ترميز Base64: كيف يعمل

صُمِّمت العديد من الأنظمة، بما فيها البريد الإلكتروني وترويسات HTTP وXML، للتعامل مع النصوص لا مع البيانات الثنائية العشوائية. وقد تتسبب قيمة بايت مقدارها 0x00 (null) أو 0x1A (حرف تحكم) في فشل التحليل أو تلف البيانات.

يحوّل ترميز Base64 البيانات الثنائية العشوائية إلى مجموعة فرعية من محارف ASCII الآمنة للأنظمة النصية فقط، مما يتيح تضمين محتوى ثنائي مثل الصور والشهادات في بروتوكولات قائمة على النصوص.

يعمل Base64 بأخذ ثلاثة بايتات من 8 بت، أي 24 بت إجمالًا، وتقسيمها إلى أربع مجموعات من 6 بت. وتمثل كل مجموعة من 6 بت قيمة من 0 إلى 63، تُطابَق مع محرف واحد في أبجدية Base64.

تعني هذه النسبة، 3 إلى 4، أن كل 3 بايتات من الإدخال تنتج 4 محارف من الإخراج، أي زيادة بنسبة 33% في الحجم. وتكون العملية الحسابية متوازنة لأن 3 بايتات = 24 بت = 4 مجموعات من 6 بت.

تتكون أبجدية Base64 من 64 محرفًا: الأحرف الكبيرة A-Z (الفهارس 0-25)، والأحرف الصغيرة a-z (الفهارس 26-51)، والأرقام 0-9 (الفهارس 52-61)، والرمز + (الفهرس 62)، والشرطة المائلة / (الفهرس 63).

تتجنب هذه الأبجدية جميع محارف التحكم ومعظم علامات الترقيم التي قد تسبب مشكلات في الأنظمة النصية. وكل محرف في ناتج Base64 هو محرف ASCII قابل للطباعة وآمن للاستخدام في أي بروتوكول نصي تقريبًا.

عندما لا يكون طول الإدخال من مضاعفات 3 بايتات، يلزم استخدام الحشو. فإذا تبقى بايت واحد، يُحشى ليكوّن مجموعة من 12 بت تنتج محرفَي Base64 يتبعهما "==". وإذا تبقى بايتان، فإنهما ينتجان 3 محارف Base64 يتبعها "=".

علامات الحشو = ليست بيانات مُرمَّزة؛ بل تُخبر وحدة فك الترميز بأن الكتلة الأخيرة أقصر من 3 بايتات. وهي تضمن أن يكون طول الإخراج دائمًا من مضاعفات 4 محارف.

قيم ASCII للكلمة "Man" هي M=77 (01001101)، وa=97 (01100001)، وn=110 (01101110). وبعد وصلها: 010011010110000101101110.

تُقسّم إلى مجموعات من 6 بت: 010011 | 010110 | 000101 | 101110 = 19 | 22 | 5 | 46. وبالرجوع إلى أبجدية Base64: 19=T، و22=W، و5=F، و46=u. تُرمَّز "Man" إلى "TWFu".

يستخدم Base64 القياسي الرمزين + و/، ولهما معانٍ خاصة في عناوين URL وأسماء الملفات. أما Base64url فهو صيغة بديلة تستبدل + بـ - و/ بـ _، مما يجعلها آمنة للاستخدام في عناوين URL وأسماء الملفات وقيم ملفات تعريف الارتباط.

تستخدم JWTs (JSON Web Tokens) ترميز Base64url لقسمي الترويسة والحمولة. وتستند معايير JOSE (JSON Object Signing and Encryption) بالكامل إلى Base64url.

يُستخدم Base64 في مرفقات البريد الإلكتروني بتنسيق MIME، لترميز الملفات الثنائية في البريد الإلكتروني القائم على النصوص، وفي رموز JWT لترميز ترويسة JSON والحمولة، وفي معرّفات البيانات داخل HTML لتضمين الصور مباشرةً في CSS أو HTML، وفي تنسيق PEM لشهادات X.509.

يغلّف تنسيق PEM (Privacy Enhanced Mail) الشهادات الثنائية المُرمَّزة بتنسيق DER داخل Base64 بين الترويسيتين "-----BEGIN CERTIFICATE-----" و"-----END CERTIFICATE-----".

Base64 ليس تشفيرًا، بل هو ترميز قابل للعكس ولا يحتاج إلى مفتاح. ويمكن لأي شخص يرى بيانات مُرمَّزة باستخدام Base64 فك ترميزها فورًا باستخدام أدوات متاحة مجانًا أو بسطر واحد في أي لغة برمجة.

من الأخطاء الشائعة الاعتقاد بأن كلمات المرور أو الرموز المُرمَّزة باستخدام Base64 تكون "مخفية". لكنها ليست كذلك. فإذا كان بإمكانك فك ترميزها، فبإمكان المهاجم فعل ذلك أيضًا. يتطلب الأمان التشفير، لا الترميز.

فك ترميز Base64 سهل بقدر سهولة ترميزه. إذ تُعاد مطابقة كل مجموعة من 4 محارف Base64 مع قيمها ذات 6 بت، ثم تُوصل هذه القيم وتُقسّم إلى بايتات. ويشير الحشو = إلى عدد البايتات التي تمثلها المجموعة الأخيرة.

في Python: import base64; base64.b64decode("TWFu") returns b"Man". العملية حتمية وغير فاقدة للبيانات، ولا تتطلب مفتاحًا أو سرًا.

تعني الزيادة في الحجم بنسبة 33% التي يسببها Base64، أي 4 بايتات من الإخراج لكل 3 بايتات من الإدخال، إضافةً إلى الأسطر الجديدة كل 76 محرفًا كما يتطلب MIME، أن Base64 غير فعّال لنقل البيانات الثنائية الكبيرة.

تستطيع البروتوكولات الثنائية الحديثة، مثل HTTP/2 الذي يستخدم تأطيرًا ثنائيًا وWebSockets التي تستخدم إطارات ثنائية، التعامل مع البايتات الخام مباشرةً، مما يلغي الحاجة إلى Base64 في السياقات عالية الأداء.

يستخدم Base32 أبجدية مكونة من 32 محرفًا (A-Z و2-7)، وينتج مخرجات أطول من Base64، لكنه غير حساس لحالة الأحرف ومناسب للاستخدام في السياقات التي قد تُفقد فيها حالة الأحرف. وغالبًا ما تُرمَّز الأسرار المشتركة لـ TOTP باستخدام Base32.

يزيل Base58، المستخدم في عناوين محافظ Bitcoin، المحارف المتشابهة بصريًا مثل 0 وO وI وl. ويقلل ذلك من أخطاء النسخ عند نقل العناوين. والمقابل هو أن Base58 ليس قوة للعدد 2، مما يجعل الترميز أكثر تعقيدًا قليلًا.

اختبر معرفتك بترميز Base64.

يحوّل Base64 البيانات الثنائية إلى نص من خلال تجميع البتات في مجموعات من 6 بت ومطابقتها مع أبجدية مكونة من 64 محرفًا. وينتج زيادة في الحجم بنسبة 33%، ويستخدم الحشو = عندما لا يكون عدد البايتات من مضاعفات 3.

لا يوفّر Base64 أي أمان؛ فهو يُستخدم للتوافق أثناء النقل، لا للحفاظ على السرية. أما Base64url (-/_) فهو الصيغة الآمنة لعناوين URL والمستخدمة في JWTs. ولا يتطلب فك الترميز مفتاحًا، ويستغرق أجزاءً من الثانية.