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关于 Base64 编码

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我打赌当你见到Base64这个词的时候你会觉得在哪里见过，因为在你能够上网看到这篇文章的时候你已经在后台使用它了。如果您对二进制数有所了解，你就可以开始读它了。
打开一封Email，查看其原始信息（您可以通过收取、导出该邮件用文本编辑器查看）。你会看到类似这样的一个效果：
Date:Thu,25Dec200306:33:07+0800
From:eSX?!snaix@yeah.netsnaix@yeah.netsnaix@yeah.netsnaix@yeah.net
Reply-To:snaix@yeah.netsnaix@yeah.netsnaix@yeah.netsnaix@yeah.net
To:snaixsnaix@126.comsnaix@126.com
Subject:
X-mailer:Foxmail5.0beta2[cn]
Mime-Version:1.0
Content-Type:text/plain;
charset=gb2312
Content-Transfer-Encoding:base64
xOO6w6OsU25haVgNCg0KoaGhodXiysfSu7j2QmFzZTY0tcSy4srU08q8/qOhDQoNCkJlc3QgV2lz
aGVzIQ0KIAkJCQkNCqGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaEgICAgICAgICAgICAgICBl
U1g/IQ0KoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoSAgICAgICAgICAgICAgIHNuYWl4QHll
YWgubmV0DQqhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhoaGhICAgICAgICAgMjAwMy0x
Mi0yNQ0K
是否看到了“base64”标记？是否看到了标记下面的一行乱码？也许你会恍然大悟，对！这就是Base64编码。
什么是Base64？
按照RFC2045的定义，Base64被定义为：Base64内容传送编码被设计用来把任意序列的8位字节描述为一种不易被人直接识别的形式。（TheBase64Content-Transfer-Encodingisdesignedtorepresentarbitrarysequencesofoctetsinaformthatneednotbehumanlyreadable.）
为什么要使用Base64？
在设计这个编码的时候，我想设计人员最主要考虑了3个问题：
1.是否加密？
2.加密算法复杂程度和效率
3.如何处理传输？
加密是肯定的，但是加密的目的不是让用户发送非常安全的Email。这种加密方式主要就是“防君子不防小人”。即达到一眼望去完全看不出内容即可。
基于这个目的加密算法的复杂程度和效率也就不能太大和太低。和上一个理由类似，MIME协议等用于发送Email的协议解决的是如何收发Email，而并不是如何安全的收发Email。因此算法的复杂程度要小，效率要高，否则因为发送Email而大量占用资源，路就有点走歪了。
但是，如果是基于以上两点，那么我们使用最简单的恺撒法即可，为什么Base64看起来要比恺撒法复杂呢？这是因为在Email的传送过程中，由于历史原因，Email只被允许传送ASCII字符，即一个8位字节的低7位。因此，如果您发送了一封带有非ASCII字符（即字节的最高位是1）的Email通过有“历史问题”的网关时就可能会出现问题。网关可能会把最高位置为0！很明显，问题就这样产生了！因此，为了能够正常的传送Email，这个问题就必须考虑！所以，单单靠改变字母的位置的恺撒之类的方案也就不行了。关于这一点可以参考RFC2046。
基于以上的一些主要原因产生了Base64编码。
算法详解
Base64编码要求把3个8位字节（3*8=24）转化为4个6位的字节（4*6=24），之后在6位的前面补两个0，形成8位一个字节的形式。
具体转化形式间下图：
字符串“张3”
110101011100010100110011
00110101000111000001010000110011
表1
可以这么考虑：把8位的字节连成一串110101011100010100110011
然后每次顺序选6个出来之后再把这6二进制数前面再添加两个0，就成了一个新的字节。之后再选出6个来，再添加0，依此类推，直到24个二进制数全部被选完。
让我们来看看实际结果：
字符串“张3”
11010101HEX:D511000101HEX:C500110011HEX:33
00110101000111000001010000110011
字符’5’字符’^\’字符’^T’字符’3’
十进制53十进制34十进制20十进制51
表2
这样“张3”这个字符串就被Base64表示为”5^\^T3”了么？。错！
Base64编码方式并不是单纯利用转化完的内容进行编码。像’^\’字符是控制字符，并不能通过计算机显示出来，在某些场合就不能使用了。Base64有其自身的编码表：
Table1:TheBase64Alphabet
ValueEncodingValueEncodingValueEncodingValueEncoding
0A17R34i51z
1B18S35j520
2C19T36k531
3D20U37l542
