Кодирование и шифрование

Содержание 

1. Введение……………………………………………………………………....…3
2. Основные понятия кодирования и шифрования……………….…………......4
3. Способы кодирования информации..……………………………………….…5
1. Кодирование двоичным кодом……………………………….………….....6
2. Кодирование символьной информации………………….………………...7
3. Кодирование числовой информации………………………………….…...8
4. Кодирование текстовой информации……………………………………...9
5. Универсальное кодирование текстовой информации…………………...14
6. Кодирование графической информации………………………………….15
7. Кодирование звуковой информации………………………….………..…17
4. Шифрование……………………………………………………….……….….19
1. Виды шифров………………………………………………………………20
2. Надежность в шифровании……………………………………………..…21
3. Криптографические системы…………………………………………...…22
5. Заключение……………………………………………………………….…....24
6. Список литературы………………………………………………………...….25

 
 
 

 

Введение

     В современном обществе успех любого вида деятельности сильно зависит от обладания определенными сведениями (информацией) и от отсутствия их (ее) у конкурентов. Чем сильней проявляется  указанный эффект, тем больше потенциальные  убытки от злоупотреблений в информационной сфере и тем больше потребность  в защите информации. Одним словом, возникновение индустрии обработки  информации привело к возникновению  индустрии средств ее защиты и  к актуализации самой проблемы защиты информации, проблемы информационной безопасности.    

     Одна  из наиболее важных задач (всего общества) – задача кодирования сообщений  и шифрования информации.

     Вопросами защиты и скрытия информации занимается наука кpиптология (криптос – тайный, логос – наука). Кpиптология имеет два основных напpавления – кpиптогpафию и кpиптоанализ. Цели этих направлений пpотивоположны. Кpиптогpафия занимается построением и исследованием математических методов пpеобpазования инфоpмации, а кpиптоанализ – исследованием возможности pасшифpовки инфоpмации без ключа. Термин "криптография" происходит от двух греческих слов: криптоc и грофейн – писать. Таким образом, это тайнопись, система перекодировки сообщения с целью сделать его непонятным для непосвященных лиц и дисциплина, изучающая общие свойства и принципы систем тайнописи.  
 
 
 
 
 

Основные понятия кодирования и шифрования

     Код – правило соответствия набора знаков одного множества Х знакам другого множества Y. Если каждому символу Х при кодировании соответствует отдельный знак Y, то это кодирование. Если для каждого символа из Y однозначно отыщется по некоторому правилу его прообраз в X, то это правило называется декодированием.

     Знак - это элемент конечного множества отличных друг от друга элементов.

     Кодирование – процесс преобразования букв (слов) алфавита Х в буквы (слова) алфавита Y.

     Сообщение, которое мы хотим передать адресату, назовем открытым сообщением. Оно, естественно, определено над некоторым алфавитом. Зашифрованное сообщение может быть построено над другим алфавитом. Назовем его закрытым сообщением. 

     Шифрование  - процесс преобразования открытого сообщения в закрытое сообщение.

     Шифр - какая-либо система преобразования текста (код) для обеспечения секретности передаваемой информации. 
 
 
 
 
 
 

Способы кодирования информации

     Одна  и та же информация может быть представлена (закодирована) в нескольких формах. C появлением компьютеров возникла необходимость кодирования всех видов информации, с которыми имеет  дело и отдельный человек, и человечество в целом. Но решать задачу кодирования  информации человечество начало задолго  до появления компьютеров. Грандиозные  достижения человечества - письменность и арифметика - есть не что иное, как  система кодирования речи и числовой информации. Информация никогда не появляется в чистом виде, она всегда как-то представлена, как-то закодирована. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Кодирование двоичным кодом

     Для автоматизации работы с данными, относящимися к различным типам  очень важно унифицировать их форму представления – для  этого обычно используется приём  кодирования, т.е. выражение данных одного типа через данные другого  типа. Естественные человеческие языки  – системы кодирования понятий  для выражения мыслей посредством  речи. К языкам близко примыкают  азбуки – системы кодирования  компонентов языка с помощью  графических символов.

