1
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ОСНОВЫ КИБЕРБЕЗОПАСНОСТИ Конспекты лекций
для студентов образовательной программы 6В06301 – Системы информационной безопасности
(на апробации)
Алматы 2020
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра Систем информационной безопасности Некоммерческое акционерное общество
2
СОСТАВИТЕЛИ: М.З.Якубова, О.А.Мананкова. Информационные основы кибербезопасности. Конспекты лекций для студентов образовательной программы 6В06301 – Системы информационной безопасности – Алматы:
АУЭС, 2020. - 106с.
Конспект лекций содержит материал по курсу «Информационные основы кибербезопасности». Описаны основные понятия теории информации.
Системы счисления, кодирование информации, представление информации в ЭВМ.
Ил. – 12, табл – 5, библиогр. – 11 назв.
Рецензент: к.т.н., профессор Ибраева Л.К.
Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества
«Алматинский университет энергетики и связи» на 2019 г.
© НАО «Алматинский университет энергетики и связи имена Гумарбека Даукеева», 2020 г.
3
Содержание
Введение ... 4
1 Лекция № 1. Введение ... 5
2 Лекция №2. Основные понятия и преобразования информации ... 11
3 Лекция №3. Меры дискретной информации ... 15
4 Лекция №4. Алфавитное кодирование информации ... 23
5 Лекция № 5. Представление числовой информации в цифровых устройствах ... 60
6 Лекция № 6. Эффективное кодирование ... 66
7 Лекция №7. Передача информации ... 86
8 Лекция №8. Кодирование и шифрование информации ... 98
Список литературы ... 106
4
Введение
Задачами изучения дисциплины являются приобретение студентами знаний в области:
мер информации;
преобразования и передачи информации;
кодирования информации;
систем счисления и форм представления информации в цифровых устройствах;
применения теории информации в системах информационной безопасности.
В результате изучения дисциплины ИОЗИ студент должен обладать знаниями и освоить практически основные технологии информационных основ защиты информации в телекоммуникационных системах, базовые методы применяемые в информационных основах защиты информации, уметь применять на практике базовые технологии информационных основ защиты информации и показать необходимость использования информационных основ защиты информации при изучении вопросов обеспечения защиты и безопасности телекоммуникационных систем и сетей, выработать умение использовать нормативные и правовые акты, содержащие нормы безопасности защиты информации, а также осуществлять контроль за их соблюдением.
5 1 Лекция № 1. Введение
Цель лекции: изучить основные понятия, методы и средства защиты информации.
Содержание лекции: определение цели предмета ИОЗИ. Методы и средства защиты информации. Роль защиты информации в современном мире.
Информационная безопасность является одним из важнейших аспектов любого уровня безопасности – национального, отраслевого, корпоративного или персонального. Основная проблема ИБ состоит в том, что она является составной частью информационных технологий. Технологии программирования не позволяют создавать безошибочные программы, что не может обеспечить информационную безопасность. То есть существует необходимость создавать надежные системы ИБ с использованием ненадежных программ. Такая необходимость требует соблюдения архитектурных принципов и контроля защищенности при использовании ИС.
Также с развитием информационно-коммуникационных технологий, с постоянным использованием сетей значительно выросло количество атак. Но это нельзя назвать самой большой проблемой информационной безопасности, так как гораздо значительнее проблемы, связанные с постоянным обнаружением новых уязвимых мест в программном обеспечении и, как следствие, появления новых видов атак. Над уничтожением таких уязвимых мест трудятся разработчики абсолютно всех разновидностей операционных систем, поскольку новые ошибки начинают активно использоваться злоумышленниками.
В таких случаях системы ИБ должны иметь средства противостояния разнообразным атакам. Атаки могут длиться как доли секунды, так и несколько часов, медленно прощупывая уязвимые места (в таком случае вредоносная активность практически незаметна). Действия злоумышленников могут быть нацелены на нарушение как отдельно взятых, так и всех составляющих ИБ – доступности, целостности и конфиденциальности.
Целями защиты являются: предотвращение утечки, хищения, утраты, искажения, подделки, несанкционированных действий по уничтожению, модификации, копированию, блокированию документированной информации и иных форм незаконного вмешательства в информационные системы.
