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  • 一篇文章彻底弄懂Base64编码原理

    万次阅读 多人点赞 2018-08-16 07:42:09
    在互联网中的每一刻,你可能都在享受着Base64带来的便捷,但对于Base64的基础原理又了解多少?今天这篇博文带领大家了解一下Base64的底层实现。 Base64的由来 目前Base64已经成为网络上常见的传输8Bit字节代码...

    在互联网中的每一刻,你可能都在享受着Base64带来的便捷,但对于Base64的基础原理又了解多少?今天这篇博文带领大家了解一下Base64的底层实现。

    Base64的由来

    目前Base64已经成为网络上常见的传输8Bit字节代码的编码方式之一。在做支付系统时,系统之间的报文交互都需要使用Base64对明文进行转码,然后再进行签名或加密,之后再进行(或再次Base64)传输。那么,Base64到底起到什么作用呢?

    在参数传输的过程中经常遇到的一种情况:使用全英文的没问题,但一旦涉及到中文就会出现乱码情况。与此类似,网络上传输的字符并不全是可打印的字符,比如二进制文件、图片等。Base64的出现就是为了解决此问题,它是基于64个可打印的字符来表示二进制的数据的一种方法。

    电子邮件刚问世的时候,只能传输英文,但后来随着用户的增加,中文、日文等文字的用户也有需求,但这些字符并不能被服务器或网关有效处理,因此Base64就登场了。随之,Base64在URL、Cookie、网页传输少量二进制文件中也有相应的使用。

    Base64的编码原理

    Base64的原理比较简单,每当我们使用Base64时都会先定义一个类似这样的数组:

    ['A', 'B', 'C', ... 'a', 'b', 'c', ... '0', '1', ... '+', '/']
    

    上面就是Base64的索引表,字符选用了"A-Z、a-z、0-9、+、/" 64个可打印字符,这是标准的Base64协议规定。在日常使用中我们还会看到“=”或“==”号出现在Base64的编码结果中,“=”在此是作为填充字符出现,后面会讲到。

    具体转换步骤

    • 第一步,将待转换的字符串每三个字节分为一组,每个字节占8bit,那么共有24个二进制位。
    • 第二步,将上面的24个二进制位每6个一组,共分为4组。
    • 第三步,在每组前面添加两个0,每组由6个变为8个二进制位,总共32个二进制位,即四个字节。
    • 第四步,根据Base64编码对照表(见下图)获得对应的值。
    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
    
    14 O  31 f   48 w   
    
    15 P  32 g   49 x
    
    16 Q  33 h   50 y
    

    从上面的步骤我们发现:

    • Base64字符表中的字符原本用6个bit就可以表示,现在前面添加2个0,变为8个bit,会造成一定的浪费。因此,Base64编码之后的文本,要比原文大约三分之一。
    • 为什么使用3个字节一组呢?因为6和8的最小公倍数为24,三个字节正好24个二进制位,每6个bit位一组,恰好能够分为4组。

    示例说明

    以下图的表格为示例,我们具体分析一下整个过程。

    在这里插入图片描述

    • 第一步:“M”、“a”、"n"对应的ASCII码值分别为77,97,110,对应的二进制值是01001101、01100001、01101110。如图第二三行所示,由此组成一个24位的二进制字符串。
    • 第二步:如图红色框,将24位每6位二进制位一组分成四组。
    • 第三步:在上面每一组前面补两个0,扩展成32个二进制位,此时变为四个字节:00010011、00010110、00000101、00101110。分别对应的值(Base64编码索引)为:19、22、5、46。
    • 第四步:用上面的值在Base64编码表中进行查找,分别对应:T、W、F、u。因此“Man”Base64编码之后就变为:TWFu。

    位数不足情况

    上面是按照三个字节来举例说明的,如果字节数不足三个,那么该如何处理?

