BASE64编码与解码

一、什么是Base64？

按照RFC2045的定义，Base64被定义为：Base64内容传送编码被设计用来把任意序列的8位字节描述为一种不易被人直接识别的形式。（The Base64 Content-Transfer-Encoding is designed to represent arbitrary sequences of octets in a form that need not be humanly readable.）

二、为什么要使用Base64？

在设计这个编码的时候，我想设计人员最主要考虑了3个问题：
1.是否加密？
2.加密算法复杂程度和效率
3.如何处理传输？

加密是肯定的，但是加密的目的不是让用户发送非常安全的Email。这种加密方式主要就是“防君子不防小人”。即达到一眼望去完全看不出内容即可。
基于这个目的加密算法的复杂程度和效率也就不能太大和太低。和上一个理由类似，MIME协议等用于发送Email的协议解决的是如何收发Email，而并不是如何安全的收发Email。因此算法的复杂程度要小，效率要高，否则因为发送Email而大量占用资源，路就有点走歪了。
但是，如果是基于以上两点，那么我们使用最简单的恺撒法即可，为什么Base64看起来要比恺撒法复杂呢？这是因为在Email的传送过程中，由于历史原因，Email只被允许传送ASCII字符，即一个8位字节的低7位。因此，如果您发送了一封带有非ASCII字符（即字节的最高位是1）的Email通过有“历史问题”的网关时就可能会出现问题。网关可能会把最高位置为0！很明显，问题就这样产生了！因此，为了能够正常的传送Email，这个问题就必须考虑！所以，单单靠改变字母的位置的恺撒之类的方案也就不行了。关于这一点可以参考RFC2046。
基于以上的一些主要原因产生了Base64编码。

三、算法详解

Base64编码要求把3个8位字节（3*8=24）转化为4个6位的字节（4*6=24），之后在6位的前面补两个0，形成8位一个字节的形式。
具体转化形式间下图：
字符串“张3”
11010101 11000101 00110011

00110101 00011100 00010100 00110011
表1
可以这么考虑：把8位的字节连成一串110101011100010100110011
然后每次顺序选6个出来之后再把这6二进制数前面再添加两个0，就成了一个新的字节。之后再选出6个来，再添加0，依此类推，直到24个二进制数全部被选完。
让我们来看看实际结果：

字符串“张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’
十进制53 十进制34 十进制20 十进制51
表2

这样“张3 ”这个字符串就被Base64表示为”5^\^T3”了么？。错！
Base64编码方式并不是单纯利用转化完的内容进行编码。像’^\’字符是控制字符，并不能通过计算机显示出来，在某些场合就不能使用了。Base64有其自身的编码表：

Table 1: The Base64 Alphabet

索引	对应字符	索引	对应字符	索引	对应字符	索引	对应字符
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

这也是Base64名称的由来，而Base64编码的结果不是根据算法把编码变为高两位是0而低6为代表数据，而是变为了上表的形式。表中，编码的编号对应的是得出的新字节的十进制值。因此，从表2可以得到对应的Base64编码：

字符串“张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’
十进制53 十进制34 十进制20 十进制51
字符’1’ 字符’i’ 字符’U’ 字符’z’
表4

这样，字符串“张3”经过编码后就成了字符串“1iUz”了。
Base64将3个字节转变为4个字节，因此，编码后的代码量（以字节为单位，下同）约比编码前的代码量多了1/3。之所以说是“约”，是因为如果代码量正好是3的整数倍，那么自然是多了1/3。但如果不是呢？
细心的人可能已经注意到了，在The Base64 Alphabet中的最后一个有一个(pad) =字符。这个字符的目的就是用来处理这个问题的。
当代码量不是3的整数倍时，代码量1/3的余数自然就是2或者1（如果是1的时候那么就应该有两个=，如果是2那么就应该有1个=）。转换的时候，结果不够6位的用0来补上相应的位置，之后再在6位的前面补两个0。转换完空出的结果就用“=”来补位。譬如结果若最后余下的为2个字节的“张”：

字符串“张”
11010101 HEX:D5 11000101 HEX:C5

00110101 00011100 00010100
十进制53 十进制34 十进制20 pad
字符’1’ 字符’i’ 字符’U’ 字符’=’
表6

这样，最后的2个字节被整理成了“1iU=”。
同理，若原代码只剩下一个字节，那么将会添加两个“=”（因为Base64编码要求把3个8位字节转化为4个6位的字节，只有一个字节那么，要补足3个字节的量）。只有这两种情况，所以，Base64的编码最多会在编码结尾有两个“=”

至于将Base64的解码，只是一个简单的编码的逆过程，提示：解码的时候当代码量不是3的整数倍时，代码量1/3的余数自然就是2或者1，当余数是2的时候那例如张字：

11010101 HEX:D5 11000101 HEX:C5

00110101 00011100 00010100 （编码的时候标红色的最后两个零就是补上去的）

当余数是1的时候，例如字符“A”

00000101

00000001 00010000 00000000（编码的时候标红色的零就是补上去的）

 

四、补充：凯撒法简介

密码学上有所谓“恺撒法”：是一种简单替换法，把每个字母和它在字母表中后若干个位置中的那个字母相对应。 
比如说我们取后7个位置，那么字母的一一对应就如下表所示：

明码字母表：ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ 
密码字母表：HIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCDEFG