1.2.1　一切皆比特

比特

在計算機世界里，一切復雜的數據背后，都是二進制數的0和1。在中文里，我們稱這樣最小的單元為1位。在英文中，對應的術語是binary digit，簡稱比特（bit）。

1940年，圖基（John Tukey，美國，1915—2000）首次發明了縮寫bit。

1948年，香農（Claude Shannon，美國，1916—2001）在著作A Mathematical Theory of Communication中使用了術語bit。

從比特的視角來理解計算機技術，可以直接洞悉問題的本質，不被編程語言的語法所困擾。

字節

將8 bit分為一組，我們定義了字節（Byte）。

1956年6月，IBM的工程師維爾納·布赫霍爾茲（Werner Buchholz，德裔美籍，1922—2019），在IBM 7030 Stretch的早期設計階段，首次使用了Byte這個術語，用來表示數字信息的基本單元。

最早的字節并非8 bit。《計算機程序設計的藝術》一書中的MIX機器采用6 bit作為1 Byte。8 bit的Byte約定，和IBM System/360大型機的研發有關，由其領導者布魯克斯（Frederick P.Brooks，美國，1931—2022）推行開來。

對于單字節中的位，從左到右，我們依次編號為bit7～bit0，如圖1-3所示。

字節是計算機世界中計量大小的基本單位，例如：1KB=1024 Byte，1MB=1024 KB，1GB=1024 MB。這里1024=210。

為了方便表示二進制，人們將其4位一組，使用0～F這16個字符進行十六進制編碼，如表1-2所示。

所以，一字節的表示范圍是0～255，即十六進制的0x00～0xFF。

字節序

字節用來表示整數時，存在存儲順序的問題。

例如，0x12345678，在內存中的存儲可能是0x12、0x34、0x56、0x78，也可能是0x78、0x56、0x34、0x12。前者被稱為大端法（Big-Endian），后者被稱為小端法（Little-Endian）。小端法表示法如圖1-4所示。

比如，在計算機系統的本地內存中，Intel 與ARM架構常使用小端法表示法，也叫作本機序（Host Order）。而在網絡傳輸上，人們習慣于使用大端法，即網絡序（Net Order）。

又如，BMP文件使用的是小端法，而MP4文件使用的是大端法。

位序

圖1-3所定義的位存儲在字節內的順序是固定的。但是我們在讀取位的時候，會存在兩個方向：從bit0讀到bit7，或從bit7讀到bit0。

例如，對于0x39=0b 00111001，從不同的方向讀取，就會得到00111001或者10011100兩種結果。

后面我們會看到，位序對于理解圖像格式和壓縮算法都是非常重要的。例如，對于PNG、GIF圖像格式，位序是從bit0開始的。但是對于JPEG圖像格式，位序則是從bit7開始的。

比特流與比特率

對于計算機中連續存儲的字節單元，我們可以將其看作一個比特流。

為了衡量信息的傳遞速度，我們定義比特率為每秒鐘傳送的比特，單位為bps（bit per second）。比特率也稱為碼率。

表1-3反映了國際單位制SI（International System of Units）下的各種比特率單位[9]。

表1-4是一些常見傳輸設備的比特率。

bps中的b是小寫的。對于字節，用大寫的B表示Byte，1 Bps=8 bps。

在音視頻通話時，若帶寬小于300 kbps，則我們稱之為低帶寬。

低帶寬下RTC優化標準為：純音頻最低支持60 kbps，音視頻最低支持100 kbps。

Base64表示法

十六進制通過將4 bit分為一組，得到了0x00～0x0F這16種不同的值。

在早期，由于歷史原因，電子郵件只允許傳輸英文字符數據[10]。當傳輸非字符數據時，網關（Gateway）會將字節中8位的最高位置為0。

為了能將二進制值用英文字符表示出來，人們設計了Base64編碼。

Base64編碼將6 bit分為一組，并用26=64個不同的字符來表示，如表1-5所示。

使用A～Z、a～z、0～9、+和/，正好64個字符，來編碼6 bit的一組。

由于字節是8 bit一組的，當字節數不是3的倍數時，比特數不能被6整除。

Base64編碼使用等號字符=在最后做附加（padding），最終可能是3種情況：沒有=，1個=，或者2個=，表示此Base64串末尾有多少個附加字節，如圖1-5所示。

例如，將0x01轉換為Base64編碼。

0x01對應的比特為0b00000001，由于不是3的倍數，我們將其附加2字節，得到0b 00000001 00000000 00000000，再將其6 bit一組，得到0b 000000 010000 000000 000000。查表得知，000000=A，010000=Q。因此，0x01的Base64編碼為AQ==。

同理，0x01 02的Base64編碼為AQI=，0x01 02 03的Base64編碼為AQID。

使用Base64編碼，會使原數據變長約三分之一。但好處是只使用了65個字符，便于二進制數據的文本展示。