, -72, -83]", rs), "不符合期望");
}

private static void baseLenMore() {
    String source = "张三目前在观看BBC纪录片：《海洋世界》.";
    byte[] input = source.getBytes();

    // 编码
    String b64encoded = Base64.getEncoder().encodeToString(input);
    // Base64编码的时候可以用withoutPadding()去掉=
    String b64encoded2 = Base64.getEncoder().withoutPadding().encodeToString(input);
    System.out.println(b64encoded);
    Preconditions.checkArgument(
            StringUtils.equals(b64encoded, "5byg5LiJ55uu5YmN5Zyo6KeC55yLQkJD57qq5b2V54mH77ya44CK5rW35rSL5LiW55WM44CLLg=="), "不符合期望");
    System.out.println(b64encoded2);

    // 解码
    byte[] output = Base64.getDecoder().decode(b64encoded2);
    String rs = new String(output);
    System.out.println(rs);
    Preconditions.checkArgument(
            StringUtils.equals(source, rs), "不符合期望");
}

/**
 * 因为标准的Base64编码会出现+、/和=，所以不适合把Base64编码后的字符串放到URL中。
 *
 * 一种针对URL的Base64编码可以在URL中使用的Base64编码，它仅仅是把+变成-，/变成_：
 */
private static void urlEncoder() {
    String source = "张三目前在观看BBC纪录片：https://海洋世界.com.";
    byte[] input = source.getBytes();

    // 编码
    String b64encoded = Base64.getUrlEncoder().encodeToString(input);
    System.out.println(b64encoded);
    Preconditions.checkArgument(
            StringUtils.equals(b64encoded, "5byg5LiJ55uu5YmN5Zyo6KeC55yLQkJD57qq5b2V54mH77yaaHR0cHM6Ly_mtbfmtIvkuJbnlYwuY29tLg=="), "不符合期望");

    // 解码
    byte[] output = Base64.getUrlDecoder().decode(b64encoded);
    String rs = new String(output);
    System.out.println(rs);
    Preconditions.checkArgument(
            StringUtils.equals(source, rs), "不符合期望");
}

JavaScript（CryptoJS）

// 引用 crypto-js 加密模块
var CryptoJS = require('crypto-js')

function base64Encode() {
    var srcs = CryptoJS.enc.Utf8.parse(text);
    var encodeData = CryptoJS.enc.Base64.stringify(srcs);
    return encodeData
}

function base64Decode() {
    var srcs = CryptoJS.enc.Base64.parse(encodeData);
    var decodeData = srcs.toString(CryptoJS.enc.Utf8);
    return decodeData
}

var text = "I love Python!"

var encodeData = base64Encode()
var decodeData = base64Decode()

console.log("Base64 编码: ", encodeData)
console.log("Base64 解码: ", decodeData)

// Base64 编码:  SSBsb3ZlIFB5dGhvbiE=
// Base64 解码:  I love Python!

Rust

fn main() {
    // 原始数据
    let data = "Hello, World!";

    // 将数据编码为 BASE64
    let encoded = base64::encode(data);
    println!("Encoded: {}", encoded);

    // 解码 BASE64 数据
    match base64::decode(&encoded) {
        Ok(decoded) => {
            match String::from_utf8(decoded) {
                Ok(decoded_string) => {
                    println!("Decoded: {}", decoded_string);
                }
                Err(e) => println!("Error decoding string: {}", e),
            }
        }
        Err(e) => println!("Error decoding base64: {}", e),
    }
}

Python

import base64

def base64_encode(text):
    encode_data = base64.b64encode(text.encode())
    return encode_data


def base64_decode(encode_data):
    decode_data = base64.b64decode(encode_data)
    return decode_data


if __name__ == '__main__':
    text = 'I love Python!'
    encode_data = base64_encode(text)
    decode_data = base64_decode(encode_data)
    print('Base64 编码：', encode_data)
    print('Base64 解码：', decode_data)

# Base64 编码：b'SSBsb3ZlIFB5dGhvbiE='
# Base64 解码：b'I love Python!'

更多的Base编码

除了以上的三种编码外，base系列还有其他的几种： base58,base85,base91,base92，base128。

Base58

• 在Base64的基础上去掉了比较容易混淆的字符
• Base58中不含Base64中的数字 0 ，大写字母 O ，小写字母 l ，大写字母 I ，以及 “+” 和 “/” 两个字符。
• 无法用整字节来转换表示Base58，所以开销会比64和16大得多，但是利于展示地址。

