内容传送编码Base64原理

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。（The Base64 Content-Transfer-Encoding is designed to represent
arbitrary sequences of octets in a form that need not be humanly
readable.）

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。 具体转化形式如下：

　　字符串“张3”

　　11010101 11000101 00110011

　　00110101 00011100 00010100 00110011

　　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”

　　11010101 HEX:D5 11000101 HEX:C5 00110011 HEX:33

　　00110101 00011100 00010100 00110011

　　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：

Table 1: The Base64 Alphabet

Value Encoding Value Encoding Value
Encoding Value Encoding

0 A 17 R 34 i 51 z

1 B 18 S 35 j 52 0

2
C 19 T 36 k 53 1

3 D 20 U 37 l 54 2

4 E 21 V 38 m 55 3

5 F
22 W 39 n 56 4

6 G 23 X 40 o 57 5

7 H 24 Y 41 p 58 6

8 I 25 Z
42 q 59 7

9 J 26 a 43 r 60 8

10 K 27 b 44 s 61 9

11 L 28 c
45 t 62 +

12 M 29 d 46 u 63 /

13 N 30 e 47 v (pad) =

14 O 31
f 48 w

15 P 32 g 49 x

16 Q 33 h 50 y

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”

　　11010101 HEX:D5 11000101 HEX:C5 00110011 HEX:33

　　00110101 00011100 00010100 00110011

　　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The Base64 Alphabet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”

　　11010101 HEX:D5 11000101 HEX:C5

　　00110101 00011100 00010100

　　十进制53 十进制34 十进制20 pad

　　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。