由 Base64 展开的知识探讨

news2024/12/26 23:31:03

前言

在我们的业务应用中越来越多的应用到编码内容，例如在 API 中，给到后端的 SQL 都是通过 Base64 加密的数据等等。

能够发现我们的代码中，使用的 window 对象上的 btoa 方法实现的 Base64 编码，那 btoa 具体是如何实现的呢？将在下面的内容中为大家讲解。

那我们就先从一些基础知识开始深入了解吧~

什么是编码

编码，是信息从一种形式转变为另一种形式的过程，简要来说就是语言的翻译。

将机器语言(二进制)转变为自然语言。

五花八门的编码

ASCII 码

ASCII 码是一种字符编码标准，用于将数字、字母和其他字符转换为计算机可以理解的二进制数。

它最初是由美国信息交换标准所制定的，它包含了 128 个字符，其中包括了数字、大小写字母、标点符号、控制字符等等。

在计算机中一个字节可以表示256众不同的状态，就对应256字符，从 00000000 到 11111111。ASCII 码一共规定了128字符，所以只需要占用一个字节的后面7位，最前面一位均为0，所以 ASCII 码对应的二进制位 00000000 到 01111111。

file

非 ASCII 码

当其他国家需要使用计算机显示的时候就无法使用 ASCII 码如此少量的映射方法。因此技术革新开始啦。

  • GB2312
    收录了6700+的汉字，使用两个字节作为编码字符集的空间
  • GBK
    GBK 在保证不和 GB2312/ASCII 冲突的情况下，使用两个字节的方式编码了更多的汉字，达到了2w
  • 等等

全面统一的 Unicode

面对五花八门的编码方式，同一个二进制数会被解释为不同的符号，如果使用错误的编码的方式去读区文件，就会出现乱码的问题。

那能否创建一种编码能够将所有的符号纳入其中，每一个符号都有唯一对应的编码，那么乱码问题就会消失。因此 Unicode 借此机会统一江湖。是由一个叫做 Unicode 联盟的官方组织在维护。

Unicode 最常用的就是使用两个字节来表示一个字符(如果是更为偏僻的字符，可能所需字节更多)。现代操作系统都直接支持 Unicode。

Unicode 和 ASCII 的区别

  • ASCII 编码通常是一个字节，Unicode 编码通常是两个字节.
    字母 A 用 ASCII 编码十进制为 65，二进制位 01000001；而在 Unicode 编码中，需要在前面全部补0，即为 00000000 01000001
  • 问题产生了，虽然使用 Unicode 解决乱码的问题，但是为纯英文的情况，存储空间会大一倍，传输和存储都不划算。

问题对应的解决方案之UTF-8

UTF-8 全名为 8-bit Unicode Transformation Format

本着节约的精神，又出现了把 Unicode 编码转为可变长编码的 UTF-8。可以根据不同字符而变化字节长度，使用1~4字节表示一个符号。UTF-8 是 Unicode 的实现方式之一。

UTF-8 的编码规则

  1. 对于单字节的符号，字节的第一位设置为0，后面七位为该字符的 Unicode 码。因此对于英文字母，UTF-8 编码和 ASCII 编码是相同的。
  2. 对于 n 字节的符号，第一个字节的前 n 位都是1，第 n+1 位为0，后面的字节的前两位均为10。剩下的位所填充的二进制就是这个字符的 Unicode 码

对应的编码表格

Unicode 符号范围UTF-8 编码方式
0000 0000-0000 007F (0-127)0xxxxxxx
0000 0080-0000 07FF (128-2047)110xxxxx 10xxxxxx
0000 0800-0000 FFFF (2048-65535)1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
0001 0000-0010 FFFF (65536往上)11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxxx

在 Unicode 对应表中查找到“杪”所在的位置，以及其对应的十六进制 676A，对应的十进制为 26474(110011101101010)，对应三个字节 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

