9.3. Принципы передачи данных в сетях Кодирование информации
Для передачи информации по коммуникационным линиям данные преобразуются в цепочку следующих друг за другом битов (двоичное кодирование с помощью только лишь двух крайних состояний:»0″ и «1»).
Передаваемые алфавитно-цифровые знаки представляются с помощью битовых комбинаций. Битовые комбинации располагают в определенной кодовой таблице, содержащей 4-, 5-, 6-, 7- или 8-битовые коды.
Количество представленных знаков зависит от количества битов, используемых в коде: код из четырех битов может представить максимум 16 значений, 5-битовый код — 32 значения, 6-битовый код – 64 значения, 7-битовый – 128 значений и 8-битовый код – 256 алфавитно-цифровых знаков.
На международном уровне передача символьной информации осуществляется с помощью 7-битового кодирования, позволяющего закодировать заглавные и строчные буквы английского алфавита, а также некоторые спец-символы. Национальные и специальные знаки с помощью 7-битового кода представить нельзя. Для представления национальных знаков применяют 8-битовый код.
Методы передачи информации
Передача данных (обмен данными, цифровая передача, цифровая связь) – физический перенос данных(цифрового битового потока) в виде сигналов от точки к точке или от точки к нескольким точкам средствами электросвязи по каналу передачи данных, как правило, для последующей обработки средствами вычислительной техники.
1. При обмене данными между узлами обычно используются три метода передачи данных:
• симплексная (однонаправленная) передача (например, радио, телевидение);
• полудуплексная – прием/передача информации осуществляется поочередно;
• дуплексная (двунаправленная) – каждая станция одновременно передает и принимает данные.
2. Мультиплексирование.
Как в локальных, так и в крупномасштабных сетях имеются случаи, когда пропускная способность передающей среды превышает требуемую для передачи единичного сигнала. Экономичное использование высокоскоростного магистрального канала связи для одновременной передачи нескольких сигналов известно как мультиплексирование.
Использование мультиплексирования с разделением частот (Frequency Division Multiplexing – FDM) основывается на том, что общая полоса полезных частот одного высокоскоростного канала связи разделяется на несколько непересекающихся подполос, называемых каналами. В рамках каждого из каналов осуществляется взаимонезависимая передача только одного сигнала со своей несущей, а общее число одновременно передаваемых сигналов определяется количеством каналов.
Технология FDM, применяемая в оптоволоконных линиях, получила название разделения по длине волны (Wave Time Division Multiplexing – WDM).
Мультиплексирование с временным разделением (Time Division Multiplexing – TDM) основывается на том, что скорость передачи двоичных данных по магистральному каналу значительно превосходит требуемую скорость для передачи единичного дискретного сигнала. В этом случае порции нескольких дискретных сигналов могут поочередно передаваться по общей среде, тем самым совместно используя ее. Последовательность временных интервалов использования общей передающей среды определенным сигналом, по аналогии с FDM, называется каналом.
Технология TDM имеет и другое название – техника синхронного режима передачи (Synchronous Transfer Mode – STM).
Следует отметить, что существуют случаи совместного применения FDM и TDM. Общая полоса частот передающей среды может быть разбита на несколько отдельных частотных каналов, каждый из которых далее подразделяется на подканалы с помощью временного разделения.
3. Синхронная и асинхронная передача данных.
Для передачи данных в информационных системах наиболее часто применяется последовательная передача. Широко используются следующие методы последовательной передачи: асинхронная и синхронная, которые позволяют получателю знать момент начала и временной период передачи каждого получаемого бита.
В асинхронной схеме данные передаются по одному символу за раз. Каждому передаваемому символу предшествует передача стартового кода (предупреждает приемник о начале передачи), затем передается символ. Для определения достоверности передачи используется бит четности (бит четности = 1, если количество единиц в символе нечетно, и 0, в противном случае. Последний бит «стоп бит» сигнализирует об окончании передачи.
Преимущества: несложная отработанная система; недорогое (по сравнению с синхронным) интерфейсное оборудование.
Недостатки: третья часть пропускной способности теряется на передачу служебных битов (старт/стоповых и бита четности); невысокая скорость передачи по сравнению с синхронной; при множественной ошибке с помощью бита четности невозможно определить достоверность полученной информации.
Асинхронная передача используется в системах, где обмен данными происходит время от времени и не требуется высокая скорость передачи.
При использовании синхронного метода данные передаются блоками. Для синхронизации работы приемника и передатчика в начале блока передаются биты синхронизации. Затем передаются данные, код обнаружения ошибки и символ окончания передачи. При синхронной передаче данные могут передаваться и как символы, и как поток битов. В качестве кода обнаружения ошибки обычно используется Циклический Избыточный Код Обнаружения Ошибок (CRC). Он вычисляется по содержимому поля данных и позволяет однозначно определить достоверность принятой информации.
Преимущества: высокая эффективность передачи данных; высокие скорости передачи; надежный встроенный механизм обнаружения ошибок.
Недостатки: интерфейсное оборудование более сложное и, соответственно, более дорогое.
зачем нужно кодирование сообщений при передаче данных по сетевой среде
Кодирование информации в простейшей форме зародилось при общении людей в виде жестовых кодов, а позднее в виде речи, суть которой кодовые слова для передачи наших мыслей собеседнику, далее наступил новый этап развития такого кодирования – письменность, которая позволяла хранить и передавать информацию с наименьшими потерями от писателя к читателю. Иероглифы – есть конечный алфавит, обозначающий понятия, предметы или действия, элементы которого в каком-то виде заранее оговорены людьми для однозначного «декодирования» записанной информации. Фонетическое письмо использует буквенный алфавит для внутреннего кодирования слов речи и так же служит для однозначного воспроизведения записанной информации. Цифры позволяют использовать кодовое представление вычислений. Но данные типы кодирования служили скорее для непосредственного общения, но людям требовалось так же передавать информацию на расстояние и достаточно быстро, как следствие появились простейшие системы телекоммуникаций.
Важнейшим скачком в истории развития передачи информации стало использование цифровых систем передачи данных. Использование аналоговых сигналов требует большой избыточности информации, передаваемой в системе, а так же обладает таким существенным недостатком как накапливание помех. Различные формы кодирования для преобразования аналоговых сигналов в цифровые, их хранения, передачи и преобразования обратно в аналоговую форму начали своё бурное развитие во второй половине XX века, и к началу XXI практически вытеснили аналоговые системы.
Основная проблема, которую необходимо решить при построении системы коммуникации, была впервые сформулирована Клодом Шенноном в 1948 году:
Главное свойство системы связи заключается в том, что она дольно точно или приближенно воспроизвести в определенной точке пространства и времени некоторое сообщение, выбранное в другой точке. Обычно, это сообщение имеет какой-то смысл, однако это совершенно не важно для решения поставленной инженерной задачи. Самое главное заключается в том, что посылаемое сообщение выбирается из некоторого семейства возможных сообщений.
Такая точная и ясная постановка проблемы коммуникации оказала огромное воздействие на развитие средств связи. Возникла новая научная отрасль, которая стала называться теорией информации. Главная идея, обоснованная Шенноном, заключается в том, что надежные коммуникации должны быть цифровыми, т.е. задачу связи следует рассматривать как передачу двоичных цифр (битов). Появилась возможность однозначно сравнить переданную и принятую информацию.
