Base64原理和實現

xshlife2發表於2020-12-23

Base64已經成為網路上常見的傳輸8bit位元組的編碼方式之一。一般在做資料的傳輸時，系統之間的報文互動都需要使用Base64對明文進行編碼，然後再進行加密，最後才傳輸。那麼Base64的作用是什麼？

在資料傳輸時經常遇到一類情況：使用全ASCII英文字母沒問題，但是涉及中文就會亂碼，或者網路傳輸的字元並不完全時可列印的字元，如二進位制檔案、圖片等。Base64就是為了解決此問題，它是基於64個可列印的字元來表示二進位制的資料的一種方法。

電子郵件剛問世時，只能傳輸英文，但後來隨著使用者增加，中文、日文等文字也有需求，但這些字元並不能被伺服器或閘道器有效處理，這時候Base64就登場了。之後，Base在URL、Cookie、網頁傳輸小二進位制檔案也由廣泛使用。

Base64 編碼原理
Base64的原理比較簡單，Base64演算法中通常都會定義一個類似這樣的陣列：

cpp
[‘A’, ‘B’, ‘C’, … ‘a’, ‘b’, ‘c’, … ‘0’, ‘1’, … ‘+’, ‘/’]
Base64的字元索引表如下：

Base64字元索引表
Base64字元索引表

以上字符集選用了A-Z、a-z、0-9、+、/ 64個可列印字元，這是標準的Base64協議規定。在平時使用中我們還會看到=或==號出現在Base64的編碼結果中，=在此是作為填充字元出現，下面會提到。

具體轉換步驟

步驟1：將待轉換的字串每3個位元組分為一組，每個位元組佔用8bit，總共佔用24bit。

步驟2：將總的24bit每6bit分為一組，共分為4組。

步驟3：在每組前面新增兩個0，每組由6bit變為8bit二進位制位，共32bit，即4個位元組。

步驟4：根據Base64編碼對照表獲得對應的值。

從上面的步驟中可發現：

Base64字元表中的字元原本用6個bit就可以表示，現在前面新增了2個0，變為8bit，會造成一定浪費。Base64編碼後的字串，比原文大約大三分之一。

為什麼使用3個位元組一組呢？因為6和8的最小公倍數是24，三個位元組正好24個二進位制位，每6bit一組，恰好能夠分為4組。

Base64 示例說明
從下圖為例，具體分析Base64編碼過程。

Base64編碼1
Base64編碼1

第一步：M、a、n對應的ASCII碼分別是77、97、110。對應的二進位制分別是01001101、01100001、01101110。如圖第二三行所示，由此組成一個24位的二進位制字串。

第二部：將24位每6位分成一組，共四組。

第三步：上面4組每一組前面補兩個0，擴充套件成32個二進位制位，此時變成4個位元組：00010011、00010110、00000101、00101110。分別對應的值（如圖Base64編碼索引）為：19、22、5、46。

第四步：用上面的值在Base64編碼表中進行查詢，分別對應：T、W、F、u。因此字串Man通過Base64編碼之後就變為TWFu。

位數不足情況

上面是按照三個位元組來舉例說明的，如果位元組數不足3個，如何處理？

Base64編碼2
Base64編碼2

兩個位元組：兩個位元組共16位二進位制，依舊按照規則進行分組。此時共16個bit位，每6個一組，則第三組缺少兩位用0補齊，得到三個Base64編碼，第四組完全沒有資料則用“=”補上。因此，上圖中字串“BC”通過Base64編碼後為“QKM=”。

一個位元組：一個位元組共8個二進位制位，依舊按照規則進行分組。此時共8個bit位，每6個一組，則第二組缺少4位，用0補齊，得到兩個Base64編碼，而後面兩組沒有對應資料都用“=”補上。因此，上圖中“A”轉換之後為“QQ==”。

注意事項

大多數編碼都是由字串轉化成二進位制的過程，而Base64的編碼則是從二進位制轉換為字串。與常規恰恰相反，Base64編碼主要用在傳輸、儲存、表示二進位制領域，不能算得上加密，只是無法直接看到明文。也可以通過打亂Base64編碼來進行加密。
中文有多種編碼（例如utf-8、gb2312、gbk等），不同編碼對應Base64編碼結果不一樣。
延伸

上面已經看到了Base64就是用6位（2的6次冪就是64）表示字元，因此成為Base64。同理，Base32就是用5位，Base16就是用4位。都可以按照上面的步驟進行演化。