    在这里插入图片描述

    • 两个字节:两个字节共16个二进制位,依旧按照规则进行分组。此时总共16个二进制位,每6个一组,则第三组缺少2位,用0补齐,得到三个Base64编码,第四组完全没有数据则用“=”补上。因此,上图中“BC”转换之后为“QKM=”;
    • 一个字节:一个字节共8个二进制位,依旧按照规则进行分组。此时共8个二进制位,每6个一组,则第二组缺少4位,用0补齐,得到两个Base64编码,而后面两组没有对应数据,都用“=”补上。因此,上图中“A”转换之后为“QQ==”;

    注意事项

    • 大多数编码都是由字符串转化成二进制的过程,而Base64的编码则是从二进制转换为字符串。与常规恰恰相反,
    • Base64编码主要用在传输、存储、表示二进制领域,不能算得上加密,只是无法直接看到明文。也可以通过打乱Base64编码来进行加密。
    • 中文有多种编码(比如:utf-8、gb2312、gbk等),不同编码对应Base64编码结果都不一样。

    延伸

    上面我们已经看到了Base64就是用6位(2的6次幂就是64)表示字符,因此成为Base64。同理,Base32就是用5位,Base16就是用4位。大家可以按照上面的步骤进行演化一下。

    Java 验证

    最后,我们用一段Java代码来验证一下上面的转换结果:

    package com.secbro2.blog.utils;
    
    import sun.misc.BASE64Encoder;
    
    /**
     * @author zzs
     */
    public class Base64Utils {
    
    	public static void main(String[] args) {
    		String man = "Man";
    		String a = "A";
    		String bc = "BC";
    
    		BASE64Encoder encoder = new BASE64Encoder();
    		System.out.println("Man base64结果为:" + encoder.encode(man.getBytes()));
    		System.out.println("BC base64结果为:" + encoder.encode(bc.getBytes()));
    		System.out.println("A base64结果为:" + encoder.encode(a.getBytes()));
    	}
    }
    

    打印结果为:

    Man base64结果为:TWFu
    BC base64结果为:QkM=
    A base64结果为:QQ==
    

    以上结果与我们分析所得完全一致。

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  • sun.misc.BASE64Decoder.jar 绿色版 官方版本自己打包好的,可以直接调用,欢迎下载
  • conda uninstall -n base --all 则会出现如下报错 CondaEnvironmentError: cannot remove root environment, add -n NAME or -p PREFIX option 二、原因解析 您无法卸载base中的所有软件包,因为这是conda可执行...

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    写在最前:
    自己和朋友成立了一个工作室——图灵数据科学工作室(VX:DataUpward)
    一是想和大家交个朋友
    二是想帮助朋友们跳过我们遇到的坑,尽快找到解决办法。

    ======================================================
    工作室的运行也需要付出各种成本,“活下去”是我们的当务之急,如果大家有 :

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    • -数据模型开发;
    • 机器学习算法挖掘

    • 也欢迎和我们工作室开展合作~
      在这里插入图片描述

    一、问题描述

    conda activate 其他环境
    conda uninstall -n base --all
    

    则会出现如下报错

    CondaEnvironmentError: cannot remove root environment,
    add -n NAME or -p PREFIX option

    二、原因解析

    您无法卸载base中的所有软件包,因为这是conda可执行文件所在的位置。相反,您要做的是卸载所有用户安装的软件包。一种方法是在安装任何用户包之前将环境恢复到某一个版本,那么如何查看我的版本呢?

    conda list -n base -r  # pip list -n base -r 
    

    有木有发现输出的结果简直是个版本管理工具

    三、问题处理

    根据conda list -n base -r输出的版本,选择你想要的版本即可,比如:

    conda install --revision 0
    

    (background music:又回到当初的起点,呆呆的站在镜子前…)

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  • 基本概念ASCII 是用128(2的8次方)个字符,对二进制数据进行编码的方式base64编码是用64(2的6次方)个字符,对二进制数据进行编码的方式base32就是用32(2的5次方)个字符,对二进制数据进行编码的方式base16就是...