将110011101101010的最后一个二进制依次填充到1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx从后往前的 x ，多出的位补0即可，中，得到11100110 10011101 10101010 ，转换得到39a76a，即是杪字对应的 UTF-8 的编码

file

  • >> 向右移动，前面补 0, 如 104 >> 2 即 01101000=> 00011010
  • & 与运算，只有两个操作数相应的比特位都是 1 时，结果才为 1，否则为 0。如 104 & 3即 01101000 & 00000011 => 00000000，& 运算也用在取位时
  • | 或运算，对于每一个比特位，当两个操作数相应的比特位至少有一个 1 时，结果为 1，否则为 0。如 01101000 | 00000011 => 01101011
function unicodeToByte(input) {
    if (!input) return;
    const byteArray = [];
    for (let i = 0; i < input.length; i++) {
        const code = input.charCodeAt(i); // 获取到当前字符的 Unicode 码
        if (code < 127) {
            byteArray.push(code);
        } else if (code >= 128 && code < 2047) {
            byteArray.push((code >> 6) | 192);
            byteArray.push((code & 63) | 128);
        } else if (code >= 2048 && code < 65535) {
            byteArray.push((code >> 12) | 224);
            byteArray.push(((code >> 6) & 63) | 128);
            byteArray.push((code & 63) | 128);
        }
    }
    return byteArray.map((item) => parseInt(item.toString(2)));
}

问题对应的解决方案之UTF-16

UTF-16 全名为 16-bit Unicode Transformation Format
在 Unicode 编码中，最常用的字符是0-65535，UTF-16 将0–65535范围内的字符编码成2个字节，超过这个的用4个字节编码

UTF-16 编码规则

  1. 对于 Unicode 码小于 0x10000 的字符， 使用2个字节存储，并且是直接存储 Unicode 码，不用进行编码转换
  2. 对于 Unicode 码在 0x10000 和 0x10FFFF 之间的字符，使用 4 个字节存储，这 4 个字节分成前后两部分，每个部分各两个字节，其中，前面两个字节的前 6 位二进制固定为 110110，后面两个字节的前 6 位二进制固定为 110111，前后部分各剩余 10 位二进制表示符号的 Unicode 码 减去 0x10000 的结果
  3. 大于 0x10FFFF 的 Unicode 码无法用 UTF-16 编码

对应的编码表格

Unicode 符号范围具体Unicode码UTF-16 编码方式字节
0000 0000-0000 FFFF (0-65535)xxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxx2字节
0001 0000-0010 FFFF (65536往上)yy yyyyyyyy xx xxxxxxxx110110yy yyyyyyyy 110111xx xxxxxxxx4字节

“杪”字的 Unicode 码为 676A(26474)，小于 65535，所以对应的 UTF-16 编码也为 676A
找一个大于 0x10000 的字符，0x1101F，进行 UTF-16 编码

file

字节序

对于上述讲到的 UTF-16 来说，它存在一个字节序的概念。

字节序就是字节之间的顺序，当传输或者存储时，如果超过一个字节，需要指定字节间的顺序。

最小编码单元是多字节才会有字节序的问题存在，UTF-8 最小编码单元是一个字节，所以它是没有字节序的问题，UTF-16 最小编码单元是两个字节，在解析一个 UTF-16 字符之前，需要知道每个编码单元的字节序。

为什么会出现字节序？
计算机电路先处理低位字节，效率比较高，因为计算都是从低位开始的。所以，计算机的内部处理都是小端字节序。但是，人类还是习惯读写大端字节序。
所以，除了计算机的内部处理，其他的场合比如网络传输和文件储存，几乎都是用的大端字节序。
正是因为这些原因才有了字节序。

比如：前面提到过，"杪"字的 Unicode 码是 676A，"橧"字的 Unicode 码是 6A67，当我们收到一个 UTF-16 字节流 676A 时，计算机如何识别它表示的是字符 "杪"还是 字符 "橧"呢 ?