Информация может существовать в виде документа (бумажного), в виде физических полей и сигналов (электромагнитных, акустических, тепловых и т.
д.), в виде биологических полей (память человека).
Природа воздействия на ИО может быть двух видов: непреднамеренной (стихийные бедствия, отказы, ошибки персонала и т. д.); преднамеренной (действия злоумышленников). Все воздействия могут привести к последствиям (ущербу) трех видов: нарушению конфиденциальности;
нарушению целостности; нарушению доступности.
6
Нарушение конфиденциальности – нарушение свойства информации быть известной только определенным субъектам.
Нарушение целостности – несанкционированное изменение, искажение, уничтожение информации.
Нарушение доступности (отказ в обслуживании) – нарушается доступ к информации, нарушается работоспособность объекта, доступ в который получил злоумышленник.
В отличие от разрешенного (санкционированного) доступа к информации в результате преднамеренных действий злоумышленник получает несанкционированный доступ (НСД). Суть НСД состоит в получении нарушителем доступа к объекту в нарушении установленных правил.
Целью защиты ИО является противодействие угрозам безопасности.
Защищенный ИО – объект со средствами защиты, которые успешно и эффективно противостоит угрозам безопасности.
Комплексная защита ИО – совокупность методов и средств (правовых, организационных, физических, технических, программных).
Политика безопасности – совокупность норм, правил, рекомендаций, регламентирующих работу средств защиты ИО от заданного множества угроз безопасности.
1.1 Методы защиты информации
Для обеспечения безопасности информации в ИС используются следующие методы:
препятствие;
управление доступом;
методы криптографии;
противодействие атакам вредоносных программ;
регламентация;
принуждение;
побуждение.
Препятствие – физическое преграждение пути к защищаемой информации (к техническому оборудованию, носителям информации и т.д.).
Управление доступом – методы защиты информации через регулирование использования ресурсов информационных технологий и информационной системы. Управление доступом должно препятствовать абсолютно всем возможным путям несанкционированного доступа к защищаемой информации.
Защита информации с помощью управления доступом происходит через:
идентификацию пользователей и персонала (присвоение персонального идентификатора);
7
опознание объекта по идентификатору;
проверку полномочий доступа к информации или объекту;
регистрацию обращений к информации;
реагирование (сигнализация, отключение, задержка работ, отказ в запросе и т.п.) при попытках несанкционированных действий.
Криптографические методы защиты – шифрование информации.
Методы шифрования широко применяются при обработке и хранении информации. Особенно надежным данный метод является при передаче информации по сети.
Защиту от атак вредоносных программ призван обеспечить комплекс различных методов организационного характера и использование антивирусных программ, результатом чего является снижение вероятности заражения ИС, определение фактов инфицирования системы; снижение или предотвращение последствий информационных заражений, уничтожение вирусов; последующее восстановление информации.
Регламентация – ограничение времени работы, ограниченный доступ людей к информации, ограничение доступа по определенным дням, времени суток, часам и т.п. Создание таких условий работы с защищаемой информацией нормы и стандарты по защите будут выполняются в наибольшей степени.
Принуждение – метод защиты информации, при котором пользователи и персонал ИС соблюдают правила работы с защищаемой информацией под угрозой ответственности (материальной, административной или уголовной).
Побуждение – метод, который побуждает (за счет соблюдения уже сложившихся морально-этических норм) субъектов ИС не нарушать установленные порядки.
Технические средства защиты информации делятся на аппаратные и физические. К аппаратным средствам относятся устройства, которые встраиваются непосредственно в техническое оборудование ИС или связываются с ним по стандартному интерфейсу. К физическим средствам относят инженерные устройства и сооружения, которые препятствуют физическому проникновению на объекты защиты и осуществляют защиту персонала, материальных, информационных и других ценностей (например, решетки, замки, сейфы, сигнализация и т.п.). Также широко используются программные средства, предназначенные для защиты информации в ИС. К ним относятся программы паролирования, антивирусные программы, программы ограничения доступа, программы шифрования (криптографии).