Base64 詳細實現
Base64.h

cpp
#pragma once
#include

class CBase64
{
public:
public:
CBase64();
~CBase64();

/*編碼
DataByte
[in]輸入的資料長度,以位元組為單位
*/
std::string Encode(const char *Data, int DataByte);

/*解碼
DataByte
[in]輸入的資料長度,以位元組為單位
OutByte
[out]輸出的資料長度,以位元組為單位,請不要通過返回值計算
輸出資料的長度
*/
std::string Decode(const char *Data, int DataByte, int &OutByte);

};
Base64.cpp

cpp
#include “Base64.h”

CBase64::CBase64(){}

CBase64::~CBase64(){}

std::string CBase64::Encode(const char *Data, int DataByte)
{
//編碼表
const char EncodeTable[] = “ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/”;
//返回值
std::string strEncode;
unsigned char Tmp[4] = {0};
int LineLength = 0;
for (int i = 0; i < (int)(DataByte / 3); i++)
{
Tmp[1] = *Data++;
Tmp[2] = *Data++;
Tmp[3] = *Data++;
strEncode += EncodeTable[Tmp[1] >> 2];
strEncode += EncodeTable[((Tmp[1] << 4) | (Tmp[2] >> 4)) & 0x3F];
strEncode += EncodeTable[((Tmp[2] << 2) | (Tmp[3] >> 6)) & 0x3F];
strEncode += EncodeTable[Tmp[3] & 0x3F];
if (LineLength += 4, LineLength == 76)
{
strEncode += “\r\n”;
LineLength = 0;
}
}
//對剩餘資料進行編碼
int Mod = DataByte % 3;
if (Mod == 1)
{
Tmp[1] = *Data++;
strEncode += EncodeTable[(Tmp[1] & 0xFC) >> 2];
strEncode += EncodeTable[((Tmp[1] & 0x03) << 4)];
strEncode += “==”;
}
else if (Mod == 2)
{
Tmp[1] = *Data++;
Tmp[2] = *Data++;
strEncode += EncodeTable[(Tmp[1] & 0xFC) >> 2];
strEncode += EncodeTable[((Tmp[1] & 0x03) << 4) | ((Tmp[2] & 0xF0) >> 4)];
strEncode += EncodeTable[((Tmp[2] & 0x0F) << 2)];
strEncode += “=”;
}

return strEncode;

}

std::string CBase64::Decode(const char *Data, int DataByte, int &OutByte)
{
//解碼錶
const char DecodeTable[] =
{
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
62, // ‘+’
0, 0, 0,
63, // ‘/’
52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, // ‘0’-‘9’
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12,
13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, // ‘A’-‘Z’
0, 0, 0, 0, 0, 0,
26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38,
39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, // ‘a’-‘z’
};
//返回值
std::string strDecode;
int nValue;
int i = 0;
while (i < DataByte)
{
if (*Data != ‘\r’ && *Data != ‘\n’)
{
nValue = DecodeTable[*Data++] << 18;
nValue += DecodeTable[*Data++] << 12;
strDecode += (nValue & 0x00FF0000) >> 16;
OutByte++;
if (*Data != ‘=’)
{
nValue += DecodeTable[*Data++] << 6;
strDecode += (nValue & 0x0000FF00) >> 8;
OutByte++;
if (*Data != ‘=’)
{
nValue += DecodeTable[*Data++];
strDecode += nValue & 0x000000FF;
OutByte++;
}
}
i += 4;
}
else // 回車換行,跳過
{
Data++;
i++;
}
}
return strDecode;
}
測試main.cpp，假設D盤下有一張圖片為：my.png

cpp
int main()
{
ifstream inf;
inf.open(“D:\my.png”, ios::in | ios::binary);
inf.seekg(0, std::ios_base::end);
std::streampos sp = inf.tellg();
int readsize = sp;
//得到長度後，重新定位指標到檔案頭
inf.seekg(0, std::ios_base::beg);
char *readBuf = new char[readsize];
inf.read(readBuf, readsize);

CBase64 base;

std::string strData = "";
//對緩衝區編碼
strData = base.Encode((const char *)readBuf, readsize);
delete[] readBuf;
cout << strData << endl;
//對緩衝區解碼
int dataLen(0);
string strDecode = base.Decode(strData.data(), strData.size(), dataLen);

ofstream outf;
outf.open("D:\\you.png", ios::out | ios::binary);
outf.write(strDecode.data(), strDecode.size());

inf.close();
outf.close();

return 0;

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