Java加密解密(二) Base64編碼

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1. Base64的由來

Base64最早用於解決電子郵件傳輸問題。由於“曆史問題”，早期的電子郵件網關只允許傳輸ASCII（二進位為00000000-01111111)字元，如果有非ASCII字元經過這種網關時, 字元的二進位位可能會被篡改(如將10000001改為00000001）。由此產生了Base64編碼來保證非ASCII字元的傳輸。

2. 原理

Base64顧名思義是一種基於64個字元的編碼演算法。
如下是Base64的字元對應表，詳情參見RFC 2045

Value	Encoding		Value	Encoding		Value	Encoding		Value	Encoding
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		(pad)	=
15	P		32	g		49	x
16	Q		33	h		50	y

其中的value是10進位的值，Encoding是與之相對應的編碼字元

因為Base64中共有64個字元，所以只需要6個bit就可以表示一個base64字元（*1<<6=64*）。另外，由於電腦基本處理單位為位元組，所以字元編碼是以位元組為單位對字元進行編碼，比如，字元’A’的ASCII編碼為01000001，漢字’你’的UTF-8編碼為11100100 10111101 10100000, GBK編碼為11000100 11100011。由此，Base64的編碼步驟如下：
step1 將待轉碼字串以某種編碼格式（如UTF-8）進行編碼，得到一個位元組數組
step2 將位元組數組按三個位元組為一組進行分組(24個bit）
step3 將每個分組按6 bit進行劃分(不足6位時低位補0),得到N(*2<=N<=4*)個6位二進位碼(以下稱為Base64編碼單元)。
step4 將每個Base64編碼單元轉換為10進位值，並根據上表得到相應的Base64編碼字元,不足4個編碼單元的分組要用=進行填充。

Base64編碼過程樣本	-
原始字串	我x
UTF-8編碼,分組	0xe6 0x88 0x91; 0x78
二進位表示	11100110, 10001000, 10010001; 01111000
劃分編碼單元	111001,101000,100010,010001; 011110,0000000(補位)
Value	57,40,34,17; 30,0
對應Encoding	5,o,i,R; e,A, =,=(填充符)
最終結果	5oiReA==

3. 用途

1) 儲存位元據，如密鑰等。
2) 使用Http協議在url中傳輸位元據。
將Base64編碼中不符合URL規定的字元替換成其他合法的字元，並去掉斷行符號換行就得到了UrlBase64編碼。經過UrlBase64編碼，就可以將二進位參數直接放在url中。
這些功能也可以用hex編碼實現，但base64編碼的結果要比hex結果短。

4. 實現

jdk中的類sun.misc.BASE64Encoder和sun.misc.BASE64Decoder提供了Base64的編碼解碼實現，但jdk中sun開頭的包是sun公司的內部實現，該包下的代碼不保證與其他jave平台的相容性(見Why Developers Should Not Write Programs That Call ‘sun’ Packages)，所以需要使用第三方實現，也可將這兩個類複製到自己的代碼中。
筆者測試環境中使用的maven依賴如下：

    <!--bouncycastle依賴-->    <dependency>        <groupId>org.bouncycastle</groupId>        <artifactId>bcprov-jdk16</artifactId>        <version>1.46</version>    </dependency>    <!--commons-codec-->    <dependency>        <groupId>commons-codec</groupId>        <artifactId>commons-codec</artifactId>        <version>1.10</version>    </dependency>

4.1 BouncyCastle實現

包org.bouncycastle.util.encoders下提供了工具類Base64,UrlBase64與Hex用於Base64,UrlBase64與hex編碼/解碼操作。

final String charset="UTF-8";String input="Base64編/解碼";//編碼String encoded=new String(Base64.encode(input.getBytes(charset)),"ASCII");String urlSafeEncoded=new String(UrlBase64.encode(input.getBytes(charset)),"ASCII");//解碼Assert.assertEquals(input,new String(Base64.decode(encoded),charset));Assert.assertEquals(input,new String(UrlBase64.decode(urlSafeEncoded),charset));

4.2 commons-codec實現

工具類org.apache.commons.codec.binary.Base64提供了Base64與UrlBase64的編碼解碼方法。

final String charset="UTF-8";String input="Base64編/解碼";String encoded= Base64.encodeBase64String(input.getBytes(charset));String urlSafeEncoded=Base64.encodeBase64URLSafeString(input.getBytes(charset));Assert.assertEquals(input, new String(Base64.decodeBase64(encoded), charset));Assert.assertEquals(input, new String(Base64.decodeBase64(urlSafeEncoded), charset));

4.3 BouncyCastle與commons-codec區別

標準Base64編碼後的字串每76個字元為一行（稱為分塊)，行尾要添加一個斷行符號分行符號“\r\n”。但bouncycastle並沒有這樣做，而commons-codec支援標準實現，但預設並沒有使用。

++++++++++++	BouncyCastle	commons-codec
標準(分塊)編碼	不支援	Base64.encodeBase64Chunked 或 Base64.encodeBase64(binaryData, true)
UrlBase64	沒有斷行符號換行，‘+’變為’-‘, ’/‘變為’_‘, ’=‘變為’.’	與bouncyCastle相同,但去掉了填充符

Java加密解密(二) Base64編碼