Организационные средства обеспечивают мероприятия, которые делают невозможными или затрудняют разглашение, утечку, несанкционированный доступ к информации на нормативно-правовой основе. Законодательные средства защиты регламентируют правила работы с информацией и устанавливают порядок ответственности за их нарушение. Законодательные средства защиты определяются законодательными актами страны. Морально- этические средства защиты включают нормы поведения, которые могут быть
8
неписанными (например, честность) или оформленными в виде правил и предписаний. Как правило, они не утверждены законодательством, но считаются обязательными для исполнения. Примером таких правил может быть свод этических правил общения в сети и т.п.
1.2 Средства защиты информации
Для целей разработки концепций ИБ-защиты средства защиты информации принято делить на нормативные (неформальные) и технические (формальные).
Неформальные средства защиты – это документы, правила, мероприятия, формальные – это специальные технические средства и программное обеспечение. Разграничение помогает распределить зоны ответственности при создании ИБ-систем: при общем руководстве защитой административный персонал реализует нормативные способы, а IT- специалисты, соответственно, технические.
Основы информационной безопасности предполагают разграничение полномочий не только в части использования информации, но и в части работы с ее охраной. Подобное разграничение полномочий требует и нескольких уровней контроля.
Физические средства защиты. Это механические, электрические, электронные механизмы, которые функционируют независимо от информационных систем и создают препятствия для доступа к ним. Замки, в том числе электронные, экраны, жалюзи призваны создавать препятствия для контакта дестабилизирующих факторов с системами. Группа дополняется средствами систем безопасности, например, видеокамерами, видеорегистраторами, датчиками, выявляющие движение или превышение степени электромагнитного излучения в зоне расположения технических средств снятия информации, закладных устройств.
Аппаратные средства защиты. Это электрические, электронные, оптические, лазерные и другие устройства, которые встраиваются в информационные и телекоммуникационные системы. Перед внедрением аппаратных средств в информационные системы необходимо удостовериться в совместимости.
Программные средства – это простые и системные, комплексные программы, предназначенные для решения частных и комплексных задач, связанных с обеспечением ИБ. Примером комплексных решений служат DLP- системы и SIEM-системы: первые служат для предотвращения утечки, переформатирования информации и перенаправления информационных потоков, вторые – обеспечивают защиту от инцидентов в сфере информационной безопасности. Программные средства требовательны к мощности аппаратных устройств, и при установке необходимо предусмотреть дополнительные резервы.
9
К специфическим средствам информационной безопасности относятся различные криптографические алгоритмы, позволяющие шифровать информацию на диске и перенаправляемую по внешним каналам связи.
Преобразование информации может происходить при помощи программных и аппаратных методов, работающих в корпоративных информационных системах.
Все средства, гарантирующие безопасность информации, должны использоваться в совокупности, после предварительной оценки ценности информации и сравнения ее со стоимостью ресурсов, затраченных на охрану.
Поэтому предложения по использованию средств должны формулироваться уже на этапе разработки систем, а утверждение должно производиться на том уровне управления, который отвечает за утверждение бюджетов.
В целях обеспечения безопасности необходимо проводить мониторинг всех современных разработок, программных и аппаратных средств защиты, угроз и своевременно вносить изменения в собственные системы защиты от несанкционированного доступа. Только адекватность и оперативность реакции на угрозы поможет добиться высокого уровня конфиденциальности в работе компании.
Неформальные средства защиты группируются на нормативные, административные и морально-этические. На первом уровне защиты находятся нормативные средства, регламентирующие информационную безопасность в качестве процесса в деятельности организации.
Нормативные средства. та категория средств обеспечения информационной безопасности представлена законодательными актами и нормативно-распорядительными документами, которые действуют на уровне организации.
В мировой практике при разработке нормативных средств ориентируются на стандарты защиты ИБ, основный – ISO/IEC 27000.
Стандарт создавали две организации:
ISO – Международная комиссия по стандартизации, которая разрабатывает и утверждает большинство признанных на международном уровне методик сертификации качества процессов производства и управления;
IEC – Международная энергетическая комиссия, которая внесла в стандарт свое понимание систем ИБ, средств и методов ее обеспечения
Актуальная версия ISO/IEC 27000-2016 предлагают готовые стандарты и опробованные методики, необходимые для внедрения ИБ. По мнению авторов методик, основа информационной безопасности заключается в системности и последовательной реализации всех этапов от разработки до пост-контроля.
