Файл: Мнтоды кодирования данных.pdf

ВВЕДЕНИЕ

На протяжении всей своей истории человечество нуждается в шифровании той или иной информации и несмотря на развитие современных информационных технологий, компьютерных сетей, в том числе и глобальной сети Интернет, по которым передаются большие объемы информации государственного, военного, коммерческого и частного характера, не допускающего возможность доступа к ней посторонних лиц, остро стоит проблема конфиденциальности информации.

В связи с этим понятие «защита информации» становится ключевым и рассматривается как процесс или деятельность, направленная на предотвращение утечки защищаемой информации, а также различного рода несанкционированных воздействий на информацию и ее носители

В настоящее время разработано большое количество различных методов кодирования данных, созданы теоретические и практические основы их применения.

В результате чего появилась наука о математических методах кодирования данных и обеспечения конфиденциальности информации – криптография, которая в последнее время

Цель работы: рассмотреть особенности кодирования данных в криптографии.

1. Кодирование данных и безопасность информации

Главной особенностью нашей современной жизни является информатизация общества и всех сфер его деятельности. На сегодняшний день информационные ресурсы стали намного важнее, чем материальные и другие ресурсы.

Развитие информационных технологий способствуют распространению негативных явлений, таких как несанкционированный доступ к секретной информации, промышленный шпионаж. [6, 23] Подобные действия представляют собой серьезную опасность для современного общества. Поэтому вопросы защиты информации, на сегодняшний день, имеют большую актуальность.

Информационная безопасность является довольно многогранной и существенной проблемой, которая требует серьезного подхода и использования надежных способов защиты информации от различного рода посягательств.

Поэтому, сегодня, на практике применяются особые технологии способные кодировать данные и другую информацию, тем самым не только способствуя качественному их использованию, а и предотвращая свободный доступ к ней, что, несомненно, повышает уровень безопасности.

Понятие кодирования данных

Кодирование - это процесс перевода информации, выраженной одной системой знаков, в другую систему, то есть перевод записи на естественном языке в запись с помощью кодов.

История кодирования данных началась несколько веков назад. В 1792 году был создан первый телеграф Шаппа, который мог передавать оптическую информацию, используя таблицу кодов, где буквам соответствовали разные символы. После, революцию в сферу кодирования и декодирования привнес телеграф Морзе в 1837 году, который использовал для преобразования сообщений всего три символа: тире, точка, пауза. Также, запоминающимися изобретениями стали радиоприемник А. Попова, передающий данные беспроводным путем, и телеграф Бодо, который решал проблему неравномерности кода и сложность декодирования. Далее следовало создание электронно-вычислительных машин (ЭВМ). [2, 56]

В процессе кодирования объектам классификации и их группировкам по определенным правилам присваиваются цифровые, буквенные и буквенно-цифровые коды. Код характеризуется алфавитом, то есть знаками, используемыми для его образования, основанием кода - числом знаков в алфавите кода и длиной кода.

Решающим фактором в разработке систем управления информацией, ее хранению, получению и передачи данных был факт использования ЭВМ. Чтобы эти машины могли успешно считывать данные, информация должна быть преобразована в символы, которые будут понятны для них.

Существуют разнообразные методы кодирования данных:

- двоичное кодирование - один из самых популярных и распространенных методов представления информации;

- синхронизации - в момент считывания либо записи информации немаловажным считается точное определение времени каждой времени знака;

- Run Length Limited (RLL) – метод кодирования информации с ограничением длины поля записи;

- таблицы перекодировки – содержат перечень кодируемых символов, упорядоченных специальным образом;

- матричный – принцип кодирования графических изображений;

- стенография – этот способ относят к методам кодирования текстовой информации при помощи специальных знаков.

Особым и неотъемлемым элементом обработки информации является кодирование, которое можно охарактеризовать как процесс составления кода, имеющего вид набора символов либо сокращений, соответствующих определенным элементам.

Код - это совокупность знаков, каждый из которых имеет соответствие с другими составляющими. Часто данный термин заменяется понятием «шифр», а в последнее время «криптография».

