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Base64编码的原理与实现

在数据传输的时候,并不是所有的字符都可以受到支持,很多时候只能传输可见字符,对于不可见字符的传输需要经过特殊处理,这就是Base64产生的原因。Base64编码是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的表示方法。由于 2^6=64 ,所以每6个比特为一个单元,对应某个可打印字符。3个字节有24个比特,对应于4个Base64单元,即3个字节可由4个可打印字符来表示。在Base64中的可打印字符包括字母A-Z、a-z、数字0-9,这样共有62个字符,此外两个可打印符号在不同的系统中而不同。一些如uuencode的其他编码方法,和之后BinHex的版本使用不同的64字符集来代表6个二进制数字,但是不被称为Base64。
Base64常用于在通常处理文本数据的场合,表示、传输、存储一些二进制数据,包括MIME的电子邮件及XML的一些复杂数据。用Base64编码图片也是互联网上常见的做法。

Base64的字符索引如下表所示:

数值 字符 数值 字符 数值 字符 数值 字符
0 A 16 Q 32 g 48 w
1 B 17 R 33 h 49 x
2 C 18 S 34 i 50 y
3 D 19 T 35 j 51 z
4 E 20 U 36 k 52 0
5 F 21 V 37 l 53 1
6 G 22 W 38 m 54 2
7 H 23 X 39 n 55 3
8 I 24 Y 40 o 56 4
9 J 25 Z 41 p 57 5
10 K 26 a 42 q 58 6
11 L 27 b 43 r 59 7
12 M 28 c 44 s 60 8
13 N 29 d 45 t 61 9
14 O 30 e 46 u 62 +
15 P 31 f 47 v 63 /

这是一个根据上表进行编码的例子:

如果要编码的字节数不能被3整除,最后会多出1个或2个字节,那么可以使用下面的方法进行处理:先使用0字节值在末尾补足,使其能够被3整除,然后再进行Base64的编码。在编码后的Base64文本后加上一个或两个=号,代表补足的字节数。也就是说,当最后剩余两个八位字节(2个byte)时,最后一个6位的Base64字节块有四位是0值,最后附加上两个等号;如果最后剩余一个八位字节(1个byte)时,最后一个6位的Base字节块有两位是0值,最后附加一个等号。可以参考下面的例子:

这是一个用Python实现Base64编码的脚本:

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#!/usr/bin/env python3

def myBase64Encode(preCoding):
charTable = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/' #字符表

if len(preCoding) < 0:
return '' #字符串为空则返回空
lackCharNums = 3 - len(preCoding) % 3
if lackCharNums == 3 : lackCharNums = 0 #整除说明不缺字符
#待转换字符不是3的倍数的情况补全它
for i in range(lackCharNums) :
preCoding = preCoding + b'\x00'
result = '' #用于保存最终结果的str数据
rp = '' #处理补全字符时的暂存变量
#每三个字符处理一轮
for i in range(int(len(preCoding) / 3)):
threeChar = preCoding[i * 3 : i * 3 + 3] #取三个字符出来
tCode = '' #用于存放三个字符拼接后的二进制数值 文本形式
pCode = '' #暂存变量
for j in range(3) :
pCode = bin(threeChar[j])[2 :] #把省略的0补上
lackZeroNums = 8 - len(pCode) #省略的0的个数
for x in range(lackZeroNums):
pCode = '0' + pCode
tCode = tCode + pCode
pCode = ''
for j in range(4): #每6位一个字符
pCode = tCode[j * 6 : j * 6 + 6]
rp = rp + charTable[int(pCode, 2)]
#处理补全的00字符
result = rp[: len(rp) - lackCharNums]
for j in range(lackCharNums):
result = result + '='
return bytes(result, encoding = "utf-8")

def myBase64Decode(encodedBin) :
charTable = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/' #字符表

#如果字符不是4的倍数 返回空
if not len(encodedBin) % 4 == 0 :
return ''

tCode = '' #用于存放最终的二进制文本字符串
pCpde = '' #暂存变量
#遍历encodedBin每一个字符
for i in encodedBin:
for j in range(len(charTable)): #找到表中对应坐标
if chr(i) == charTable[j]:
pCode = bin(j)[2 :] #转二进制去除开头的0b
lackZeroNums = 6 - len(pCode) #省略的0的个数
for x in range(lackZeroNums):
pCode = '0' + pCode
tCode = tCode + pCode
pCode = ''
result = '' #储存最终结果
for i in range(int(len(tCode) / 8)):
pCode = tCode[i * 8 : i * 8 + 8]
result = result + chr(int(pCode, 2))
return bytes(result, encoding = "utf-8")

print(myBase64Encode(b"helloworld"))
print(myBase64Decode(b"aGVsbG93b3JsZA=="))

浏览器中可以直接调用相关的API:

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<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF-8"/>
<title>文件base64——直接拖进来</title>
</head>
<style>
body {
word-break: break-all;
}
</style>
<body>
<script>
window.addEventListener("dragenter", function(event) {
event.preventDefault();
}, false);
window.addEventListener("dragover", function(event) {
event.preventDefault();
}, false);
window.addEventListener("drop", function(event) {
var reader = new FileReader();
reader.onload = function(e) {
document.body.insertAdjacentHTML("afterBegin", '<p>' + e.target.result + '</p>');
//base64 encoded file data!
};
reader.readAsDataURL(event.dataTransfer.files[0]);
event.preventDefault();
}, false);
</script>
</body>
</html>

这是加载Base64编码的图片的方法。这可以将图片硬编码到网页中。

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<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF-8"/>
<title>Base64 Encode编码实现1x1px透明(黑白)图片</title>
<style>
body {
text-align: center;
}
</style>
</head>
<body>
<h1>以下是透明图片</h1>
<img src="data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7" width="500" height="100" />
<h1>以下是黑色图片</h1>
<img src="data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAUEBAAAACwAAAAAAQABAAACAkQBADs=" width="500" height="100" />
</body>
</html>

拓展阅读:
Base64 - 维基百科
Base64编码原理及脚本的简单实现

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