     Своя  системы существует и в вычислительной технике – она называется двоичным кодированием и основана на представлении  данных последовательностью всего  двух знаков: 0 и 1. Эти знаки называют двоичными цифрами, по-английски – binary digit или сокращённо bit (бит). Одним битом могут быть выражены два понятия: 0 или 1 (да или нет, чёрное или белое, истина или ложь и т.п.). Если количество битов увеличить до двух, то уже можно выразить четыре различных понятия. Тремя битами можно закодировать восемь различных значений.  
 
 
 
 
 
 
 

Кодирование символьной (текстовой) информации

     Основная  операция, производимая над отдельными символами текста - сравнение символов.

     При сравнении символов наиболее важными  аспектами являются уникальность кода для каждого символа и длина  этого кода, а сам выбор принципа кодирования практически не имеет  значения.

     Для кодирования текстов используются различные таблицы перекодировки. Важно, чтобы при кодировании  и декодировании одного и того же текста использовалась одна и та же таблица.

     Таблица перекодировки - таблица, содержащая упорядоченный некоторым образом перечень кодируемых символов, в соответствии с которой происходит преобразование символа в его двоичный код и обратно.

     Наиболее  популярные таблицы перекодировки: ДКОИ-8, ASCII, CP1251, Unicode.

     Исторически сложилось, что в качестве длины  кода для кодирования символов было выбрано 8 бит или 1 байт. Поэтому  чаще всего одному символу текста, хранимому в компьютере, соответствует  один байт памяти.

     Различных комбинаций из 0 и 1 при длине кода 8 бит может быть 28 = 256, поэтому  с помощью одной таблицы перекодировки  можно закодировать не более 256 символов. При длине кода в 2 байта (16 бит) можно  закодировать 65536 символов. 
 
 
 
 

Кодирование числовой информации

     Сходство  в кодировании числовой и текстовой  информации состоит в следующем: чтобы можно было сравнивать данные этого типа, у разных чисел (как  и у разных символов) должен быть различный код. Основное отличие числовых данных от символьных заключается в том, что над числами кроме операции сравнения производятся разнообразные математические операции: сложение, умножение, извлечение корня, вычисление логарифма и пр. Правила выполнения этих операций в математике подробно разработаны для чисел, представленных в позиционной системе счисления.

     Основной  системой счисления для представления  чисел в компьютере является двоичная позиционная система счисления. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Кодирование текстовой информации

     В настоящее время, большая часть  пользователей, при помощи компьютера обрабатывает текстовую информацию, которая состоит из символов: букв, цифр, знаков препинания и др. Подсчитаем, сколько всего символов и какое количество бит нам нужно: 10 цифр, 12 знаков препинания, 15 знаков арифметических действий, буквы русского и латинского алфавита, ВСЕГО: 155 символов, что соответствует 8 бит информации.

Единицы измерения информации:

1 байт = 8 бит

1 Кбайт  = 1024 байтам

1 Мбайт  = 1024 Кбайтам

1 Гбайт  = 1024 Мбайтам

1 Тбайт  = 1024 Гбайтам

     Суть  кодирования заключается в том, что каждому символу ставят в  соответствие двоичный код от 00000000 до 11111111 или соответствующий ему  десятичный код от 0 до 255.

     Основным  отображением кодирования символов является код ASCII – (American Standard Code for Information Interchange)- американский стандартный код обмена информацией, который представляет из себя таблицу 16 на 16, где символы закодированы в шестнадцатеричной системе счисления.

     В системе ASCII закреплены две таблицы кодирования: базовая и расширенная. Базовая таблица закрепляет значения кодов от 0 до 127, а расширенная относится к символам с номерами от 128 до 255.

