Java加密解密(二) Base64编码

1. Base64的由来

Base64最早用于解决电子邮件传输问题。由于“历史问题”，早期的电子邮件网关只允许传输ASCII（二进制为00000000-01111111)字符，如果有非ASCII字符经过这种网关时, 字符的二进制位可能会被篡改(如将10000001改为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。
如下是Base64的字符映射表，详情参见RFC 2045

其中的value是10进制的值，Encoding是与之相对应的编码字符

因为Base64中共有64个字符，所以只需要6个bit就可以表示一个base64字符（*1<<6=64*）。另外，由于计算机基本处理单位为字节，所以字符编码是以字节为单位对字符进行编码，比如，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的编码步骤如下：
step1 将待转码字符串以某种编码格式（如UTF-8）进行编码，得到一个字节数组
step2 将字节数组按三个字节为一组进行分组(24个bit）
step3 将每个分组按6 bit进行划分(不足6位时低位补0),得到N(*2<=N<=4*)个6位二进制码(以下称为Base64编码单元)。
step4 将每个Base64编码单元转换为10进制值，并根据上表得到相应的Base64编码字符,不足4个编码单元的分组要用=进行填充。

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他合法的字符，并去掉回车换行就得到了UrlBase64编码。经过UrlBase64编码，就可以将二进制参数直接放在url中。
这些功能也可以用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他jave平台的兼容性(见Why Developers Should Not Write Programs That Call ‘sun’ Packages)，所以需要使用第三方实现，也可将这两个类复制到自己的代码中。
笔者测试环境中使用的maven依赖如下：

    <!--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/解码操作。

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并没有这样做，而commons-codec支持标准实现，但默认并没有使用。