Base64

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Base64 ist ein Verfahren zur Kodierung von 8-Bit-Binärdaten (z. B. ausführbare Programme, ZIP-Dateien oder Bilder) in eine Zeichenfolge, die nur aus lesbaren ASCII-Zeichen besteht.

Es findet im Internet-Standard Multipurpose Internet Mail Extensions (MIME) Anwendung und wird dort zum Versenden von E-Mail-Anhängen verwendet. Nötig ist dies, um den problemlosen Transport von beliebigen Binärdaten zu gewährleisten, da SMTP in seiner ursprünglichen Fassung nur für den Versand von 7-Bit-ASCII-Zeichen ausgelegt war. Durch die Kodierung steigt der Platzbedarf des Datenstroms um 33–36 % (33 % durch die Kodierung selbst, bis zu weitere 3 % durch die im kodierten Datenstrom eingefügten Zeilenumbrüche). Base64 wird zum Beispiel auch zur Kodierung von Benutzernamen und Passwort in der HTTP-Basisauthentifizierung und zur Übertragung von SSH-Server-Zertifikaten verwendet.

Vorgehen bei der Kodierung

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Zur Kodierung werden die Zeichen A–Z, a–z, 0–9, + und / verwendet sowie = am Ende. Da diese Zeichen auch im Extended Binary Coded Decimals Interchange Code (EBCDIC) vorkommen (wenn auch an anderen Codepositionen), ist ein verlustfreier Datenaustausch zwischen diesen Plattformen gesichert.

Kodierung von Base64

Zur Kodierung werden jeweils drei Byte des Bytestroms (= 24 Bit) in vier 6-Bit-Blöcke aufgeteilt. Jeder dieser 6-Bit-Blöcke bildet eine Zahl von 0 bis 63. Diese Zahlen werden anhand der nachfolgenden Umsetzungstabelle in „druckbare ASCII-Zeichen“ umgewandelt und ausgegeben. Der Name des Algorithmus erklärt sich durch ebendiesen Umstand – jedem Zeichen des kodierten Datenstroms lässt sich eine Zahl von 0 bis 63 zuordnen (siehe Tabelle). Mathematisch betrachtet gleicht dies einem Stellenwertsystem der Basis 64.

Falls die Gesamtanzahl der Eingabebytes nicht durch drei teilbar ist, beinhaltet der letzte Eingabeblock weniger als 24 Bits. In diesem Fall ist ein Padding der Eingabedaten erforderlich. An den Eingabeblock werden Nullbits angehängt, bis die Länge durch 6 teilbar ist. Anschließend wird die Ausgabe mit einem oder zwei = Zeichen aufgefüllt. Wenn der Eingabeblock 8 Bit lang ist, werden 4 Nullbits angehängt und zwei = Zeichen ausgegeben. Wenn der Eingabeblock 16 Bit lang ist, werden 2 Nullbits angehängt und ein = Zeichen ausgegeben.[1]

Beispiel: Padding
Eingabebytes
(Hex)
Anzahl
Bits
aufgefüllt auf durch 6 teilbare Bitzahl
(Binärdarstellung, Senkrechtstrich trennt Padding-Bits)
Base64
(ohne Ausgabe-Padding)
Base64
(mit Ausgabe-Padding)
00 8 000000 00|0000 AA AA==
00 00 16 000000 000000 0000|00 AAA AAA=
00 00 00 24 000000 000000 000000 000000 AAAA AAAA
FF 8 111111 11|0000 /w /w==
FF FF 16 111111 111111 1111|00 //8 //8=
FF FF FF 24 111111 111111 111111 111111 //// ////

Da sich die Anzahl der ursprünglichen Bytes immer eindeutig aus der Anzahl der Base64-Eingabe-Zeichen ermitteln lässt, wird in manchen Kontexten und Protokollen kein Padding verwendet (abweichend von der ursprünglichen Base64-Definition).

Bei einer zu kodierenden Eingabe mit Byte beträgt der Platzbedarf für den Base64-kodierten Inhalt (ohne Zeilenumbrüche) Zeichen. (Die Klammern um den Bruch stehen für die aufrundende Ganzzahldivision.)

In der Darstellung von sehr langen Base64-Strings werden diese oftmals (zum Beispiel nach jeweils 64 Zeichen) umgebrochen, also ein Zeilenumbruch eingefügt. Solche Zeilenumbrüche sind für die Dekodierung nicht von Belang und werden ignoriert.

Base64-Zeichensatz

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Wert Zeichen Wert Zeichen Wert Zeichen Wert Zeichen
dez. binär hex. dez. binär hex. dez. binär hex. dez. binär hex.
0 000000 00 A 16 010000 10 Q 32 100000 20 g 48 110000 30 w
1 000001 01 B 17 010001 11 R 33 100001 21 h 49 110001 31 x
2 000010 02 C 18 010010 12 S 34 100010 22 i 50 110010 32 y
3 000011 03 D 19 010011 13 T 35 100011 23 j 51 110011 33 z
4 000100 04 E 20 010100 14 U 36 100100 24 k 52 110100 34 0
5 000101 05 F 21 010101 15 V 37 100101 25 l 53 110101 35 1
6 000110 06 G 22 010110 16 W 38 100110 26 m 54 110110 36 2
7 000111 07 H 23 010111 17 X 39 100111 27 n 55 110111 37 3
8 001000 08 I 24 011000 18 Y 40 101000 28 o 56 111000 38 4
9 001001 09 J 25 011001 19 Z 41 101001 29 p 57 111001 39 5
10 001010 0A K 26 011010 1A a 42 101010 2A q 58 111010 3A 6
11 001011 0B L 27 011011 1B b 43 101011 2B r 59 111011 3B 7
12 001100 0C M 28 011100 1C c 44 101100 2C s 60 111100 3C 8
13 001101 0D N 29 011101 1D d 45 101101 2D t 61 111101 3D 9
14 001110 0E O 30 011110 1E e 46 101110 2E u 62 111110 3E +
15 001111 0F P 31 011111 1F f 47 101111 2F v 63 111111 3F /

