Openssl数据安全传输平台011：base64的使用

news2024/10/5 17:20:22

文章目录

1 base64
- 1.1 概念
- 1.2 应用场景
2 base64 算法（重要）
3 openssl 中base64的使用
- 3.1 BIO 操作
- 3.2 base64 编码 -> bio链的写操作
- 3.3 base64 解码 -> bio链的读操作

1 base64

1.1 概念

Base64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。在Base64中的可打印字符包括字母A-Z、a-z、数字0-9，这样共有62个字符，加上**+和/**, 共64个字符.

普通的文本数据也可以使用base64进行编解码
Base64编解码的过程是可逆的
Base64不能当做加密算法来使用

1.2 应用场景

在计算机中任何数据都是按ascii码存储的，而ascii码的128～255之间的值是不可见字符。而在网络上交换数据时，比如说从A地传到B地，往往要经过多个路由设备，由于不同的设备对字符的处理方式有一些不同，这样那些不可见字符就有可能被处理错误，这是不利于传输的。所以就先把数据先做一个Base64编码，统统变成可见字符，这样出错的可能性就大降低了。

base64 应用
- 它可用来作为电子邮件的传输编码。
  - 附件：图片/音频/视频-> 二进制
  - 邮件传输协议只支持 ASCII字符传递，因此如果要传输二进制文件：图片、视频是无法实现的。
- Http协议
  - HTTP协议要求请求行和请求头都必须是ASCII编码
- 数据库数据读写 - blob
  - blob格式: - 文件、音频、视频、图片
  - blob格式的数据中有一些特殊的数据:
    - 中文
      写之前进行编码
      读出来之后解码
    - 二进制数据

2 base64 算法（重要）

把3个8位字节（3*8=24）转化为4个6位的字节（4*6=24）
假设有一个字符串, 需要对这个字符串分组, 每3个字节为一组, 分成N组
将每一组的3个字节拆分, 拆成4个字节, 每个字节有6bit

在6位的前面补两个0，形成8位一个字节的形式
每个组就从3个字节变成了4个字节
结论: base64编码之后的字符串变大了,

如果剩下的字符不足3个字节，则用0填充，输出字符使用’=‘，因此编码后输出的文本末尾可能会出现1或2个’=', 表示补了多少字节，解码的时候，会自动去掉。

数据通过base64编码, 编码之后的数据边长了还是变短了?
- 变长了
- 每三个字节一组, 编码之后每组增加一个字节

编码之后的数据末尾有可能有=, 这个=是什么意思?
- =代表0, 0是给最后一组补位用的, 最后一组缺几个字节就补几个0
- 在解码的时候根据=的个数去掉对应的字节数

在这里插入图片描述 Base64 将 8 位为一个单元的字节数据，拆分为 6 位为一个单元的二进制片段。每一个 6 位单元对应 Base64 索引表中的一个字符。简单举个例子，下图中 M 的 ASCII 码是 77 , 而转换为二进制后前六位二进制对应值为 19，为 Base64 字典中的 T。
在这里插入图片描述

3 openssl 中base64的使用

3.1 BIO 操作

// 创建BIO对象
BIO *BIO_new(const BIO_METHOD *type);

// 封装了base64编码方法的BIO,写的时候进行编码，读的时候解码
BIO_METHOD* BIO_f_base64();

// 封装了内存操作的BIO接口，包括了对内存的读写操作
BIO_METHOD* BIO_s_mem();

// 创建一个内存型的BIO对象
// BIO * bio = BIO_new(BIO_s_mem());
BIO *BIO_new_mem_buf(void *buf, int len);

// 创建一个磁盘文件操作的BIO对象
BIO* BIO_new_file(const char* filename, const char* mode);

// 从BIO接口中读出len字节的数据到buf中。
// 成功就返回真正读出的数据的长度，失败返回0或－1，如果该BIO没有实现本函数则返回－2。
int BIO_read(BIO *b, void *buf, int len);
    - buf: 存储数据的缓冲区地址
    - len: buf的最大容量

// 往BIO中写入长度为len的数据。
// 成功返回真正写入的数据的长度，失败返回0或－1，如果该BIO没有实现本函数则返回－2。
int BIO_write(BIO *b, const void *buf, int len);
    - buf: 要写入的数据, 写入到b对应的设备(内存/磁盘文件)中
    - len: 要写入的数据的长度
    - 
// 将BIO内部缓冲区的数据都写出去, 成功: 1, 失败: 0或-1
int BIO_flush(BIO *b);
    - 在使用BIO_write()进行写操作的时候, 数据有时候在openssl提供的缓存中
    - 将openssl提供的缓存中的数据刷到设备(内存/磁盘文件)中