Для получения сертификата, который подтверждает соответствие стандартам по обеспечению информационной безопасности, необходимо внедрить все рекомендуемые методики в полном объеме. Если нет необходимости получать сертификат, в качестве базы для разработки
10
собственных ИБ-систем допускается принять любую из более ранних версий стандарта, начиная с ISO/IEC 27000-2002, или российских ГОСТов, имеющих рекомендательный характер.
По итогам изучения стандарта разрабатываются два документа, которые касаются безопасности информации. Основной, но менее формальный – концепция ИБ предприятия, которая определяет меры и способы внедрения ИБ-системы для информационных систем организации. Второй документ, которые обязаны исполнять все сотрудники компании, – положение об информационной безопасности, утверждаемое на уровне совета директоров или исполнительного органа.
Кроме положения на уровне компании должны быть разработаны перечни сведений, составляющих коммерческую тайну, приложения к трудовым договорам, закрепляющий ответственность за разглашение конфиденциальных данных, иные стандарты и методики. Внутренние нормы и правила должны содержать механизмы реализации и меры ответственности.
Чаще всего меры носят дисциплинарный характер, и нарушитель должен быть готов к тому, что за нарушением режима коммерческой тайны последуют существенные санкции вплоть до увольнения.
В рамках административной деятельности по защите ИБ для сотрудников служб безопасности открывается простор для творчества. Это и архитектурно-планировочные решения, позволяющие защитить переговорные комнаты и кабинеты руководства от прослушивания, и установление различных уровней доступа к информации. Важными организационными мерами станут сертификация деятельности компании по стандартам ISO/IEC 27000, сертификация отдельных аппаратно-программных комплексов, аттестация субъектов и объектов на соответствие необходимым требованиям безопасности, получений лицензий, необходимых для работы с защищенными массивами информации.
С точки зрения регламентации деятельности персонала важным станет оформление системы запросов на допуск к интернету, внешней электронной почте, другим ресурсам. Отдельным элементом станет получение электронной цифровой подписи для усиления безопасности финансовой и другой информации, которую передают государственным органам по каналам электронной почты.
Морально-этические меры определяют личное отношение человека к конфиденциальной информации или информации, ограниченной в обороте.
Повышение уровня знаний сотрудников касательно влияния угроз на деятельность компании влияет на степень сознательности и ответственности сотрудников. Чтобы бороться с нарушениями режима информации, включая, например, передачу паролей, неосторожное обращение с носителями, распространение конфиденциальных данных в частных разговорах, требуется делать упор на личную сознательность сотрудника. Полезным будет установить показатели эффективности персонала, которые будут зависеть от отношения к корпоративной системе ИБ.
11
2 Лекция №2. Основные понятия и преобразования информации Цель лекции: изучить основные понятия об информации, их формах и преобразованиях.
Содержание лекции: понятие об информации, источнике информации и информационном сообщении. Непрерывная и дискретная форма представления информации. Преобразование информации, квантование по уровню, дискретизация по времени. Теорема Котельникова.
2.1 Понятие информации
Понятие информации предполагает наличие материального носителя информации, источника информации, передатчика информации, приемника и канала связи между источником и приемником. Понятие информации используется во всех сферах: науке, технике, культуре, социологии и повседневной жизни. Конкретное толкование элементов, связанных с понятием информации, зависит от метода конкретной науки, цели исследования или просто от наших представлений.
Термин «информация» происходит от латинского informatio – разъяснение, изложение, осведомленность. Информация – общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, обмен сигналами в животном и растительном мире. Более узкое определение дается в технике, где это понятие включает в себя все сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования.
С понятием информации связаны такие понятия, как сигнал, сообщение и данные.
Сигнал (от латинского signum – знак) представляет собой любой процесс, несущий информацию.
Сообщение – это информация, представленная в определенной форме и предназначенная для передачи.
Данные – это информация, представленная в формализованном виде и предназначенная для обработки ее техническими средствами, например, ЭВМ.