Заметим, что любой физический канал передачи сигналов не может быть абсолютно надежным. Например, шум, который портит канал и вносит ошибки в передаваемую цифровую информацию. Шеннон показал, что при выполнении некоторых достаточно общих условий имеется принципиальная возможность использовать ненадежный канал для передачи информации со сколь угодно большой степенью надежности. Поэтому нет необходимости пытаться очистить канал от шумов, например, повышая мощность сигналов (это дорого и зачастую невозможно). Вместо этого следует разрабатывать эффективные схемы кодирования и декодирования цифровых сигналов.
Задача кодирования канала (выбор сигнально-кодовой конструкции) заключается в построении на основе известных характеристик канала кодера, посылающего в канал входные символы, которые будут декодированы приемником с максимальной степенью надежности. Это достигается с помощью добавления в передаваемую цифровую информацию некоторых дополнительных проверочных символов. На практике каналом может служить телефонный кабель, спутниковая антенна, оптический диск, память компьютера или еще что-то. Задачей кодирования источника является создание кодера источника, который производит компактное (укороченное) описание исходного сигнала, который необходимо передать адресату. Источником сигналов может служить текстовый файл, цифровое изображение, оцифрованная музыка или телевизионная передача. Это сжатое описание сигналов источника может быть неточным, тогда следует говорить о расхождении между восстановленным после приема и декодирования сигналом и его оригиналом. Это обычно происходит при преобразовании (квантовании) аналогового сигнала в цифровую форму.
Если скорость передачи сообщений меньше пропускной способности канала связи, то существуют коды и методы декодирования такие, что средняя и максимальная вероятности ошибки декодирования стремятся к нулю, когда длина блока стремится к бесконечности
Иными словами: Для канала с помехами всегда можно найти такую систему кодирования, при которой сообщения будут переданы со сколь угодно большой степенью верности, если только производительность источника не превышает пропускной способности канала.
Если скорость передачи больше пропускной способности, то есть, то не существует таких способов передачи, при которых вероятность ошибки стремится к нулю при увеличении длины передаваемого блока.
Для аддитивного белого гауссова шума Шеннон получил следующее выражение:
, где
C — пропускная способность канала, бит/с;
W — ширина полосы канала, Гц;
S — мощность сигнала, Вт;
N — мощность шума, Вт.
(График для наглядности, зависимость C(W,P) при N0=const; значения с потолка, попрошу на них не смотреть)
Т.к. мощность АБГШ растёт линейно с шириной полосы канала, имеем, что пропускная способность канала имеет предел Cmax=(S/N0)log(2), при бесконечно широкой частотной полосе (который растёт линейно по мощности).
, где
η — эффективность использования спектра, бит/с/Гц;
TR — скорость передачи информации, бит/с;
W — ширина полосы канала, Гц.
Тогда, , используя значение энергии бита (для сигналов со сложными сигнально кодовыми конструкциями я понимаю среднее значение энергии на бит) и , где
k — количество бит на символ, передаваемый в канал;
T — длительность символа, с;
R — скорость передачи в канале, бит/с;
Eb — энергия на передачу одного бита в канале;
N0 — спектральная плотность мощности шума, Вт/Гц;
получим или .
Предел Шеннона будет иметь вид:
Данный предел имеет смысл для каналов без кодеков (R = TR), для достижения такой эффективности принимаемое слово должно быть бесконечной длины. Для каналов с использованием кодеков помехоустойчивого кодирования под Eb следует понимать энергию на передачу одного информационного, а не канального бита (тут возможны разночтения и я готов выслушать альтернативные версии) => Eb/N0 в канале отлично от этого значения в зависимости от скорости кода (1/2, 3/4, 7/8… )
Таким образом видим, что существует предел отношения сигнал/шум в канале (Eb/N0) такой, что невозможно построить систему передачи данных, в которой можно добиться сколь угодно малой вероятности ошибки, при большем уровне шума (может существовать система с просто малой вероятностью ошибки, при предельном отношении!).
Литература
Галлагер Р. «Теория информации и надёжная связь» – М.: «Советское радио», 1974.
Сэломон Д. «Сжатие данных, изображений и звука» – М.: «Техносфера», 2004
Спасибо за внимание, в качестве продолжения, если интересно, могу написать статью с иллюстрациями и сравнением эффективности сигнально-кодовых конструкций по отношению к границе Шеннона.
Сетевое кодирование
Сетевое кодирование — раздел теории информации изучающий вопрос оптимизации передачи данных по сети с использованием техник изменения пакетов данных на промежуточных узлах.
Содержание
Основы сетевого кодирования
Узлы-получатели имеют возможность восстановить исходные пакеты из информации об одном полученном пакете и их комбинации. В результате увеличивается пропускная способность сети — по два пакета может быть передано двум получателям одновременно (за каждый такт), хотя минимальное сечение сети содержит всего три канала передачи данных.
Случайное сетевое кодирование
В качестве основного способа рассматривается включение в передаваемый пакет дополнительной информации, идентифицирующей пакет в рамках некоторой сессии (считается, что комбинироваться могут пакеты принадлежащие только одной сессии). Например, это может быть простое битовое поле. Для рассмотренной выше сети бабочка данное битовое поле может состоять из двух бит для каждого пакета:
| Пакет | Битовое поле |
|---|---|
 |
1 0 |
 |
0 1 |
 |
1 1 |
Первый получатель получит два пакета с битовыми полями «1 0» и «1 1», второй получатель — «0 1» и «1 1». Используя это поле как информацию о коэффициентах линейного уравнения для пакетов, получатель может восстановить исходные пакеты, если они были переданы без ошибок.
Защита информации от искажения
Рассматривая сеть «бабочка», можно показать, что для первого получателя вероятность принять пакет без ошибок больше, чем для пакета , даже если предположить одинаковые, но отличные от нуля вероятности ошибок в принятых получателем пакетах и .
Для того, чтобы уменьшить подобный эффект авторы предлагают модифицировать способ итеративного декодирования пакетов A и B (при, например, использовании LDPC-кодирования), когда итерации декодирования пакетов проводятся одновременно и декодеры обмениваются между собой об информации о вероятностях ошибок в конкретных битах пакетов. Для полного избавления от данного эффекта авторы предлагают также разбить исходные пакеты на несколько частей и передавать их различными путями. Как показал численный эксперимент, это действительно уравнивает вероятности декодирования пакетов.
Методы, используемые для декодирования в случайном сетевом кодировании, рассматривают все принятые пакеты как единый объект (часто — матрицу), построенной из принятых пакетов-строк. Если первая часть пакета представляет собой битовое поле, то операции с матрицей сводятся, во-первых, к приведению левой её части к диагональному виду (с помощью метода Гаусса), а затем к исправлению ошибок в правой части матрицы. Для исправления ошибок можно использовать ранговые коды, которые могут исправить не только ошибки в столбцах матрицы (из-за неправильно принятых битов данных), но и ошибки в строках матрицы (из-за ошибок передачи в битовом поле).
