Base64 編碼完全指南：原理、應用與最佳實踐

📅 發布日期：2025-01-27
⏱️ 閱讀時間：約 10 分鐘
🏷️ 分類：技術博客

Base64 是一種廣泛使用的二進位至文字編碼方案（binary-to-text encoding），將任意二進位資料轉換為 64 個可列印 ASCII 字元。它不是加密演算法，而是編碼方式，主要用於在只支援文字的傳輸環境中傳輸二進位資料。本文將深入探討 Base64 的編碼原理、歷史背景、變體格式、實際應用和最佳實踐，幫助開發者全面理解這項基礎而重要的技術。

Base64編碼步驟流程圖
Base64編碼步驟流程圖

📚 什麼是 Base64？

定義與歷史

Base64 編碼最早出現在 1987 年的 RFC 989（Privacy Enhanced Mail，PEM）中，用於在電子郵件系統中傳輸二進位附件。由於早期電子郵件協定（SMTP）只支援 7-bit ASCII 文字，無法直接傳輸圖片、音訊等二進位檔案，因此需要將二進位資料編碼為純文字格式。

Base64 的名稱來自其使用的 64 個可列印字元（A-Z、a-z、0-9、+、/），這些字元在所有主流字元集（ASCII、EBCDIC）中都有一致的編碼，確保跨平台相容性。

Base64 字元集

標準 Base64 使用以下 64 個字元：

索引  字元
0-25  A-Z  (大寫英文字母)
26-51 a-z  (小寫英文字母)
52-61 0-9  (數字)
62    +    (加號)
63    /    (斜線)
=     (填充字元，Padding)

填充字元 = 用於確保編碼結果長度為 4 的倍數，不屬於 64 個資料字元之一。

Data URI實際應用範例截圖
Data URI實際應用範例截圖

⚙️ Base64 編碼原理

編碼過程詳解

Base64 編碼的核心原理是將每 3 個 bytes（24 bits）的二進位資料分割為 4 組，每組 6 bits，然後將每組 6 bits 對應到 Base64 字元表中的一個字元。

步驟 1：轉換為二進位

將原始資料的每個 byte 轉換為 8-bit 二進位表示。例如：

原始文字: "Man"
ASCII 碼:  M=77, a=97, n=110
二進位:   01001101 01100001 01101110 (共 24 bits)

步驟 2：分割為 6-bit 組

將 24 bits 分割為 4 組，每組 6 bits：

010011 | 010110 | 000101 | 101110
  19       22       5        46  (十進位)

步驟 3：對應 Base64 字元

將每組的十進位值對應到 Base64 字元表：

19 → T
22 → W
5  → F
46 → u

結果: "TWFu"

填充機制（Padding）

當原始資料的 byte 數不是 3 的倍數時，需要使用填充字元 = 補齊至 4 的倍數：

原始 Bytes 二進位 Bits Base64 字元數 填充 範例
3 bytes 24 bits 4 字元 無需填充 "Man" → "TWFu"
2 bytes 16 bits 3 字元 加 1 個 = "Ma" → "TWE="
1 byte 8 bits 2 字元 加 2 個 = "M" → "TQ=="

檔案大小變化

Base64 編碼會使資料量增加約 33%（準確來說是 4/3 倍）：

原始資料: 3 bytes = 24 bits
編碼後:   4 字元 × 8 bits/字元 = 32 bits

增加比例: (4 - 3) / 3 = 33.33%

⚠️ 效能考量：Base64 編碼會增加 33% 的資料傳輸量和儲存空間，對於大檔案或高流量應用，需要權衡編碼便利性和效能成本。考慮使用壓縮演算法（如 gzip）配合 Base64 可以減少總體大小。

標準Base64與URL安全Base64比較圖
標準Base64與URL安全Base64比較圖

🔀 Base64 變體格式

1. 標準 Base64（RFC 4648）

最常用的版本，定義於 RFC 4648，使用 A-Za-z0-9+/ 字元集，帶填充 =。

2. URL Safe Base64

為了在 URL 和檔案名稱中安全使用，將 + 和 / 替換為 - 和 _，並移除填充 =：

字元 標準 Base64 URL Safe Base64 說明
第 62 字元 + - 避免 URL 編碼（+ → %2B）
第 63 字元 / _ 避免路徑分隔符衝突
填充 = 省略 減少長度、避免特殊字元處理

3. MIME Base64

用於電子郵件附件（MIME），每 76 個字元插入一個換行符號（\r\n），確保相容性。

4. UTF-7

一種已棄用的 Unicode 編碼方式，使用修改版 Base64 表示非 ASCII 字元。現已被 UTF-8 取代。

🌐 Base64 常見應用

1. Data URI（資料 URI）

直接在 HTML/CSS 中嵌入小型資源（圖片、字型、圖示），減少 HTTP 請求次數：

<!-- HTML 嵌入圖片 -->
<img src="data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAUA..." alt="Logo">

/* CSS 背景圖 */
.icon {
    background-image: url('data:image/svg+xml;base64,PHN2ZyB3aWR0aD0iMT...');
}

優點：減少 HTTP 請求、避免 CORS 問題、資源與 HTML 一起快取
缺點：HTML/CSS 檔案變大、無法獨立快取圖片、不適合大型資源（>10KB）

2. 電子郵件附件（MIME）

SMTP 協定只支援 7-bit ASCII，Base64 用於編碼二進位附件（圖片、PDF、影片）：

Content-Type: image/jpeg; name="photo.jpg"
Content-Transfer-Encoding: base64

/9j/4AAQSkZJRgABAQAAAQABAAD/2wBDAAYEBQYFBAYGBQYHBwYIChAKCgkJ...

