Source: Dev.to

什么是 Base64 编码？开发者的可视化指南

Base64 是一种 二进制到文本 的编码方案，常用于在只能处理文本的系统（如 JSON、XML、URL、电子邮件）中安全地传输二进制数据。它通过把每 3 个字节（24 位）转换为 4 个可打印字符（每个字符 6 位），从而避免了控制字符和不可见字符带来的问题。

---

为什么需要 Base64？

• 网络传输：某些协议只接受 ASCII 文本（例如 HTTP 表单、URL 参数）。
• 数据嵌入：在 HTML、CSS、JSON 中直接嵌入图片或其他二进制资源。
• 兼容性：确保二进制数据在不同平台、语言之间保持一致。

注意：Base64 并不是加密，它只是编码。任何人都可以轻易地把 Base64 解码回原始二进制。

---

Base64 的工作原理（可视化）

原始字节:   01001000 01100101 01101100   (ASCII "Hel")
分组:       010010 000110 010101 101100
映射:       18      6       21      44
字符:       S       G       V       s
结果:       "SGVs"

1. 把输入数据分成 3‑byte（24 位）块。
2. 每块再划分为 4‑group（6 位）。
3. 使用 Base64 索引表（A‑Z, a‑z, 0‑9, +, /）把每个 6 位值映射为对应的字符。
4. 如果最后不足 3 字节，使用 = 填充，使输出长度始终是 4 的倍数。

---

常见的 Base64 索引表

URL‑安全的变体把 + 替换为 -，/ 替换为 _，并且通常省略填充 =。

---

示例代码

下面的代码展示了在 JavaScript 与 Python 中如何进行 Base64 编码和解码。代码块保持原样，不进行翻译。

// JavaScript (Node.js)
const data = "Hello, World!";
const encoded = Buffer.from(data).toString('base64');
console.log(encoded); // SGVsbG8sIFdvcmxkIQ==

const decoded = Buffer.from(encoded, 'base64').toString('utf-8');
console.log(decoded); // Hello, World!

# Python 3
import base64

data = b"Hello, World!"
encoded = base64.b64encode(data).decode('utf-8')
print(encoded)  # SGVsbG8sIFdvcmxkIQ==

decoded = base64.b64decode(encoded).decode('utf-8')
print(decoded)  # Hello, World!

---

何时使用 Base64？

---

何时避免使用 Base64？

• 大文件：Base64 会使数据体积增加约 33%，不适合传输大文件（如视频、完整图片库）。
• 需要加密：如果目的是保护数据隐私，请使用加密算法（AES、RSA 等），而不是仅仅 Base64。
• 性能敏感的场景：编码/解码会消耗 CPU，频繁的转换可能成为瓶颈。

---

小结

• Base64 是一种 二进制 → 文本 的编码方式，广泛用于在只能处理文本的环境中安全传输二进制数据。
• 它通过 3 字节 → 4 字符 的映射实现，使用固定的 64‑字符索引表。
• 虽然易于实现且兼容性好，但会导致 数据膨胀，并且 不提供安全性。
• 正确的使用场景包括嵌入小型资源、在 JSON/XML 中携带二进制、以及电子邮件附件等；不适用于大文件或需要保密的场景。

了解更多细节，请参考 RFC 4648（Base64 标准）以及各语言的标准库实现。祝编码愉快！

什么是 Base64？

Base64 是一种二进制转文本的编码方案。它可以将任何二进制数据 — 图像、文件、文本，等等 — 使用仅 64 个“安全” ASCII 字符来表示：

A‑Z (26) + a‑z (26) + 0‑9 (10) + '+' + '/' = 64 characters

再加上用于填充的 =。

就是这么简单。整个字符表的设计旨在能够安全地通过仅处理文本的系统进行传输 — 电子邮件、URL、JSON、XML、HTML。

为什么会有 Base64？

在早期的互联网时代，许多系统只能处理 7 位 ASCII 文本。二进制数据（图像、可执行文件、非英文字符）在通过电子邮件服务器、网关以及为纯文本设计的协议传输时会被损坏。