Base58的应用：比特币、Monero、Ripple、Flickr。

base58编码表

Base58的设计目的？
Base58编码，为比特币比特币钱包地址设计的。

• 避免混淆，在某些字体下，数字0和字母大写O，以及字母大写I和字母小写l会非常相似。
• Base64编码中包含"+"和"/"，非字母或数字的字符串作为帐号较难被接受。
• 在邮件系统中，使用字符和数字的组合，不容易换行。
• 双击可以选中整个字符串。

Base58 代码样例

import java.util.Arrays;
 
public class Base58 {
    // Base58编码表
    public static final char[] ALPHABET = "123456789ABCDEFGHJKLMNPQRSTUVWXYZabcdefghijkmnopqrstuvwxyz".toCharArray();
    private static final char ENCODED_ZERO = ALPHABET[0];
    private static final int[] INDEXES = new int[128];
    static {
        Arrays.fill(INDEXES, -1);
        for (int i = 0; i < ALPHABET.length; i++) {
            INDEXES[ALPHABET[i]] = i;
        }
    }
 
    // Base58 编码
    public static String encode(byte[] input) {
        if (input.length == 0) {
            return "";
        }
        // 统计前导0
        int zeros = 0;
        while (zeros < input.length && input[zeros] == 0) {
            ++zeros;
        }
        // 复制一份进行修改
        input = Arrays.copyOf(input, input.length);
        // 最大编码数据长度
        char[] encoded = new char[input.length * 2];
        int outputStart = encoded.length;
        // Base58编码正式开始
        for (int inputStart = zeros; inputStart < input.length;) {
            encoded[--outputStart] = ALPHABET[divmod(input, inputStart, 256, 58)];
            if (input[inputStart] == 0) {
                ++inputStart;
            }
        }
        // 输出结果中有0,去掉输出结果的前端0
        while (outputStart < encoded.length && encoded[outputStart] == ENCODED_ZERO) {
            ++outputStart;
        }
        // 处理前导0
        while (--zeros >= 0) {
            encoded[--outputStart] = ENCODED_ZERO;
        }
        // 返回Base58
        return new String(encoded, outputStart, encoded.length - outputStart);
    }
 
    public static byte[] decode(String input) {
        if (input.length() == 0) {
            return new byte[0];
        }
        // 将BASE58编码的ASCII字符转换为BASE58字节序列
        byte[] input58 = new byte[input.length()];
        for (int i = 0; i < input.length(); ++i) {
            char c = input.charAt(i);
            int digit = c < 128 ? INDEXES[c] : -1;
            if (digit < 0) {
                String msg = "Invalid characters,c=" + c;
                throw new RuntimeException(msg);
            }
            input58[i] = (byte) digit;
        }
        // 统计前导0
        int zeros = 0;
        while (zeros < input58.length && input58[zeros] == 0) {
            ++zeros;
        }
        // Base58 编码转 字节序（256进制）编码
        byte[] decoded = new byte[input.length()];
        int outputStart = decoded.length;
        for (int inputStart = zeros; inputStart < input58.length;) {
            decoded[--outputStart] = divmod(input58, inputStart, 58, 256);
            if (input58[inputStart] == 0) {
                ++inputStart;
            }
        }
        // 忽略在计算过程中添加的额外超前零点。
        while (outputStart < decoded.length && decoded[outputStart] == 0) {
            ++outputStart;
        }
        // 返回原始的字节数据
        return Arrays.copyOfRange(decoded, outputStart - zeros, decoded.length);
    }
 
    // 进制转换代码
    private static byte divmod(byte[] number, int firstDigit, int base, int divisor) {
        int remainder = 0;
        for (int i = firstDigit; i < number.length; i++) {
            int digit = (int) number[i] & 0xFF;
            int temp = remainder * base + digit;
            number[i] = (byte) (temp / divisor);
            remainder = temp % divisor;
        }
        return (byte) remainder;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        byte[] data = new byte[] {0,0,58,0,0,59};
        String dataStr = Base58.encode(data);
        System.out.println("Base58编码后:"+dataStr);
        byte[] ndata = Base58.decode(dataStr);
        for (byte b : ndata) {
            System.out.println(b);
        }
    }
}