В простейшем бытовом понимании с термином «информация»обычно ассоциируются некоторые сведения, данные, знания и т.п. Информация передается в виде сообщений, определяющих форму и представление передаваемой информации. Примерами сообщений являются музыкальное произведение; телепередача; текст, распечатанный на принтере; данные, полученные в результате работы составленной программы и т.д. При этом предполагается, что имеются «источник информации» и «получатель информации».
Процессы, связанные с поиском, хранением, передачей, обработкой и использованием информации, называются информационными процессами.
12
Информационные процессы всегда играли важную роль в науке, технике и жизни общества. В ходе эволюции человечества просматривается устойчивая тенденция к автоматизации этих процессов, хотя их внутреннее содержание по существу осталось неизменным.
Основные информационные процессы:
1) Сбор информации – это деятельность субъекта, в ходе которой он получает сведения об интересующем его объекте. Сбор информации может производиться или человеком, или с помощью технических средств и систем – аппаратно. Например, пользователь может получить информацию о движении поездов или самолетов сам, изучив расписание, или же от другого человека непосредственно, либо через какие-то документы, составленные этим человеком, или с помощью технических средств (автоматической справки, телефона и т. д.). Задача сбора информации не может быть решена в отрыве от других задач, – в частности, задачи обмена информацией (передачи).
2) Обмен информацией – это процесс, в ходе которого источник информации ее передает, а получатель – принимает. Если в передаваемых сообщениях обнаружены ошибки, то организуется повторная передача этой информации. Обмен информации производится с помощью сигналов, являющихся ее материальным носителем. Источниками информации могут быть любые объекты реального мира, обладающие определенными свойствами и способностями. Если объект относится к неживой природе, то он вырабатывает сигналы, непосредственно отражающие его свойства. Если объектом-источником является человек, то вырабатываемые им сигналы могут не только непосредственно отражать его свойства, но и соответствовать тем знакам, которые человек вырабатывает с целью обмена информацией. Принятую информацию получатель может использовать неоднократно. С этой целью он должен зафиксировать ее на материальном носителе (магнитном, фото, кино и др.).
3) Накопление информации – это процесс формирования исходного, несистематизированного массива информации. Среди записанных сигналов могут быть такие, которые отражают ценную или часто используемую информацию.
4) Хранение информации – это процесс поддержания исходной информации в виде, обеспечивающем выдачу данных по запросам конечных пользователей в установленные сроки. Способ хранения информации зависит от ее носителя (книга- библиотека, картина- музей, фотография- альбом).
ЭВМ предназначен для компактного хранения информации с возможностью быстрого доступа к ней. Информационная система - это хранилище информации, снабженное процедурами ввода, поиска и размещения и выдачи информации.
5) Обработка информации – это упорядоченный процесс ее преобразования в соответствии с алгоритмом решения задачи. После решения задачи обработки информации результат должен быть выдан конечным
13
пользователям в требуемом виде. Эта операция реализуется в ходе решения задачи выдачи информации. Выдача информации, как правило, производится с помощью внешних устройств ЭВМ в виде текстов, таблиц, графиков и пр.
Деятельность людей всегда связана с передачей информации.
В процессе передачи информация может теряться и искажаться:
искажение звука в телефоне, атмосферные помехи в радио, и тд. Эти помехи, или, как их называют специалисты, шумы, искажают информацию. К счастью, существует наука, разрабатывающая способы защиты информации - криптология.
2.2 Лекция №3 Формы представления информации
Различают две формы представления информации – непрерывную и дискретную.
Чтобы сообщение было передано от источника к получателю, необходима некоторая материальная субстанция – носитель информации.
Сообщение, передаваемое с помощью носителя, назовем сигналом. В общем случае сигнал – это изменяющийся во времени физический процесс. Такой процесс может содержать различные характеристики (например, при передаче электрических сигналов могут изменяться напряжение и сила тока).
Та из характеристик, которая используется для представления сообщений, называется параметром сигнала.
В случае когда параметр сигнала принимает последовательное во времени конечное число значений (при этом все они могут быть пронумерованы), сигнал называется дискретным, а сообщение, передаваемое с помощью таких сигналов -дискретным сообщением. Информация, передаваемая источником, в этом случае также называется дискретной.
