Base64编码详解

Base64编码原理

Base64编码之所以称为Base64，是因为其使用64个字符来对任意数据进行编码，同理有Base32、Base16编码。标准Base64编码使用的64个字符为：

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这64个字符是各种字符编码（比如ASCII编码）所使用字符的子集，基本，并且可打印。唯一有点特殊的是最后两个字符，因对最后两个字符的选择不同，Base64编码又有很多变种，比如Base64 URL编码。

Base64编码本质上是一种将二进制数据转成文本数据的方案。对于非二进制数据，是先将其转换成二进制形式，然后每连续6比特（2的6次方=64）计算其十进制值，根据该值在上面的索引表中找到对应的字符，最终得到一个文本字符串。

假设我们要对 Hello! 进行Base64编码，按照ASCII表，其转换过程如下图所示：

可知 Hello! 的Base64编码结果为 SGVsbG8h ，原始字符串长度为6个字符，编码后长度为8个字符，每3个原始字符经Base64编码成4个字符，编码前后长度比4/3，这个长度比很重要 - 比原始字符串长度短，则需要使用更大的编码字符集，这并不我们想要的；长度比越大，则需要传输越多的字符，传输时间越长。Base64应用广泛的原因是在字符集大小与长度比之间取得一个较好的平衡，适用于各种场景。

是不是觉得Base64编码原理很简单？

但这里需要注意一个点：Base64编码是每3个原始字符编码成4个字符，如果原始字符串长度不能被3整除，那怎么办？使用0值来补充原始字符串。

以 Hello!! 为例，其转换过程为：

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注：图表中蓝色背景的二进制0值是额外补充的。

Hello!! Base64编码的结果为 SGVsbG8hIQAA 。最后2个零值只是为了Base64编码而补充的，在原始字符中并没有对应的字符，那么Base64编码结果中的最后两个字符 AA 实际不带有效信息，所以需要特殊处理，以免解码错误。

标准Base64编码通常用 = 字符来替换最后的 A，即编码结果为 SGVsbG8hIQ==。因为 = 字符并不在Base64编码索引表中，其意义在于结束符号，在Base64解码时遇到 = 时即可知道一个Base64编码字符串结束。

如果Base64编码字符串不会相互拼接再传输，那么最后的 = 也可以省略，解码时如果发现Base64编码字符串长度不能被4整除，则先补充 = 字符，再解码即可。

解码是对编码的逆向操作，但注意一点：对于最后的两个 = 字符，转换成两个 A 字符，再转成对应的两个6比特二进制0值，接着转成原始字符之前，需要将最后的两个6比特二进制0值丢弃，因为它们实际上不携带有效信息。

为了理解Base64编码解码过程，个人实现了一个非常简陋的Base64编码解码程序，见：youngsterxyf/xiaBase64。

由于Base64应用广泛，所以很多编程语言的标准库都内置Base64编码解码包，如：

• PHP：base64_encode、base64_decode

• Python：base64包

• Go：encoding/base64

• …

Base64编码应用

本文开始提到的青云应用例子只是Base64编码的应用场景之一。由于Base64编码在字符集大小与编码后数据长度之间做了较好的平衡，以及Base64编码变种形式的多样，使得Base64编码的应用场景非常广泛。下面举2个常用常见的例子。

HTML内嵌Base64编码图片

前端在实现页面时，对于一些简单图片，通常会选择将图片内容直接内嵌在页面中，避免不必要的外部资源加载，增大页面加载时间，但是图片数据是二进制数据，该怎么嵌入呢？绝大多数现代浏览器都支持一种名为 Data URLs 的特性，允许使用Base64对图片或其他文件的二进制数据进行编码，将其作为文本字符串嵌入网页中。以百度搜索首页为例，其中语音搜索的图标是个背景图片，其内容以 Data URLs 形式直接写在css中，这个css内容又直接嵌在HTML页面中，如下图所示：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-YT8WG8le-1590057313617)(https://upload-images.jianshu.io/upload_images/23124486-62fa63412710e8d2?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)]

