Кодирование и шифрование

     Использование различных методов уплотнения текстов  кроме своего основного назначения – уменьшения информационной избыточности – обеспечивает определенную криптографическую  обработку информации. Однако наибольшего эффекта можно достичь при совместном использовании как методов шифрования, так и методов кодирования информации.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Универсальная система кодирования  текстовых данных

     Если  проанализировать организационные  трудности, связанные с созданием  единой системы кодирования текстовых  данных, то можно прийти к выводу, что они вызваны ограниченным набором кодов (256). В то же время, очевидно, что если, кодировать символы  не восьмиразрядными двоичными числами, а числами с большим разрядом то и диапазон возможных значений кодов станет на много больше. Такая  система, основанная на 16-разрядном  кодировании символов, получила название универсальной – UNICODE. Шестнадцать разрядов позволяют обеспечить уникальные коды для 65536 различных символов – этого поля вполне достаточно для размещения в одной таблице символов большинства языков планеты.

     Несмотря  на тривиальную очевидность такого подхода, простой механический переход  на данную систему долгое время сдерживался  из-за недостатков ресурсов средств  вычислительной техники (в системе  кодирования UNICODE все текстовые документы становятся автоматически вдвое длиннее). Во второй половине 90-х годов технические средства достигли необходимого уровня обеспечения ресурсами, и сегодня мы наблюдаем постепенный перевод документов и программных средств на универсальную систему кодирования. 
 
 
 
 

Кодирование графической информации

     Важным  этапом кодирования графического изображения  является разбиение его на дискретные элементы (дискретизация).

     Основными способами представления графики  для ее хранения и обработки с  помощью компьютера являются растровые  и векторные изображения.

     Векторное изображение представляет собой  графический объект, состоящий из элементарных геометрических фигур (чаще всего отрезков и дуг). Положение  этих элементарных отрезков определяется координатами точек и величиной  радиуса. Для каждой линии указывается  двоичные коды типа линии (сплошная, пунктирная, штрихпунктирная), толщины и цвета.

     Растровое изображение представляет собой  совокупность точек (пикселей), полученных в результате дискретизации изображения  в соответствии с матричным принципом.

     Матричный принцип кодирования  графических изображений заключается в том, что изображение разбивается на заданное количество строк и столбцов. Затем каждый элемент полученной сетки кодируется по выбранному правилу.

     Pixel (picture element - элемент рисунка) - минимальная единица изображения, цвет и яркость которой можно задать независимо от остального изображения.

     В соответствии с матричным принципом  строятся изображения, выводимые на принтер, отображаемые на экране дисплея, получаемые с помощью сканера.

     Качество  изображения будет тем выше, чем "плотнее" расположены пиксели, то есть чем больше разрешающая способность  устройства, и чем точнее закодирован  цвет каждого из них.

     Для черно-белого изображения код цвета  каждого пикселя задается одним  битом.

     Если  рисунок цветной, то для каждой точки  задается двоичный код ее цвета.

     Поскольку и цвета кодируются в двоичном коде, то если, например, вы хотите использовать 16-цветный рисунок, то для кодирования  каждого пикселя вам потребуется 4 бита (16=24), а если есть возможность  использовать 16 бит (2 байта) для кодирования  цвета одного пикселя, то вы можете передать тогда 216 = 65536 различных цветов. Использование трех байтов (24 битов) для кодирования цвета одной точки позволяет отразить 16777216 (или около 17 миллионов) различных оттенков цвета - так называемый режим “истинного цвета” (True Color). Заметим, что это используемые в настоящее время, но далеко не предельные возможности современных компьютеров.

     Если  уменьшить количество двоичных разрядов, используемых для кодирования цвета каждой точки, то можно сократить объём данных, но при этом диапазон кодируемых цветов заметно сокращается. Кодирование цветной графики 16-разрядными двоичными числами называется режимом High Color.

     При кодировании информации о цвете  с помощью восьми бит данных можно  передать только 256 оттенков. Такой  метод кодирования цвета называется индексным.  
 
 
 
 
 

Кодирование звуковой информации

     Приёмы  и методы работы со звуковой информацией  пришли в вычислительную технику  наиболее поздно. К тому же, в отличие  от числовых, текстовых и графических данных, у звукозаписей не было столь же длительной и проверенной истории кодирования. В итоге методы кодирования звуковой информации двоичным кодом далеки от стандартизации. Множество отдельных компаний разработали свои корпоративные стандарты, но среди них можно выделить два основных направления.

1. Метод FM (Frequency Modulation) основан та том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, а, следовательно, может быть описан числовыми параметрами, т.е. кодом. В природе звуковые сигналы имеют непрерывный спектр, т.е. являются аналоговыми. Их разложение в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют специальный устройства – аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). При таких преобразованиях неизбежны потери информации, связанные с методом кодирования, поэтому качество звукозаписи обычно получается не вполне удовлетворительным и соответствует качеству звучания простейших электромузыкальных инструментов с окрасом характерным для электронной музыки. В то же время данный метод копирования обеспечивает весьма компактный код, поэтому он нашёл применение ещё в те годы, когда ресурсы средств вычислительной техники были явно недостаточны.
2. Метод таблично волнового cинтеза (Wave-Table) лучше соответствует современному уровню развития техники. В заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков для множества различных музыкальных инструментах. В технике такие образцы называют сэмплами. Числовые коды выражают тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения, некоторые параметры среды, в которой происходит звучание, а также прочие параметры, характеризующие особенности звучания. Поскольку в качестве образцов исполняются реальные звуки, то его качество получается очень высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Шифрование

    Шифрование  - процесс преобразования открытого сообщения в закрытое сообщение.

