Base64编码原理

一、Base64的由来

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，为解决这一问题，最好的方案是在不改变传输协议的基础上，做一种扩展方案来支持非ASCII内容传输，把非 ASCII 字符用ASCII来表示，Base64编码应运而生。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。

二、什么是Base64？

Base64 是一种编码方式，最早出现在电子邮件传输协议中。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。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。

三、Base64编码原理

Base64 将8比特位为一个单元的字节数据拆分为以6个比特位为一个单元的二进制片段，不足6个比特位的在后面补0，在转为字符后补0的位置以=表示，2个0替换一个=号。每6个比特位单元对应Base64索引表中的一个字符，这样最终构成一个 超过编码前字节数据33% 的字符串。

Base64索引图如下图所示：

ASCII表如下图所示：

举个栗子：

将ABC三个字符进行base64编码，编码过程如下：

文	本：		A					B					C
ASCII码：	65					66					67
8bit位：	 	01000001			01000010	 		01000011
<-----------------------将8bit位化为6bit位----------------------->
6bit位：		010000		010100		001001		000011
Base64索引：	16			20			9			3
Base64编码：	Q			U			J			D
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8bit位：010000010100001001000011
6bit位：010000010100001001000011
3*8=24		24/6=4
8bit位刚好能化为6bit位，不要补0.
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注意：
ASCII码到 8bit位之间，是将ASCII转化位8位的二进制。6bit位到Base64索引之间，是将6位的二进制转化为十进制。

将abcd四个字符进行base64编码，编码过程如下：

文	本：			a			b			c			d
ASCII码：		97			98			99			100
8bit位：	 	01100001	 01100010	 01100011	 01100100
<----------------------将8bit位化为6bit位---------------------->
6bit位：	   011000	010110	001001	100011	011001	000000
Base64索引：	24		  22	  9		 35		  25	  0
Base64编码：	Y		  W	 	  J		 j 		  Z		  A==
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8bit位：01100001011000100110001101100100
6bit位：011000010110001001100011011001000000
4*8=32	32/6=5*6 + 2
8bit位化为6bit位时，还差4位才能补齐最后的6位，因此在末尾补了4个0，当6bit位根据Base64索引表化为字符后需要在末尾补两个'=='，一个'='代表补了两个0。
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四、通过Python实现Base64编码

方案一：通过编码过程自己写Base64编码

b64_dict = {
    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'}

def b64_encode(str):   
    # 第一步：字符串转二进制，8bit位
    list64 = ''
    for c in str:
        print(ord(c))
        s = bin(ord(c))[2:]
        if len(s)%8 != 0:
            for i in range(8 - len(s)%8):
                s = '0' + s
        list64 = list64 + s

    # 第二步：8bit位划分为6bit位,不足六位的补0
    if len(list64) % 6 == 0:
        for i in range(0, len(list64), 6):
            n6 = '0b' + list64[i:i + 6:1]
            num_0 = 0
    else:
        n = 6 - (len(list64) - (len(list64) // 6) * 6)
        for i in range(n):
            list64 = list64 + '0'
            num_0 = i + 1

    # 第三步：将6bit位化为十进制(Base64索引)，放进myb64nums列表里
    myb64nums = []
    for i in range(0, len(list64), 6):
        n6 = list64[i:i + 6:1]
        myb64num = int(n6, 2)
        myb64nums.append(myb64num)
    print(myb64nums)

    # 第四步：通过Base64索引查询字符，并放进字符串中。
    b64_str=""
    for myb64num in myb64nums:
        b64_str=b64_str+b64_dict[myb64num]
        
    # 第五步：检测8bit化为6bit位时末尾是否补了0，如果补了则在字符后面补'='
    if num_0 != 0:
        for i in range(0, num_0 // 2):
            b64_str=b64_str+'='
    return b64_str

print(b64_encode('abcd'))
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方案二：调用base64库实现base64编码

import base64
# base64加密
b64_en = base64.b64encode('abcd'.encode())
print(b64_en)

#base64解密
b64_de = base64.b64decode('YWJjZA=='.encode())
print(b64_de)
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