Base64的編碼原理

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本文將實現：

• 簡述 ASCII碼字元編碼的Base64 編碼實現原理
• 簡述 非ASCII碼字元編碼的Base64 編碼實現原理

加密分析系列文章：

• Base64 編碼實現原理（就是本文了）
• Url Base64 編碼演演算法實現原理（正在發文中）
• MD5 算法系列實現原理 （正在發文中）
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• MAC 算法系列實現原理（正在發文中）
• 對稱加密 DES （正在發文中）
• 對稱加密 AES（正在發文中）
• 基於口令加密 PBE（正在發文中）
• 非對稱加密 DH（正在發文中）
• 非對稱加密 RSA（正在發文中）

1 簡述

• Base64演演算法有編碼和解碼操作，可充當加密和解密的操作，還有一張字元對映表充當了金鑰。
• Base64演演算法公開，這與 柯克霍夫原則並無違背，但充當金鑰的字元對映表公開，直接違反了 柯克霍夫原則

密碼學上的柯克霍夫原則（Kerckhoffs's principle，也稱為柯克霍夫假說、公理、或定律）系由奧古斯特·柯克霍夫在19世紀提出：即使密碼系統的任何細節已為人悉知，只要密匙（key，又稱金鑰或祕鑰）未洩漏，它也應是安全的。
複製程式碼

• Base64演演算法不能稱為加密演演算法，但其變換法則遵從了單表置換演演算法。

2 Base64的索引表

Base64的索引表，我們可以理解為加密密文的構成，密文中的字元選用了"A-Z、a-z、0-9、+、/" 64個可列印字元，這是標準的Base64協議規定。在日常使用中我們還會看到“=”或“==”號出現在Base64的編碼結果中，“=”在此是作為填充字元出現

['A','B','C',... 'a','b','c',... '0','1',... '+','/']
複製程式碼

3 編碼表

簡單點來說，一串明文經過一系列轉換後，生成對應十進位制數值，然後參照編碼表，通過單表置換來通過編碼字元來表示密文。

4 Base64 編碼實現過程

通常以字串使用 Base64 編碼（加密），字串是以字元構成，在編碼過程中，以字元為基本單元，如下圖中所示：

編碼過程實現

• 第一步： “M”、“a”、"n" 對應的ASCII碼值分別為77，97，110，獲取對應的二進位制值 01001101、01100001、01101110。如圖第二三行所示，由此組成一個24位的二進位制字串。
• 第二步：對獲得的二進位制碼做分組轉換操作，每3個8位二進位制碼為一組，轉換為每4個6位二進位制碼為一組（不足6位時低位補0）如圖紅色框，將24位每6位二進位制位一組分成四組，這是一個分組變化的過程，3個8位二進位制碼和4個6位二進位制碼的長度都是24位，
• 第三步： 對獲得的4個6位的二進位制碼補位，向6位二進位制碼新增2位高位0，組成4個8位二進位制碼 ，新增2位高位0，組成4個8位二進位制碼，擴充套件成32個二進位制位，此時變為四個位元組：00010011、00010110、00000101、00101110。
• 第四步 將獲得的4個8位二進位制碼轉換為十進位制碼，在上面的資料中，00010011、00010110、00000101、00101110 分別對應的十進位制的值為：19、22、5、46。 第五步：用上面獲得到的十進位制的值（Base64編碼索引）在Base64編碼表中進行查詢，分別對應：T、W、F、u。因此“Man”Base64編碼之後就變為：TWFu。

位數不足情況

5 非 ASCII碼字元編碼

ASCII 碼可以表示十進位制範圍為 0-127的字元，對應二進位制範圍是 0000 0000 -0111 1111

ASCII 碼包括阿拉伯數字、大小寫英文字母和一些控制符，但卻沒有包含雙位元組編碼的字元，如中文字元，因此有了 GB2312 、GBK、 UTF-8 等編碼，GB2312 、GBK用2個位元組表示一個漢字，UTF-8用三個位元組表示一個漢字。

非 ASCII碼字元編碼 加密實現過程

我們以字串 “密” 為例

• 第一步 獲取 字串 “密” 對應的 utf-8 的編碼為 -27，-81，-122
• 第二步 分別獲取上述 utf-8 編碼（-27，-81，-122）對應的二進位制碼：11100101 10101111 10000110
• 第三步 將上述二進位制碼分成4組6位 111001 011010 111110 000110
• 第四步 向6位二進位制碼新增2位高位0，組成4個8位二進位制碼，新增2位高位0，00111001 00011010 00111110 00000110
• 第五步 獲取上述二進位制碼對應的十進位制碼 57 26 62 6
• 第六步 在Base64編碼表中進行查詢，分別對應 5 a + G

字串 “密” 經過 Base64 編碼後得到字串 "5a+G"

6 分析

在這裡 Base64（2的6次冪就是64）將字元轉成的8位二進位制碼以6位為單位進行分組轉換 表示字元，因此成為Base64。同理，Base32就是用5位分組，Base16就是用4位分組。

所以 Base32 、Base16編碼過程也就一目瞭然了。