Base64 编码原理和实现

背景

一般涉及到数据传输， 考虑到业务方直接通过字符串传过来时会被过滤特殊字符等情况，对数据的编码必不可少。数据编码方式最常用的应该是 Base64。 Base64 编码本质上是一种将二进制数据转换成文本数据的方案。 下面会详细介绍它的原理，实现以及一些应用场景。

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编码原理

Base64 编码是基于64个字符 A-Z,a-z，0-9，+，/ 的编码方式，因为2的6次方正好为64，所以就用6bit就可以表示出64个字符，比如 000000对应A，000001对应B。

流程

1. 按字符串长度， 以每3个字符 （1Byte= 8Bit）为一组
2. 针对每一组，对每个字符的 ASCII 编码转换为 8Bit 的二进制， 得到一组 3*8 = 24Bit 的字节
3. 对 24Bit 划分成4个 6Bit 的字节， 在每个 6Bit 的字节前面都填两个高位0， 得到4个 8Bit 的字节
4. 把 4 个 8Bit 字节转换成十进制， 对照 BASE64 编码表， 得到对应编码后的字符。

注意

1. 要求被编码字符是 8bit 的，所以须在 ASCII 编码范围内，u0000-u00ff，不允许中文。
2. 如果被编码字符长度不是3的倍数，则用0代替，对应的输出字符为 "="

Base64 编码本质上是将二进制数据 转成 文本数据。对于非二进制数据，是转换成二进制形式，然后每连续6比特（2^6 =64）计算其十进制值，根据该值在 A--Z,a--z,0--9,+,/ 这64个字符集中找对应的字符，串起来得到一个文本字符串

基本规则

1. 标准Base64只有64个字符：A--Z,a--z,0--9,+,/,=
2. Base64 把3个字节变成4个可打印字符，所以 Base64 编码后的字符串一定能被4整除 (排查用作后缀的等号)
3. 等号一定用作后缀，且数目一定是0个、1个或2个。这是因为如果原文长度不能被3整除。Base64要在后面添加 0 凑齐 3n 位。为了正确还原，添加了几个 0 就加上几个等号。显然添加等号的数目只能是0、1或2
4. Base64 只是一种编码，不是加密方案

实现

1. 对字符串进行 Base64 编码：

   func Base64Encoding() {
       input := []byte("Herbert Lu")
   
       // Encoding using Base64
       encodeString := base64.StdEncoding.EncodeToString(input)
       fmt.Println(encodeString)
   
       // Base64 decoding of encoding results
       decodeBytes, err := base64.StdEncoding.DecodeString(encodeString)
       if err != nil {
           fmt.Println("decode input string fail: ", err)
           return
       }
       fmt.Println(string(decodeBytes))
   }

2. 在 URL 中对字符串进行 Base64 编码：

   func Base64URLEncoding() {
       // Using Base64 in URL Encoding
       uEnc := base64.URLEncoding.EncodeToString([]byte(input))
       fmt.Println(uEnc)
   
       uDec, err := base64.URLEncoding.DecodeString(uEnc)
       if err != nil {
           log.Fatalln(err)
       }
       fmt.Println(string(uDec))
   }

应用

1. 简单的加密。 比如把一些信息简单地用 Base64 处理，防止被明文查看。
2. 数据传输， 用于内容在各个网络节点间传输，且不丢数据。计算机中任何数据都是按 ASCII 码存储，而 ASCII 码的128～255之间值是不可见字符。而在网络上交换数据时，比如说从A地传到B地，往往要经过多个路由设备，由于不同的设备对字符的处理方式有一些不同，这样那些不可见字符就有可能被处理错误，造成数据丢失或传输失败。先把数据进行 Base64 编码，转换成可见字符后出错的可能性就大大降低

小结

Base64 作为常见的编码手段， 对软件工程师来说也是一项必知必会的技能，所以掌握它的实现原理和知道它的应用场景， 对工作是非常有帮助的。

参考

• Base64 的原理