【C言語】Base58のエンコードとデコード【ビットコインとリップルで利用】

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C言語でBase58のエンコードとデコードを教えて！

こういった悩みにお答えします．

本記事の信頼性

リアルタイムシステムの研究歴12年．
東大教員の時に，英語でOS（Linuxカーネル）の授業．
2012年9月～2013年8月にアメリカのノースカロライナ大学チャペルヒル校（UNC）コンピュータサイエンス学部で客員研究員として勤務．C言語でリアルタイムLinuxの研究開発．
プログラミング歴15年以上，習得している言語: C/C++，Python，Solidity/Vyper，Java，Ruby，Go，Rust，D，HTML/CSS/JS/PHP，MATLAB，Assembler (x64，ARM)．
東大教員の時に，C++言語で開発した「LLVMコンパイラの拡張」，C言語で開発した独自のリアルタイムOS「Mcube Kernel」をGitHubにオープンソースとして公開．
2020年1月～現在はアメリカのノースカロライナ州チャペルヒルにあるGuarantee Happiness LLCのCTOとしてECサイト開発やWeb/SNSマーケティングの業務．2022年6月～現在はアメリカのノースカロライナ州チャペルヒルにあるJapanese Tar Heel, Inc.のCEO兼CTO．
最近は自然言語処理AIとイーサリアムに関する有益な情報発信に従事．

（AI全般を含む）自然言語処理AIの論文の日本語訳や，AIチャットボット（ChatGPT，Auto-GPT，Gemini（旧Bard）など）の記事を50本以上執筆．アメリカのサンフランシスコ（広義のシリコンバレー）の会社でプロンプトエンジニア・マネージャー・Quality Assurance（QA）の業務委託の経験あり．
（スマートコントラクトのプログラミングを含む）イーサリアムや仮想通貨全般の記事を200本以上執筆．イギリスのロンドンの会社で仮想通貨の英語の記事を日本語に翻訳する業務委託の経験あり．

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Base58

Base58は，ビットコインで利用するために開発されたテキストベースのエンコード方式です．

Base58はリップル等の他の仮想通貨にも利用されています．

Base58はBase64のサブセットで，アルファベットの大文字と小文字，数字が利用されていますが，画面に表示した時に間違いやすいという理由で以下の4文字が省かれています．

0（ゼロ）とO（大文字のオー）
l（小文字のエル）とI（大文字のアイ）

また，英数字以外の特殊文字である「+」と「/」も省かれています．

なので，Base64の64文字からこれらの6文字が省かれて58文字になるので，Base58という名前になります．

Base58は，文字セットの並び順の正しい規定が存在せず個別の実装に依存しています．

例えば，仮想通貨ビットコインとリップルにおけるBase58のアルファベットは以下になります．

ビットコイン：123456789ABCDEFGHJKLMNPQRSTUVWXYZabcdefghijkmnopqrstuvwxyz
リップル：rpshnaf39wBUDNEGHJKLM4PQRST7VWXYZ2bcdeCg65jkm8oFqi1tuvAxyz

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Base58の解説動画はこちらです．

Base58のエンコードとデコード

Base58のエンコードとデコードするコードは以下になります．

/*
 * Author: Hiroyuki Chishiro
 * License: 2-Clause BSD
 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>

static const char b58_digits_ordered[] =
  "123456789ABCDEFGHJKLMNPQRSTUVWXYZabcdefghijkmnopqrstuvwxyz";

static const int8_t b58_digits_map[] = {
  -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1,
    -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1,
    -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1,
    -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6,  7, 8, -1, -1, -1, -1, -1, -1,
    -1, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, -1, 17, 18, 19, 20, 21, -1,
    22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, -1, -1, -1, -1, -1,
    -1, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, -1, 44, 45, 46,
    47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, -1, -1, -1, -1, -1,
  };

#define UINT32_BITS (sizeof(uint32_t) * 8)
#define B58_32BIT_MASK 0x00000000ffffffffUL

#define BUFSIZE 256

void do_dec(uint8_t dec[], uint8_t input[], size_t input_size)
{
  uint8_t bin[input_size];
  size_t binsz = input_size;
  const uint8_t *b58u = input;
  unsigned char *binu = bin;
  size_t outisz = (binsz + sizeof(uint32_t) - 1) / sizeof(uint32_t);
  uint32_t c;
  uint32_t outi[outisz];
  uint64_t t;
  size_t i, j;
  uint8_t bytesleft = binsz % sizeof(uint32_t);
  uint32_t zeromask = bytesleft ? (B58_32BIT_MASK << (bytesleft * 8)) : 0;
  unsigned zerocount = 0;
  size_t zeros;

