Base64

Trong lập trình, Base64 là nhóm lược đồ mã hóa nhị phân thành văn bản đại diện cho dữ liệu nhị phân (cụ thể hơn là chuỗi byte 8 bit) ở định dạng chuỗi ASCII bằng việc dịch dữ liệu sang biểu diễn cơ số 64. Thuật ngữ Base64 bắt nguồn từ một mã hóa truyền nội dung MIME. Mỗi chữ số Base64 không phải là đại diện cuối cùng cho chính xác 6 bit dữ liệu. Do đó, ba byte 8 bit (24 bit) có thể được biểu diễn bằng bốn chữ số Base64 6 bit.
Thông thường tất cả các lược đồ mã hóa nhị phân thành văn bản, Base64 được thiết kế để mang dữ liệu được lưu trữ ở định dạng nhị phân qua các kênh chỉ hỗ trợ nội dung văn bản một cách đáng tin cậy. Base64 đặc biệt phổ biến trên World Wide Web trong đó các công dụng của nó bao gồm khả năng đính các tệp hình ảnh hoặc các nội dung nhị phân khác vào bên trong các nội dung văn bản như tệp HTML và CSS.
Base64 cũng được sử dụng rộng rãi để gửi các tệp đính kèm email. Điều này bắt buộc vì SMTP chỉ được thiết kế để vận chuyển các ký tự ASCII 7-bit. Chi phí phải trả cho mã hóa này là 33–36% (33% bởi chính mã hóa; thêm tối đa 3% do ngắt dòng được chèn).
Thiết kế.
Bộ 64 ký tự cụ thể được chọn để đại diện cho các giá trị 64 chữ số cho cơ sở khác nhau giữa các lần triển khai. Chiến lược chung là chọn 64 ký tự phổ biến cho hầu hết các bảng mã và cũng có thể in được. Sự kết hợp này khiến dữ liệu khó có thể bị sửa đổi khi truyền qua các hệ thống thông tin, chẳng hạn như email, theo truyền thống không phải là 8-bit clean. Ví dụ, triển khai Base64 của MIME, ta sử dụng codice_1-codice_2, codice_3-codice_4, và codice_5-codice_6 cho 62 giá trị đầu tiên. Các biến thể khác chia sẻ thuộc tính này nhưng khác nhau về các ký hiệu được chọn cho hai giá trị cuối cùng; một ví dụ là UTF-7.
Các trường hợp sớm nhất của kiểu mã hóa này được tạo ra để liên lạc quay số giữa các hệ thống chạy cùng một hệ điều hành. Ví dụ: uuencode cho UNIX và BinHex cho TRS-80 (sau này được điều chỉnh cho Macintosh), và do đó có thể đưa ra nhiều giả định hơn về những ký tự nào an toàn để sử dụng. Ví dụ: uuencode sử dụng chữ hoa, chữ số và nhiều ký tự dấu câu, nhưng không sử dụng chữ thường.
Bảng Base64.
Bảng mục lục các ký tự của Base64:
Ví dụ.
Ví dụ dưới đây sử dụng văn bản ASCII để đơn giản hóa, nhưng đây không phải là trường hợp sử dụng điển hình vì nó đã có thể được chuyển một cách an toàn qua tất cả các hệ thống có thể xử lý Base64. Việc sử dụng điển hình hơn là mã hóa dữ liệu nhị phân (chẳng hạn như hình ảnh); dữ liệu Base64 kết quả sẽ chỉ chứa 64 ký tự ASCII khác nhau, tất cả đều có thể được chuyển qua các hệ thống một cách đáng tin cậy có thể làm hỏng các byte nguồn thô.