对于多字节的编码单元需要有一个标识显式的告诉计算机，按着什么样的顺序解析字符，也就是字节序。

  • 大端字节序(Big-Endian)，表示高位字节在前面，低位字节在后面。高位字节保存在内存的低地址端，低位字节保存在在内存的高地址端。
  • 小端字节序(Little-Endian)，表示低位字节在前，高位字节在后面。高位字节保存在内存的高地址端，而低位字节保存在内存的低地址端。

    file

简单聊聊 ArrayBuffer 和 TypedArray、DataView

ArrayBuffer

ArrayBuffer 是一段存储二进制的内存，是字节数组。

它不能够被直接读写，需要创建视图来对它进行操作，指定具体格式操作二进制数据。

可以通过它创建连续的内存区域，参数是内存大小(byte)，默认初始值都是 0

TypedArray

ArrayBuffer 的一种操作视图，数据都存储到底层的 ArrayBuffer 中

const buf = new ArrayBuffer(8);
const int8Array = new Int8Array(buf);
int8Array[3] = 44;
const int16Array = new Int16Array(buf);
int16Array[0] = 42;
console.log(int16Array); // [42, 11264, 0, 0]
console.log(int8Array);  // [42, 0, 0, 44, 0, 0, 0, 0]

使用 int8 和 int16 两种方式新建的视图是相互影响的，都是直接修改的底层 buffer 的数据

DataView

DataView 是另一种操作视图，并且支持设置字节序

const buf = new ArrayBuffer(24);
const dataview = new DataView(buf);
dataView.setInt16(1, 3000, true);  // 小端序

明确电脑的字节序

上述讲到，在存储多字节的时候，我们会采用不同的字节序来做存储。那对我们的操作系统来说是有一种默认的字节序的。下面就用上述知识来明确 MacOS 的默认字节序。

function isLittleEndian() {
    const buf = new ArrayBuffer(2);
    const view = new Int8Array(buf);
    view[0]=1;
    view[1]=0;
    console.log(view);
    const int16Array = new Int16Array(buf);
    return int16Array[0] === 1;
}
console.log(isLittleEndian());

通过上述代码我们可以得出此款 MacOS 是小端序列存储

一个🌰，大家可以计算一下，是否真正明白了字节序

const buffer = new ArrayBuffer(8);
const int8Array = new Int8Array(buffer);
int8Array[0] = 30;
int8Array[1] = 41;

const dataView = new DataView(buffer);
dataView.setInt16(2, 256, true);
const int16Array = new Int16Array(buffer);
console.log(int16Array);  // [10526, 256, 0, 0]
int16Array[0] = 256;
const int8Array1 = new Int8Array(buffer);
console.log(int8Array1);

虽然 TypedArray 无法指定字节序，但是在存储的时候采用操作系统默认的字节序。所以当我们设置 int16Array[0] = 256 时，内存中存储的为 00 01

file

Base64 编码解码

什么是 Base64

Base64 是一种基于64个字符来表示二进制数据的方式。

A-Z、a-z、0-9、+、/、= 65个字符组成，值得注意的是 = 用于补位操作

const _base64Str = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/=';

Base64 原理

除去 = 这个补位符号，64个字符(即2^6)，可表示二进制 000000 至111111共6个比特位，一个字节有8个比特位，因此可以推算出3个字节的数据需要用4个 Base64 字符表示

举个🌰，this 的 Base64 编码为 dGhpcw== ，具体编码如下

file

Base64 编码解码实现

在我们的项目中，实现 Base64 编码通常使用 btoa 和 atob 实现编码和解码，下面来尝试实现 btoa/atob

前置所需要了解函数

  • 获取相应字符 ASCII 码方法 String.charCodeAt(index)
  • 取得 Base64 对应的字符方法 String.charAt(index)

