Java加密解密(二) Base64编码

1. Base64的由来

Base64最先用于解决电子邮件传输问题。因为“历史问题”，早期的电子邮件网关只容许传输ASCII（二进制为00000000-01111111)字符，若是有非ASCII字符通过这种网关时, 字符的二进制位可能会被篡改(如将10000001改成00000001）。由此产生了Base64编码来保证非ASCII字符的传输。

2. 原理

Base64顾名思义是一种基于64个字符的编码算法。 以下是Base64的字符映射表，详情参见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进制的值，Encoding是与之相对应的编码字符

由于Base64中共有64个字符，因此只须要6个bit就能够表示一个base64字符（1<<6=64）。另外，因为计算机基本处理单位为字节，因此字符编码是以字节为单位对字符进行编码，好比，字符'A'的ASCII编码为01000001，汉字'你'的UTF-8编码为11100100 10111101 10100000, GBK编码为11000100 11100011。由此，Base64的编码步骤以下： step1 将待转码字符串以某种编码格式（如UTF-8）进行编码，获得一个字节数组 step2 将字节数组按三个字节为一组进行分组(24个bit） step3 将每一个分组按6 bit进行划分(不足6位时低位补0),获得N(2<=N<=4)个6位二进制码(如下称为Base64编码单元)。 step4 将每一个Base64编码单元转换为10进制值，并根据上表获得相应的Base64编码字符,不足4个编码单元的分组要用=进行填充。

例:

Base64编码过程	-
原始字符串	我x
UTF-8编码,分组	0xe6, 0x88, 0x91; 0x78
二进制表示	11100110, 10001000, 10010001; 01111000
划分编码单元	111001,101000,100010,010001; 011110,00 00000(补位)
Value	57,40,34,17; 30,0
对应Encoding	5,o,i,R; e,A, =,=(填充符)
最终结果	5oiReA==

3. 用途

1. 保存二进制数据，如密钥等。
2. 使用Http协议在url中传输二进制数据。 将Base64编码中不符合URL规定的字符替换成其余合法的字符，并去掉回车换行就获得了UrlBase64编码。通过UrlBase64编码，就能够将二进制参数直接放在url中。 这些功能也能够用hex编码实现，但base64编码的结果要比hex结果短。

4. 实现

jdk中的类sun.misc.BASE64Encoder和sun.misc.BASE64Decoder提供了Base64的编码解码实现，但jdk中sun开头的包是sun公司的内部实现，该包下的代码不保证与其余jave平台的兼容性(见Why Developers Should Not Write Programs That Call 'sun' Packages)，因此须要使用第三方实现，也可将这两个类复制到本身的代码中。 笔者测试环境中使用的maven依赖以下：

<!--bouncycastle依赖-->
    <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实现

包org.bouncycastle.util.encoders下提供了工具类Base64,UrlBase64与Hex用于Base64,UrlBase64与hex编码/解码操做。

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

4.2 commons-codec实现

工具类org.apache.commons.codec.binary.Base64提供了Base64与UrlBase64的编码解码方法。

final String charset="UTF-8";
String input="Base64编/解码";
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与commons-codec区别

标准Base64编码后的字符串每76个字符为一行（称为分块)，行尾要添加一个回车换行符"\r\n"。但bouncycastle并无这样作，而commons-codec支持标准实现，但默认并无使用。

++++++++++++	BouncyCastle	commons-codec
标准(分块)编码	不支持	Base64.encodeBase64Chunked 或 Base64.encodeBase64(binaryData, true)
UrlBase64	没有回车换行，'+'变为'-', '/'变为'_', '='变为'.'	与bouncyCastle相同,但去掉了填充符