// 把参数中名为append的BIO附加到名为b的BIO上，并返回b
// 连接两个bio对象到链表中
// 在链表中的关系: b->append
BIO * BIO_push(BIO *b, BIO *append);
    - b: 要插入到链表中的头结点
    - append: 头结点的后继
    - 
// 把名为b的BIO从一个BIO链中移除并返回下一个BIO，如果没有下一个BIO，那么就返回NULL。
BIO * BIO_pop(BIO *b);

typedef struct buf_mem_st BUF_MEM;
struct buf_mem_st {
    size_t length;              /* current number of bytes */
    char *data;
    size_t max;                 /* size of buffer */
    unsigned long flags;
};

// 该函数也是一个宏定义函数，它将b底层的BUF_MEM结构放在指针pp中。
BUF_MEM* ptr;
long BIO_get_mem_ptr(BIO *b, BUF_MEM **pp);
// 释放整个bio链
void BIO_free_all(BIO *a);

我们举几个简单的例子说明BIO_push和BIO_pop的作用，假设md1、md2是digest类型的BIO，b64是Base64类型的BIO，而f是file类型的BIO，那么如果执行操作，那么就会形成md1-md2-b64-f的BIO链，大家可以看到，在构造完一个BIO后，头一个BIO就代表了整个BIO链，这根链表的概念几乎是一样的。

这时候，任何写往md1的数据都会经过md1,md2的摘要（或说hush运算)，然后经过base64编码，最后写入文件f。可以看到，构造一条好的BIO链后，操作是非常方便的，你不用再关心具体的事情了，整个BIO链会自动将数据进行指定操作的系列处理。

需要注意的是，如果是读操作，那么数据会从相反的方向传递和处理，对于上面的BIO链，数据会从f文件读出，然后经过base64解码，然后经过md1,md2编码，最后读出。

BIO* md1 = BIO_new();    // md1 hash计算
BIO* md2 = BIO_new();    // md2 hash计算
BIO* b64 = BIO_new();    // base64 编解码
BIO* f = BIO_new();        // 操作磁盘文件

// 组织bio链
// b64->f
BIO_push(b64, f);
// 那么就会形成一个b64-f的链。然后再执行下面的操作：
// md2->b64->f
BIO_push(md2, b64);
// md1->md2->b64->f
BIO_push(md1, md2);

// bIO链
md1->md2->b64->f
// 写数据操作
int BIO_write(md1, "hello, world", 11);
// 数据的处理过程
// 进行md1 的哈希计算 -> md2的哈希计算 -> base64编码 -> 数据被写到磁盘

在这里插入图片描述

3.2 base64 编码 -> bio链的写操作

char* data = "hello, world";

// 创建base64编码的bio对象
BIO* b64 = BIO_new(BIO_f_base64());

// 最终在内存中得到一个base64编码之后的字符串
BIO* mem = BIO_new(BIO_s_mem());

// 将两个bio对象串联, 结构: b64->mem
BIO_push(b64, mem);

// 将要编码的数据写入到bio对象中
BIO_write(b64, data, strlen(data)+1);

// 将数据从bio对象对应的内存中取出 -> char*
BUF_MEM* ptr;

// 数据通过ptr指针传出
long BIO_get_mem_ptr(b64, &ptr);
char* buf = new char[ptr->length];
memcpy(buf, ptr->data, ptr->length);
printf("编码之后的数据: %s\n", buf);

3.3 base64 解码 -> bio链的读操作

// 要解码的数据
char* data = "xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx";

// 创建base64解码的bio对象
BIO* b64 = BIO_new(BIO_f_base64());
#if 0
// 存储要解码的数据
BIO* mem = BIO_new(BIO_s_mem());
// 将数据写入到mem对应的内存中
BIO_write(mem, data, strlen(data));
#else
BIO *mem = BIO_new_mem_buf(data, strlen(data));
#endif

// 组织bio链
BIO_push(b64, mem);

// 读数据
char buf[1024];
int BIO_read(b64, buf, 1024);
printf("base64解码的数据: %s\n", buf);