  if (!input_size) {
    input_size = strlen((char *) input);
  }

  memset(outi, 0, sizeof(outi));

  for (i = 0; i < input_size && b58u[i] == '1'; i++) {
    zerocount++;
  }

  for (; i < input_size; i++) {
    if (b58u[i] & 0x80) {
      fprintf(stderr, "Error: High-bit set on invalid digit\n");
      exit(1);
    }

    if (b58_digits_map[b58u[i]] == -1) {
      fprintf(stderr, "Error: Invalid base58 digit\n");
      exit(2);
    }

    c = (uint32_t) b58_digits_map[b58u[i]];

    for (j = outisz; j-- > 0;) {
      t = ((uint64_t) outi[j]) * 58 + c;
      c = t >> UINT32_BITS;
      outi[j] = t & B58_32BIT_MASK;
    }

    if (c) {
      fprintf(stderr, "Error: Too big output number (carry to the next int32)\n");
      exit(3);
    }

    if (outi[0] & zeromask) {
      fprintf(stderr, "Error: Too big output number (last int32 filled too far)\n");
      exit(4);
    }
  }

  j = 0;

  if (bytesleft) {
    for (i = bytesleft; i > 0; i--) {
      *(binu++) = (outi[0] >> (8 * (i - 1))) & 0xff;
    }

    j++;
  }

  for (; j < outisz; j++) {
    for (i = sizeof(*outi); i > 0; i--) {
      *(binu++) = (outi[j] >> (8 * (i - 1))) & 0xff;
    }
  }

  binu = bin;

  for (i = 0; i < binsz; i++) {
    if (binu[i]) {
      break;
    }

    binsz--;
  }

  binsz += zerocount;

  if (binsz > input_size) {
    zeros = binsz - input_size;
    memset(dec, 0, zeros);
    memcpy(&dec[zeros], bin, input_size);
  } else {
    memcpy(dec, &bin[input_size - binsz], binsz);
  }
}

void do_enc(uint8_t enc[], uint8_t input[], size_t input_size)
{
  int carry;
  size_t i, j, zcount, size, length;

  for (zcount = 0; zcount < input_size && !input[zcount]; zcount++)
    ;

  size = (input_size * 138) / 100 + 1;
  uint8_t buf[size];
  memset(buf, 0, sizeof(buf));

  while (input_size > 0) {
    carry = input[0];

    for (i = 0; (carry != 0 || i < length) && i < size; i++) {
      carry += 256 * buf[size - i - 1];
      buf[size - i - 1] = carry % 58;
      carry /= 58;
    }

    length = i;

    for (i = 1; i < input_size; i++) {
      input[i - 1] = input[i];
    }

    input[i - 1] = '\0';
    input_size--;
  }

  for (j = 0; j < size && !buf[j]; j++)
    ;

  if (zcount) {
    memset(enc, '1', zcount);
  }

  for (i = zcount; j < size; i++, j++) {
    enc[i] = b58_digits_ordered[buf[j]];
  }

  enc[i] = '\0';
}

int main(void)
{
  size_t size;
  uint8_t buf[BUFSIZE], enc[BUFSIZE], dec[BUFSIZE];

  printf("Please input a string: ");
  scanf("%s", buf);

  size = strlen((char *) buf);
  do_enc(enc, buf, size);
  printf("enc = %s\n", enc);

  size = strlen((char *) enc);
  do_dec(dec, enc, size);
  printf("dec = %s\n", dec);

  return 0;
}

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* Author: Hiroyuki Chishiro

* License: 2-Clause BSD

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdbool.h>

#include <stdint.h>

#include <string.h>

static const char b58_digits_ordered[] =

"123456789ABCDEFGHJKLMNPQRSTUVWXYZabcdefghijkmnopqrstuvwxyz";

static const int8_t b58_digits_map[] = {

-1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1,

-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, -1, -1, -1, -1, -1, -1,

-1, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, -1, 17, 18, 19, 20, 21, -1,

22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, -1, -1, -1, -1, -1,

-1, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, -1, 44, 45, 46,

47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, -1, -1, -1, -1, -1,

};

#define UINT32_BITS (sizeof(uint32_t) * 8)

#define B58_32BIT_MASK 0x00000000ffffffffUL

#define BUFSIZE 256

void do_dec(uint8_t dec[], uint8_t input[], size_t input_size)

{

uint8_t bin[input_size];

size_t binsz = input_size;

const uint8_t *b58u = input;

unsigned char *binu = bin;

size_t outisz = (binsz + sizeof(uint32_t) - 1) / sizeof(uint32_t);

uint32_t c;

uint32_t outi[outisz];

uint64_t t;

size_t i, j;

uint8_t bytesleft = binsz % sizeof(uint32_t);

uint32_t zeromask = bytesleft ? (B58_32BIT_MASK << (bytesleft * 8)) : 0;

unsigned zerocount = 0;

size_t zeros;

if (!input_size) {

input_size = strlen((char *) input);