Base64 通过将二进制数据编码为文本安全的格式来解决了这个问题。
权衡是什么？ 编码后的输出大约比原始数据 大 33 %。

计算方法： 每 3 字节的输入会变成 4 个 Base64 字符

3 × 8 = 24 bits → 4 × 6 = 24 bits

Base64 编码工作原理（逐步说明）

让我们将字符串 "Hi" 编码为 Base64。

步骤 1：转换为二进制

H = 72  → 01001000
i = 105 → 01101001

步骤 2：连接所有位

01001000 01101001

步骤 3：划分为 6 位一组

010010 | 000110 | 1001XX

（将最后一组用零填充至 6 位：100100）

步骤 4：将每个 6 位组映射到 Base64 字母表

010010 = 18 → S
000110 = 6  → G
100100 = 36 → k

步骤 5：添加填充

由于我们的输入是 2 个字节（不能被 3 整除），我们需要添加一个 = 填充。

结果： SGk=

您可以自行验证 →

在实际场景中看到 Base64 的位置

1. Data URIs – 在 HTML/CSS 中直接嵌入小图片，省去额外的 HTTP 请求。

   <img src="data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAA...">

2. JWT Tokens – 三个 Base64url 编码的 JSON 对象通过点号连接。

   eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIn0.dozjgNryP4J3jVmNHl0w5N_XgL0n3I9PlFUP0THsR8U

3. Email Attachments (MIME) – 每个附件都使用 Base64 编码，以便在基于文本的电子邮件中嵌入二进制文件。

4. API Responses – 二进制数据（PDF、图片、证书等）常以 Base64 字符串的形式在 JSON 中返回。

   {
     "file": "UGFzc3dvcmQxMjM=",
     "encoding": "base64"
   }

5. Basic HTTP Authentication – 对 username:password 进行编码。

   Authorization: Basic dXNlcm5hbWU6cGFzc3dvcmQ=

Base64 并非加密

最常见的误解是 Base64 提供安全性。它是 编码，而不是 加密。

Base64 提供 零 安全性。任何人都可以立即解码。绝不要用它来“隐藏”敏感数据。

# "Hiding" a password in Base64
echo -n 'MySecretPassword' | base64
# TXlTZWNyZXRQYXNzd29yZA==

# "Unhiding" it
echo 'TXlTZWNyZXRQYXNzd29yZA==' | base64 -d
# MySecretPassword

Base64 与 Base64url

标准 Base64 使用 + 和 /，在 URL 中会导致问题。Base64url 用以下方式替换它们：

JWT 令牌使用 Base64url，许多在查询参数中放置编码数据的 API 也使用它。

常用 Base64 操作

JavaScript（浏览器）

// Encode
const encoded = btoa('Hello, World!'); // SGVsbG8sIFdvcmxkIQ==

// Decode
const decoded = atob('SGVsbG8sIFdvcmxkIQ=='); // Hello, World!

⚠️ btoa() 和 atob() 只能处理 ASCII。若需 Unicode：

// Encode Unicode
const encoded = btoa(unescape(encodeURIComponent('Hello 🌍')));

// Decode Unicode
const decoded = decodeURIComponent(escape(atob(encoded)));

Node.js

// Encode
const encoded = Buffer.from('Hello').toString('base64');

// Decode
const decoded = Buffer.from('SGVsbG8=', 'base64').toString('utf8');

Python

import base64

# Encode
b64 = base64.b64encode(b'Hello').decode()
# 'SGVsbG8='

# Decode
txt = base64.b64decode('SGVsbG8=').decode()
# 'Hello'

命令行

# Encode a string
echo -n 'Hello' | base64

# Decode a string
echo 'SGVsbG8=' | base64 -d

# Encode a file
base64 image.png > image.b64

# Decode a file
base64 -d image.b64 > image.png

何时使用 Base64

✅ 适用场景：

• 在基于文本的格式（JSON、XML、HTML）中嵌入二进制数据
• 通过仅文本协议发送文件
• 为小图片（< 10 KB）创建 data URI
• 与期望 Base64 输入的 API 配合使用

❌ 不适用场景：

• 认为它能提供安全性（其实并不能）
• 文件较大（33 % 的大小开销会累计）
• 可以直接发送原始二进制数据（例如通过 multipart/form‑data）
• 试图压缩数据（它只会让数据更大）

亲自尝试

我在 base64decode.co 上构建了一个免费 Base64 编码/解码工具——粘贴任意文本或上传文件，即可即时得到结果。无需注册，无追踪，完全在浏览器中运行。

这是我为日常开发工作构建的 11 个免费开发者工具 套件的一部分。

你最常用 Base64 的场景是什么？ 在评论中告诉我——我很好奇是用于 JWT、data URI，还是我未曾想到的其他用途。