密码学 | Base64是加密算法吗？

2020-08-09 本文已影响0人彭旭锐

前言

对网络通信有所了解的同学，应该都听过Base64编码。例如，我们一段数据通过MD5 、SHA等手段加密后，经过Base64编码为字符串就可以很方便地在网路上传输。那么Base64也算是一种加密算法吗？
在这篇文章里，我将带你理解Base64的基本原理 & 实现，希望能帮上忙

延伸文章

《计算机组成原理 | Unicode 和 UTF-8 是什么关系？》

1. 基本原理

Base64是一种将二进制流表示为 64 个字符的编码方式。标准的 Base64 使用的索引表为：

标准的 Base64 索引表 —— 引用自维基百科

举个例子，字符串"Base64 编码"经过编码后的结果为：QmFzZTY0IOe8lueggQ==。当然，这里隐含了以UTF-8作为字符编码的前提，如果使用了其他的字符编码方式，用Base64编码后就不是这个结果了。很多在线编解码的网站其实也是默认使用了UTF-8，但是没有明确说明。

1.1 标准 Base64 编码步骤

下面解释一下Base64的编码步骤：

步骤1：数据输入
在这一步骤，需要将原数据（字符串、图片、音频等任何数据）转换为二进制流。例如前面举的字符串的例子，则需要经过字符编码转换为二进制流。
步骤2：分组转换
- 从二进制流头部开始，每 6 位为一组，若不足 6 位，则低位补0
- 每 6 位组成一个新的字节，高位 2 位补 0 ，此时已经获得二进制的Base64编码
步骤3：转换为字符串
将二进制的Base64编码每个字节映射为一个字符，例如0000 0000映射为 A，0011 1111映射为/，此时已经获得Base64编码字符串
步骤4：末尾补位
标准Base64编码字符串的长度为 4 的倍数，否则，在末尾补充=。例如前面的QmFzZTY0IOe8lueggQ==长度就是补充了两个=后，长度为 20。

整个编码步骤并不复杂，我们用一张示意图表示为：

Base64编码示意图

1.2 非标准 Base64

Url Base 64
标准Base 64中使用了'/'，这在URL和文件系统中存在冲突，因此延伸出 Url Base64 算法，主要就是将'+'和'/'符号替换成了'-'和'_'符号。
MIME Base 64
这是一种MIME友好格式，它输出每行为 76 个字符，每行末需追加回车换行符\r\n，不论每行是否够 76 个字符，都要添加一个回车换行符

1.3 意义

Base64能够将任何数据转换为易移植的字符串，避免了传输过程中失真问题。最初，Base64是为了解决电子邮件中无法直接使用非ASCII字符的问题。一段数据先经过Base64编码为ASCII字符串后，可以在接收端，通过Base64解码还原为原数据后，而无需担心传输过程中失真。

很多时候，我们都将Base64编码作为数据加密后的传输 / 存储格式。例如，一段明文数据通过MD5 、SHA等手段加密后，经过Base64编码为字符串，就可以很方便地进行传输 & 存储。再比如，网络上的数字证书其实也是使用Base64编码的形式传输的，我们可以在浏览器上查看百度官网的数字证书：

查看百度官网的数字证书

将证书保存到本地

证书以 Base64 编码格式存储

需要注意的是，Base64并不是一种加密方式，明文使用Base64编码后的字符串通过索引表可以直接还原为明文。因此，Base64只能作为一种数据的存储格式。

2. 算法实现

2.1 Java 环境

在Java 8之前，JDK中并没有提供Base64的算法实现，这其实挺让人纳闷的。虽然源码中sun.misc.BASE64Encoder，但是它其实并不是公有 API，而是 sun 团队内部使用的 API，最好不要在生产中使用。从Java 8，JDK 总算是补充了Base64的实现，例如：

import java.util.Base64;

标准 Base 64
System.out.println(Base64.getEncoder().encodeToString("".getBytes()));

Url Base 64
System.out.println(Base64.getUrlEncoder().encodeToString("".getBytes()));

MIME Base 64
System.out.println(Base64.getMimeEncoder().encodeToString("".getBytes()));

在Java 8之前，Bouncy Castle和Apache也提供了Base64的算法实现。

2.2 Android环境

Android SDK提供了Base64的算法实现，例如：

import android.util.Base64;

System.out.println(Base64.encodeToString("".getBytes(),Base64.DEFAULT));

相对于Java 8的算法实现，Android提供的 API 更为灵活，可以通过flag自定义控制算法的输出。

3. 总结

Base 64能够将任何数据转换为易移植的字符串，避免了传输过程中失真问题。
需要注意的是，Base 64不是一种加密方式，只是一种编码方式。很多时候，我们都将Base64编码作为数据加密后的传输 / 存储格式

参考资料

《Java加密与解密的艺术》（第5章） —— 梁栋著
《HTTP权威指南》 —— [美] David Gourley，Brian Totty等著
《Base64》 —— 维基百科