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计算机编码规则之:Base64编码

2022-04-11 13:50 1111 查看

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简介

我们知道计算机中的文件可以分为两种，一种是人肉眼可读的文本类文件，一种是肉眼不可读的二进制文件。一般来说二进制文件如果用文本编辑器打开的话会显示乱码，并且二进制文件和文本文件的存储和传输方式是不一样的，那么有没有什么办法将二进制文件转换成为文本文件进行传输或者存储呢？答案是肯定的。

这种编码方式就是我们今天要讲到的Base64编码。

Base64和它的编码原理

Base64是一种将二进制编码格式转换为text编码的一种形式。我们知道二进制编码是0和1的形式，它的单位通常是一个字节，也就是8bits，每个bit表示的是0或者1。

而文本编码的格式有很多种，最早也就是最简单的编码格式就是ASCII编码，ASCII编码的全称是American Standard Code for Information Interchange,也就是美国信息交换标准代码,它主要表示的是常用的一些西欧字符。

ASCII的编码范围是0x00-0x7F,用十进制来表示就是0-127，总共128个字符，刚好是7bits表示的范围。

ASCII编码中包含了33个控制字符和95个可打印的字符,如下所示：

ASCII码 含义 ASCII码 含义
16进制 10进制 2进制 16进制 10进制 2进制
0x00 0 0 NUL 空 0x40 64 1000000 @
0x01 1 1 SOH 标题开始 0x41 65 1000001 A
0x02 2 10 STX 正文开始 0x42 66 1000010 B
0x03 3 11 ETX 正文结束 0x43 67 1000011 C
0x04 4 100 EOT 传输结束 0x44 68 1000100 D
0x05 5 101 ENQ 询问字符 0x45 69 1000101 E
0x06 6 110 ACK 承认 0x46 70 1000110 F
0x07 7 111 BEL 报警 0x47 71 1000111 G
0x08 8 1000 BS 退一格 0x48 72 1001000 H
0x09 9 1001 HT 横向制表 0x49 73 1001001 I
0x0A 10 1010 LF 换行 0x4A 74 1001010 J
0x0B 11 1011 VT 垂直制表 0x4B 75 1001011 K
0x0C 12 1100 FF 走纸控制 0x4C 76 1001100 L
0x0D 13 1101 CR 回车 0x4D 77 1001101 M
0x0E 14 1110 SO 移位输出 0x4E 78 1001110 N
0x0F 15 1111 SI 移位输入 0x4F 79 1001111 O
0x10 16 10000 DLE 数据链路转义 0x50 80 1010000 P
0x11 17 10001 DC1 设备控制1 0x51 81 1010001 Q
0x12 18 10010 DC2 设备控制2 0x52 82 1010010 R
0x13 19 10011 DC3 设备控制3 0x53 83 1010011 S
0x14 20 10100 DC4 设备控制4 0x54 84 1010100 T
0x15 21 10101 NAK 否定 0x55 85 1010101 U
0x16 22 10110 SYN 空转同步 0x56 86 1010110 V
0x17 23 10111 ETB 信息组传送结束 0x57 87 1010111 W
0x18 24 11000 CAN 作废 0x58 88 1011000 X
0x19 25 11001 EM 纸尽 0x59 89 1011001 Y
0x1A 26 11010 SUB 换置 0x5A 90 1011010 Z
0x1B 27 11011 ESC 换码 0x5B 91 1011011 [
0x1C 28 11100 FS 文字分隔符 0x5C 92 1011100 \
0x1D 29 11101 GS 组分隔符 0x5D 93 1011101 ]
0x1E 30 11110 RS 记录分隔符 0x5E 94 1011110 ^
0x1F 31 11111 US 单元分隔符 0x5F 95 1011111 _
0x20 32 100000 (space) 0x60 96 1100000 `
0x21 33 100001 ！ 0x61 97 1100001 a
0x22 34 100010 ” 0x62 98 1100010 b
0x23 35 100011 # 0x63 99 1100011 c
0x24 36 100100 $ 0x64 100 1100100 d
0x25 37 100101 % 0x65 101 1100101 e
0x26 38 100110 & 0x66 102 1100110 f
0x27 39 100111 ' 0x67 103 1100111 g
0x28 40 101000 ( 0x68 104 1101000 h
0x29 41 101001 ) 0x69 105 1101001 i
0x2A 42 101010 * 0x6A 106 1101010 j
0x2B 43 101011 + 0x6B 107 1101011 k
0x2C 44 101100 , 0x6C 108 1101100 l
0x2D 45 101101 - 0x6D 109 1101101 m
0x2E 46 101110 . 0x6E 110 1101110 n
0x2F 47 101111 / 0x6F 111 1101111 o
0x30 48 110000 0 0x70 112 1110000 p
0x31 49 110001 1 0x71 113 1110001 q
0x32 50 110010 2 0x72 114 1110010 r
0x33 51 110011 3 0x73 115 1110011 s
0x34 52 110100 4 0x74 116 1110100 t
0x35 53 110101 5 0x75 117 1110101 u
36 54 110110 6 0x76 118 1110110 v
0x37 55 110111 7 0x77 119 1110111 w
0x38 56 111000 8 0x78 120 1111000 x
0x39 57 111001 9 0x79 121 1111001 y
0x3A 58 111010 : 0x7A 122 1111010 z
0x3B 59 111011 ; 0x7B 123 1111011 {
0x3C 60 111100 < 0x7C 124 1111100 |
0x3D 61 111101 = 0x7D 125 1111101 }
0x3E 62 111110 > 0x7E 126 1111110 ~
0x3F 63 111111 ? 0x7F 127 1111111 DEL 删除