Кодирование и Шифрование
В наш век интернет-технологий, когда мы доверяем все свои данные интернет-сервисам, нужно знать и понимать, как они их хранят и обрабатывают.
Но зачем это вообще нужно знать? Чтобы попросту не попасть в ситуацию, когда ваши личные данные, пароли от аккаунтов или банковских карт окажутся в руках мошенников. Как говорится: «Доверяй, но проверяй»
Важные аспекты в хранении данных, будь то на внешних серверах или домашнем компьютере, – это прежде всего кодирования и шифрование. Но чем они отличаются друг от друга? Давайте разбираться!
Ни для кого не секрет, что компьютер может хранить информацию, но он не может хранить её в привычной для нас форме: мы не сможем просто так написать на флешки реферат, не можем нарисовать на жестком диске картинку так, чтобы её мог распознать компьютер. Для этого информацию нужно преобразовать в язык понятный компьютеру, и именно этот процесс называется кодированием. Когда мы нажимаем на кнопку на клавиатуре мы передаем код символа, который может распознать компьютер, а не сам символ.
Определения и различия
Кодирование – процесс преобразования доступной нам информации в информацию понятную компьютерную.
Шифрование – процесс изменения информации таким образом, чтобы её смогли получить только нужные пользователи.
Шифрование применялось и задолго до создания компьютеров и информатики как таковой. Но зачем? Цели её применения можно было понять из определения, но я опишу их ещё раз более подробно. Главные цели шифрования это:
конфиденциальность – данные скрыты от посторонних
целостность – предотвращение изменения информации
идентифицируемость – возможность определить отправителя данных и невозможность их отправки без отправителя
Оценить стойкость шифра можно с помощью криптографической стойкости.
Криптографическая стойкость – это свойство шифра противостоять криптоанализу, изучению и дешифровки шифра.
Криптостойкость шифра делится на две основные системы: абсолютно стойкие системы и достаточно стойкие системы.
Абсолютно стойкие системы – системы не подверженные криптоанализу. Основные критерии абсолютно стойких систем:
Ключи должны генерироваться для каждого сообщения отдельно
Генерация ключей независима
Длина ключа должна быть не меньше длины сообщения
К сожалению, такие системы не удобны в своём использовании: появляется передача излишней информации, которая требует мощных и сложных устройств. Поэтому на деле применяются достаточно стойкие системы.
Достаточно стойкие системы – системы не могут обеспечить полную защиту данных, но гораздо удобнее абсолютно стойких. Надежность таких систем зависит от возможностей крипто аналитика:
Количества перехваченных сообщений
Времени и вычислительных способностей
А также от вычислительной сложности шифра.
Вычислительная сложность – совокупность времени работы шифрующей функции, объема входных данных и количества используемой памяти. Чем она больше, тем сложнее дешифровать шифр.
История шифрования
Шифрование берет своё начало ещё из древних времен. Примерно 1300 лет до нашей эры был создан один из первых методов шифрования – Атбаш. Принцип шифрования заключается в простой подставке символов по формуле:, где:
n – количество символов в алфавите
i – порядковый номер символа.
С тех самых пор шифрование активно развивалось вместе с развитием нашей цивилизации
Хоть шифры и менялись, но их принцип нет – для расшифровки сообщения требуется ключ. В случае с Абашем ключом может считать последовательность порядковых номеров исходных символов, но этот ключ ещё надо как-то передать. Методы шифрования, которые используются сейчас, научились-таки передавать ключи по открытым и незащищённым каналам связи. Казалось бы, передача ключей шифрования по обычным каналам — это добровольное жертвование своими данными, но не всё так просто. Разберём это на примере популярного алгоритма шифрования «RSA», разработанного в 1977 году.
Первым делом выбирается два случайный простых числа, которые перемножаются друг на друга – именно это и есть открытый ключ.
К слову: Простые числа — это те числа, которые могут делиться без остатка либо на 1, либо на себя.
Длина таких чисел может быть абсолютно любая. К примеру, возьмем два простых числа 223 и 13. Их произведение 2899 – будет являться открытым ключом, который мы и будем передавать по открытому каналу связи. Далее нам необходимо вычислить функцию «Эйлера» для произведения этих чисел.
Функция Эйлера – количество натуральных чисел, меньших чем само число и, которые будут являть взаимно простыми числами с самим числом.
Возможно, звучит непонятно, но давайте это разберем на небольшом примере:
φ (26) [фи от двадцати шести] = какому-то числу чисел, которое всегда будет меньше 26, а сами числа должны иметь только один общий делитель единицу с 26.
1 – подходит всегда, идем дальше;
7 – только на 1 – подходит;
Общее количество таких чисел будет равно 12. А найти это число можно по формуле: φ(n*k) = (n-1)(k-1) в нашем случае 26 можно представить как 2 * 13, тогда получим φ(26) = φ(2 * 13) = (2-1)*(13-1) = 1 * 12 = 12
Теперь, когда мы знаем, что такое функция Эйлера и умеем её вычислять найдем её для нашего открытого ключа – φ(2899) = φ(223 * 13) =(223 – 1)*(13-1) = 222 * 12 = 2664
После чего нам нужно найти открытую экспоненту. Не пугайтесь, тут будет гораздо проще чем с функцией «Эйлера».
Открытая экспонента – это любое простое число, которое не делится на функцию Эйлера. Для примера возьмем 13. 13 не делится нацело на число 2664. Вообще открытую экспоненту лучше выбирать по возрастанию простым перебором, а не просто брать случайную. Так для нашего примера разумнее было бы взять число 5, но давайте рассмотрим на примере 13
e – открытая экспонента
mod – остаток отделения
В обоих случаях у нас получится число 205
На этом подготовка отправки сообщения успешно завершается и начинается самое веселое – отправка данных для дешифрования сообщения. На этом шаге мы отправляем открытый ключ и открытую экспоненту человеку, сообщение которого хотим получить. Предположим, что в этот момент наш ключ и экспоненту перехватили 3-е лица, но до нужного нам человека они всё так же дошли
Теперь этому человеку нужно отправить нам сообщение, для простоты предположим, что это какое-то число, например: 92. Для этого ему нужно отправить нам остаток от деления 92 в степени открытой экспоненты на открытый ключ – T ^ e mod n , где
T – шифруемый текст
e – открытая экспонента
mod – остаток от деления
Предположим, что и в этот раз сообщение перехватили, но нам оно всё так же дошло
С – зашифрованный текст
d – закрытая экспонента
mod – остаток от деления
235 ^ 205 mod 2899 = 92.
Вуаля, и мы имеет исходное число. Но, что насчет перехваченных сообщений? У злоумышленника есть сообщение, ключ и экспонента, но как мы помни для дешифровки ему ещё нужна секретная экспонента, она же секретный ключ, но для того, чтобы вычислить её, ему придется разложить исходный ключ 2899 на множители, а сделать это не так уж и просто, особенно когда вместо двух чисел 223 и 13, будут использовать числа длиной несколько десятков символов
Но ничто в мире не идеально, в том числе и этот метод.
Его первый недостаток – это подборка пары чисел для открытого ключа. Нам нужно не просто сгенерировать случайно число, но ещё и проверить на то простое ли оно. На сегодняшний нет методов, которые позволяют делать это сверх быстро.