In Dateinamen und URLs können die Zeichen +, / und = nicht verwendet werden, da sie dort für besondere Funktionen reserviert sind. In einem solchen Fall wird mit base64url eine inkompatible Abwandlung beschrieben. Die Zeichen + und / werden dann durch - (Minus, ASCII 2Dhex) und _ (Unterstrich, ASCII 5Fhex) ersetzt. Das Füllzeichen = am Ende wird prozentkodiert zu %3d, kann aber entfallen, wenn die Länge des Strings bekannt ist.[2]

Polyfon zwitschernd aßen Mäxchens Vögel Rüben, Joghurt und Quark

Dieser 64 Zeichen lange Text wäre in UTF-8-Kodierung 68 Byte lang, da in UTF-8 das Eszett und die Umlaute jeweils eine Länge von zwei Bytes haben. Mit der Umwandlung zu Base64 wird daraus eine 92 Zeichen lange Base64-Zeichenkette:

UG9seWZvbiB6d2l0c2NoZXJuZCBhw59lbiBNw6R4Y2hlbnMgVsO2Z2VsIFLDvGJl
biwgSm9naHVydCB1bmQgUXVhcms=

Erkennbar ist hierbei, dass Base64 eine für Menschen nicht lesbare Kodierung erstellt. Dieser Umstand ist jedoch nicht als wirksame Verschlüsselung anzusehen, da der Datenstrom der Eingabe sehr leicht aus der Zeichenfolge am Ausgang zurückgewonnen werden kann, sobald diese als Base64-kodiert erkannt ist.

Umwandlung der Zeichen „Pol“ in Base64
Phase Daten Anmerkungen
Ursprungstext Pol
Unicode-Zeichen U+0050 U+006F U+006C gemäß Unicodeblock Basis-Lateinisch
Bytes 0x50 0x6F 0x6C gemäß UTF-8
Binärschreibweise 0101 0000 0110 1111 0110 1100 siehe Hexadezimalsystem
Gruppierung in 6er-Blöcken 010100 000110 111101 101100 jeder 6er-Block entspricht einem Base64-Zeichen
Codierung als Base64-Zeichen U G 9 s gemäß der Tabelle oben von „binär“ nach „Zeichen“
Ohne Leerzeichen UG9s

Das OpenPGP-Datenformat definiert eine Variante von Base64, die ASCII Armor genannt wird. Diese besteht aus genormten Kopf- und Fußzeilen, welche zum einen den Anfang und das Ende der Daten anzeigen, zum anderen einen Hinweis für den menschlichen Leser geben, welche Art von Daten kodiert ist und mit welchem Programm die Daten erzeugt worden sind.

An die Base64-kodierten Daten wird eine Prüfsumme (CRC-24) angehängt; dieses leicht modifizierte Verfahren trägt den Namen Radix-64.

-----BEGIN PGP MESSAGE-----
Version: GnuPG v1.4.10 (GNU/Linux)

y0piAGcFr3BQb2x5Zm9uIHp3aXRzY2hlcm5kIGHDn2VuIE3DpHhjaGVucyBWw7Zn
ZWwgUsO8YmVuLCBKb2dodXJ0IHVuZCBRdWFyaw==
=L3gC
-----END PGP MESSAGE-----

Der Base64-Teil in diesem Beispiel beginnt mit y0pi… und endet mit …yaw==. Anschließend folgt ein Zeilenumbruch, ein Gleichheitszeichen und die Base64-kodierte CRC-24-Prüfsumme über die Original-Nachricht (also vor der Base64-Kodierung).

Normen und Standards

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  • J. Linn: RFC 1421 – Privacy Enhancement for Internet Electronic Mail: Part I: Message Encryption and Authentication Procedures. Februar 1993 (löst RFC 1113 ab, historisch, englisch).
  • N. Borenstein, N. Freed: RFC 1521 – MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions) Part One: Mechanisms for Specifying and Describing the Format of Internet Message Bodies. September 1993 – Standard: [draft] (löst RFC 1341 ab, aktualisiert durch RFC 1590, veraltet, englisch).
  • S. Josefsson: RFC 3548 – The Base16, Base32, and Base64 Data Encodings [Errata: RFC 3548]. Juli 2003 (aktualisiert durch RFC 4648, veraltet, abgelöst durch RFC 4648, englisch).
  • S. Josefsson: RFC 4648 – The Base16, Base32, and Base64 Data Encodings [Errata: RFC 4648]. Oktober 2006 – Standard: [proposed] (löst RFC 3548 ab, englisch).
  • J. Callas, L. Donnerhacke, H. Finney, D. Shaw, R. Thayer: RFC 4880 – OpenPGP Message Format [Errata: RFC 4880]. November 2007 – Standard: [proposed] (aktualisiert durch RFC 5581, löst RFC 1991 und RFC 2440 ab, englisch).

Einzelnachweise

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  1. RFC 4648 – The Base16, Base32, and Base64 Data Encodings. Oktober 2006, Abschnitt 4 (englisch).
  2. S. Josefsson: RFC 4648 – The Base16, Base32, and Base64 Data Encodings [Errata: RFC 4648]. Oktober 2006 – Standard: [proposed] (löst RFC 3548 ab, englisch).