Đây là một thành ngữ nổi tiếng từ máy tính "phân tán": 
Khi trích dẫn được mã hóa thành Base64, nó được biểu diễn dưới dạng chuỗi byte gồm các ký tự ASCII có đệm 8 bit được mã hóa trong lược đồ Base64 của MIME như sau (dòng mới và khoảng trắng có thể xuất hiện ở bất kỳ đâu nhưng sẽ bị bỏ qua khi giải mã):
Trong phần trích dẫn trên, giá trị được mã hóa của Man là "TWFu". Được mã hóa bằng ASCII, các ký tự M, a và n được lưu trữ dưới dạng giá trị byte codice_7, codice_8, và codice_9, là giá trị nhị phân 8 bit của codice_10, codice_11,và codice_12. Ba giá trị này được nối với nhau thành một chuỗi 24 bit, tạo ra codice_13. Các nhóm gồm 6 bit (6 bit có tối đa 26 = 64 giá trị nhị phân khác nhau) được chuyển đổi thành các số riêng lẻ từ trái sang phải (trong trường hợp này, có bốn số trong một chuỗi 24 bit), sau đó được chuyển đổi thành giá trị ký tự Base64 tương ứng.
Như ví dụ này minh họa, mã hóa Base64 chuyển đổi ba "octet" thành bốn ký tự được mã hóa.
codice_14 các ký tự đệm có thể được thêm vào để làm cho khối được mã hóa cuối cùng chứa bốn ký tự Base64.
Phép chuyển đổi hệ thập lục phân sang hệ bát phân rất hữu ích để chuyển đổi giữa hệ nhị phân và Base64. Cả đối với máy tính nâng cao và ngôn ngữ lập trình, chuyển đổi như vậy đều có sẵn. Ví dụ: 24 bit ở trên - khi được chuyển đổi sang hệ thập lục phân - là 4D616E. 24 bit đó - khi được chuyển đổi thành bát phân là 23260556. 8 chữ số bát phân đó - khi được chia thành bốn nhóm là 23 26 05 56. Mỗi nhóm 2 chữ số - khi chuyển đổi sang thập phân là 19 22 05 46. Sử dụng bốn số thập phân đó số làm chỉ số cho bảng chỉ mục Base64, các ký tự ASCII tương ứng là "TWFu".
Nếu chỉ có hai octet đầu vào quan trọng (ví dụ: 'Ma') hoặc khi nhóm đầu vào cuối cùng chỉ chứa hai octet, tất cả 16 bit sẽ được ghi lại trong ba chữ số Base64 đầu tiên (18 bit); hai bit ít quan trọng nhất của khối 6 bit mang nội dung cuối cùng sẽ trở thành 0 và bị loại bỏ khi giải mã (cùng với codice_14 ký tự đệm):
Nếu chỉ có một octet đầu vào có nghĩa (ví dụ: 'M') hoặc trong đó hai chữ số Base64 đầu tiên (12 bit); bốn bit ít quan trọng nhất của khối 6 bit mang nội dung cuối cùng sẽ trở thành 0 và bị loại bỏ khi giải mã (cùng với hai codice_14 ký tự đệm):
Đệm đầu ra.
Bởi vì Base64 là mã hóa sáu bit và vì các giá trị được giải mã được chia thành các bộ tám 8 bit trên máy tính hiện đại, nên cứ bốn ký tự của văn bản được mã hóa Base64 (4 sextet = 4 × 6 = 24 bit) đại diện cho ba bộ tám chưa được mã hóa văn bản hoặc dữ liệu (3 octet = 3 × 8 = 24 bit). Điều này có nghĩa là khi độ dài của đầu vào không được mã hóa không phải là bội số của ba, thì đầu ra được mã hóa phải được thêm phần đệm để chiều dài của nó là bội số của bốn. Ký tự đệm là codice_14, cho biết rằng không cần thêm bit nào để mã hóa đầy đủ đầu vào. (Điều này khác với codice_1, có nghĩa là các bit còn lại đều là số không.) Ví dụ dưới đây minh họa cách cắt bớt đầu vào của câu trích dẫn trên thay đổi phần đệm đầu ra:
Ký tự đệm không cần thiết để giải mã, vì số byte bị thiếu có thể được suy ra từ độ dài của văn bản được mã hóa. Trong một số triển khai, ký tự đệm là bắt buộc, trong khi đối với những cách khác, ký tự này không được sử dụng. Một ngoại lệ trong đó các ký tự đệm là bắt buộc khi nhiều tệp được mã hóa Base64 đã được nối với nhau.