编码实现思路

  • 三个字符分别为 char1/char2/char3，对应的 base64 字符为 encode1/encode2/encode3/encode4
  • encode1 是 char1 取前六位，即 char1 右移2位，encode1 = char1 >> 2
  • encode2 是 char1 后两位 + char2 前四位组成，encode2 = ((char1 & 3) << 4) | (char2 >> 4)
  • encode3 是 char2 后四位 + char3 前两位组成，encode3 = ((char2 & 15) << 2) | (char3 >> 6)
  • encode4 是 char3 的后六位，encode4 = char3 & 63
function encodeBase64(input) {
    if (!input) return;
    let base64String = "";
    for (let i = 0; i < input.length; ) {
        const char1 = input.charCodeAt(i++);
        const encode1 = char1 >> 2;
        const char2 = input.charCodeAt(i++);
        const encode2 = ((char1 & 3) << 4) | (char2 >> 4);
        const char3 = input.charCodeAt(i++);
        let encode3 = ((char2 & 15) << 2) | (char3 >> 6);
        let encode4 = char3 & 63;
        if (Number.isNaN(char2)) encode3 = encode4 = 64;
        if (Number.isNaN(char3)) encode4 = 64;
        base64String +=
            _base64Str.charAt(encode1) +
            _base64Str.charAt(encode2) +
            _base64Str.charAt(encode3) +
            _base64Str.charAt(encode4);
    }
    return base64String;
}

解码实现思路

  • base64 字符为 encode1/encode2/encode3/encode4，三个字符分别为 char1/char2/char3
  • char1 是 encode1 + encode2 前两位，char1 = (encode1 << 2) | (encode2 >> 4)
  • char2 是 encode2 后四位 + encode3 前四位，char2 = ((encode2 & 15) << 4) | (encode3 >> 2)
  • char3 是 encode3 后两位 + encode4，char3 = ((encode3 & 3) << 6) | encode4
function decodeBase64(input) {
    if (!input) return;
    let output = "";
    for (let i = 0; i < input.length; ) {
        const encode1 = _base64Str.indexOf(input.charAt(i++));
        const encode2 = _base64Str.indexOf(input.charAt(i++));
        const encode3 = _base64Str.indexOf(input.charAt(i++));
        const encode4 = _base64Str.indexOf(input.charAt(i++));
        const char1 = (encode1 << 2) | (encode2 >> 4);
        const char2 = ((encode2 & 15) << 4) | (encode3 >> 2);
        const char3 = ((encode3 & 3) << 6) | encode4;
        output += String.fromCharCode(char1);
        if (encode3 != 64) {
            output += String.fromCharCode(char2);
        }
        if (encode4 != 64) {
            output += String.fromCharCode(char3);
        }
    }
    return output;
}

一些问题

当我们使用上述代码去编码中文的时候，就能够发现一些问题了。

console.log(encodeBase64("霜序"));                // 8=
console.log(decodeBase64(encodeBase64("霜序")));  // ô

其实是当字符的 Unicode 码大于255时，上述魔法就会失灵。同样的 window 上的 btoa 和 atob 方法也会失效。

霜序 两个字的 Unicode 分别为 38684/24207，那我们可以把这些数字转化为多个255内的数字，也就是用多个字节表示，就可以使用我们上述 Unicode 转 UTF-8 的方法，得到对应的字符，在对齐进行编码

function encodeTransform(input) {
    if (!input) return;
    const byteArray = [];
    for (let i = 0; i < input.length; i++) {
        const code = input.charCodeAt(i); // 获取到当前字符的 Unicode 码
        if (code < 128) {
            byteArray.push(code);
        } else if (code >= 128 && code < 2048) {
            byteArray.push((code >> 6) | 192);
            byteArray.push((code & 63) | 128);
        } else if (code >= 2048 && code < 65535) {
            byteArray.push((code >> 12) | 224);
            byteArray.push(((code >> 6) & 63) | 128);
            byteArray.push((code & 63) | 128);
        }
    }
    return byteArray;  // 返回 UTF-8 编码的数据
}