     Первые 32 кода базовой таблицы, начиная  с нулевого, отданы производителям аппаратных средств. В этой области размещаются управляющие коды, которым не соответствуют ни какие символы языков. Начиная с 32 по 127 код размещены коды символов английского алфавита, знаков препинания, арифметических действий и некоторых вспомогательных символов.  

     Кодировка символов русского языка, известная  как кодировка Windows-1251, была введена «извне» - компанией Microsoft, но, учитывая широкое распространение операционных систем и других продуктов этой компании в России, она глубоко закрепилась и нашла широкое распространение.

     Другая  распространённая кодировка носит  название КОИ-8 (код обмена информацией, восьмизначный) – её происхождение относится к временам Действия Совета Экономической Взаимопомощи государств Восточной Европы. Сегодня кодировка КОИ-8 имеет широкое распространение в компьютерных сетях на территории России и в российском секторе Интернета.

     Международный стандарт, в котором предусмотрена  кодировка символов русского языка, носит названия ISO (International Standard Organization – Международный институт стандартизации). На практике данная кодировка используется редко.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Ниже  приведены таблицы кодировки  ASCII и Windows-1251. 

       
 
 
 

     Естественные  языки обладают большой  избыточностью. Для  экономии памяти, объем  которой ограничен, имеет смысл преобразовать  текст, путем его  уплотнения текст.

     Существуют  несколько способов преобразования текста.

1. Переход от естественных обозначений к более компактным. Этот способ применяется для сжатия записи дат, номеров изделий, уличных адресов и т.д. Идея способа показана на примере сжатия записи даты. Обычно мы записываем дату в виде 10. 05. 01. , что требует 6 байтов памяти ЭВМ. Однако ясно, что для представления дня достаточно 5 битов, месяца- 4, года- не более 7, т.е. вся дата может быть записана в 16 битах или в 2-х байтах.
2. Подавление повторяющихся символов. В различных информационных текстах часто встречаются цепочки повторяющихся символов, например пробелы или нули в числовых полях. Если имеется группа повторяющихся символов длиной более 3, то ее длину можно сократить до трех символов. Сжатая таким образом группа повторяющихся символов представляет собой триграф S P N , в котором S – символ повторения; P – признак повторения; N- количество символов повторения, закодированных в триграфе. В других схемах подавления повторяющихся символов используют особенность кодов ДКОИ, КОИ-7, КОИ-8, заключающуюся в том , что большинство допустимых в них битовых комбинаций не используется для представления символьных данных.
3. Кодирование часто используемых элементов данных. Этот способ уплотнения данных также основан на употреблении неиспользуемых комбинаций кода ДКОИ. Для кодирования, например, имен людей можно использовать комбинации из двух байтов диграф PN, где P – признак кодирования имени, N – номер имени. Таким образом может быть закодировано 256 имен людей, чего обычно бывает достаточно в информационных системах. Другой способ основан на отыскании в текстах наиболее часто встречающихся сочетании букв и даже слов и замене их на неиспользуемые байты кода ДКОИ.
4. Посимвольное кодирование. Семибитовые и восьмибитовые коды не обеспечивают достаточно компактного кодирования символьной информации. Более пригодными для этой цели являются 5 - битовые коды, например международный телеграфный код МГК-2. Перевод информации в код МГК-2 возможен с помощью программного перекодирования или с использованием специальных элементов на основе больших интегральных схем (БИС). Пропускная способность каналов связи при передаче алфавитно-цифровой информации в коде МГК-2 повышается по сравнению с использованием восьмибитовых кодов почти на 40%.
5. Коды переменной длины. Коды с переменным числом битов на символ позволяют добиться еще более плотной упаковки данных. Метод заключается в том, что часто используемые символы кодируются короткими кодами, а символы с низкой частотой использования - длинными кодами. Идея такого кодирования была впервые высказана Хаффманом, и соответствующий код называется кодом Хаффмана. Использование кодов Хаффмана позволяет достичь сокращения исходного текста почти на 80%.