    基本概念

    ASCII 是用128(2的8次方)个字符,对二进制数据进行编码的方式

    base64编码是用64(2的6次方)个字符,对二进制数据进行编码的方式

    base32就是用32(2的5次方)个字符,对二进制数据进行编码的方式

    base16就是用16(2的4次方)个字符,对二进制数据进行编码的方式

    Base-64编码保证了二进制数据的安全

    Base-64编码可以将任意一组字节转换为较长的常见文本字符序列,从而可以合法地作为首部字段值。Base-64编码将用户输入或二进制数据,打包成一种安全格式,将其作为HTTP首部字段的值发送出去,而无须担心其中包含会破坏HTTP分析程序的冒号、换行符或二进制值。
    Base-64编码是作为MIME多媒体电子邮件标准的一部分开发的,这样MIME就可以在不同的合法电子邮件网关之间传输富文本和任意的二进制数据里。Base-64编码与将二进制数据文本化表示的uuencode和BinHex标准在本质上类似,但空间效率更高。

    索引表

    base64索引表:

    这里写图片描述

    base32索引表:

    这里写图片描述

    base16索引表:

    这里写图片描述

    转码原理

    转码

    这里只介绍Base-64转码,其他的原理一样

    Base-64编码将一个8位子节序列拆散为6位的片段,并为每6位分配一个字符(见索引表)。这64个字符都是很常见的,可以安全地放在HTTP首部字段中。这64个字符中包括大小写字母、数字、+和/,特殊字符=

    示例:

    这里写图片描述

    上面的三个字符“Man”是原文,下面的四个字符“TWFu”是Base64编码后的字符

    经过base64编码后,字符串理论上比之前长1/3,也就是原来的4/3。(除下面两种情况外)。

    base64填充

    base64编码收到一个8bit字节数据,将这个二进制序列每6bit划分一个块。二进制序列有时不能正好平均地分为6位的块,在这种情况下,就在序列末尾填充零位,使二进制序列的长度成为24的倍数(6和8的最小公倍数)。

    • 6bit里面的数据,全部是填充的,它显示的符号是第65个符号”=”。
    • 6bit里面的数据,部分是填充的,按照索引表正常显示

    示例:

    输入字符串为”a:a”为3个字节(24位)。24是24的倍数,因此按照上面给出的例子计算。无需填充就会得到base64编码为”YTph”。

    输入字符串变为”a:aa”为4个字节(32位)。要凑为24的倍数,最小的值是48。因此要添加16个填充码。

    a:a -- 011000 010011 101001 100001 -- YTph
    a:aa -- 011000 010011 101001 100001 011000 01xxxx xxxxxx xxxxxx -- YTphYQ==
    a:aaa -- 011000 010011 101001 100001 011000 010110 0001xx xxxxxx -- YTphYWE=
    a:aaaa -- 011000 010011 101001 100001 011000 010110 000101 1000001 -- YTphYWFh

    转码网站:http://tool.chinaz.com/tools/base64.aspx

    参考:
    base家族:base64、base32和base16这篇文章中介绍的概念有瑕疵
    base64编码
    让你完全理解base64是怎么回事
    百度百科关于base64的转码是错误的,将8bit切分为6bit,不需要在高位补0

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    go语言/golang实现base64加密解密

    package main

     

    import (

    "encoding/base64"

    "fmt"

    )

     

    const (

    base64Table = "123QRSTUabcdVWXYZHijKLAWDCABDstEFGuvwxyzGHIJklmnopqr234560178912"

    )

     

    var coder = base64.NewEncoding(base64Table)

     

    func base64Encode(src []byte) []byte {

    return []byte(coder.EncodeToString(src))

    }

     

    func base64Decode(src []byte) ([]byte, error) {

    return coder.DecodeString(string(src))

    }

     

    func main() {

    // encode

    hello := "hello world"

    debyte := base64Encode([]byte(hello))

     

    // decode

    enbyte, err := base64Decode(debyte)

    if err != nil {

    fmt.Println(err.Error())

    }

     

    if hello != string(enbyte) {

    fmt.Println("hello is not equal to enbyte")

    }

     

    fmt.Println(string(enbyte))

    }

     

     

    展开全文
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