Основные задачи кодирования состоят в обеспечении экономичности, компактности, надежности, а также, в соответствии скорости передачи данных пропускной способности канала. Цель кодирования состоит в стремлении изменить информацию в другую форму, более компактную, такую, которую можно будет использовать при передаче и обработке информации. Данный способ обеспечивает присутствие таких элементов, как метод поиска, сортировка информации и ее упорядочивание, что, по сути, представляет собой принципиальную схему обработки информации, где процесс кодирования является частью операции ввода данных, имеющих вид входных кодов, которые образуются после декодирования.

Декодирование же превращает код в привычную для человека форму. Другими словами, декодирование - это процесс восстановления и придания смысла полученным сигналам. С помощью декодирования можно выяснить характеристики объекта и его особенности по заданному ранее коду. Однако, прежде чем будет происходить операция декодирования, для нее должны быть созданы определенные и достаточные условия.

Во-первых, это - однозначность, во-вторых, наличие декодирующего автомата, как обычного, так и самонастраивающегося, с помощью которого можно устранять влияние сбоя во входной последовательности. Таким образом, расшифровка информации может осуществляться лишь при наличии необходимых технических средств.

Осуществление процесса кодирования происходит автоматически либо вручную. В последнем случае запись кода производится в виде символов, согласно каталогу кодов. Далее, информация отправляется в вычислительный центр, где кодируется оператором. Автоматическое кодирование осуществляется при помощи специального автомата, который читает язык человека, и, при помощи словаря, кодирует его в машинный код. Этот новый вид, в который преображается информация, гораздо короче и, поэтому, удобней для ее поиска и обработки. Для успешного осуществления всех процессов, в памяти ЭВМ должен храниться словарь, содержащий соответствия всем элементам языка. С его помощью машина способна сама кодировать и декодировать информацию. [8, 58]

В данной области существует такое понятие, как ключевой код, который используется тогда, когда нужно найти подробную информацию о чем-либо. Он более короткий, чем обычно. С его помощью, в памяти машины осуществляется поиск по массиву данных, хранящихся в ней. Особенностью такого массива является то, что он един для всех решаемых задач. Ключевой код может иметь вид, как регистрационного номера, так и обозначать основные признаки продукции.

Кодирование информации

Коды для кодирования данных, бывают разными. Каждый из них отличается своим алгоритмом работы. К примеру, код, который имеет прямое соответствие предметам - прямой; код, предоставляющий лишь адрес, по которому содержится информация - адресный. Последний используется, как правило, когда нужно найти большие объемы данных.

Известно, что за единицу количества информации принимается 1 бит, или один двоичный разряд (0 или 1). Сегодня, для кодирования одного символа используется 8 бит. Все символы, буквы и цифры имеют вид групп двоичных разрядов. Такой процесс кодирования называется двоичным. Он используется в смартфонах, ноутбуках, компьютерах. Также, существует байт, или группа битов, обрабатывающаяся компьютером единовременно; машинное слово, объем которого может быть от 16 до 64 двоичных разрядов, в зависимости от вида ЭВМ. Страница также является массивом информации. Она, как известно, содержит 1024 машинных слова, 16 и более страниц и обычно находятся в одном блоке памяти. [8, 74]

Ввиду большого количества информации об объектах, где каждый из них определяется кодом адреса, в состав которого входят номера слов, блоков, страниц, применяется метод классификации. Данное понятие представляет собой условное деление множества на классы, подклассы, согласно заданным признакам, и следуя правилам.

Кодирование информации двоичным способом является самым распространенным, при помощи которого работают все вычислительные системы. Лишь при наличии напряжения и тока в компьютере могут происходить сверхбыстрые вычисления, где высокое напряжение отвечает за единицы, а за нули - низкое. После, данные считываются, обрабатываются и выводятся на экран. Перевести понятный нам язык в десятичный можно при помощи специальных таблиц конверсии.