Второй недостаток – так же связан с генерацией ключа. Как мы с вами помним: «ключи должны генерировать независимо от каких-либо факторов», но именно это правило нарушается, когда мы пытается сгенерировать строго простые числа.
Третий недостаток – подбор и перебор чисел для экспонент.
Четвертый – длина ключей. Чем больше длина, тем медленнее идет процесс декодирования, поэтому разработчики пытаются использовать наименьшие по длиннее ключи и экспоненты. Даже я акцентировал на это внимание, когда говорил, что лучше взять число 5, вместо 13 для открытой экспоненты. Именно из-за этого и происходит большая часть взломов и утечек данных
Но не стоит печалиться, ведь как я и говорил: криптография и шифрование развивается вместе с развитием цивилизации. Поэтому довольно скоро все мы будем шифровать свои данные с помощью Квантового шифрование.
Этот метод основывается на принципе квантовой суперпозиции – элементарная частица может сразу находится в нескольких положениях, иметь разную энергию или разное направление вращения одновременно. По такому принципу и работает передача ключей шифрования по протоколу BB-84.
Есть оптоволокно, по которому передаются единичные фотоны света. Мы, как отправитель может сгенерировать абсолютно любой двоичный ключ, по тому же принципу квантовой супер позиции, ну или использовать обычные генераторы псевдослучайных чисел. Допустим мы хотим передать ключ 101001011. Для этого нам нужно принять за обозначение какое положение фотона соответствует единице, а какое нулю. Представим, что вертикальное положение – это 1, а горизонтальное – 0. Если оставить все так, то от передачи ключей таким образом не будет никакого смысла, ведь тогда злоумышленник всегда сможет измерить фотон, получить его значение, создать и отправить точно такой же обратно человеку, которому мы хоти передать ключ. Поэтому были введены ещё два положение – диагональные. Предоставим вертикальную волну, или же значение 1 и отклоним её на 45 градусов влево. Это будет вторая единица. Вернемся обратно и отклоним на 45 градусов вправо – это будет второй 0.
Вернемся к нашему ключу 101001011. Мы случайным образом выбираем направление – обычное или диагональное. Для удобства присвоим обычному номер 1, а диагональному 2.
Давайте отправим ключ – 1(1), 0(2), 1(1), 0(1), 0(1), 1(2), 0(2), 1(1), 1(2). Теперь человеку, которому мы отправляем ключ, нужно точно так же, совершенно случайно, выбрать случайное направление.
Допустим он выбрал направления: 221111212. Поскольку есть всего 2 плоскости отправки: 1 и 2, они же называются: канонический и диагональный базис, то шанс того, что он выбрал правильные направления 50%.
Если он угадал базис – он получил верное значение, если нет – неверное. Учитывая его направления, он получил: 001000011. Теперь нужно отсеять неправильные значения: можно сделать это обменом базисов по любому, даже не защищенному, каналу связи. После этого у нас обоих останется ключ: 0100011. Теперь с помощью его мы можем передавать и кодировать сообщения по обычному методу шифрования.
Заключение
Причитав и разобрав эту статью, мы с вами узнали, чем отличается кодирование от шифрования, их историю с будущим, узнали каким должен быть идеальный шифр и немного поговорили про крипто анализ. Уже с этими знаниями, которые были предоставлены в этой статье, можно спокойно идти и делать какую-нибудь систему авторизации или пытаться взломать какой-то сайт, главное не перебарщивать.
Зачем нужно кодирование сообщений при передаче данных по сетевой среде
Другая группа стандартов, разрабатываемая организациями стандартизации, в частности, Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE), и общественными организациями, например, ATM Forum и Gigabit Ethernet Alliance, определяет параметры физического уровня сетевых протоколов. К ним относятся тактовая частота, метод кодирования, схема передачи и спектр сигнала.
Открытая система обмена информацией OSI (Open System Interconnect), определяющая стандарты связи и передачи данных в любых сетях, разбивает все функции взаимодействия систем на семь уровней.
Нижний или физический уровень обеспечивает преобразование данных в электромагнитные сигналы, предназначенные для определенной среды передачи, и наоборот. Сигналы, передаваемые с физического уровня на второй или канальный уровень, не зависят от среды передачи. Сетевые протоколы, работающие на первом и втором уровнях, задают параметры сигналов, отправляемых по магистралям.
Некоторые аналогии, приводимые в статье, позволяют лучше понять взаимосвязь тактовой частоты, спектра сигнала и скорости передачи данных.
Механизм кодирования
Цифровая передача данных требует выполнения нескольких обязательных операций:
Данное очевидное соответствие породило ошибочное представление об адекватности значений герц и бит в секунду. На практике все сложнее. Скорость передачи данных, как правило, выше тактовой частоты. Для увеличения скорости передачи сигнал может идти параллельно по нескольким парам. Данные могут передаваться битами или байтами. Кодированный сигнал может иметь два, три, пять и более уровней. Некоторые методы кодирования сигналов требуют дополнительного кодирования данных или синхронизации, которые уменьшают скорость передачи информационных сигналов.
Как видно из таблицы, однозначного соответствия МГц и Мбит/с не существует.
Таблица 1. Соотношение между категорией канала, диапазоном частот и максимальной скоростью передачи данных
Каждый протокол требует определенную ширину спектра или, если хотите, ширину информационной магистрали. Схемы кодирования усложняют для того, чтобы эффективнее использовать информационные магистрали. Как и в аналогии с двигателем, совсем необязательно раскручивать его до максимальных оборотов, целесообразнее включить передачу.
Код RZ
Недостаток кода RZ состоит в том, что он не дает выигрыша в скорости передачи данных. Для передачи со скоростью10 Мбит/с требуется частота несущей 10 МГц. Кроме того, для различения трех уровней необходимо лучшее соотношение сигнал / шум на входе в приемник, чем для двухуровневых кодов.
Наиболее часто код RZ используется в оптоволоконных сетях. При передаче света не существует положительных и отрицательных сигналов, поэтому используют три уровня мощности световых импульсов.
Код Манчестер-II
Код Манчестер-II или манчестерский код получил наибольшее распространение в локальных сетях. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от кода RZ имеет не три, а только два уровня, что обеспечивает лучшую помехозащищенность.
Изменение сигнала в центре каждого бита позволяет легко выделить синхросигнал. Самосинхронизация дает возможность передачи больших пакетов информацию без потерь из-за различий тактовой частоты передатчика и приемника.
Код Манчестер-II нашел применение в оптоволоконных и электропроводных сетях. Самый распространенный протокол локальных сетей Ethernet 10 Мбит/с использует именно этот код.
Кроме того, скорость передачи данных вдвое превышает частоту. Наибольшая частота будет фиксироваться при чередовании единиц и нулей. При частоте 1 Гц обеспечивается передача двух битов. Для других комбинаций частота будет меньше. При передаче последовательности одинаковых битов частота изменения сигнала равна нулю.
Код NRZ (NRZI) не имеет синхронизации. Это является самым большим его недостатком. Если тактовая частота приемника отличается от частоты передатчика, теряется синхронизация, биты преобразуются, данные теряются.
Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой. Изменение уровня сигнала происходит последовательно с учетом предыдущего перехода. Максимальной частоте сигнала соответствует передача последовательности единиц. При передаче нулей сигнал не меняется. Информационные переходы фиксируются на границе битов. Один цикл сигнала вмещает четыре бита.
Протоколы, использующие код NRZ, чаще всего дополняют кодированием данных 4B5B. В отличие от кодирования сигналов, которое использует тактовую частоту и обеспечивает переход от импульсов к битам и наоборот, кодирование данных преобразует одну последовательность битов в другую.
В коде 4B5B используется пяти-битовая основа для передачи четырех-битовых информационных сигналов. Пяти-битовая схема дает 32 (два в пятой степени) двухразрядных буквенно-цифровых символа, имеющих значение в десятичном коде от 00 до 31. Для данных отводится четыре бита или 16 (два в четвертой степени) символов.
Рассмотренные выше схемы кодирования сигналов были битовыми. При битовом кодировании каждому биту соответствует значение сигнала, определяемое логикой протокола.
При байтовом кодировании уровень сигнала задают два бита и более.
Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода, используемого для исправления ошибок. Это дает дополнительный резерв соотношения сигнал / шум 6 дБ.
Код PAM 5 используется в протоколе 1000 Base T Gigabit Ethernet (см. Схема передачи Gigabit Ethernet). Данный протокол обеспечивает передачу данных со скоростью 1000 Мбит/с при ширине спектра сигнала всего 125 МГц.
Как это достигается? Данные передаются по всем четырем парам одновременно. Следовательно, каждая пара должна обеспечить скорость 250 Мбит/с. Максимальная частота спектра несущей при передаче двухбитовых символов кода PAM 5 составляет 62,5 МГц. С учетом передачи первой гармоники протоколу 1000 Base T требуется полоса частот до 125 МГц. Но о несущей, гармониках и полосе частот следует поговорить отдельно.
Скорость движения зависит не только от возможностей автомобиля, но и от качества магистрали. То же самое справедливо и для передачи данных. Рассмотрим возможности информационных магистралей.
Например, протокол Fast Ethernet 100 Base T4 обеспечивает работу сети со скоростью 100 Мбит/с на кабелях категории 3 (16 МГц). Gigabit Ethernet 1000 Base T реализован таким образом, чтобы на базе каналов категории 5 (100 Мгц), имеющий некоторый резерв, передавать 1000 Мбит/с.
Ширина спектра сигнала
Сигнал, имеющий синусоидальную форму, называется гармоническим. Его параметры определяются частотой и амплитудой. Чем больше форма сигнала отличается от синусоиды, тем больше гармонических составляющих он несет. Частоты гармоник кратны частоте несущей. Стандарты электропитания, например, требуют оценки качества напряжения сигнала вплоть до тридцатой гармоники.
Диапазон частот сложного сигнала называется спектральной шириной сигнала. Он включает основную составляющую, которая определяет несущую, и гармонические составляющие, которые задают форму импульсов.
Восстановление формы импульсов производится на аппаратном уровне, поэтому гармонические составляющие убирают с помощью фильтров.
Спектральная ширина сигнала зависит от тактовой частоты, метода кодирования и характеристик фильтра передатчика.
Рисунок 6 иллюстрирует, как метод кодирования позволяет уменьшить частоту несущей. Для трех методов кодирования приведены ситуации, требующие максимальную частоту несущей. Один герц несущей передает один бит (1) при манчестерском кодировании, два бита (01) кода NRZ и четыре бита (1111) кода MLT-3. Фактор кодирования (передача) составляет соответственно один, два и четыре.
Другие комбинации битов требуют меньшей частоты. Например, при чередовании нулей и единиц частота несущей кода MLT-3 уменьшается еще в два раза, длительная последовательность нулей уменьшает частоту несущей до нуля.
При цифровой передаче для восстановления исходного сигнала требуется меньше гармоник, чем для аналогового. Технология передачи и приема цифровых сигналов позволяет восстановить исходный сигнал по несущей спектра. Однако для уменьшения коэффициента ошибок необходимо присутствие первой гармоники, что удваивает ширину спектра или частотный диапазон.
Однополосный и двухполосный сигналы
Сигнал, который не имеет спектральной энергии нулевой частоты, является двухполосным. У двухполосного ширина первой гармоники в два раза больше, чем у однополосного. Спектр сигнала после манчестерского кодирования является двухполосным. Кодирование методами NRZ, MLT-3 и PAM 5 дает однополосный сигнал.
Как было отмечено выше, код Манчестер-II дает две несущие частоты: 5 МГц и 10 МГц.
Частота 10 МГц передается с одной гармоникой (несущая и гармоники обозначены на рис. 7 красным цветом). Частота 5 МГЦ (обозначенная зеленым цветом) имеет три гармоники в верхнем диапазоне. Остальные гармоники обрезаются фильтрами.
Итак, при передаче однополосного сигнала, кодированного методом NRZ, со скоростью10 Мбит/с, требуется 10 МГц. Для двухполосного сигнала, который создается манчестерским десятимегабитным протоколом необходимо 20 МГц полосы пропускания.
Для спектра несущей протокола ATM 155, в котором реализован метод кодирования сигналов NRZ, а тактовая частота составляет 155,52 МГц, требуется полоса частот 77,76 МГц. С учетом одной несущей полоса сигнала составляет 155,52 МГц.
Стандартный канал категории 5 максимальной длины обеспечивает полосу 100 Мгц с запасом сигнал / шум 3,1 дБ. Нулевой запас превышения мощности сигнала на шумом при этом будет на частоте 115 МГц. Таким образом, анализ спектра позволяет сделать вывод о недостаточной ширине информационной магистрали.
Выводы
Методы кодирования и сложные схемы, использующие все витые пары, обеспечивают увеличение скоростей передачи данных без пропорционального увеличения диапазона частот среды передачи или ширины информационных магистралей.
Анализ методов кодирования позволяет сделать вывод о том, что системы категории 5 имеют дефицит ресурсов даже для приложений своего класса. Современные информационные магистрали требуют более тщательной подготовки для перехода от десятимегабитных приложений к высокоскоростным протоколам.
Кодирование и Шифрование
В наш век интернет-технологий, когда мы доверяем все свои данные интернет-сервисам, нужно знать и понимать, как они их хранят и обрабатывают.
Но зачем это вообще нужно знать? Чтобы попросту не попасть в ситуацию, когда ваши личные данные, пароли от аккаунтов или банковских карт окажутся в руках мошенников. Как говорится: «Доверяй, но проверяй»
Важные аспекты в хранении данных, будь то на внешних серверах или домашнем компьютере, – это прежде всего кодирования и шифрование. Но чем они отличаются друг от друга? Давайте разбираться!
Ни для кого не секрет, что компьютер может хранить информацию, но он не может хранить её в привычной для нас форме: мы не сможем просто так написать на флешки реферат, не можем нарисовать на жестком диске картинку так, чтобы её мог распознать компьютер. Для этого информацию нужно преобразовать в язык понятный компьютеру, и именно этот процесс называется кодированием. Когда мы нажимаем на кнопку на клавиатуре мы передаем код символа, который может распознать компьютер, а не сам символ.
