一文搞懂Base64编码原理

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2021-08-24 01:22

Base64是最常见的用于传输8Bit字节码的编码方式之一,它是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的方法。

Base64是什么

Base64编码,是由64个字符组成编码集:26个大写字母A~Z,26个小写字母a~z,10个数字0~9,符号“+”与符号“/”。Base64编码的基本思路是将原始数据的三个字节拆分转化为四个字节,然后根据Base64的对应表,得到对应的编码数据。

当原始数据凑不够三个字节时,编码结果中会使用额外的符号“=”来表示这种情况。

Base64编码表

码值 字符 码值 字符 码值 字符
0 A 26 a 52 0
1 B 27 b 53 1
2 C 28 c 54 2
3 D 29 d 55 3
4 E 30 e 56 4
5 F 31 f 57 5
6 G 32 g 58 6
7 H 33 h 59 7
8 I 34 i 60 8
9 J 35 j 61 9
10 K 36 k 62 +
11 L 37 l 63 /
12 M 38 m

13 N 39 n

14 O 40 o

15 P 41 p

16 Q 42 q

17 R 43 r

18 S 44 s

19 T 45 t

20 U 46 u

21 V 47 v

22 W 48 w

23 X 49 x

24 Y 50 y

25 Z 51 z

Base64编码步骤

  • 将原始数据按照每三个字节作为一组进行划分,每组一共是24个二进制位。
  • 再将这24个二进制位,每6个一划分,分为四组(6×4=24个二进制位)。
  • 然后在每组前面补上00,扩展成8×4=32个二进制位,即四个字节(因为每个字节前面有2个0,所以每个字节的最大值是63)。
  • 最后根据Base64编码表,将这四个字节的码值,转换为对应的Base64的字符即可。

Base64编码过程举例

情况1:正常的3个字节编码

将单词“PCB”转换为Base64编码:

  • "P"、"C"、"B"的ASCII值分别是80、67、66,对应的二进制值是0101 0000、0100 0011、0100 0010,将它们连成一个24位的二进制字符串010100000100001101000010。

  • 将这个24位的二进制字符串,每6个一组分成4组:010100、000100、001101、000010。

  • 在每组前面加两个00,扩展成32个二进制位,即四个字节:00010100、00000100、00001101、00000010。它们的十进制值分别是19、22、5、46。(最前面加上两个0只是为了凑成一个字节,实际上其本身的数值是没有变化的)

  • 根据上表,得到每个值对应Base64编码,即U、E、N、C。

情况2:剩余2个字节编码

对于2个字节(16个二进制数)的情况,比如将“PC”转换为Base64编码:

转换方法同上,区别在于:

  • 16个二进制数,每6个一组分割,最后剩余4个,这时再在后面补两个0凑成6个。
  • 然后还按照基础的方法转换,最后补一个“=”即可

转换过程如下表,最终将“PC”转换为了“UEM=”

情况3:剩余1个字节编码

对于12个字节(8个二进制数)的情况,比如将“P”转换为Base64编码:

转换方法同上,区别在于:

  • 16个二进制数,每6个一组分割,最后剩余2个,后面要再补4个0
  • 然后还按照基础的方法转换,最后补两个“=”即可

转换过程如下表,最终将“P”转换为了“UA==”



Base64编解码C程序

编码程序

编码的程序设计思路,就是按照上面讲解的编码过程,每3个原始字符为一组,进行编码,得到4个base64的字符。对于不够3个字符的情况,编码的base64的字符后面补上一到两个=号。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

/*base64符号表*/
const char *base64Arr = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/";
/*base64增补符号*/
const char paddingChar = '=';

/** @func: base64_encode
* @brief: base64编码
* @para: [srcData]:要进行编码的原始数据
* [resBase64]:base64编码结果
* @return:none
*/

void base64_encode(const unsigned char * srcData, char * resBase64)
{
int i=0; /*原始数据索引*/
int j=0; /*base64结果索引*/
unsigned char transIdx=0; // 索引是8位,但是高两位都为0
const int srcLen = strlen((const char*)srcData);

/*每3个一组,进行编码*/
for(i=0; i < srcLen; i+=3)
{
/*取出第1个字符的高6位*/
transIdx = ((srcData[i] >> 2) & 0x3f); /*0011 1111*/
/*查表*/
resBase64[j++] = base64Arr[(int)transIdx];