Помимо цифр и букв, кодируются и символы. Данный этап обязателен в работе любого устройства. Кодирование осуществляется именно в момент работы программы с определенным текстом. С этой целью были созданы определенные стандарты, которые успешно используются на практике. Это - Юникод, являющийся самым популярным стандартом кодирования, ASCII, UTF-8, которые также широко распространены.

Иногда, информацию нужно не просто закодировать, а зашифровать, тем самым скрыть содержимое. Шифрованием называется кодирование информации с целью ее сокрытия, чтобы ограничить к ней доступ для тех лиц, кому не положено ею пользоваться. Структурно шифрование содержит в себе алгоритм, то есть двоичную математическую последовательность, и ключ, что является бинарной последовательностью.

Обратный процесс шифрования - это дешифрование, или превращение информации в первоначальный вид. Данный метод обработки данных довольно активно используется в банковской системе, в облачных хранилищах, в операционных системах, в социальных сетях и мессенджерах. Сегодня, он является наиболее популярными способом защиты информации и может использоваться не только по назначению, а также, для установления подлинности, и множества других задач. [4, 52]

В истории кодирования информации насчитывается большое число практических примеров. Один из наиболее исторически известных - шифровальная машина Энигма, которая использовалась нацистами во Второй Мировой войне. Шифр ее был очень сложен. Сама машина представляла собой клавиатуру в сочетании с несколькими колесами. Варианты декодирования каждый день менялись — то, какой будет буква, зависело от конфигурации колес. Только вариантов их расположения было более ста триллионов возможных комбинаций. Взлом машины представлял собой достаточно сложный и долгий процесс. Однако, наработки, накопившиеся за то время, стали прообразом современных компьютеров.

Таким образом целью сохранения конфиденциальности, защиты данных от несанкционированного доступа, является осуществление кодирования любым удобным способом. [7, 154]

Наиболее популярным способом кодирования данных является криптография, или шифрование, а также, использование устройств, ограничивающих доступ к объектам и данным. Например, биометрические системы.

1.3 Криптография как метод шифрования данных

Проблемой обеспечения безопасности особенно часто пренебрегают в отношении встраиваемых систем. Как результат, они могут быть взломаны и впоследствии использованы с целью промышленного шпионажа. Злоумышленники получают возможность проникнуть не только в корпоративную сеть предприятия, осуществить несанкционированный доступ к интеллектуальной собственности компании и ее коммерческим тайнам, а также манипулировать данными предприятия, нанося ему урон через систему управления, но и к персональным данным каждого пользователя интеллектуальных устройств.

Когда перечисленные случаи становятся известны широкой публике, то доверие клиентов к устройству, или даже всему бизнесу, безвозвратно теряется. С учетом этого, шифрование должно быть в верхней части списка приоритетов для всех производителей подключаемого (сетевого) оборудования.

Цель шифрования сосредоточена на трех ключевых направлениях - обеспечение подлинности, конфиденциальности и целостности передаваемой информации.

Криптография современного технического уровня охватывает все эти три аспекта, при этом она доступна в двух принципиально различных режимах: симметричном и асимметричном шифровании, с одним ключом для шифрования и дешифрования, и двухключевом шифровании с открытым ключом.

Особенность симметричного шифрования заключается в том, что для шифрования и дешифрования используется один и тот же ключ. Наиболее известным и наиболее часто используемым методом является AES (Advanced Encryption Standard) — симметричный алгоритм блочного шифрования, принятый в качестве стандарта правительством США. В технологии AES размер блока 128 бит, а ключи могут быть 128-, 192- или 256-битные. Даже 128-битные ключи AES, в соответствии с текущим состоянием дел в этой области, классифицируются как безопасные.

В современной криптографии все еще сохраняет свое значение принцип, сформулированный Огюстом Керкгоффсом (Auguste Kerckhoffs) еще в 1883 г. Который заключатеся в том, что безопасность метода шифрования основана на секретности ключа, а не на секретности используемого алгоритма. Это особенно важно в отношении такого метода симметричного шифрования, как AES, так как в этой технологии один и тот же ключ используется на обоих концах (для шифрования и дешифрования).