【动画密码学】Base64编码&解码算法

本文依然是一篇老的文章，我们还是直接来看动画了。

什么是Base64？

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Base64（基底64）是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的表示方法。-- 维基百科

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简单来说，小明和小红两个人想要互相传递信息，他们产生的数据只能是二进制的流数据(也就是0和1)，但是小明和小红要想互相传递信息不能直接说，而要写在小纸条上，这个小纸条又无法承载0和1这时候今天的主角「Base64」就出现了，他可以吧二进制的数据流转换成为64个可见的字符。Base64常用于在通常处理文本数据的场合，表示、传输、存储一些二进制数据，包括MIME的电子邮件及XML的一些复杂数据。

Base64的工作原理

首先要有一个索引表，标准 Base64 里的 64 个可打印字符是 A-Za-z0-9+/，分别依次对应索引值 0-63，标准的索引表如下:

Base64索引表

编码方案

编码过程中，每三个字节(8bit * 3 = 24bit)一组进行编码，因为2^6 = 64因此每组有4个索引与之对应，如下图所示:

编码样例

上面的图可能不是很清晰，下面来看一个具体的例子，如下图所示:

可以发现，对于ABC的Base64编码为QUJD,这时候细心的读者可能发现了，如果输入的长度不是3的整数倍或者二进制流的数据不是24的整数倍那么将要如何处理呢。这里Base64采用的是直接Padding0的方案，也就是不足24bit最后一个分组直接Padding0。注意如果是Padding的数据，那么不能按照索引表去查0位置的索引，而是直接用=填充。下面还是来看一个例子吧:

也就是说，如果剩余两个字节那么将会填充两个=， 如果剩余一个字节那么填充一个=。

编码实现

const BASE64_PADDING_CHAR: char = '=';

const BASE64_TABLE: [char; 64] = [
    'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G', 'H', 'I', 'J', 'K', 'L', 'M', 'N', 'O', 'P',
    'Q', 'R', 'S', 'T', 'U', 'V', 'W', 'X', 'Y', 'Z', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f',
    'g', 'h', 'i', 'j', 'k', 'l', 'm', 'n', 'o', 'p', 'q', 'r', 's', 't', 'u', 'v',
    'w', 'x', 'y', 'z', '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', '+', '/',
];

struct Base64 {}

impl Base64 {
    pub fn encode(data: &[u8]) -> String {
        if data.is_empty() {
            return String::new();
        }
        // 计算padding长度
        let encode_length = match (data.len() / 3, (data.len() % 3) != 0) {
            (data_length, true) => 4 * data_length + 4,
            (data_length, false) => 4 * data_length,
        };
        let mut result = String::with_capacity(encode_length);

        // 编码
        for i in (0..(data.len() / 3 * 3)).step_by(3) {
            let bits = ((data[i] & 0xff) as u32) << 16 | ((data[i + 1] & 0xff) as u32) << 8 | (data[i + 2] & 0xff) as u32;
            result.push(BASE64_TABLE[((bits >> 18) & 0x3f) as usize]);
            result.push(BASE64_TABLE[((bits >> 12) & 0x3f) as usize]);
            result.push(BASE64_TABLE[((bits >> 6) & 0x3f) as usize]);
            result.push(BASE64_TABLE[(bits & 0x3f) as usize]);
        }

        // padding
        match data.len() % 3 {
            1 => {
                let bits: u32 = (((data[data.len() - 1] & 0xff) as u32) << 4) as u32;
                result.push(BASE64_TABLE[((bits >> 6) & 0x3f) as usize]);
                result.push(BASE64_TABLE[(bits & 0x3f) as usize]);
                result.push(BASE64_PADDING_CHAR);
                result.push(BASE64_PADDING_CHAR);
            }
            2 => {
                let bits = ((data[data.len() - 2] & 0xff) as u32) << 10 | ((data[data.len() - 1] & 0xff) as u32) << 2;
                result.push(BASE64_TABLE[((bits >> 12) & 0x3f) as usize]);
                result.push(BASE64_TABLE[((bits >> 6) & 0x3f) as usize]);
                result.push(BASE64_TABLE[(bits & 0x3f) as usize]);
                result.push(BASE64_PADDING_CHAR);
            }
            _ => {}
        }
        return result;
    }
}

#[cfg(test)]
mod test {
    use crate::base64::Base64;

    #[test]
    fn test() {
        println!("Base64(ABC) = {}", Base64::encode("ABC".as_bytes()));
        println!("Base64(A) = {}", Base64::encode("A".as_bytes()));
        println!("Base64(AB) = {}", Base64::encode("AB".as_bytes()));
    }
}

参考资料

• Base64 - 维基百科，自由的百科全书^[1]
• rfc1421^[2]

Reference