Если же источник вырабатывает непрерывное сообщение (соответственно параметр сигнала – непрерывная функция от времени), соответствующая информация называется непрерывной.
Пример дискретного сообщения – процесс чтения книги, информация в которой представлена текстом, т.е. дискретной последовательностью отдельных значков (букв). Примером непрерывного сообщения служит человеческая речь, передаваемая модулированной звуковой волной;
параметром сигнала в этом случае является давление, создаваемое этой волной в точке нахождения приемника – человеческого уха.
2.2.1 Непрерывная форма представления информации.
Непрерывные (аналоговые) информационные сигналы могут принимать любые значения из всех возможных в рамках заданного интервала. В качестве примера непрерывных величин можно рассматривать такие физические величины как температура, расстояние, масса. Как правило, численные значения непрерывных величин, выражаются не целыми, а дробными числами (имеют знаки после запятой).
14
Всегда можно определить промежуточное значение между двумя соседними значениями аналоговых (непрерывных) величин, то есть такие величины могут уточняться до бесконечности.
Аналоговые процессы основаны на непрерывных сигналах. Например, процессы, происходящие в природе, имеют аналоговое происхождение:
звучание пения птиц, изменение температуры окружающего воздуха.
Некоторые технические процессы имеют также аналоговую природу, например аналоговое телевидение и телефония.
В аналоговых системах, изменение величин сигналов происходит плавно, не наблюдается каких-либо резких скачков.
2.2.2 Дискретная форма представления информации.
В дискретной форме представления информации величины могут принимать лишь отдельные, неделимые значения и не могут принимать значения промежуточные между ними. Дискретные величины выражаются целыми числами, используемыми при пересчете предметов. Примерами дискретных величин могут быть число букв в алфавите, число учеников в классе.
Представление информационных сообщений с помощью знаковых систем также носит дискретный характер. Это может быть информация, записанная с помощью алфавита естественного языка, например русского.
В цифровых (дискретных) системах процессы основаны на дискретных сигналах. Примерами цифровых систем являются системы цифровых телекоммуникаций, цифровые телевидение и телефония.
2.2.3 Изменение формы представления информации.
При выполнении повседневных дел человек часто сталкивается с задачей преобразования информации из одной формы представления в другую. Например, напечатанный текст представлен в дискретной форме, а при произнесении его вслух он представляется в аналоговой форме в виде звукового сигнала.
Дискретная форма сигнала гораздо проще для обработки ее на ЭВМ, передачи по цифровым коммуникационным каналам. Поэтому решение задачи трансформации непрерывного сигнала в дискретный вид имеет большое значение.
Процесс перехода аналогового сигнала в дискретную форму называется дискретизацией сигнала.
Перевод информации в дискретную форму заключается в кодировании ее символами естественного или формального языка. Каждый язык — разговорный или язык программирования имеет свой алфавит.
Алфавитом называется законченный набор знаков, применяемых для кодирования информации. Число символов, составляющих алфавит, называется мощностью алфавита.
Информационный сигнал в ЭВМ представляется в двоичном формате, то есть, закодирован с помощью алфавита, мощность которого равна 2.
Двоичный алфавит состоит только из двух знаков: единицы и нуля.
15
3 Лекция №4. Меры дискретной информации 3.1 Знаки, сигналы и сообщения
Сообщение – в теории коммуникации – предназначенные для передачи высказывание, текст, изображение, физический предмет или поступок.
Сообщения состоят из словесных или невербальных сигналов. Одиночный сигнал не может содержать много информации, поэтому для передачи информации используется ряд следующих друг за другом сигналов.
Последовательность сигналов и называется сообщением.
Таким образом, от источника к приемнику информация передается в виде сообщений. Можно сказать, что сообщение выступает в качестве материальной оболочки для представления информации при передаче.
Следовательно, сообщение служит переносчиком информации, а информация является содержанием сообщения.