Определения и различия
Кодирование – процесс преобразования доступной нам информации в информацию понятную компьютерную.
Шифрование – процесс изменения информации таким образом, чтобы её смогли получить только нужные пользователи.
Шифрование применялось и задолго до создания компьютеров и информатики как таковой. Но зачем? Цели её применения можно было понять из определения, но я опишу их ещё раз более подробно. Главные цели шифрования это:
конфиденциальность – данные скрыты от посторонних
целостность – предотвращение изменения информации
идентифицируемость – возможность определить отправителя данных и невозможность их отправки без отправителя
Оценить стойкость шифра можно с помощью криптографической стойкости.
Криптографическая стойкость – это свойство шифра противостоять криптоанализу, изучению и дешифровки шифра.
Криптостойкость шифра делится на две основные системы: абсолютно стойкие системы и достаточно стойкие системы.
Абсолютно стойкие системы – системы не подверженные криптоанализу. Основные критерии абсолютно стойких систем:
Ключи должны генерироваться для каждого сообщения отдельно
Генерация ключей независима
Длина ключа должна быть не меньше длины сообщения
К сожалению, такие системы не удобны в своём использовании: появляется передача излишней информации, которая требует мощных и сложных устройств. Поэтому на деле применяются достаточно стойкие системы.
Достаточно стойкие системы – системы не могут обеспечить полную защиту данных, но гораздо удобнее абсолютно стойких. Надежность таких систем зависит от возможностей крипто аналитика:
Количества перехваченных сообщений
Времени и вычислительных способностей
А также от вычислительной сложности шифра.
Вычислительная сложность – совокупность времени работы шифрующей функции, объема входных данных и количества используемой памяти. Чем она больше, тем сложнее дешифровать шифр.
История шифрования
Шифрование берет своё начало ещё из древних времен. Примерно 1300 лет до нашей эры был создан один из первых методов шифрования – Атбаш. Принцип шифрования заключается в простой подставке символов по формуле:, где:
n – количество символов в алфавите
i – порядковый номер символа.
Шифр получил своё название в честь первой, последней, второй и предпоследней буквы Еврейского алфавита — «алеф», «тав», «бет», «шин» . Такой шифр имеет низку криптографическую стойкость, потому как алгоритм шифрования довольно прост
С тех самых пор шифрование активно развивалось вместе с развитием нашей цивилизации
Хоть шифры и менялись, но их принцип нет – для расшифровки сообщения требуется ключ. В случае с Абашем ключом может считать последовательность порядковых номеров исходных символов, но этот ключ ещё надо как-то передать. Методы шифрования, которые используются сейчас, научились-таки передавать ключи по открытым и незащищённым каналам связи. Казалось бы, передача ключей шифрования по обычным каналам — это добровольное жертвование своими данными, но не всё так просто. Разберём это на примере популярного алгоритма шифрования «RSA», разработанного в 1977 году.
Первым делом выбирается два случайный простых числа, которые перемножаются друг на друга – именно это и есть открытый ключ.
К слову: Простые числа — это те числа, которые могут делиться без остатка либо на 1, либо на себя.
Длина таких чисел может быть абсолютно любая. К примеру, возьмем два простых числа 223 и 13. Их произведение 2899 – будет являться открытым ключом, который мы и будем передавать по открытому каналу связи. Далее нам необходимо вычислить функцию «Эйлера» для произведения этих чисел.
Функция Эйлера – количество натуральных чисел, меньших чем само число и, которые будут являть взаимно простыми числами с самим числом.
Возможно, звучит непонятно, но давайте это разберем на небольшом примере:
φ (26) [фи от двадцати шести] = какому-то числу чисел, которое всегда будет меньше 26, а сами числа должны иметь только один общий делитель единицу с 26.
1 – подходит всегда, идем дальше;
2 – делится и на 2, и на 1, как и число 26, — не подходит;
3 – делится и на 3, и на 1, а вот число 26 не делится на 3, — подходит;
4 – имеет общие делители 2 и 1 с 26 — не подходит;
5 – только на 1 — подходит;
6 – на 2 и 1 — не подходит;
7 – только на 1 – подходит;
и так далее до 25.
Общее количество таких чисел будет равно 12. А найти это число можно по формуле: φ(n*k) = (n-1)(k-1) в нашем случае 26 можно представить как 2 * 13, тогда получим φ(26) = φ(2 * 13) = (2-1)*(13-1) = 1 * 12 = 12
Теперь, когда мы знаем, что такое функция Эйлера и умеем её вычислять найдем её для нашего открытого ключа – φ(2899) = φ(223 * 13) =(223 – 1)*(13-1) = 222 * 12 = 2664
После чего нам нужно найти открытую экспоненту. Не пугайтесь, тут будет гораздо проще чем с функцией «Эйлера».
Открытая экспонента – это любое простое число, которое не делится на функцию Эйлера. Для примера возьмем 13. 13 не делится нацело на число 2664. Вообще открытую экспоненту лучше выбирать по возрастанию простым перебором, а не просто брать случайную. Так для нашего примера разумнее было бы взять число 5, но давайте рассмотрим на примере 13
Следующий шаг – закрытая экспонента. Вычисляется она банальным перебором по этому равенству: d * e mod φ(n) = 1 , где
φ(n) — функция Эйлера
e – открытая экспонента
mod – остаток отделения
а число d, которое и является закрытой экспонентой, мы должны подобрать перебором, либо попытаться выразить через формулу d = ceil(φ(n) / e) , где ceil – округление в большую сторону.
В обоих случаях у нас получится число 205
На этом подготовка отправки сообщения успешно завершается и начинается самое веселое – отправка данных для дешифрования сообщения. На этом шаге мы отправляем открытый ключ и открытую экспоненту человеку, сообщение которого хотим получить. Предположим, что в этот момент наш ключ и экспоненту перехватили 3-е лица, но до нужного нам человека они всё так же дошли
Теперь этому человеку нужно отправить нам сообщение, для простоты предположим, что это какое-то число, например: 92. Для этого ему нужно отправить нам остаток от деления 92 в степени открытой экспоненты на открытый ключ – T ^ e mod n , где
T – шифруемый текст
e – открытая экспонента
n – открытый ключ
mod – остаток от деления
92 ^ 13 mod 2899 = 235 . Именно число 235 он нам и отправит.
Предположим, что и в этот раз сообщение перехватили, но нам оно всё так же дошло
Для расшифровки сообщения нам необходимо зашифрованное сообщение возвести в степень закрытой экспонентой и вычислить остаток от деления на открытый ключ – C ^ d mod n , где
С – зашифрованный текст
d – закрытая экспонента
n – открытый ключ
mod – остаток от деления
235 ^ 205 mod 2899 = 92.
Вуаля, и мы имеет исходное число. Но, что насчет перехваченных сообщений? У злоумышленника есть сообщение, ключ и экспонента, но как мы помни для дешифровки ему ещё нужна секретная экспонента, она же секретный ключ, но для того, чтобы вычислить её, ему придется разложить исходный ключ 2899 на множители, а сделать это не так уж и просто, особенно когда вместо двух чисел 223 и 13, будут использовать числа длиной несколько десятков символов
Но ничто в мире не идеально, в том числе и этот метод.
