Файл: «Анализ методов кодирования данных».pdf

Эксплуатация электронно-вычислительной техники для обработки данных стала важным этапом в процессе совершенствования систем управления и планирования. Но такой метод сбора и обработки информации несколько отличается от привычного, поэтому требует преобразования в систему символов, понятных компьютеру.

Кодирование данных – это обязательный этап в процессе сбора и обработки информации.

Как правило, под кодом подразумевают сочетание знаков, которое соответствует передаваемым данным или некоторым их качественным характеристикам. А кодирование – это процесс составления зашифрованной комбинации в виде списка сокращений или специальных символов, которые полностью передают изначальный смысл послания. Кодирование еще иногда называют шифрованием, но стоит знать, что последняя процедура предполагает защиту данных от взлома и прочтения третьими лицами^[4].

Цель кодирования заключается в представлении сведений в удобном и лаконичном формате для упрощения их передачи и обработки на вычислительных устройствах. Компьютеры оперируют лишь информацией определенной формы, поэтому так важно не забывать об этом во избежание проблем. Принципиальная схема обработки данных включает в себя поиск, сортировку и упорядочивание, а кодирование в ней встречается на этапе ввода сведений в виде кода.

Вопрос о том, что такое кодирование и декодирование, может возникнуть у пользователя ПК по различным причинам, но в любом случае важно донести корректную информацию, которая позволит юзеру успешно продвигаться в потоке информационных технологий дальше. Как вы понимаете, после процесса обработки данных получается выходной код. Если такой фрагмент расшифровать, то образуется исходная информация. То есть декодирование – это процесс, обратный шифрованию.

Если во время кодирования данные приобретают вид символьных сигналов, которые полностью соответствуют передаваемому объекту, то при декодировании из кода изымается передаваемая информация или некоторые ее характеристики.

Получателей закодированных сообщений может быть несколько, но очень важно, чтобы сведения попали в руки именно к ним и не были раскрыты раньше третьими лицами. Поэтому стоит изучить процессы кодирования и декодирования информации. Именно они помогают обмениваться конфиденциальными сведениями между группой собеседников.

2.1 Кодирование и декодирование текстовой информации

При нажатии на клавиатурную клавишу компьютер получает сигнал в виде двоичного числа, расшифровку которого можно найти в кодовой таблице – внутреннем представлении знаков в ПК. Стандартом во всем мире считают таблицу ASCII.

Однако мало знать, что такое кодирование и декодирование, необходимо еще понимать, как располагаются данные в компьютере. К примеру, для хранения одного символа двоичного кода электронно-вычислительная машина выделяет 1 байт, то есть 8 бит. Эта ячейка может принимать только два значения: 0 и 1. Получается, что один байт позволяет зашифровать 256 разных символов, ведь именно такое количество комбинаций можно составить. Эти сочетания и являются ключевой частью таблицы ASCII. К примеру, буква S кодируется как 01010011. Когда вы нажимаете ее на клавиатуре, происходит кодирование и декодирование данных, и мы получаем ожидаемый результат на экране.

Половина таблицы стандартов ASCII содержит коды цифр, управляющих символов и латинских букв. Другая ее часть заполняется национальными знаками, псевдографическими знаками и символами, которые не имеют отношения к математике. Совершенно ясно, что в различных странах эта часть таблицы будет отличаться. Цифры при вводе также преобразовываются в двоичную систему вычисления согласно стандартной сводке.

Легче будет понять, что такое кодирование информации, на примере. Рассмотрим коды английского символа «С» и русской буквы «С». Заметим, что взяты символы заглавные, и их коды отличаются от строчных. Английский символ будет выглядеть как 01000010, а русский - 11010001. То, что для человека на экране монитора выглядит одинаково, компьютер воспринимает совершенно по-разному. Необходимо также обратить внимание на то, что коды первых 128 символов остаются неизменны, а начиная от 129 и далее одному двоичному коду могут соответствовать различные буквы в зависимости от используемой кодовой таблицы. К примеру, десятичный код 194 может соответствовать в КОИ8 букве «б», в СР1251 - «В», в ISO - «Т», а в кодировках СР866 и Мас вообще этому коду не соответствует ни один символ. Поэтому, когда при открытии текста мы вместо русских слов видим буквенную-символьную абракадабру, это означает, что такое кодирование информации нам не подходит и нужно выбрать другой конвертор символов^[5].

2.2 Примеры кодирования и декодирования чисел

Кодирование чисел

В двоичной системе счисления, которую активно используют компьютеры, встречаются лишь две цифры – 0 и 1.

Действия с образовывающимися числами двоичной системы изучает двоичная арифметика. Большинство законов основных математических действий для таких цифр остаются актуальными.

Предлагаем рассмотреть 2 способа кодировки числа 45. Если эта цифра встречается в пределах текстового фрагмента, то каждая ее составляющая будет закодирована, согласно таблице стандартов ASCII, 8 битами. Четверка превратится в 01000011, а пятерка – в 01010011.

Если число 45 используется для вычислений, то будет задействована специальная методика преобразования в восьмиразрядный двоичный код 001011012, для хранения которого нужен будет всего лишь 1 байт.

В двоичной системе исчисления берутся всего два варианта значения — 0 и 1. Все основные операции с двоичными числами использует наука под названием двоичная арифметика. Эти действия имеют свои особенности. Возьмем, к примеру, число 45, набранное на клавиатуре. Каждая цифра имеет свой восьмиразрядный код в кодовой таблице ASCII, поэтому число занимает два байта (16 бит): 5 - 01010011, 4 - 01000011 . Для того чтобы использовать это число в вычислениях, оно переводится по специальным алгоритмам в двоичную систему исчисления в виде восьмиразрядного двоичного числа: 45 - 00101101.

Кодирование на двух нижних каналах характеризует метод представлеия информации сигналами, которые распространяются по среде транспортировки. Кодирование можно рассматривать как двухступенчатое. И ясно, что на принимающей стороне реализуется симметричное декодирование.

Логическое кодирование данных изменяет поток бит созданного кадра МАС-уровня в последовательность символов, которые подлежат физическому кодированию для транспортировки по каналу связи. Для логического кодирования используют разные схемы:

- 4B/5B — каждые 4 бита входного потока кодируются 5-битным символом (табл 1.1). Получается двукратная избыточность, так как 24 = 16 входных комбинаций показываются символами из 25 = 32. Расходы по количеству битовых интервалов составляют: (5-4)/4 = 1/4 (25%). Такая избыточность разрешает определить ряд служебных символов, которые служат для синхронизации. Применяется в 100BaseFX/TX, FDDI

- 8B/10B — аналогичная схема (8 бит кодируются 10-битным символом) но уже избыточность равна 4 раза (256 входных в 1024 выходных).

- 5B/6B — 5 бит входного потока кодируются 6-битными символами. Применяется в 100VG-AnyLAN

- 8B/6T — 8 бит входного потока кодируются шестью троичными (T = ternary) цифрами (-,0,+). К примеру: 00h: +-00+-; 01h: 0+-+=0; Код имеет избыточность 36/28 = 729/256 = 2,85. Скорость транспортировки символов в линию является ниже битовой скорости и их поступления на кодирования. Применяется в 100BaseT4.

- Вставка бит — такая схема работает на исключение недопустимых последовательностей бит. Ее работу объясним на реализации в протоколе HDLC. Тут входной поток смотрится как непрерывная последовательность бит, для которой цепочка из более чем пяти смежных 1 анализируется как служебный сигнал (пример: 01111110 является флагом-разделителем кадра). Если в транслируемом потоке встречается непрерывная последовательность из 1, то после каждой пятой в выходной поток передатчик вставляет 0. Приемник анализирует входящую цепочку, и если после цепочки 011111 он видит 0, то он его отбрасывает и последовательность 011111 присоединяет к остальному выходному потоку данных. Если принят бит 1, то последовательность 011111 смотрится как служебный символ. Такая техника решает две задачи — исключать длинные монотонные последовательности, которые неудобные для самосинхронизации физического кодирования и разрешает опознание границ кадра и особых состояний в непрерывном битовом потоке^[6].

Избыточность логического кодирования разрешает облегчить задачи физического кодирования — исключить неудобные битовые последовательности, улучшить спектральные характеристики физического сигнала и др. Физическое/сигнальное кодирование пишет правила представления дискретных символов, результат логического кодирования в результат физические сигналы линии. Физические сигналы могут иметь непрерывную (аналоговую) форму — бесконечное число значений, из которого выбирают допустимое распознаваемое множество. На уровне физических сигналов вместо битовой скорости (бит/с) используют понятие скорость изменения сигнала в линии которая измеряется в бодах (baud). Под таким определением определяют число изменений различных состояний линии за единицу времени. На физическом уровне проходит синхронизация приемника и передатчика. Внешнюю синхронизацию не используют из-за дороговизны реализации еще одного канала. Много схем физического кодирования являются самосинхронизирующимися — они разрешают выделить синхросигнал из принимаемой последовательности состояний канала.

Скремблирование на физическом уровне разрешает подавить очень сильные спектральные характеристики сигнала, размазывая их по некоторой полосе спектра. Очень сильные помеха искажают соседние каналы передачи. При разговоре о физическом кодирировании, возможное использование следующие термины:

- транзитное кодирование — информативным есть переход из одного состояния в другое

- потенциальное кодирование — информативным есть уровень сигнала в конкретные моменты времени

- полярное — сигнал одной полярности реализуется для представления одного значения, сигнал другой полярности для — другого. При оптоволоконное транспортировке вместо полярности используют амплитуды импульса

- униполярное — сигнал одной полярности реализуется для представления одного значения, нулевой сигнал — для другого

- биполярное — используется отрицательное, положительное и нулевое значения для представления трех состояний

- двухфазное — в каждом битовом интервале присутствует переход из одного состояния в другое, что используется для выделения синхросигнала.

2.3 Популярные схемы кодирования, которые применяются в локальных сетях

AMI/ABP

AMI — Alternate Mark Inversion или же ABP — Alternate bipolare, биполярная схема, которая использует значения +V, 0V и -V. Все нулевые биты имеют значения 0V, единичные — чередующимися значениями +V, -V. Применяется в DSx (DS1 — DS4), ISDN. Такая схема не есть полностью самосинхронизирующейся — длинная цепочка нулей приведет к потере синхронизации.

MAMI

MAMI — Modified Alternate Mark Inversion, или же ASI — модифицированная схема AMI, импульсами чередующейся полярности кодируется 0, а 1 — нулевым потенциалом. Применяется в ISDN (S/T — интерфейсы).

B8ZS

B8ZS — Bipolar with 8 Zero Substitution, схема аналогичная AMI, но для синхронизации исключает цепочки 8 и более нулей ( за счет вставки бит).

HDB3

HDB3 — High Density Bipolar 3, схема аналогичная AMI, но не допускает передачи цепочки более трех нулей. Вместо последовательности из четырех нулей вставляется один из четырех биполярных кодов.

Манчестерское кодирование

Manchester encoding — двухфазное полярное/униполярное самосинхронизирующееся кодирование. Текущий бит узнается по направлению смены состояния в середине битового интервала: от -V к +V: 1. От +V к -V: 0. Переход в начале интервала может и не быть. Применяется в Ethernet. (В начальных версиях — униполярное).

Дифференциальное манчестерское кодирование

Differential manchester encoding — двухфазное полярное/униполярное самосинхронизирующиеся код. Текущий бит узнается по наличию перехода в начале битового интервала (рис. 4.1), например 0 — есть переход (Вертикальный фрагмент), 1 — нет перехода (горизонтальный фрагмент). Можно и наоборот определять 0 и 1.В середине битового интервала переход есть всегда. Он нужен для синхронизации. В Token Ring применяется измененная версия такой схемы, где кроме бит 0 и 1 определенны также два бита j и k (Рис. 4.2). Здесь нет переходов в середине интервала. Бит К имеет переход в начале интервала, а j — нет.