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。
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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
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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~)