Его первый недостаток – это подборка пары чисел для открытого ключа. Нам нужно не просто сгенерировать случайно число, но ещё и проверить на то простое ли оно. На сегодняшний нет методов, которые позволяют делать это сверх быстро.
Второй недостаток – так же связан с генерацией ключа. Как мы с вами помним: «ключи должны генерировать независимо от каких-либо факторов», но именно это правило нарушается, когда мы пытается сгенерировать строго простые числа.
Третий недостаток – подбор и перебор чисел для экспонент.
Четвертый – длина ключей. Чем больше длина, тем медленнее идет процесс декодирования, поэтому разработчики пытаются использовать наименьшие по длиннее ключи и экспоненты. Даже я акцентировал на это внимание, когда говорил, что лучше взять число 5, вместо 13 для открытой экспоненты. Именно из-за этого и происходит большая часть взломов и утечек данных
Но не стоит печалиться, ведь как я и говорил: криптография и шифрование развивается вместе с развитием цивилизации. Поэтому довольно скоро все мы будем шифровать свои данные с помощью Квантового шифрование.
Этот метод основывается на принципе квантовой суперпозиции – элементарная частица может сразу находится в нескольких положениях, иметь разную энергию или разное направление вращения одновременно. По такому принципу и работает передача ключей шифрования по протоколу BB-84.
Есть оптоволокно, по которому передаются единичные фотоны света. Мы, как отправитель может сгенерировать абсолютно любой двоичный ключ, по тому же принципу квантовой супер позиции, ну или использовать обычные генераторы псевдослучайных чисел. Допустим мы хотим передать ключ 101001011. Для этого нам нужно принять за обозначение какое положение фотона соответствует единице, а какое нулю. Представим, что вертикальное положение – это 1, а горизонтальное – 0. Если оставить все так, то от передачи ключей таким образом не будет никакого смысла, ведь тогда злоумышленник всегда сможет измерить фотон, получить его значение, создать и отправить точно такой же обратно человеку, которому мы хоти передать ключ. Поэтому были введены ещё два положение – диагональные. Предоставим вертикальную волну, или же значение 1 и отклоним её на 45 градусов влево. Это будет вторая единица. Вернемся обратно и отклоним на 45 градусов вправо – это будет второй 0.
Вернемся к нашему ключу 101001011. Мы случайным образом выбираем направление – обычное или диагональное. Для удобства присвоим обычному номер 1, а диагональному 2.
Давайте отправим ключ – 1(1), 0(2), 1(1), 0(1), 0(1), 1(2), 0(2), 1(1), 1(2). Теперь человеку, которому мы отправляем ключ, нужно точно так же, совершенно случайно, выбрать случайное направление.
Допустим он выбрал направления: 221111212. Поскольку есть всего 2 плоскости отправки: 1 и 2, они же называются: канонический и диагональный базис, то шанс того, что он выбрал правильные направления 50%.
Если он угадал базис – он получил верное значение, если нет – неверное. Учитывая его направления, он получил: 001000011. Теперь нужно отсеять неправильные значения: можно сделать это обменом базисов по любому, даже не защищенному, каналу связи. После этого у нас обоих останется ключ: 0100011. Теперь с помощью его мы можем передавать и кодировать сообщения по обычному методу шифрования.
А что, если кто-то перехватит отправку кода? Тогда ему придется точно также подбирать случайным образом базисы, что добавит ещё 25% погрешности при получении кода человеку, которому мы изначально и отправили его. Чтобы проверить это, после отсеивания мы, как отправитель, должны проверить сколько процентов кода оказалось не верным. В нашем 1 случае это (9 – 7)/9 * 100% = 22% , если это число будет больше 50%, то мы начнем повторную отправку ключей, до тех пор, пока погрешность не будет меньше 50%
Заключение
Причитав и разобрав эту статью, мы с вами узнали, чем отличается кодирование от шифрования, их историю с будущим, узнали каким должен быть идеальный шифр и немного поговорили про крипто анализ. Уже с этими знаниями, которые были предоставлены в этой статье, можно спокойно идти и делать какую-нибудь систему авторизации или пытаться взломать какой-то сайт, главное не перебарщивать.
Кодирование и декодирование информации – история развития, для чего нужно и где используется
Рассмотрим детальнее, что такое кодирование сообщений, а также декодирование информации.
Для передачи информации люди используют естественные языки.
В повседневной жизни мы общаемся с помощью неформальной речи, а в деловой сфере используем формальный язык.
Сегодня для передачи и отображения информации мы используем вычислительную технику, которая «не понимает» наш язык без специальных операций – кодирования и декодирования.
Рассмотрим эти понятия детальнее, а также все виды и наглядные примеры кодирования/декодирования.
Базовые понятия
Прежде чем разобраться с основами процедуры кодирования, следует ознакомиться с несколькими простейшими понятиями.
К примеру, компьютер, смартфон, ноутбук и любые другие компьютерные устройства работают с двоичным кодом.
Двоичный код использует алфавит, который состоит из двух символов – «0» и «1» .
В компьютерной технике кодирование происходит, когда пользователь вводит любую информацию в систему – создает файлы, печатает текст и так далее.
Для понимания обычных букв кириллицы или латиницы они превращаются в набор нолей и единиц.
Чтобы отобразиться на экране компьютера, система проводит декодирование числовой последовательности и выводит результат на экран.
Все эти действия выполняются за тысячные доли секунды.
История развития кодирования
Телеграф Шаппа
Первым техническим средством кодирования данных был созданный в 1792 году телеграф Шаппа.
Устройство передавало оптическую информацию в простейшем виде с помощью специальной таблицы кодов, в которой каждой букве латинского алфавита соответствовала одна фигура.
В результате, телеграф мог отобразить и передать набор фигур.
Скорость передачи таких сообщений составляла всего два слова в минуту.
Телеграф Морзе
Созданный в 1837 году телеграф Морзе стал революционном устройством кодирования/декодирования информации.
Принцип кодирования заключался в преобразовании любого сообщения в три символа алфавита:
- Длинный сигнал – тире;
- Короткий сигнал – точка;
- Нет сигнала – пауза.
Подобная связь используется по сей день в мореходной сфере для мгновенной передачи сообщений между суднами.
Радиоприёмник
В 1899 году А. Попов создал первый в мире беспроводной телеграф или радиоприемник.
Принцип его работы заключался в кодировании электрических сигналов азбукой Морзе и её дальнейшей передаче на длительные расстояния.
Позже был изобретен телеграф Бодо, который решал проблему неравномерности кода и сложность декодирования.
Читайте также:
Современные способы кодирования данных
Для перевода информации в код могут быть использованы разные способы и алгоритмы кодирования.
Использование каждого из методов зависит от среды, цели и условий создания кода.
С разными алгоритмами кодирования мы сталкиваемся в повседневной жизни:
- Для записи разговорной речи в режиме реального времени используетсястенография;
- Для написания и отправки письма жителю другой страны используем язык получателя;
- Для набора русского текста на англоязычной клавиатуре используем транслит. К примеру, «Привет» > «Privet» и так далее.