Соответствие между сообщением и содержащейся в нем информацией называется правилом интерпретации сообщения. Это соответствие может быть однозначным и неоднозначным. В первом случае сообщение имеет лишь одно правило интерпретации. Во втором случае соответствие между сообщением и информацией возможно в двух вариантах: 1) одна и та же информация может передаваться различными сообщениями (в частности, новости могут быть получены по радио, из газеты, по телефону и пр.); 2) одно и то же сообщение может содержать различную информацию для разных приемников (скажем, падение курса акций на бирже для одних катастрофа, а для других – возможность обогащения).
Поскольку последовательность сигналов есть сообщение, качество прерывности-непрерывности сигналов переносится и на сообщение.
Существуют такие понятия, как непрерывное (аналоговое), дискретное, квантованное и цифровое сообщение. Заметим, что информация данным качеством не обладает, так как информация – категория нематериальная и не может обладать свойством дискретности или непрерывности. Хотя одна и та же информация может быть представлена посредством различных сообщений, в том числе и отличающихся характером сигналов. В информатике иногда используются словосочетания "непрерывная информация" и "дискретная информация". Они являются результатом сокращения таких терминов, как информация, представленная посредством непрерывных сигналов, и информация, представленная посредством дискретных сигналов. Поэтому, когда речь идет о видах информации, правильнее говорить о формах ее представления в сообщении или о видах сообщений.
При формировании сообщения, наряду с сигналом, используются и такие понятия, как знак, буква и символ. Ниже показаны отличия между ними.
Знак – это элемент некоторого конечного множества отличных друг от друга сущностей. Природа знака может любой – жест, рисунок, буква, сигнал светофора, определенный звук и т.д. и определяется как носителем сообщения, так и формой представления информации в сообщении. Все
16
множество знаков, используемых для представления дискретной информации, называется набором знаков. Набор есть дискретное множество знаков.
Набор знаков, в котором установлен порядок их следования, называется алфавитом. Алфавит – это упорядоченная совокупность знаков. Порядок следования знаков в алфавите называется лексикографическим и предоставляет возможность устанавливать отношения "больше – меньше": для двух знаков Г < Д, если порядковый номер у Г в алфавите меньше, чем у Д.
Знаки, используемые для обозначения фонем в устной речи, называются буквами, а их совокупность – алфавитом языка.
Сами по себе знак или буква не несут никакого смыслового содержания.
Однако такое содержание им может быть приписано, в этом случае знак будет называться символом.
Например, электрическое напряжение в физике принято обозначать буквой U, и, следовательно, U в формулах является символом физической величины "электрическое напряжение". Другим примером символов могут служить пиктограммы, обозначающие в компьютерных программах объекты или действия.
Таким образом, понятия "знак", "буква" и "символ" нельзя считать тождественными, хотя весьма часто различия между ними не проводят;
поэтому в информатике существуют понятия "символьная переменная",
"кодировка символов алфавита", "символьная информация", во всех приведенных примерах вместо термина "символьный" более корректным было бы использовать "знаковый" или "буквенный".
Представляется важным еще раз подчеркнуть, что понятия знака и алфавита можно отнести только к дискретным сообщениям.
Сигналы
Термин "информация" па бытовом уровне и в многочисленных научных дисциплинах ассоциируется с такими понятиями, как сведения, знания, данные, известие, сообщение, управление и др. Если допустить, что информация – категория нематериальная, то для ее существования и распространения в нашем материальном мире она должна быть обязательно связана с какой-либо материальной основой (носителем) – без нее информация не может проявляться, передаваться и сохраняться.
Материальным носителем называется материальный объект или среда, которые служат для представления или передачи информации. Материальным носителем информации может быть бумага, пергамент, шелк, камень, лазерный диск, а также воздух, вода, электромагнитное поле, луч света и пр. Следует отметить, что хранение информации связано с характеристикой носителя, которая не меняется с течением времени; а передача информации, напротив, – с характеристикой, которая изменяется с течением времени. Другими словами, хранение информации связано с фиксацией состояния носителя, а передача – с процессом, который протекает в носителе. Состояния и процессы могут иметь физическую, химическую, биологическую или иную основу;
17
главное, что они материальны. Ниже рассмотрена разница между такими понятиями, как сигнал, сообщение, знак, буква, символ, данные и знания.