Giải mã Base64 với ký tự đệm.
Khi giải mã văn bản Base64, bốn ký tự thường được chuyển đổi trở lại thành ba byte. Các ngoại lệ duy nhất là khi các ký tự đệm tồn tại. Một codice_14 chỉ ra rằng bốn ký tự sẽ chỉ giải mã thành hai byte, trong khi codice_20 chỉ ra rằng bốn ký tự sẽ chỉ giải mã thành một byte duy nhất. Ví dụ:
Giải mã Base64 không có ký tự đệm.
Nếu không có phần đệm, sau khi giải mã bình thường từ bốn ký tự đến ba byte lặp đi lặp lại, có thể còn lại ít hơn bốn ký tự được mã hóa. Trong tình huống này, chỉ có thể còn lại hai hoặc ba ký tự. Một ký tự được mã hóa còn lại là không thể thực hiện được vì một ký tự Base64 chỉ chứa 6 bit và 8 bit được yêu cầu để tạo một byte, vì vậy cần có tối thiểu hai ký tự Base64: Ký tự đầu tiên đóng góp 6 bit và ký tự thứ hai đóng góp 2 bit đầu tiên của nó. Ví dụ:
Phát triển và lịch sử.
Bảng tóm tắt các biến thể.
Việc triển khai có thể có một số ràng buộc đối với bảng chữ cái được sử dụng để biểu diễn một số mẫu bit. Điều này đáng chú ý liên quan đến hai ký tự cuối cùng được sử dụng trong bảng chỉ mục cho chỉ mục 62 và 63 và ký tự được sử dụng để đệm (có thể là bắt buộc trong một số giao thức hoặc bị loại bỏ trong các giao thức khác). Bảng dưới đây tóm tắt các biến thể đã biết này và cung cấp liên kết đến các phần phụ bên dưới.
Thư nâng cao quyền riêng tư.
Việc sử dụng mã hóa chuẩn hóa đầu tiên được biết đến hiện nay được gọi là MIME Base64 nằm trong giao thức Thư điện tử nâng cao quyền riêng tư (PEM), được đề xuất bởi vào năm 1987. PEM định nghĩa một lược đồ "mã hóa có thể in" sử dụng mã hóa Base64 để biến đổi một chuỗi octet tùy ý sang một định dạng có thể được thể hiện bằng các dòng ngắn gồm các ký tự 6 bit, theo yêu cầu của các giao thức truyền như SMTP.
Phiên bản hiện tại của PEM (được chỉ định trong ) sử dụng bảng chữ cái 64 ký tự bao gồm các chữ cái La Mã viết hoa và viết thường (codice_1–codice_2, codice_3–codice_4), các chữ số (codice_5–codice_6), và các ký tự codice_27 và codice_28 . Ký tự codice_14 cũng được sử dụng như một hậu tố đệm. Đặc điểm kĩ thuật gốc, , cũng đã sử dụng ký tự codice_30 để phân tách dữ liệu được mã hóa nhưng chưa được mã hóa trong luồng đầu ra.
Để chuyển đổi dữ liệu sang mã hóa có thể in PEM, byte đầu tiên được đặt trong 8 bit quan trọng nhất của bộ đệm 24 bit, byte tiếp theo trong 8 bit ở giữa và byte thứ ba trong tám bit ít quan trọng nhất. Nếu còn lại ít hơn 3 byte để mã hóa (hoặc tổng số), các bit đệm còn lại sẽ bằng không. Sau đó, bộ đệm được sử dụng, 6 bit tại một thời điểm, quan trọng nhất trước tiên, làm chỉ số cho chuỗi: "codice_31", và ký tự được chỉ định là đầu ra.
Quá trình được lặp lại trên dữ liệu còn lại cho đến khi còn lại ít hơn 4 octet. Nếu 3 octet vẫn còn, chúng được xử lý bình thường. Nếu còn lại ít hơn 3 octet (24 bit) để mã hóa, dữ liệu đầu vào sẽ được đệm bên phải với các bit 0 để tạo thành bội số tích phân của 6 bit.