    Если А – открытое сообщение, В – закрытое сообщение (шифр) , f – правило шифрования, то f(A) = B.

    Правила шифрования должны быть выбраны так, чтобы зашифрованное сообщение  можно было расшифровать. Однотипные правила (например, все шифры типа шифра Цезаря, по которому каждый символ алфавита кодируется отстоящим от него на k позиций символом) объединяются в классы, и внутри класса определяется некоторый параметр (числовой, символьный табличный и т.д.), позволяющий перебирать все правила. Такой параметр называется шифровальным ключом . Он, как правило, секретный и сообщается лишь тому, кто должен прочесть зашифрованное сообщение (обладателю ключа).

    При кодировании нет такого секретного ключа, так как кодирование ставит целью лишь более сжатое, компактное представление сообщения.

    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 .  
 
 
 
 
 
 

Виды  шифров

     Существуют  два различных вида шифров: шифр перестановки и шифр замены.

• Шифр перестановки изменяет только порядок следования символов исходного сообщения. Это такие шифры, преобразования которых приводят к изменению только следования символов открытого исходного сообщения.
• Шифр замены заменяет каждый символ кодируемого сообщения на другой(ие) символ(ы), не изменяя порядок их следования. Это такие шифры, преобразования которых приводят к замене каждого символа открытого сообщения на другие символы, причем порядок следования символов закрытого сообщения совпадает с порядком следования соответствующих символов открытого сообщения.

     Шифры могут использовать один ключ для  шифрования и дешифрования или два  различных ключа.

     По  этому признаку различают:

• Симметричный шифр использует один ключ для шифрования и дешифрования.
• Асимметричный шифр использует два различных ключа.

   Шифры могут быть сконструированы так, чтобы либо шифровать сразу весь текст, либо шифровать его по мере поступления. Таким образом существуют:

• Блочный шифр шифрует сразу целый блок текста, выдавая шифротекст после получения всей информации.
• Поточный шифр шифрует информацию и выдает шифротекст по мере поступления, таким образом, имея возможность обрабатывать текст неограниченного размера используя фиксированный объем памяти.

Надежность  в шифровании

  Под надежностью понимается способность противостоять взлому шифра. При дешифровке сообщения может быть известно все, кроме ключа, то есть надежность шифра определяется секретностью ключа, а также числом его ключей. Применяется даже открытая криптография, которая использует различные ключи для шифрования, а сам ключ может быть общедоступным, опубликованным. Число ключей при этом может достигать сотни триллионов.

     Пример: Один из лучших примеров алгоритма шифрования – принятый в 1977 году Национальным бюро стандартов США алгоритм стандарта шифрования данных DES (Data Encrypted Standard). Исследования алгоритма специалистами показали, что пока нет уязвимых мест, на основе которых можно было бы предложить метод криптоанализа, существенно лучший, чем полный перебор ключей. В июле 1991 года введен в действие аналогичный отечественный криптоалгоритм (стандарта ГОСТ 28147-89), который превосходит DES по надежности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Криптографическая система

     Криптогpафическая система – семейство Х пpеобpазований откpытых текстов. Члены этого семейства индексиpуются, обозначаются символом k; паpаметp k является ключом. Множество ключей K – это набоp возможных значений ключа k. Обычно ключ пpедставляет собой последовательный pяд букв алфавита.

     Открытый  текст обычно имеет произвольную длину. Если текст большой и не может быть обработан шифратором (компьютером) целиком, то он разбивается  на блоки фиксированной длины, а  каждый блок шифруется отдельно, независимо от его положения во входной последовательности. Такие криптосистемы называются системами блочного шифрования .

       Кpиптосистемы pазделяются на симметpичные, с откpытым ключом, и системы электронной подписи.

• В симметpичных кpиптосистемах, как для шифpования, так и для дешифpования, используется один и тот же ключ.
• В системах с откpытым ключом используются два ключа – откpытый и закpытый, котоpые математически (алгоритмически) связаны дpуг с дpугом. Инфоpмация шифpуется с помощью откpытого ключа, котоpый доступен всем желающим, а pасшифpовывается лишь с помощью закpытого ключа, который известен только получателю сообщения.
• Электpонной (цифpовой) подписью (ЭЦП) называется пpисоединяемое к тексту его кpиптогpафическое пpеобpазование, котоpое позволяет пpи получении текста дpугим пользователем пpовеpить автоpство и подлинность сообщения.

     К ЭЦП предъявляются два основных требования: легкость проверки подлинности подписи и высокая сложность подделки подписи.

     Криптография  изучает, кроме криптосистем (симметричных, с открытым ключом, электронной подписи), еще и системы управления ключами .

     Системы упpавления ключами – это информационные системы, целью которых является составление и pаспpеделение ключей между пользователями информационной системы.