一、简介
Base64是网络上最常见的用于传输
8Bit字节码的编码方式之一，Base64就是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的方法。可查看RFC2045～RFC2049，上面有MIME的详细规范。Base64编码是从二进制到字符的过程，可用于在HTTP环境下传递较长的标识信息。采用Base64编码具有不可读性，需要解码后才能阅读。
Base64由于以上优点被广泛应用于计算机的各个领域，然而由于输出内容中包括两个以上“符号类”字符（+, /, =)，不同的应用场景又分别研制了Base64的各种“变种”。为统一和规范化Base64的输出，Base62x被视为无符号化的改进版本。
二、原理
这里的讨论的前提是使用 UTF-8 编码
将输入流中的字节按每3个8bit分为一组，然后每次取6个bit，将其转换成表格中对应的数据，如此3个字节可Base64编码为4个字符，字节数增加三分之一。一直重复到没有剩余的字符为止，当位数不够时补0来满足一个字符，且要实现编码后的位数为4的倍数，不足的用“=”代替。
- Base64编码索引如下：
| 索引 | 对应字符 | 索引 | 对应字符 | 索引 | 对应字符 | 索引 | 对应字符 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
三、示例
3.1 编码
3.1.1 位数充足情况
- 第一步：
“S”、“.”、"H"转换为对应的ASCII码值分别为0x53、0x2e、0x48。 - 第二步：转换为对应的二进制值是
01010011、00101110、01001000。由此组成一个24位的二进制字符串，这里不足8个bit的高位补0即可。 - 第三步：将24位每6个bit分为一组，共四组。分别为
010100、110010、111001、001000。 - 第四步：将其转换成十进制得到，
20、50、57、8。 - 第五步：用上面的值在Base64编码表中进行查找，分别对应：
U、y、5、I。因此“S.H”Base64编码之后就变为：Uy5I。
3.1.2 位数不足情况
只有两字符：
- 第一步：
“S”、"H"转换为对应的ASCII码值分别为0x53、0x48。 - 第二步：转换为对应的二进制值是
01010011、01001000。 - 第三步：将每6个bit分为一组，共三组。分别为
010100、110100、1000。可以看到最后一组的比特位不足 6 个，在这种情况下，会进行末尾（低位）补0的操作。补完之后就会变成010100、110100、100000。但是你会发现，这里总共也只有18个比特，不满足 3 个字节一组的原则。在这种情况下，前三组会按照常规的Base64进行编码，而缺失的一组则会使用=来进行填充。 - 第四步：将其转换成十进制得到，
20、52、32。 - 第五步：用上面的值在Base64编码表中进行查找，分别对应：
U、0、g，再加上最后填充的=。因此“SH”Base64编码之后就变为：U0g=。
只有一字符：
- 第一步：
“S”转换为对应的ASCII码值分别为0x53。 - 第二步：转换为对应的二进制值是
01010011。 - 第三步：将每6个bit分为一组，共两组。分别为
010100、11。可以第二组明显不满 6 个比特，进行低位补0操作。补完之后就会变成010100、110000。但是你会发现，这里这里只有2组，不满四组，所以这里需要填充2个=。 - 第四步：将其转换成十进制得到，
20、48。 - 第五步：用上面的值在Base64编码表中进行查找，分别对应：
U、w，再加上最后填充的2个=。因此“S”Base64编码之后就变为：Uw==。
3.2 解码
因为最终的编码产物中，如果 6 个比特的分组不满 4 组，会有 = 作为填充物，所以一个 Base64 完后的产物总是能够被 4 整除。
所以，在解密中，我们每次需要处理 4 个字符，将这 4 个字符编码之后转换成十进制，再转换成二进制，不足 6 位的高位补0，然后将 6 个比特一组的二进制数按原顺序重新分成每 8 个比特一组，也就是一个字节一组。然后将其转换成十六进制，再转换成对应的字符。
3.2.1 位数充足情况
- 第一步：按照每次处理4个字符的原理，
Uy5I在编码索引表中的值分别为20，50，57，8。 - 第二步：将其转换成二进制，不足六位的高位补0，再将其分成每8个bit一组，分别为
01010011、00101110、01111001。 - 第三步：将分组好的比特转换成十六进制，得到
0x53、0x2e、0x48。 - 第四步：将十六进制转换成字母得到，
“S”、“.”、“H”，也就是“S.H”
3.2.2 位数不足情况
- 第一步：
U0g=在编码索引表中的值分别为20，50，32。 - 第二步：将其转换成二进制，不足六位的高位补0，分别为
010100、110100、100000。 - 第三步：再将其分成每8个bit一组，分别为
01010011、01001000。 - 第四步：将分组好的比特转换成十六进制，得到
0x53、0x48。 - 第五步：将十六进制转换成字母得到，
“S”、“H”，也就是“SH”
四、实现
4.1 base64.h
#ifndef _BASE64_H_
#define _BASE64_H_
/*********************************************************************
* INCLUDES
*/
#include <stdint.h>
/*********************************************************************
* API FUNCTIONS
*/
uint8_t Base64_Encode(char *pInData, uint32_t inLen, char *pOutData, uint32_t *pOutLen);
uint8_t Base64_Decode(char *pInData, uint32_t inLen, char *pOutData, uint32_t *pOutLen);
#endif /* _BASE64_H_ */
4.2 base64.c
/*********************************************************************
* INCLUDES
*/
#include <stdint.h>
#include <stddef.h>
#include "base64.h"
/*********************************************************************
* LOCAL VARIABLES
*/
static char s_base64Table[] =
{
'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','+', '/', '\0'
};
/*********************************************************************
* PUBLIC FUNCTIONS
*/
/**
@brief Base64编码
@param pInData -[in] 源字符串
@param inLen -[in] 源字符串长度