function encodeBase64(input) {
    if (!input) return;
    let base64String = "";
    const byteArray = encodeTransform(input);
    for (let i = 0; i < byteArray.length; ) {
        const char1 = byteArray[i++];
        const encode1 = char1 >> 2;
        const char2 = byteArray[i++];
        const encode2 = ((char1 & 3) << 4) | (char2 >> 4);
        const char3 = byteArray[i++];
        let encode3 = ((char2 & 15) << 2) | (char3 >> 6);
        let encode4 = char3 & 63;
        if (Number.isNaN(char2)) encode3 = encode4 = 64;
        if (Number.isNaN(char3)) encode4 = 64;
        base64String +=
            _base64Str.charAt(encode1) +
            _base64Str.charAt(encode2) +
            _base64Str.charAt(encode3) +
            _base64Str.charAt(encode4);
    }
    return base64String;
}

console.log(encodeBase64("霜序"));     // 6Zyc5bqP

同样的我们也需要对解码的内容做相应的转换，我们需要把 Base64 解码完成的数据，通过UTF-8的编码规则还原回 Unicode 码，找到对应的字符。

function decodeTransform(byteArray) {
    let i = 0;
    const output = [];
    while (i < byteArray.length) {
        const code = byteArray[i];
        if (code < 128) {
            output.push(code);
            i++;
        } else if (code > 191 && code < 224) {
            const code1 = byteArray[i + 1];
            output.push(((code & 31) << 6) | (code1 & 63));
            i += 2;
        } else {
            const code1 = byteArray[i + 1];
            const code2 = byteArray[i + 2];
            output.push(
                ((code & 15) << 12) | ((code1 & 63) << 6) | (code2 & 63)
            );
            i += 3;
        }
    }
    return output.map((item) => String.fromCharCode(item)).join("");
}

function decodeBase64(input) {
    if (!input) return;
    const byteArray = [];
    for (let i = 0; i < input.length; ) {
        const encode1 = _base64Str.indexOf(input.charAt(i++));
        const encode2 = _base64Str.indexOf(input.charAt(i++));
        const encode3 = _base64Str.indexOf(input.charAt(i++));
        const encode4 = _base64Str.indexOf(input.charAt(i++));
        const char1 = (encode1 << 2) | (encode2 >> 4);
        const char2 = ((encode2 & 15) << 4) | (encode3 >> 2);
        const char3 = ((encode3 & 3) << 6) | encode4;
        byteArray.push(char1);
        if (encode3 != 64) {
            byteArray.push(char2);
        }
        if (encode4 != 64) {
            byteArray.push(char3);
        }
    }
    return decodeTransform(byteArray);
}

总结

在本文中，重点是要实现 Base64 编码的内容，然后先给大家讲述了相关字符集(ASCII/Unicode)出现的原因。

Unicode 编码相关的缺点，由此引出了 UTF-8/UTF-16 编码。

对于 UTF-16 来说，最小的编码单元为两个字节，由此引出了字节序的内容。

当我们有了上述知识之后，最后开始 Base64 编码的实现。

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(JS逆向专栏十二)某乐平台网站登入RSA

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声明: 本文章中所有内容仅供学习交流&#xff0c;严禁用于商业用途和非法用途&#xff0c;否则由此产生的一切后果均与作者无关&#xff0c;若有侵权&#xff0c;请联系我立即删除&#xff01; 名称:当乐 目标:登入参数 加密类型:RSA 目标网址:https://oauth.d.cn/auth/goLogin…
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【前端 | CSS】5种经典布局

【前端 | CSS】5种经典布局

页面布局是样式开发的第一步&#xff0c;也是 CSS 最重要的功能之一。 常用的页面布局&#xff0c;其实就那么几个。下面我会介绍5个经典布局&#xff0c;只要掌握了它们&#xff0c;就能应对绝大多数常规页面。 这几个布局都是自适应的&#xff0c;自动适配桌面设备和移动设备…
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Linux：管道命令与文本处理三剑客（grep、sed、awk）

