Base64编码和其在图片的传输的应用

Base64

[原文链接]

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。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。

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。

• 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ManBase64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？



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。

使用Base64传输图片

[原文链接]

先说一下图片传输过程中为什么要编解码。其实类似的问题在学习计算机网络中就遇到过了，回想计算机网络中要对帧进行帧定界，就是为了使信息位中出现的特殊字符不被误判为帧的首尾定界符，从而防止接收方接收一个不完整(错误)的帧。如果在传输时只是简单的将图片以二进制读出再传输，同样会遇到上述问题。因为图片的数据可能含有终结字符，若此时不进行处理，图片信息也会不完整。为了保证数据被完整的传到对端，需要先对其进行编码，等接收方收到后，再对其进行解码。这才是一个正确的传输思路。

C++实现Base64的编码和解码

Base64.h

#pragma once
#include <string>

class CBase64
{
public:
public:
    CBase64();
    ~CBase64();

    /*编码
    DataByte
    [in]输入的数据长度,以字节为单位
    */
    std::string Encode(const char* Data, int DataByte);

    /*解码
    DataByte
    [in]输入的数据长度,以字节为单位
    OutByte
    [out]输出的数据长度,以字节为单位,请不要通过返回值计算
    输出数据的长度
    */
    std::string Decode(const char* Data, int DataByte, int& OutByte);

};

Base.cpp

#include "Base64.h"

CBase64::CBase64()
{

}

CBase64::~CBase64()
{

}

std::string CBase64::Encode(const char* Data, int DataByte)
{
    //编码表
    const char EncodeTable[] = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/";
    //返回值
    std::string strEncode;
    unsigned char Tmp[4] = { 0 };
    int LineLength = 0;
    for (int i = 0; i < (int)(DataByte / 3); i++)
    {
        Tmp[1] = *Data++;
        Tmp[2] = *Data++;
        Tmp[3] = *Data++;
        strEncode += EncodeTable[Tmp[1] >> 2];
        strEncode += EncodeTable[((Tmp[1] << 4) | (Tmp[2] >> 4)) & 0x3F];
        strEncode += EncodeTable[((Tmp[2] << 2) | (Tmp[3] >> 6)) & 0x3F];
        strEncode += EncodeTable[Tmp[3] & 0x3F];
        if (LineLength += 4, LineLength == 76) { strEncode += "\r\n"; LineLength = 0; }
    }
    //对剩余数据进行编码
    int Mod = DataByte % 3;
    if (Mod == 1)
    {
        Tmp[1] = *Data++;
        strEncode += EncodeTable[(Tmp[1] & 0xFC) >> 2];
        strEncode += EncodeTable[((Tmp[1] & 0x03) << 4)];
        strEncode += "==";
    }
    else if (Mod == 2)
    {
        Tmp[1] = *Data++;
        Tmp[2] = *Data++;
        strEncode += EncodeTable[(Tmp[1] & 0xFC) >> 2];
        strEncode += EncodeTable[((Tmp[1] & 0x03) << 4) | ((Tmp[2] & 0xF0) >> 4)];
        strEncode += EncodeTable[((Tmp[2] & 0x0F) << 2)];
        strEncode += "=";
    }

    return strEncode;
}

std::string CBase64::Decode(const char* Data, int DataByte, int& OutByte)
{
    //解码表
    const char DecodeTable[] =
    {
        0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
        0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
        62, // '+'
        0, 0, 0,
        63, // '/'
        52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, // '0'-'9'
        0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
        0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12,
        13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, // 'A'-'Z'
        0, 0, 0, 0, 0, 0,
        26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38,
        39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, // 'a'-'z'
    };
    //返回值
    std::string strDecode;
    int nValue;
    int i = 0;
    while (i < DataByte)
    {
        if (*Data != '\r' && *Data != '\n')
        {
            nValue = DecodeTable[*Data++] << 18;
            nValue += DecodeTable[*Data++] << 12;
            strDecode += (nValue & 0x00FF0000) >> 16;
            OutByte++;
            if (*Data != '=')
            {
                nValue += DecodeTable[*Data++] << 6;
                strDecode += (nValue & 0x0000FF00) >> 8;
                OutByte++;
                if (*Data != '=')
                {
                    nValue += DecodeTable[*Data++];
                    strDecode += nValue & 0x000000FF;
                    OutByte++;
                }
            }
            i += 4;
        }
        else// 回车换行,跳过
        {
            Data++;
            i++;
        }
    }
    return strDecode;
}

测试main.cpp，假设D盘下有一张图片：my.png

int main()
{
	ifstream inf;
	inf.open("D:\\my.png", ios::in | ios::binary);
	inf.seekg(0, std::ios_base::end);
	std::streampos sp = inf.tellg();
	int readsize = sp;
	//得到长度后，重新定位指针到文件头
	inf.seekg(0, std::ios_base::beg);
	char* readBuf = new char[readsize];
	inf.read(readBuf, readsize);

	CBase64 base;

	std::string strData = "";
	//对缓冲区编码
	strData = base.Encode((const char*)readBuf, readsize);
	delete[] readBuf;
	cout << strData << endl;
	//对缓冲区解码
	int dataLen(0);
	string strDecode = base.Decode(strData.data(), strData.size(), dataLen);

	ofstream outf;
	outf.open("D:\\you.png", ios::out | ios::binary);
	outf.write(strDecode.data(), strDecode.size());

	inf.close();
	outf.close();

	return 0;
}