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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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 < span class="tag"></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 < span class="tag"></title>
<style>
body {
text-align: center;
}
</style>
</head>
<body>
<h1> 以下是透明图片 < span class="tag"></h1>
<img src="data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7" width="500" height="100" />
<h1> 以下是黑色图片 < span class="tag"></h1>
<img src="data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAUEBAAAACwAAAAAAQABAAACAkQBADs=" width="500" height="100" />
</body>
</html>

拓展阅读:
Base64
Base64 编码原理及脚本的简单实现

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