3. API 資料傳輸

RESTful API 使用 JSON 格式時，無法直接傳輸二進位資料，需用 Base64 編碼：

{
  "filename": "avatar.jpg",
  "content_type": "image/jpeg",
  "data": "/9j/4AAQSkZJRgABAQAAAQABAAD..."
}

4. HTTP Basic Authentication

將使用者名稱和密碼編碼為 Base64 放入 HTTP 標頭：

Authorization: Basic dXNlcm5hbWU6cGFzc3dvcmQ=
（解碼為 "username:password"）

⚠️ 安全警告：Base64 編碼≠加密！編碼後的資料可被輕易解碼。HTTP Basic Authentication 必須搭配 HTTPS 使用，否則帳密會以明文傳輸（Base64 可輕易反向）。

5. JWT（JSON Web Token）

JWT 使用 URL Safe Base64 編碼 Header、Payload 和 Signature：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ.SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c
         ▲ Header (Base64url)         ▲ Payload (Base64url)                   ▲ Signature (Base64url)

💻 程式語言範例

JavaScript（瀏覽器）

// 編碼文字
const text = "Hello, World!";
const encoded = btoa(text);  // "SGVsbG8sIFdvcmxkIQ=="

// 解碼
const decoded = atob(encoded);  // "Hello, World!"

// UTF-8 支援（處理中文）
const utf8Text = "你好，世界！";
const utf8Encoded = btoa(unescape(encodeURIComponent(utf8Text)));
console.log(utf8Encoded);  // "5L2g5aW977yM5LiW55WM77yB"

// UTF-8 解碼
const utf8Decoded = decodeURIComponent(escape(atob(utf8Encoded)));
console.log(utf8Decoded);  // "你好，世界！"

Python

import base64

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

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

# URL Safe Base64
url_encoded = base64.urlsafe_b64encode(text.encode('utf-8'))
print(url_encoded)  # b'SGVsbG8sIFdvcmxkIQ=='
url_decoded = base64.urlsafe_b64decode(url_encoded).decode('utf-8')

PHP

<?php
// 編碼
$text = "Hello, World!";
$encoded = base64_encode($text);
echo $encoded;  // "SGVsbG8sIFdvcmxkIQ=="

// 解碼
$decoded = base64_decode($encoded);
echo $decoded;  // "Hello, World!"

// 編碼檔案
$file_content = file_get_contents('image.jpg');
$base64_file = base64_encode($file_content);

// 解碼並儲存
$decoded_file = base64_decode($base64_file);
file_put_contents('image_decoded.jpg', $decoded_file);
?>

🛡️ 安全性考量與最佳實踐

Base64 不是加密

最常見的誤解是將 Base64 當作加密手段。實際上：

  • 編碼 ≠ 加密：Base64 是可逆的編碼方式，任何人都能解碼
  • 無安全保護：不提供機密性、完整性或身份驗證
  • 不適合敏感資料：密碼、金鑰、個資應使用真正的加密演算法（AES、RSA）

最佳實踐建議

1. 選擇合適的變體

  • URL 參數、檔案名稱 → 使用 URL Safe Base64
  • 電子郵件附件 → 使用 MIME Base64（帶換行符號）
  • JSON API、JWT → 使用 URL Safe Base64（無填充）
  • 一般用途 → 使用標準 Base64

2. 注意檔案大小

  • 小於 5KB 的資源適合用 Data URI 嵌入 HTML
  • 大於 10KB 的資源應獨立儲存並使用 CDN
  • 考慮配合 gzip 壓縮減少傳輸量

3. 處理 UTF-8 字元

  • JavaScript 的 btoa() 只支援 Latin-1，中文需先用 encodeURIComponent() 處理
  • Python 和 PHP 預設支援 UTF-8，無需額外處理

4. 驗證輸入資料

  • 解碼前驗證字串格式（只包含 Base64 合法字元）
  • 處理解碼異常（非法字元、格式錯誤）
  • 限制輸入長度，防止記憶體耗盡攻擊

💡 效能優化：對於大量小檔案（圖示、小圖片），可考慮將多個檔案合併為一個 Sprite Sheet，再用 Data URI 嵌入，減少 HTTP 請求次數並提升載入速度。

📊 Base64 vs 其他編碼方式

編碼方式 字元集大小 大小增加 用途 優缺點
Base64 64 +33% 通用編碼、API、Email ✅ 標準化、廣泛支援
❌ 檔案較大
Base32 32 +60% 不區分大小寫場景 ✅ 避免混淆字元（0/O）
❌ 檔案更大
Hex（Base16） 16 +100% 除錯、雜湊值顯示 ✅ 人類可讀
❌ 檔案大一倍
Base85 85 +25% Git, PDF ✅ 更高效率
❌ 支援度較低

🎯 總結

Base64 是網路世界中不可或缺的基礎技術，雖然會增加約 33% 的資料量，但提供了在純文字環境中傳輸二進位資料的可靠方法。理解其編碼原理和適用場景，能幫助開發者做出正確的技術選擇：

  • Data URI：適合小型資源（<5KB）嵌入 HTML/CSS
  • API 傳輸：JSON 無法直接傳輸二進位時的標準方案
  • 電子郵件：MIME 編碼附件的必要技術
  • JWT/Token：URL Safe Base64 用於身份驗證

記住：Base64 是編碼，不是加密。敏感資料必須先加密再編碼，或直接使用 HTTPS 等安全傳輸協定。

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📚 參考資源

📝 更新紀錄：本文最後更新於 2025 年 1 月 27 日。如有任何問題或建議，歡迎聯繫我們。