Data URLs 格式为：url(data:文件类型;编码方式,编码后的文件内容)。

当然，也可以直接基于image标签嵌入图片，如下所示：

但请注意：如果图片较大，图片的色彩层次比较丰富，则不适合使用这种方式，因为其Base64编码后的字符串非常大，会明显增大HTML页面，影响加载速度。

MIME（多用途互联网邮件扩展）

我们的电子邮件系统，一般是使用SMTP（简单邮件传输协议）将邮件从客户端发往服务器端，邮件客户端使用POP3（邮局协议，第3版本）或IMAP（交互邮件访问协议）从服务器端获取邮件。

SMTP协议一开始是基于纯ASCII文本的，对于二进制文件（比如邮件附件中的图像、声音等）的处理并不好，所以后来新增MIME标准来编码二进制文件，使其能够通过SMTP协议传输。

举例来说，我给自己发封邮件，正文为空，带一个名为hello.txt的附件，内容为 您好！世界！。导出邮件源码，其关键部分如下图所示：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-HQGRxQyE-1590057313618)(https://upload-images.jianshu.io/upload_images/23124486-3b431e8915ad7559?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)]

MIME-Version: 1.0：表示当前使用MIME标准1.0版本。

Content-Type: text/plain; name="hello.txt"：表示附件文件名为 hello.txt ，格式为纯文本。

Content-Transfer-Encoding: base64：表示附件文件内容使用base64编码后传输。

5oKo5aW977yM5LiW55WM77yB：则是文件内容 您好，世界！ Base64编码后的结果。

不过，MIME使用的不是标准Base64编码。

Base64使用注意事项

Base64编码要求把3个8位字节（38=24）转化为4个6位的字节（46=24），之后在6位的前面补两个0，形成8位一个字节的形式。如果剩下的字符不足3个字节，则用0填充，输出字符使用’=’，因此编码后输出的文本末尾可能会出现1或2个’=’。

外文名	base64	定 义	8Bit字节代码的编码方式之一
属 性	编码方式	可用于	在HTTP环境下传递较长的标识信息
应用	用于传输8Bit字节代码	特 性	Base64编码具有不可读性

一、Base64和URL传参问题

标准的Base64并不适合直接放在URL里传输，因为URL编码器会把标准Base64中的“/”和“+”字符变为形如“%XX”的形式，而这些“%”号在存入数据库时还需要再进行转换，因为ANSI SQL中已将“%”号用作通配符。

为解决此问题，可采用一种用于URL的改进Base64编码，它在末尾填充’='号，并将标准Base64中的“+”和“/”分别改成了“-”和“_”，这样就免去了在URL编解码和数据库存储时所要作的转换，避免了编码信息长度在此过程中的增加，并统一了数据库、表单等处对象标识符的格式。

二、Base64和URL传参问题改善

另有一种用于正则表达式的改进Base64变种，它将“+”和“/”改成了“!”和“-”，因为“+”,“*”以及前面在IRCu中用到的“[”和“]”在正则表达式中都可能具有特殊含义。

此外还有一些变种，它们将“+/”改为“-”或“.”（用作编程语言中的标识符名称）或“.-”（用于XML中的Nmtoken）甚至“_:”（用于XML中的Name）。

三、Base64转换后比原有的字符串长1/3

Base64要求把每三个8Bit的字节转换为四个6Bit的字节（38 = 46 = 24），然后把6Bit再添两位高位0，组成四个8Bit的字节，也就是说，转换后的字符串理论上将要比原来的长1/3。

四、Base64转换总结

Base64转换，最好是不要用在加密上，尤其是参数加密，很容易出问题。

参考资料：
http://blog.xiayf.cn/2016/01/24/base64-encoding/
https://www.sojson.com/base64.html

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