Сигнал (от лат. signum – знак) – физический процесс или явление, несущее сообщение о каком-то событии, состоянии объекта, либо передающий команды управления. Таким образом, изменение характеристики носителя, которое используется для представления информации, называется сигналом, а значение этой характеристики, отнесенное к некоторой шкале измерений, называется параметром сигнала.
Приведем пример. Процессы для передачи информации – волновые (звук, радио, свет), параметры сигнала – частота, амплитуда и фаза волны (например, высота, громкость и фаза звука).
Различают аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы, которые, в свою очередь, могут быть синхронными и асинхронными.
Аналоговый сигнал – это сигнал, величина которого непрерывно изменяется во времени (рис. 1). Аналоговый сигнал обеспечивает передачу данных путем непрерывного изменения во времени амплитуды, частоты либо фазы. Аналоговые сигналы описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывным сигналом.
Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени.
Гармоническое колебание – явление периодического изменения какой- либо величины, при котором зависимость от аргумента имеет характер функции синуса или косинуса. Например, гармонически колеблется величина, изменяющаяся во времени следующим образом:
х(t) = Acos (ωt + φ),
где х – значение изменяющейся величины; t – время; А – амплитуда колебаний; ω – циклическая частота колебаний; (ωt + φ) – полная фаза колебаний; φ – начальная фаза колебаний.
Гармонический сигнал – это гармонические колебания, со временем распространяющиеся в пространстве, которые несут в себе информацию или какие-то данные и описываются уравнением
где А – амплитуда сигнала; – фаза гармонического сигнала; t – время; ω – циклическая частота сигнала; φ0 – начальная фаза сигнала.
Рисунок 1 - Непрерывный гармонический сигнал
18
К особым свойствам непрерывного сигнала относят отсутствие избыточности. Из непрерывности пространства значений сигнала следует, что любая помеха, внесенная в сигнал, неотличима от самого сигнала и, следовательно, исходная амплитуда не может быть восстановлена. Хотя в принципе возможна фильтрация помех, если известна дополнительная информация о самом сигнале. Аналоговые сигналы используются для представления непрерывно изменяющихся каких-либо физических величин.
Так, аналоговый электрический сигнал, снимаемый с термопары, несет информацию об изменении температуры. Сигнал с микрофона – о мгновенных изменениях давления в звуковой волне.
Дискретный сигнал. Дискретизация – это процесс преобразования аналогового сигнала в дискретный сигнал (рис. 2). Процесс, обратный этому, называется восстановлением. Непрерывный аналоговый сигнал заменяется здесь последовательностью коротких импульсов – отсчетов, величина которых равна значению сигнала в текущий момент времени S(ti). Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени , Эти значения сигнала называются отсчетами , а – интервалом дискретизации.
Возможность точного воспроизведения такого представления зависит от интервала времени Δt между отсчетами Si Согласно теореме Котельникова сигнал может быть точно воспроизведен, если
где Fmax – наибольшая частота спектра сигнала.
Рисунок 2 - Дискретный сигнал
Квантованный сигнал. При квантовании вся область значений сигнала, разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности (рис. 3). Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования Δ. Число этих уровней равно N. Каждому уровню присваивается некоторое число ; N – 1. Отсчеты фиксируются, когда значение сигнала 5(ί) совпадает с соответствующим уровнем квантования . Каждый уровень квантования mi кодируется двоичным числом с п разрядами. Аналоговый сигнал заменяется набором пар
19
чисел . Причем отметим, что . Число уровней квантования N и число разрядов п двоичных чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением
Рисунок 3 - Квантованный сигнал
Цифровой сигнал. Чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал (Δt = const), а затем подвергнуть квантованию (Δ = const). В результате сигнал будет представлен так, что на каждом заданном промежутке времени известно приближенное (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом (рис. 4). Если записать эти целые числа в двоичной системе, получится последовательность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом.
Рисунок 4 - Цифровой сигнал
Синхронный сигнал – это сигнал, значения которого могут изменяться только в моменты, определяемые тактами. Например, ежедневный выстрел из пушки в полдень.
Асинхронный сигнал – это сигнал, изменение значения которого может происходить в любое время.