4E21V38m553
5F22W39n564
6G23X40o575
7H24Y41p586
8I25Z42q597
9J26a43r608
10K27b44s619
11L28c45t62+
12M29d46u63/
13N30e47v(pad)=
14O31f48w
15P32g49x
16Q33h50y
表3
这也是Base64名称的由来，而Base64编码的结果不是根据算法把编码变为高两位是0而低6为代表数据，而是变为了上表的形式，如”A”就有7位，而”a”就只有6位。表中，编码的编号对应的是得出的新字节的十进制值。因此，从表2可以得到对应的Base64编码：
字符串“张3”
11010101HEX:D511000101HEX:C500110011HEX:33
00110101000111000001010000110011
字符’5’字符’^\’字符’^T’字符’3’
十进制53十进制34十进制20十进制51
字符’1’字符’i’字符’U’字符’z’
表4
这样，字符串“张3”经过编码后就成了字符串“1iUz”了。
Base64将3个字节转变为4个字节，因此，编码后的代码量（以字节为单位，下同）约比编码前的代码量多了1/3。之所以说是“约”，是因为如果代码量正好是3的整数倍，那么自然是多了1/3。但如果不是呢？
细心的人可能已经注意到了，在TheBase64Alphabet中的最后一个有一个(pad)=字符。这个字符的目的就是用来处理这个问题的。
当代码量不是3的整数倍时，代码量/3的余数自然就是2或者1。转换的时候，结果不够6位的用0来补上相应的位置，之后再在6位的前面补两个0。转换完空出的结果就用就用“=”来补位。譬如结果若最后余下的为2个字节的“张”：
字符串“张”
11010101HEX:D511000101HEX:C5
001101010001110000010100
十进制53十进制34十进制20pad
字符’1’字符’i’字符’U’字符’=’
表6
这样，最后的2个字节被整理成了“1iU=”。
同理，若原代码只剩下一个字节，那么将会添加两个“=”。只有这两种情况，所以，Base64的编码最多会在编码结尾有两个“=”
至于将Base64的解码，只是一个简单的编码的逆过程，读者可以自己探讨。我将在文章的最后给出解码算法。
算法实现
其实在算法详解的时候基本上已经说的很清楚了。用于程序上，除去约束判断，大概可以分为如下几步几步：
读取数据3字节用AND取前6位，放入新的变量中右移两位，高两位清0AND取第一个字节的后2位和第二个字节的前4位移位放入新变量中右移两位，清0……依此类推。
解码的类C语言实现的算法：
BYTELMoveBit(intbase,intMoveNum)
{
BYTEresult=base;
if(MoveNum==0)return1;
if(MoveNum==1)returnMoveNum;
result=base(MoveNum-1);
returnresult;
}
charbase64_alphabet[]=
{A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,M,N,O,P,
Q,R,S,T,U,V,W,X,Y,Z,a,b,c,d,e,f,
g,h,i,j,k,l,m,n,o,p,q,r,s,t,u,v,
w,x,y,z,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,+,/,=};
BYTEBase64Decode(char*base64code,DWORDbase64length)
{
charbuf[4];
inti,j;
intk;
intl=0;
BYTEtemp1[4],temp2;
BYTE*Buffer=newBYTE[base64length*3/4];
DWORDbase64a=(base64length/4)-1;
DWORDbase64b=0;
for(;base64bbase64a+1;base64b++)
{
for(i=0;i4;i++)
{
buf[i]=*(base64code+(base64b*4)+i);
for(j=0;j65;j++)
{
if(buf[i]==base64_alphabet[j])
{
temp1[i]=j;
break;
}
}
}
i--;
for(k=1;k4;k++)
{
if(temp1[i-(k-1)]==64){m_padnum++;continue;}
temp1[i-(k-1)]=temp1[i-(k-1)]/LMoveBit(2,(k-1)*2);
temp2=temp1[i-k];
temp2=temp2(LMoveBit(2,k*2)-1);
temp2*=LMoveBit(2,8-(2*k));//move4
temp1[i-(k-1)]=temp1[i-(k-1)]+temp2;
Buffer[base64b*3+(3-k)]=temp1[i-(k-1)];
}
}
returnBuffer;
}
根据这段算法，文章最开始给出的Email内容，可以解码为：
你好，SnaiX
　　这是一个Base64的测试邮件！
BestWishes!
　　　　　　　　　　　　　　eSX?!<br /><br />文章网址：<a href="https://dangbai.cn/Article.asp?ID=10000801" target="_blank">https://dangbai.cn/Article.asp?ID=10000801</a>

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