Полезная информация:
Обратите внимание на программу Hex Editor. Это утилита, выступающая в качестве шестнадцатеричного редактора. Осуществляет поддержку работы с файлами, которые хранятся на жестком диске и оперативной памяти.
Двоичное кодирование и другие числовые системы
Самый простой и распространенный способ кодирования – это представление информации в двоичном (бинарном) коде.
С его помощью работают все компьютеры и вычислительные системы.
Компьютер может выполнять сверхбыстрые вычисления с помощью только двух условий – наличия тока и его напряжение.
С помощью единиц передается высокое напряжение, а с помощью нолей – низкое.
Для перевода привычных нам слов, цифр и символов в десятичное представление следует использовать специальные таблицы конверсии.
На рисунке ниже изображена таблица для цифровой и символьной раскладки, а также для букв латиницы.
К примеру, в результате перевода фразы «Hello, how are you?» получим последовательность «10010001000101100110010011001001111010110001000001001000100111110101110100001000001101001010001010100000101100110011111010101».
Чтобы выполнить декодирование информации, необходимо разделить бинарный код на части, каждая из которых равна семи ячейкам:
- 1001000 – символ «H»
- 1000101 – символ «E»
- 1001100 – символ «L»
- 1001100 – символ «L»
- 1001111 – символ «O»
- 0101100 – символ «,» и так далее, пока вся последовательность не будет декодирована.
Также, в теории кодирования можно встретить не только двоичную систему, но и троичную, четвертую, пятую, шестую…шестнадцатеричную и другие системы.
Шестнадцатеричная система исчисления используется в языках программирования низкого уровня.
Таким образом, удаётся добиться более быстрого выполнения кода центральным процессором. Примером такого языка является машинный код ассемблер.
Так шестнадцатеричная система декодируется в двоичную.
Рис.3 – пример декодирования зыков программирования разных уровней
Также, шестнадцатеричная система используется в создании программной документации, так намного проще записывать байты.
Для обозначения одного байта требуется только две шестнадцатеричные цифры, а не восемь, как в двоичной системе.
Онлайн-кодировщики
Для быстрого преобразования любого текста в набор символов бинарной или других систем исчисления удобнее использовать автоматические кодировщики.
Также, они могут декодировать текст, самостоятельно определяя, какую систему использовал пользователь для кодировки.
Популярным сервисом для создания или расшифровки двоичного кода является DecodeIT .
Рис.4 — Сервис DecodeIT
Кодирование символов
Для кодирования символов используются различные стандарты, среди которых Юникод, ASCII, UTF-8 и другие.
Зачем нужна кодировка символов?
Любые символы на экране компьютера или смартфона отображаются за счет двух вещей:
Знаки – это шрифты, которые поддерживаются устройством. В ОС Windows они находятся в окне Панель управления (директория «Шрифты»).
С помощью этой папки вы можете добавлять или удалять существующие представления символов.
С помощью программного кода выбирается нужное векторное направление символа и его изображение из папки «Шрифты» .
Таким образом, на экране появляется буква и текст.
За установку шрифтов отвечает операционная система вашего компьютера, а за кодировку текста – программы, в которых вы набираете или просматриваете текстовые данные.
Разбирая код, приложение обрабатывает кодировку знака и ищет его соответствие в поддерживаемом для этого же документа шрифте.
Если соответствие не найдено, вместо текста вы увидите набор непонятных символов.
Рис.5 – пример ошибки кодирования символов в Блокноте Windows
Чтобы символы кириллицы и латиницы открывались без проблем в большинстве программ, было предложено ввести стандарты кодирования.
Один из наиболее популярных – это Юникод (или Unicode).
Он поддерживается практически всеми существующими шрифтами и программным обеспечением.
Также, широко используются технологии UTF-8, ASCII.
Для этого достаточно зайти в настройки текстового редактора и сохранить файл с кодировкой Юникод или другими популярными форматами кодирования.
Затем откройте файл заново, текст должен отображаться в нормальном режиме.
Рис.6 – декодирование текста в редакторе
Читайте также:
Шифрование
Часто возникает необходимость не только закодировать информацию, но и скрыть её содержимое от посторонних.
Для таких целей используется шифрование.
Простыми словами, шифрование – это кодирование информации, но не с целью её корректного представления на экране компьютера, а с целью сокрытия данных от тех, кому не положено получать доступ к шифрованной информации.
Алфавит шифрования состоит из двух элементов:
Дешифрование – это обратный процесс к защитному кодированию, который подразумевает превращение данных в первоначальный вид с помощью известного ключа.
Криптография – это наука о шифровании данных. Всего различают два раздела криптографии:
- Симметричная – в таких криптосистемах кодирования для шифрования и дешифрования используют один и тот же ключ. Недостаток системы – низкая стойкость ко взлому;
- Ассиметричная – для шифрования используются закрытый и открытый ключ. Таким образом, посторонний человек не сможет расшифровать (декодировать) сообщение, даже если алгоритм известен.
Где используется криптография?
Кодирование информации с целью шифрования используется уже более трех тысяч лет.
Истории известны первые попытки шифрованной передачи сообщений между известными полководцами царями и просто высокопоставленными людьми.
Также, шифрованное кодирование используется в обычных социальных сетях, мессенджерах.
К примеру, Telegram – мессенджер, главной особенностью которого является кодирование сообщений пользователей таким образом, чтобы никто посторонний не смог взломать переписку.
Также, алгоритмы шифрования встроены во все операционные системы, облачные хранилища.
Они нужны для защиты ваших личных данных.
Рис.7 – принцип работы защищенного соединения
Стеганография
Он схож с упомянутой выше криптографией, но если основной целью криптографии является защита секретной информации, то стеганография отвечает за сокрытие самого факта о том, что существуют какие-либо защищаемые данные.
Процедура стенографического кодирования подразумевает встраивание сообщения в картинки, музыкальные файлы, видео и так далее.
Каждая буква секретного сообщения кодируется в бинарную форму, затем она заменяет один из пикселей.
Таким образом, можно закодировать даже большие сообщения без какого-либо визуального изменения фотографии, так как на современных гаджетах не видны отдельные пиксели картинки.
Аналогичным образом происходит кодирование звука в музыку, каждой частоте присваивается определенная буква.
Декодировать стенографическую информацию можно только с помощью специальных утилит, которые и зашифровали сообщение или путем взлома.
Достаточно сопоставить картинку до и после встраивания секретного текста, количество пикселей будет отличаться.
Затем используется специальное ПО для перебора и расшифровки каждого пикселя и воссоздания сообщения.
Читайте также:
Кодирование информации используется сотни лет для удобной передачи данных между устройствами.
С развитием технологий и переносом банковской сферы в техническую среду появилась необходимость в использовании алгоритмов кодирования, которые бы шифровали информацию, сохраняя её от несанкционированного доступа.
Сегодня без технологий кодирования данных невозможна работа ни одного компьютера, смартфона, сайта или банковского счета.
Тематические видеоролики:
Богдан Вязовский
«Мы живем в обществе, где технологии являются очень важной частью бизнеса, нашей повседневной жизни. И все технологии начинаются с искр в чьей-то голове. Идея чего-то, чего раньше не существовало, но однажды будет изобретено, может изменить все. И эта деятельность, как правило, не очень хорошо поддерживается»