Base64就是从ASCII编码中挑选出64个字符和二进制一个字节8bits进行映射,这也就是Base64中64的含义。为什么要选择ASCII编码呢？这是因为ASCII编码是最早出现的编码形式，几乎所有的计算机应用都对其完全支持，不会出现数据传输过程中的内容转换，非常的安全。

当然Base64编码也有多种编码形式，比如在MIME中，Base64选择的是A-Z, a-z, 和 0-9 总共62个字符，再加上其他自选的两个字符组成了64个编码字符。

64个字符用二进制表示是6bits,而常用的二进制使用一个字节来表示，也就是8bits，那么问题来了，怎么将8bits的二进制用6bits的Base64字符来表示呢？

很简单，我们只需要将3个8bits连接起来，变成24bits，这样就可以用4个Base64来表示了。

为什么必须对二进制进行转换呢？这是因为互联网中的某些传输协议只支持某些特定的字符集，如果是其他的字符集是不支持的。比如说常用的发送电子邮件的附件。因为SMTP协议最开始设计的时候是支持7 位 ASCII 字符,所以如果要传输文件的话，我们需要对文件进行编码之后再进行传输。

另外Base64的一种用法就是在HTML中将图片嵌入到网页中，从而实现图片的展示。

虽然Base64很好用，但是因为其只能使用6bits的字符映射集，所以会造成数据映射的损失，从而导致二进制文件编码过后文件体积变大的缺点。

Base64的变体

Base64简单点说就是bit到bit之间的映射，那么肯定不止一种映射方式，我们来看下Base64编码方式的各种变体，通常来说前62位基本上是一样的，不同之处在后面两个字符，以及用于填充的字符（这在某些协议中可能是强制性的，或者在其他协议中可能被删除）。

下表是常见的Base64编码的变体：

编码名称 编码字符 编码字符 编码字符
第62位 第63位 补全符
RFC 1421: Base64 for Privacy-Enhanced Mail (deprecated) 
+
 
/
 
=
mandatory
RFC 2045: Base64 transfer encoding for MIME 
+
 
/
 
=
mandatory
RFC 2152: Base64 for UTF-7 
+
 
/
 No
RFC 3501: Base64 encoding for IMAP mailbox names 
+
 
,
 No
RFC 4648: base64 (standard) 
+
 
/
 
=
optional
RFC 4648: base64url (URL- and filename-safe standard) 
-
 
_
 
=
optional
RFC 4880: Radix-64 for OpenPGP 
+
 
/
 
=
mandatory

Base64的编码细节

上一节我们讲到了Base64编码的基本原则和一些常见的变体，那么到底是如何进行映射的呢？

本节我们会以Base64的标准形式RFC 4648为例来进行详细的讲解。

RFC 4648选择+和/这两个字符作为编码中的第62位和63位，并且选择=作为补全字符。

首先来观察一下RFC 4648的映射表:

索引 二进制 字符 索引 二进制 Char 索引 二进制 Char 索引 二进制 Char
0 000000 
A
 16 010000 
Q
 32 100000 
g
 48 110000 
w
1 000001 
B
 17 010001 
R
 33 100001 
h
 49 110001 
x
2 000010 
C
 18 010010 
S
 34 100010 
i
 50 110010 
y
3 000011 
D
 19 010011 
T
 35 100011 
j
 51 110011 
z
4 000100 
E
 20 010100 
U
 36 100100 
k
 52 110100 
0
5 000101 
F
 21 010101 
V
 37 100101 
l
 53 110101 
1
6 000110 
G
 22 010110 
W
 38 100110 
m
 54 110110 
2
7 000111 
H
 23 010111 
X
 39 100111 
n
 55 110111 
3
8 001000 
I
 24 011000 
Y
 40 101000 
o
 56 111000 
4
9 001001 
J
 25 011001 
Z
 41 101001 
p
 57 111001 
5
10 001010 
K
 26 011010 
a
 42 101010 
q
 58 111010 
6
11 001011 
L
 27 011011 
b
 43 101011 
r
 59 111011 
7
12 001100 
M
 28 011100 
c
 44 101100 
s
 60 111100 
8
13 001101 
N
 29 011101 
d
 45 101101 
t
 61 111101 
9
14 001110 
O
 30 011110 
e
 46 101110 
u
 62 111110 
+
15 001111 
P
 31 011111 
f
 47 101111 
v
 63 111111 
/
补全符 =

我们来以单词man为例，来观察一下Base64的编码流程。

man这个单词在ASCII中分别用77, 97和110表示，转换成为二进制就是01001101, 01100001 和 01101110。

将上面的三个二进制合并在一起就成了：010011010110000101101110, 总共24-bit，从上面的表中选择出对应的字符,所以我们可以得到man经过base64编码之后得到：TWFu。

上面的例子中，man刚好是3个字符，也就是24个bits，可以用base64完整的表示。如果我们只有ma这两个字符，应该怎么进行编码呢？

和上面一样，ma的二进制分别是01001101, 01100001，合并起来就是0100110101100001。

但是上面的bits只有16位，因为一个base64是6bits，所以可以用3个base64来表示，因为原始的bits少了两位，所以用0来补全：

0100110101100001+00 = 010011010110000100。

010011010110000100转换成为base64就是TWE，因为base64编码需要4个字符，所以最后的字符用=来补全，也就是说me经过base64之后变成TWE=。

总结

以上就是Base64的基本含义和转换规则，其实协议很简单，将要转换的数据变成二进制，然后对照转换表格进行转换和补全即可。

本文已收录于 http://www.flydean.com/18-base64-encoding/

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