@param pOutData -[out] 编码后字符串
@param pOutLen -[out] 解码后字符串长度
@return 1 - 成功；0 - 失败
*/
uint8_t Base64_Encode(char *pInData, uint32_t inLen, char *pOutData, uint32_t *pOutLen)
{
if(NULL == pInData || 0 == inLen)
{
return 0;
}
uint32_t i = 0;
uint32_t j = 0;
uint32_t temp = 0;
// 3字节一组进行转换
for(i = 0; i < inLen; i += 3)
{
// 获取第一个6位
temp = (*(pInData + i) >> 2) & 0x3F;
*(pOutData + j++) = s_base64Table[temp];
// 获取第二个6位的前两位
temp = (*(pInData + i) << 4) & 0x30;
// 如果只有一个字符，那么需要做特殊处理
if(inLen <= (i + 1))
{
*(pOutData + j++) = s_base64Table[temp];
*(pOutData + j++) = '=';
*(pOutData + j++) = '=';
break;
}
// 获取第二个6位的后四位
temp |= (*(pInData + i + 1) >> 4) & 0x0F;
*(pOutData + j++) = s_base64Table[temp];
// 获取第三个6位的前四位
temp = (*(pInData+ i + 1) << 2) & 0x3C;
if(inLen <= (i + 2))
{
*(pOutData + j++) = s_base64Table[temp];
*(pOutData + j++) = '=';
break;
}
// 获取第三个6位的后两位
temp |= (*(pInData + i + 2) >> 6) & 0x03;
*(pOutData + j++) = s_base64Table[temp];
// 获取第四个6位
temp = *(pInData + i + 2) & 0x3F;
*(pOutData + j++) = s_base64Table[temp];
}
*(pOutData + j) = '\0';
// 编码后的长度
*pOutLen = inLen * 8 / 6;
return 1;
}
/**
@brief Base64解码
@param pInData -[in] 源字符串
@param inLen -[in] 源字符串长度
@param pOutData -[out] 解码后字符串
@param pOutLen -[out] 解码后字符串长度
@return 1 - 成功；0 - 失败
*/
uint8_t Base64_Decode(char *pInData, uint32_t inLen, char *pOutData, uint32_t *pOutLen)
{
if(NULL == pInData || 0 == inLen || inLen % 4 != 0)
{
return 0;
}
uint32_t i = 0;
uint32_t j = 0;
uint32_t k = 0;
char temp[4] = "";
// 4字节一组进行转换
for(i = 0; i < inLen; i += 4)
{
// 找到在编码索引表中对应的值
for(j = 0; j < 64; j++)
{
if(*(pInData + i) == s_base64Table[j])
{
temp[0] = j;
}
}
for(j = 0; j < 64; j++)
{
if(*(pInData + i + 1) == s_base64Table[j])
{
temp[1] = j;
}
}
for(j = 0; j < 64; j++)
{
if(*(pInData + i + 2) == s_base64Table[j])
{
temp[2] = j;
}
}
for(j = 0; j < 64; j++)
{
if(*(pInData + i + 3) == s_base64Table[j])
{
temp[3] = j;
}
}
// 获取第一个6位和第二个6位的前两位组成一个8位
*(pOutData + k++) = ((temp[0] << 2) & 0xFC) | ((temp[1] >> 4) & 0x03);
if(*(pInData + i + 2) == '=')
{
break;
}
// 获取第二个6位的前四位和第三个6位的前四位组成一个8位
*(pOutData + k++) = ((temp[1] << 4) & 0xF0) | ((temp[2] >> 2) & 0x0F);
if(*(pInData + i + 3) == '=')
{
break;
}
// 获取第三个6位的后两位和第四个6位组成一个8位
*(pOutData + k++) = ((temp[2] << 6) & 0xF0) | (temp[3] & 0x3F);
}
*pOutLen = k;
return 1;
}
/****************************************************END OF FILE****************************************************/
五、用法
-
编码：
编码前：a123456
编码后：YTEyMzQ1Ng==
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "base64.h"
int main()
{
char *test = "a123456";
uint32_t bufLen;
char *buf = (char *)malloc(sizeof(char) * 1024);
memset(buf, 0, sizeof(char) * 1024);
Base64_Encode(test, strlen(test), buf, &bufLen);
for(int i = 0; i < bufLen; i++)
{
printf("%c", buf[i]);
}
free(buf);
buf = NULL;
return 0;
}
-
解码：
解码前：YTEyMzQ1Ng==
解码后：a123456
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "base64.h"
int main()
{
char *test = "YTEyMzQ1Ng==";
uint32_t bufLen;
char *buf = (char *)malloc(sizeof(char) * 1024);
memset(buf, 0, sizeof(char) * 1024);
Base64_Decode(test, strlen(test), buf, &bufLen);
for(int i = 0; i < bufLen; i++)
{
printf("%c", buf[i]);
}
free(buf);
buf = NULL;
return 0;
}
• 由 Leung 写于 2022 年 10 月 12 日