Sau khi mã hóa dữ liệu không đệm, nếu 2 octet của bộ đệm 24 bit là số không có đệm, hai ký tự codice_14 được thêm vào đầu ra; nếu 1 octet của bộ đệm 24 bit được lấp đầy bởi các số không có đệm, một ký tự codice_14 được thêm vào. Điều này báo hiệu cho bộ giải mã rằng các bit 0 được thêm vào do đệm phải được loại trừ khỏi dữ liệu được tái tạo. Điều này cũng đảm bảo rằng độ dài đầu ra được mã hóa là bội số của 4 byte.
PEM yêu cầu tất cả các dòng được mã hóa bao gồm chính xác 64 ký tự có thể in được, ngoại trừ dòng cuối cùng, có thể chứa ít ký tự có thể in hơn. Các dòng được phân cách bằng các ký tự khoảng trắng theo quy ước cục bộ (dành riêng cho nền tảng).
MIME.
Đặc điểm kỹ thuật MIME (Tiện ích mở rộng thư Internet đa năng) liệt kê Base64 là một trong hai lược đồ mã hóa nhị phân thành văn bản (lược đồ kia được trích dẫn-in được). Mã hóa Base64 của MIME dựa trên mã hóa phiên bản của PEM: nó sử dụng cùng một bảng chữ cái 64 ký tự và cơ chế mã hóa như PEM và sử dụng ký tự codice_14cho phần đệm đầu ra theo cách tương tự, như được mô tả tại .
MIME không chỉ định độ dài cố định cho các dòng được mã hóa Base64, nhưng nó chỉ định độ dài dòng tối đa là 76 ký tự. Ngoài ra, nó chỉ định rằng bất kỳ ký tự ngoài bảng chữ cái nào phải được bộ giải mã tuân thủ bỏ qua, mặc dù hầu hết các triển khai đều sử dụng cặp dòng mới CR/LF để phân tách các dòng được mã hóa.
Do đó, độ dài thực tế của dữ liệu nhị phân được mã hóa Base64 tuân thủ MIME thường bằng khoảng 137% độ dài dữ liệu gốc, mặc dù đối với các tin nhắn rất ngắn, chi phí có thể cao hơn nhiều do chi phí của các tiêu đề. Rất đại khái, kích thước cuối cùng của dữ liệu nhị phân được mã hóa Base64 bằng 1,37 lần kích thước dữ liệu gốc + 814 byte (đối với tiêu đề). Kích thước của dữ liệu được giải mã có thể được tính gần đúng với công thức sau:
 bytes = (string_length(encoded_string) - 814) / 1.37
UTF-7.
UTF-7, được mô tả đầu tiên trong , mà sau đó đã được thay thế bởi , đã giới thiệu một hệ thống được gọi là Base64 đã được sửa đổi. Lược đồ mã hóa dữ liệu này được sử dụng để mã hóa UTF-16 dưới dạng ký tự ASCII để sử dụng trong truyền tải 7 bit như SMTP. Nó là một biến thể của mã hóa Base64 được sử dụng trong MIME.
Bảng chữ cái "Modified Base64" bao gồm bảng chữ cái MIME Base64 nhưng không sử dụng ký tự đệm "codice_14". UTF-7 được thiết kế để sử dụng trong tiêu đề thư (được định nghĩa trong ),và ký tự "codice_14" là được dành riêng trong ngữ cảnh đó làm ký tự thoát cho mã hóa "có thể in được trích dẫn". Base64 được sửa đổi chỉ cần bỏ qua phần đệm và kết thúc ngay sau chữ số Base64 cuối cùng chứa các bit hữu ích để lại tối đa ba bit không sử dụng trong chữ số Base64 cuối cùng.
OpenPGP.