/*取出第1个字符的低2位*/
transIdx = ((srcData[i] << 4) & 0x30); /*0011 0000*/

/*第1个字符后面还有字符*/
if (i + 1 < srcLen)
{
/*取出第2个字符的高4位,并与第1个字符的低2位进行组合*/
transIdx |= ((srcData[i + 1] >> 4) & 0x0f); /*0000 1111*/
/*查表*/
resBase64[j++] = base64Arr[(int)transIdx];
}
else /*第1个字符后面没有字符了*/
{
/*直接使用第1个字符的低2位查表*/
resBase64[j++] = base64Arr[(int)transIdx];
/*然后补上两个=号*/
resBase64[j++] = paddingChar;
resBase64[j++] = paddingChar;
break; /*没有数据了,break结束*/
}
/*取出第2个字符的低4位*/
transIdx = ((srcData[i + 1] << 2) & 0x3c); /*0011 1100*/
/*第2个字符后面还有字符*/
if (i + 2 < srcLen)
{
/*取出第3个字符的高2位,并与第2个字符的低4位进行组合*/
transIdx |= ((srcData[i + 2] >> 6) & 0x03); /*0000 0011*/
/*查表*/
resBase64[j++] = base64Arr[(int)transIdx];
/*取出第3个字符的低6位*/
transIdx = srcData[i + 2] & 0x3f; /*0011 1111*/
/*查表*/
resBase64[j++] = base64Arr[(int)transIdx];
}
else /*第2个字符后面没有字符了*/
{
/*直接使用第2个字符的低4位查表*/
resBase64[j++] = base64Arr[(int)transIdx];
/*然后补上一个=号*/
resBase64[j++] = paddingChar;
break; /*没有数据了,break结束*/
}
}

/*结束符*/
resBase64[j] = '\0';
}

解码程序

解码的程序设计思路,其实就是编码的反过程,把要解码的base64符号,每4个为一组,译码成3个字符。对于最后出现的=的情况,就说明是要结束了,直接使用剩余的base64符号进行译码,然后就结束了。

/** @func:  idx_in_base64Arr
* @brief: 在base64符号表中查找字符c对应的索引值
* @para: [c]:要查找的字符
* @return:字符c在base64符号表中对应的索引值(0~63)
*/

int idx_in_base64Arr(char c)
{
/*在base64表中搜索第一次出现字符c的位置*/
const char *pIdx = strchr(base64Arr, c);
if (NULL == pIdx)
{
/*找不到对应的base64字符,说明输入的base64字符串有误*/
return -1;
}

/*返回字符c在base64表中的位置*/
return (pIdx - base64Arr);
}

/** @func: base64_decode
* @brief: base64解码
* @para: [srcBase64]:要进行解码的原始base64数据
* [resData]:解码出的结果
* @return:none
*/

void base64_decode(const char *srcBase64, unsigned char *resData)
{
int i = 0; /*原始base64数据索引*/
int j = 0; /*解码后的结果数据索引*/
int trans[4] = {0,0,0,0}; /*4个base64符号对应的表中的位置(0~63的数字)转换值*/

/*base64符号每4个一组,译码成3个字符*/
for (i=0; srcBase64[i]!='\0'; i+=4)
{
/*------译码第1个字符------*/
/*前2个base64符号在表中的位置(0~63的数字)*/
trans[0] = idx_in_base64Arr(srcBase64[i]);
trans[1] = idx_in_base64Arr(srcBase64[i+1]);

/*第1个符号的后6位,与第2个符号的6、5位,译出第1个字符*/
resData[j++] = ((trans[0] << 2) & 0xfc) | ((trans[1]>>4) & 0x03); /*1111 1100 0000 0011 */

/*------译码第2个字符------*/
/*第3个base64符号是否是=号*/
if (srcBase64[i+2] != '=')
{
/*第3个base64符号在表中的位置(0~63的数字)*/
trans[2] = idx_in_base64Arr(srcBase64[i + 2]);
}
else
{
break;/*没有数据了,break结束*/
}
/*第2个符号的后4位,与第3个符号的6、5、4、3位,译出第2个字符*/
resData[j++] = ((trans[1] << 4) & 0xf0) | ((trans[2] >> 2) & 0x0f); /*1111 0000 0000 1111*/

/*------译码第3个字符------*/
/*第4个base64符号是否是=号*/
if (srcBase64[i + 3] != '=')
{
/*第4个base64符号在表中的位置(0~63的数字)*/
trans[3] = idx_in_base64Arr(srcBase64[i + 3]);
}
else
{
break;/*没有数据了,break结束*/
}
/*第3个符号的后2位,与第4个符号的后6位,译出第3个字符*/
resData[j++] = ((trans[2] << 6) & 0xc0) | (trans[3] & 0x3f); /*1100 0000 0011 1111*/
}

/*结束符*/
resData[j] = '\0';
}

测试程序

使用字符串“PCB”进行base64编码测试,然后再将编码得到的结果,进行解码测试。

/*测试*/
int main()
{
/*定义要进行base64编码的字符串*/
const unsigned char *srcData = "PCB" ;

/*先测试编码*/
char base64[128];
base64_encode(srcData, base64);
printf("base64编码:%s\n",base64);

/*再测试解码*/
char resData[128];
base64_decode(base64, (unsigned char*)resData);
printf("base64解码:%s", resData);

return 0;
}

输出结果如下,可以看出,“PCB”进行base64编码,得到了“UENC”,然后再反向解码,又得到了“PCB”

base64编码:UENC
base64解码:PCB
--------------------------------
Process exited after 0.01123 seconds with return value 0
请按任意键继续. . .

完整程序可从我的gitee仓库下载(点击阅读原文,直达代码仓库~)


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