}

memset(outi, 0, sizeof(outi));

for (i = 0; i < input_size && b58u[i] == '1'; i++) {

zerocount++;

}

for (; i < input_size; i++) {

if (b58u[i] & 0x80) {

fprintf(stderr, "Error: High-bit set on invalid digit\n");

exit(1);

}

if (b58_digits_map[b58u[i]] == -1) {

fprintf(stderr, "Error: Invalid base58 digit\n");

exit(2);

}

c = (uint32_t) b58_digits_map[b58u[i]];

for (j = outisz; j-- > 0;) {

t = ((uint64_t) outi[j]) * 58 + c;

c = t >> UINT32_BITS;

outi[j] = t & B58_32BIT_MASK;

}

if (c) {

fprintf(stderr, "Error: Too big output number (carry to the next int32)\n");

exit(3);

}

if (outi[0] & zeromask) {

fprintf(stderr, "Error: Too big output number (last int32 filled too far)\n");

exit(4);

}

j = 0;

if (bytesleft) {

for (i = bytesleft; i > 0; i--) {

*(binu++) = (outi[0] >> (8 * (i - 1))) & 0xff;

}

j++;

}

for (; j < outisz; j++) {

for (i = sizeof(*outi); i > 0; i--) {

*(binu++) = (outi[j] >> (8 * (i - 1))) & 0xff;

}

binu = bin;

for (i = 0; i < binsz; i++) {

if (binu[i]) {

break;

}

binsz--;

}

binsz += zerocount;

if (binsz > input_size) {

zeros = binsz - input_size;

memset(dec, 0, zeros);

memcpy(&dec[zeros], bin, input_size);

} else {

memcpy(dec, &bin[input_size - binsz], binsz);

}

void do_enc(uint8_t enc[], uint8_t input[], size_t input_size)

{

int carry;

size_t i, j, zcount, size, length;

for (zcount = 0; zcount < input_size && !input[zcount]; zcount++)

;

size = (input_size * 138) / 100 + 1;

uint8_t buf[size];

memset(buf, 0, sizeof(buf));

while (input_size > 0) {

carry = input[0];

for (i = 0; (carry != 0 || i < length) && i < size; i++) {

carry += 256 * buf[size - i - 1];

buf[size - i - 1] = carry % 58;

carry /= 58;

}

length = i;

for (i = 1; i < input_size; i++) {

input[i - 1] = input[i];

}

input[i - 1] = '\0';

input_size--;

}

for (j = 0; j < size && !buf[j]; j++)

;

if (zcount) {

memset(enc, '1', zcount);

}

for (i = zcount; j < size; i++, j++) {

enc[i] = b58_digits_ordered[buf[j]];

}

enc[i] = '\0';

}

int main(void)

{

size_t size;

uint8_t buf[BUFSIZE], enc[BUFSIZE], dec[BUFSIZE];

printf("Please input a string: ");

scanf("%s", buf);

size = strlen((char *) buf);

do_enc(enc, buf, size);

printf("enc = %s\n", enc);

size = strlen((char *) enc);

do_dec(dec, enc, size);

printf("dec = %s\n", dec);

return 0;

}

実行結果は以下になります．

「Cat」や私のビットコインのアドレス「1AM3Lgq5ChDNXpMchoket9Smc8SVBpSkqh」を入力すると正常にエンコードとデコードできることがわかります．

こちらのツールで結果を確認しましょう．

$ gcc base58.c        
$ a.out 
Please input a string: Cat
enc = PdgX
dec = Cat
$ a.out 
Please input a string: 1AM3Lgq5ChDNXpMchoket9Smc8SVBpSkqh
enc = 27akD4zkR1XSYrkaMEe3T5FdTN2cUT2tWWMMi28pGxfAWDu
dec = 1AM3Lgq5ChDNXpMchoket9Smc8SVBpSkqh

$ gcc base58.c

$ a.out

Please input a string: Cat

enc = PdgX

dec = Cat

$ a.out

Please input a string: 1AM3Lgq5ChDNXpMchoket9Smc8SVBpSkqh

enc = 27akD4zkR1XSYrkaMEe3T5FdTN2cUT2tWWMMi28pGxfAWDu

dec = 1AM3Lgq5ChDNXpMchoket9Smc8SVBpSkqh

まとめ

C言語でBase58のエンコードとデコードを紹介しました．

Base58は，ビットコインとリップルで採用されていることがわかりました．

C言語を独学で習得することは難しいです．

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Base58のエンコードとデコード

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