OpenPGP, được dựa trên , mô tả mã hóa Radix-64, còn được gọi là "ASCII armor". Radix-64 giống với kiểu mã hóa "Base64" được mô tả từ MIME, với việc bổ sung CRC 24 bit tùy chọn. Tổng kiểm tra được tính toán trên dữ liệu đầu vào trước khi mã hóa; sau đó tổng kiểm tra được mã hóa bằng cùng một thuật toán Base64 và tiền tố là ký tự "codice_14" như một dấu phân cách, được nối vào dữ liệu đầu ra được mã hóa.
RFC 3548.
, có thể Mã hóa dữ liệu Base16, Base32 và Base64 là một bản ghi nhớ thông tin (không quy chuẩn) cố gắng thống nhất và thông số kỹ thuật của mã hóa Base64, mã hóa bảng chữ cái thay thế và mã hóa Base32 (hiếm khi được sử dụng) và Base16.
Trừ khi các triển khai được viết cho một thông số kỹ thuật đề cập đến và đặc biệt yêu cầu khác, RFC 3548 cấm việc triển khai tạo thông báo có chứa các ký tự bên ngoài bảng chữ cái mã hóa hoặc không có phần đệm và nó cũng tuyên bố rằng việc triển khai bộ giải mã phải từ chối dữ liệu có chứa các ký tự bên ngoài bảng chữ cái mã hóa.
RFC 4648.
RFC này bị lỗi thời RFC 3548 và tập trung vào Base64/32/16:
Các ứng dụng URL.
Mã hóa Base64 có thể hữu ích khi thông tin nhận dạng khá dài được sử dụng trong môi trường HTTP. Ví dụ: một khung bền vững cơ sở dữ liệu cho các đối tượng Java có thể sử dụng mã hóa Base64 để mã hóa một id duy nhất tương đối lớn (thường là UUID 128 bit) thành một chuỗi để sử dụng làm tham số HTTP trong các biểu mẫu HTTP hoặc URL HTTP GET. Ngoài ra, nhiều ứng dụng cần mã hóa dữ liệu nhị phân theo cách thuận tiện để đưa vào URL, bao gồm cả trong các trường biểu mẫu web ẩn và Base64 là cách mã hóa thuận tiện để hiển thị chúng một cách nhỏ gọn.
Sử dụng Base64 tiêu chuẩn trong URL yêu cầu mã hóa các ký tự codice_27, codice_28 và codice_14 thành chuỗi thập lục phân được mã hóa theo phần trăm đặc biệt (codice_27 trở thành codice_42, codice_28trở thành codice_44 và codice_14 trở thành codice_46), điều này làm cho chuỗi dài hơn một cách không cần thiết.
Vì lý do này, Base64 đã sửa đổi cho các biến thể URL (chẳng hạn như base64url trong ), trong đó các ký tự codice_27 và codice_28 của Base64 tiêu chuẩn được thay thế tương ứng bởi codice_49 và codice_50, để việc sử dụng bộ mã hóa/giải mã URL không còn cần thiết và không ảnh hưởng đến độ dài của giá trị được mã hóa, giữ nguyên dạng được mã hóa tương tự để sử dụng trong cơ sở dữ liệu quan hệ, biểu mẫu web và mã định danh đối tượng nói chung. Một số biến thể cho phép hoặc yêu cầu bỏ qua phần đệm codice_14 để tránh chúng bị nhầm lẫn với dấu phân cách trường hoặc yêu cầu bất kỳ phần đệm nào như vậy phải được mã hóa theo phần trăm. Một số thư viện sã mã hóa codice_14 thành codice_53, có khả năng khiến các ứng dụng bị tấn công theo đường dẫn tương đối khi tên thư mục được mã hóa từ dữ liệu người dùng.
HTML.
Các phương thức JavaScript codice_54 và codice_55 được xác định trong bản thảo HTML5, cung cấp chức năng mã hóa và giải mã Base64 cho các trang web. Phương thức codice_55 xuất ra các ký tự đệm, nhưng các ký tự này là tùy chọn trong đầu vào của phương thức codice_54.
Các ứng dụng khác.
Base64 có thể được sử dụng trong nhiều ngữ cảnh khác nhau: