Файл: Понятие компьютерных данных и информации.pdf

Чтобы в полной мере понять термин шифрование, сообщение, которое мы хотим передать адресату, назовем открытым (А), которое однозначно определено над некоторым алфавитом. Зашифрованное сообщение может быть построено над другим алфавитом. Назовем его закрытым сообщением (В). Процесс преобразования открытого сообщения в закрытое сообщение и есть шифрование f(A) = B, где f — правило шифрования. Главная особенность в данном случае заключается в том, чтобы зашифрованное сообщение можно было расшифровать. Он, как правило, секретный и сообщается лишь тому, кто должен прочесть зашифрованное сообщение (обладателю ключа).

Важно обратить внимание, что при кодировании нет такого ключа, поскольку главной целью его является предоставление информации в более сжатом, компактном виде. В качестве элементов кодируемой информации могут выступать буквы, слова; различные символы, числа; ситуации и явления; аудиовизуальные образы и т.д. Если k — ключ, то можно записать f(k(A)) = B. Для каждого ключа k, преобразование f(k) должно быть обратимым, то есть f(k(B)) = A. Совокупность преобразования f(k) и соответствия множества k называется шифром. Как правило, любой шифр должен обладать таким свойством как надежность, который предполагает способность противостоять взлому, так называемый стойкость шифра. По аналогии с кодированием, в данном случае также существует обратный процесс шифрованию, называемый дешифрованием.

Следует учесть тот факт, что при дешифровании мы можем получить несколько осмысленных текстов. На основе вышесказанного приходим к мысли, что кодирование и шифрование два разных понятия в криптографии. Кодирование — это представление информации в альтернативном виде, то есть замена символов чем-либо, которое используется для удобства обработки информации. А шифрование представляет собой метод защиты информации от несанкционированного доступа, от попытки его изменения, а также для передачи сообщения через незащищенный канал [3].

Подводя итог, можем сказать, что на сегодняшний день наука, как криптография, достаточно хорошо изучена представителями разных стран как США, Россия, Англия, Франция, Германия, но она, как и другая наука не стоит на месте, а продолжает развиваться. Важно также подчеркнуть актуальность применения разных методов криптографической защиты информации, которая возрастает изо дня в день благодаря специалистам в этой области. Таким образом, шифрование и кодирование является важным аспектом при соблюдении информационной безопасности технических средств, ПК и операционной системы.

Глава 2. Формы и особенности кодирования информации

2.1. Формы помехоустойчивого кодирования данных

В последние годы происходит бурный рост телекоммуникационной отрасли, в связи с научно-техническим прогрессом, разрабатываются новые способы передачи информации, увеличиваются скорость и объем передачи данных. Но вместе с тем происходит и нежелательное явление в виде повышенной зашумленности каналов связи, связанное с повышением возникновения различных ошибок и помех в передаваемых фалах. Бороться с данной проблемой призвано помехоустойчивое кодирование, и в связи с возникшими сложностями данное направление также переживает бурный подъём, а именно, разрабатываются новые кодовые алгоритмы, которые призваны повысить помехозащищенность, а также модернизируются старые образцы кодов.

В данной статье представлен большой обзор помехоустойчивых кодов, которые существуют в настоящее время, будут рассмотрены как уже давно известные и зарекомендовавшие себя с лучшей стороны коды, так и перспективные разработки в помехоустойчивом кодировании.

Сначала рассмотрим самые простые помехоустойчивые коды, данные алгоритмы отличают простота реализации, ограниченность обнаружения и исправления ошибок, а также тот факт, что данные коды в современном помехоустойчивом кодировании используются в составе других более сложных кодов (например, в составе кодов Рида-Соломона, Турбокодов, Каскадных кодов и т. п.). К ним относятся следующие коды [17].

Коды с проверкой на чётность, являются самими простыми и самыми распространенными в помехоустойчивом кодировании. Данные коды построены с помощью одной общей проверки на чётность, в которой проверочным разрядом является результат суммирования по модулю на два всех бит пакета информации. С помощью данных кодов можно обнаруживать одиночную ошибку, но восстановить поврежденные файлы он не в состоянии. Главным достоинством кодов с проверкой на чётность является простота реализации. В настоящее время данные коды используются в составе более сложных кодов, например в составе каскадных кодов.

Код Хэмминга, как и коды с проверкой на четность, позволяет обнаруживать одиночные ошибки, но в отличии от них имеет более совершенную структуру, а именно: в данном коде для каждого числа проверенных символов используется специальная маркировка, которая состоит из двух составляющих, а именно, количества символов в сообщении и количества информационных символов в сообщении. 

Данный код также используется в составе более сложных кодов.

Код Боуза-Чаудхури-Хоквингхема или же, как его ещё называют, код БЧХ, данный код, в своё время, активно использовался в аппаратуре передачи данных, но в последнее время был вытеснен более совершенными кодовыми алгоритмами. Данный код отличается специальным выбором образующего циклический код полинома, что позволяет более просто декодировать передаваемую информацию, также данный код обладает нечётными значениями минимального кодового расстояния, всё это позволяет превосходно обнаруживать и исправлять ошибки с учётом группирования.

Блочные неравномерные коды, особенностью этих кодов является то, что в данных алгоритмах все кодовые комбинации содержат разное число разрядов с постоянной длительностью импульсов. Данный вид кодов не является корректирующим и способен только обнаруживать ошибки в передаваемой информации благодаря большой избыточности. Примерами таких кодов являются код Морзе, который в настоящее время используется как специализированный код передачи информации в военной сфере, и код Хафмена, который применяется для компрессии информации и в настоящий момент используется в составе некоторых Каскадных кодов.

Циклический избыточный код (CRC код) — это еще один код, который занимается обнаружением ошибок, данный код используется наравне с кодом Хэмминга и с кодами с проверкой на чётность. Отличительной особенностью данного кода является его способ кодирования информации, основанный на свойстве деления с остатком двоичных многочленов, что позволяет с хорошей точность определять ошибки в передаваемых сообщениях.

Другими алгоритмами помехоустойчивого кодирования являются более сложные коды, которые зарекомендовали себя в поиске и исправлении ошибок, а также в защите от помех, в связи с чем, данные коды в настоящий момент используются повсеместно в телекоммуникационной отрасли. К ним относятся:

Код SMPTE, обладает возможностью самосинхронизации и, как следствие, восстановления поврежденных данных. Также данный код имеет и второе название, а именно: двухфазный код со скачком фазы при передаче нуля, данное название является профессиональным и полностью отражает всю суть кодирования информации этим кодом. Код SMPTE является профессиональным кодом и применяется для синхронизации носителей звуковой и видеоинформации [14].

Потенциальное кодирование или же NRZ код является цифровым двоичным кодом, особенностью которого является то, что при передаче цифрового нуля данный код передает потенциал, который был установлен на предыдущем такте, а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Благодаря этому данный код может с хорошей точностью распознавать ошибки в передаваемой информации. Из недостатков можно выделить тот факт, что этот код не обладает свойством самосинхронизации, а также имеет низкочастотную составляющую.

Манчестерское кодирование, особенностью данного кода является его способ кодирования информации, а именно, передаваемая информация кодируется перепадами потенциала в середине каждого такта, единица кодируется перепадом от низкого уровня к высокому, а ноль — наоборот. В связи с этим данный код обладает хорошей самосинхронизацией, а также в нём отсутствует постоянная составляющая. Манчестерское кодирование применяется в стандарте передачи цифровой информации IEEE802.3.

Код Рида-Соломона — это блочный недвоичный циклический код, символы которого представляют собой m-битовые последовательности. Данный код предназначен для исправления одиночных и групповых ошибок, кроме исправления ошибок код Рида-Соломона может также восстанавливать стёртые или же неразборчивые символы. Всё это позволило коду Рида- Соломона занять обширную нишу в телекоммуникационных системах, например, данные коды используются в таких стандартах связи, как IEEE802.16, Internet, CCSDS и т.п.

Биполярный код AMI, особенность кодирования информации данным кодом заключается в том, что цифровой ноль в данном коде представляется нулевым напряжением, а цифровая единица представляется остальными значениями отличными от нуля. Благодаря этому код обладает хорошей синхронизацией, а также довольно прост в реализации, из недостатков можно выделить низкую скорость передачи данных. Данный код используется в телефонной связи.

Улучшенной версией кода AMI является код HDB3, отличающийся от AMI тем, что для представления цифрового нуля или единицы используется четыре значения в место одного. Данный код также используется в телефонной связи.

Код MLT-3 основывается на циклическом переключении уровней напряжения, где единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой. Данный код обладает хорошей синхронизацией и применяется в сетях FDDI, а также в FAST Ethernet 100BASE-TX.

Свёрточные коды с применением декодера Витерби являются оптимальными и достаточно легко реализуемыми для коротких сверточных кодов. Из недостатков можно выделить тот факт, что данный способ применяется только для декодирования коротких кодов, т. к. с ростом длины кода возрастает и его сложность реализации. Данный вид кодирования применяется в беспроводных сетях IEEE802.11, IEEE802.16 дальней космической связи CCSDS, спутниковой связи TIA-1008 и т. п.

Свёрточные коды с применением последовательного декодера, данный способ помехоустойчивого кодирования применяется в отношении свёрточных кодов с большой конструктивной длинной. Из недостатков следует выделить, что данный способ кодирования работоспособен только в области меньшей, чем вычислительная скорость канала, что накладывает серьёзные ограничения на использование этого алгоритма. В частности, последовательное декодирование применяется в стандарте TIA-10008.

Каскадные коды, в основе которых лежит идея совместного использования нескольких составляющих кодов, например код Рида- Соломона, код Хэмминга, код с проверкой на чётность и т. п., широко применяются в таких стандартах связи, как CCSDS, DVB-H/T/S, IEEE802.16 и т. п.

Многопороговый декодер самоортогональных кодов (МПДСОК), с помощью данного декодера возможно декодировать очень длинные коды с линейной от длины кода сложностью реализации. При этом МПДСОК способен вплотную приближаться к решению оптимального декодера в достаточно широком диапазоне кодовых скоростей и уровней шума в канале передачи данных. Более подробно МПДСОК рассматриваются в [4], данные алгоритмы используются в таких стандартах связи, как CCSDS, IEEE802.16 и т. п.

Турбокоды, образующиеся путём каскадирования двух или более составляющих кодов, данные коды могут получаться как при последовательном, так и при параллельном соединении кодов, разделяемых перемежителем.

Так, данные коды подразделяются на два подтипа, к первому относятся свёрточные турбокоды (Turbo Convolutional Code — TCC), данный вид алгоритмов образуется путём параллельного каскадирования двух кодов через перемежитель. Применяются такие алгоритмы в основном беспроводной связи в таких стандартах, как CCSDS, TIA-1008, CDMA2000, UMTS.

Ко второму подтипу относятся так называемые турбокоды произведения (Turbo Product Code — TPC), они образуются путём последовательного каскадирования алгоритмов и применяются в таких стандартах связи, как INTELSAT, IEEE 802.16.

Низкоплотностные коды (LDPC-коды), также данные коды называют кодами с малой плотностью проверок на чётность. LDPC-коды представляют собой линейные блоковые коды, задаваемые с помощью проверочной матрицы Н, характеризуемой относительно малым числом единиц в строках и в столбцах. Проверочной матрице кода ставится в соответствие граф Тоннера, в котором для представления столбцов проверочной матрицы используются определённым образом связанные между собой битовые и проверочные узлы. Всё это позволяет практически вплотную приблизиться к пропускной способности канала при относительно небольшой сложности реализации. Данные коды применяются в таких стандартах связи, как DVB-S2, 802.11n, 802.16e.