Linux：管道命令与文本处理三剑客（grep、sed、awk）

1 管道命令&#xff08;pipe&#xff09;介绍 众所周知&#xff0c;bash命令执行的时候会输出信息&#xff0c;但有时这些信息必须要经过几次处理之后才能得到我们想要的格式&#xff0c;此时应该如何处置&#xff1f;这就牵涉到 管道命令(pipe) 了。管道命令使用的是|这个界定…
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GaussDB数据库SQL系列-表连接（JOIN）

GaussDB数据库SQL系列-表连接（JOIN）

目录 一、前言 二、GaussDB JOIN 1、LEFT JOIN 2、LEFT JOIN EXCLUDING INNER JOIN 3、RIGHT JOIN 4、LEFT JOIN EXCLUDING INNER JOIN 5、INNER JOIN 6、FULL OUTER JOIN 7、FULL OUTER JOIN EXCLUDING INNER JOIN 三、GaussDB 实验示例 1、初始化实验表 2、LEFT …
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苹果正在测试新款Mac mini：搭载M3芯片 配备24GB大内存

苹果正在测试新款Mac mini：搭载M3芯片 配备24GB大内存

据悉苹果目前正在测试新的Mac机型&#xff0c;亮点是采用最新的M3芯片。 据报道&#xff0c;首款搭载M3芯片的设备应该是13英寸的MacBook Pro和重新设计的MacBook Air&#xff0c;Mac mini机型并不在名单上。 M3和M2同样拥有最多8个核心&#xff0c;分别为4个性能核和4个能效核…
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FPGA运算单元可以支援高运算力浮点

FPGA运算单元可以支援高运算力浮点

随着机器学习(Machine Learning)领域越来越多地使用现场可编程闸阵列(FPGA)来加速推论(inference)&#xff0c;传统FPGA只支援定点运算的瓶颈日益突显。为了解决这一困境&#xff0c;Achronix设计机器学习处理(Machine Learning Processing&#xff1b;MLP)单元&#xff0c;不仅…
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GreatSQL从单机到MGR扩展纪实

GreatSQL从单机到MGR扩展纪实

一、前言 原有的业务系统跑在MySQL主从架构中&#xff0c;高可用通过脚本完成&#xff0c;但存在切换数据丢失和切换不及时风险&#xff0c;调研了高可用更稳定的MGR后&#xff0c;准备入手一试。本篇文章主要记录GreatSQL从单机扩展到MGR的详细过程&#xff0c;遇到的问题及解…
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【PCIE】AER和DPC解释

【PCIE】AER和DPC解释

AER&#xff08;Advanced Error Reporting&#xff09;和 DPC&#xff08;Downstream Port Containment&#xff09;是PCIe&#xff08;Peripheral Component Interconnect Express&#xff09;总线规范中定义的两种不同的错误处理机制&#xff0c;它们在PCIe架构中有一定的关联…
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c++进阶--二叉搜索树模拟实现

c++进阶--二叉搜索树模拟实现

目录 前言 一、二叉搜索树 1.二叉搜索树概念 2.二叉搜索树操作 二、二叉搜索树实现 0.定义一个节点 1.定义一棵树 2.增删改查 2.1.查找 2.2.插入 2.3.删除 2.3.1非递归删除法 a.只有左孩子 -- 删除14 b.只有右孩子-- 删除10 c.有左右孩子--删除8 2.3.2递归删除…
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停车场收费系统ssm车辆车库管理jsp源代码mysql

停车场收费系统ssm车辆车库管理jsp源代码mysql

本项目为前几天收费帮学妹做的一个项目&#xff0c;Java EE JSP项目&#xff0c;在工作环境中基本使用不到&#xff0c;但是很多学校把这个当作编程入门的项目来做&#xff0c;故分享出本项目供初学者参考。 一、项目描述 停车场收费系统 一个基于ssm框架的小系统 后端&…
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