Лекция 15. Кодирование и шифрование. Защита информации

15.1. Что такое шифрование и дешифрование

Проблема защиты информации от несанкционированного доступа заметно обострилась в связи с широким распространением компьютерных сетей (особенно глобальных). Защита информации необходима для уменьшения вероятности разглашения, утечки, умышленного искажения, утраты или уничтожения информации, представляющей определенную ценность для ее владельца.

Под ключом понимается секретная информация, определяющая, какое преобразование из множества возможных преобразований выполняется в данном случае над открытым текстом.

15.2. Какие бывают шифры

Существует несколько классификаций шифров.

В первом случае в шифраторе отправителя и дешифраторе получателя используется один и тот же ключ.

Во втором случае получатель вначале по открытому каналу передает отправителю открытый ключ, с помощью которого отправитель шифрует информацию. При получении информации получатель дешифрует ее с помощью второго секретного ключа.

Криптостойкостью называется характеристика шифра, определяющая его устойчивость к дешифрованию без знания ключа.

15.3. Что такое шифрование с открытым ключом

Было предложено (в 40-х годах 20-го века) разрабатывать шифр так, чтобы его раскрытие было эквивалентно решению сложной математической задачи. Сложность задачи должна быть такой, чтобы объем необходимых вычислений превосходил бы возможности современных ЭВМ.

В несимметричных системах приходится применять длинные ключи (1024 бит и больше). Это резко увеличивает время шифрования, генерация ключей становится довольно длительной, зато пересылать ключи можно по открытым каналам связи.

В симметричных алгоритмах используют более короткие ключи, поэтому шифрование и дешифрование происходят быстрее. Но рассылка ключей становится сложной процедурой.

На протяжении всего времени дешифрованию криптограмм помогает частотный анализ появления отдельных символов и их сочетаний. Вероятности появления отдельных букв в тексте сильно различаются. Например, в русском языке буква «о» появляется в 45 раз чаще буквы «ф» и в 30 раз чаще буквы «э». Анализируя достаточно длинный текст, зашифрованный методом замены, можно по частотам появления символом произвести замену и восстановить исходный текст.

По мнению некоторых специалистов, нет нераскрываемых шифров. Рассекретить любую шифрограмму можно либо за большое время, либо за большие деньги (использование нескольких суперкомпьютеров).

Есть и другое мнение. Если длина ключа равна длине сообщения, а ключ генерируется из случайных чисел с равновероятным распределением и меняется с каждым новым сообщением, то шифр невозможно взломать даже теоретически.

15.4. Какие существуют методы шифрования

Источник

Кодирование и шифрование информации

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 информатизации процессов – кодирование сообщений и шифрования информации.

Вопросами защиты и скрытия информации занимается наука кpиптология. 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.

Введем некоторые 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.

Кодирование – процесс преобразования символов алфавита Х в символы алфавита Y.

При представлении сообщений в ЭВМ все символы кодируются байтами.

Сообщение, которое мы хотим передать адресату, назовем открытым сообщением. Оно определено над некоторым алфавитом.

Зашифрованное сообщение может быть построено над другим алфавитом. Назовем его закрытым сообщением. Процесс преобразования открытого сообщения в закрытое сообщение и есть шифрование.

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 (варьировать) 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.

В симметричных криптосистемах (криптосистемах с секретным ключом) шифрование и дешифрование информации осуществляется на одном ключе K, являющемся секретным. Рассекречивание ключа шифрования ведет к рассекречиванию всего защищенного обмена. До изобретения схемы асимметричного шифрования единственным существовавшим способом являлось симметричное шифрование. Ключ алгоритма должен сохраняться в секрете обеими сторонами. Ключ алгоритма выбирается сторонами до начала обмена сообщениями.

Функциональная схема взаимодействия участников симметричного криптографического обмена приведена на рис. 4.1.

Рис. 2.1. Функциональная схема симметричной криптосистемы

В симметричной криптосистеме секретный ключ необходимо передать всем участникам криптографической сети по некоторому защищенному каналу.

· поточные шифры, в которых шифрование проводится над каждым битом либо байтом исходного (открытого) текста с использованием гаммирования.

Существует множество (не менее двух десятков) алгоритмов симметричных шифров, существенными параметрами которых являются:

· длина обрабатываемого блока;

· сложность аппаратной/программной реализации.

Распространенные алгоритмы симметричного шифрования:

В частности, AES — симметричный алгоритм блочного шифрования, принятый в качестве американского стандарта шифрования правительством США в 2002году, до него c 1977 года официальным стандартом США был алгоритм DES. По состоянию на 2006 год AES является одним из самых распространённых алгоритмов симметричного шифрования.

Шифры традиционных симметричных криптосистем можно разделить на следующие основные виды [3,4]:

2. Шифры перестановки.

3. Шифры гаммирования.

Шифрование методом замены

Шифрование заменой (подстановкой) заключается в том, что символы шифруемого текста заменяются символами того же или другого алфавита в соответствие с заранее оговоренной схемой замены. Данные шифры являются наиболее древними. Принято делить шифры замены на моноалфавитные и многоалфавитные. При моноалфавитной замене каждой букве алфавита открытого текста ставится в соответствие одна и та же буква шифротекста из этого же алфавита одинаково на всем протяжении текста.

Рассмотрим наиболее известные шифры моноалфавитной замены.

Свое название данный шифр получил по имени римского императора Гая Юлия Цезаря, который использовал этот шифр при переписке с Цицероном (около 50 г. до н.э).

При шифровании исходного текста по данному методу каждая буква заменяется на другую букву того же алфавита путем ее смещения в используемом алфавите на число позиций равное K. При достижении конца алфавита выполняется циклический переход к его началу.

Общая формула шифра Цезаря имеет следующий вид:

где P – номер символа открытого текста, С – соответствующий ему номер символа шифротекста, K – ключ шифрования (коэффициент сдвига), M – размер алфавита (для русского языка M=32)

Для данного шифра замены можно задать фиксированную таблицу подстановок, содержащую соответствующие пары букв открытого текста и шифротекста.

Пример. Таблица подстановок для символов русского текста при ключе K=3 представлена в таблице 4.1. Данной таблице соответствует формула

Табл. 2.1. Табл. подстановок шифра Цезаря для ключа K=3

Согласно формуле (4.2) открытый текст «БАГАЖ» будет преобразован в шифротекст «ДГЖГЙ».

Дешифрование закрытого текста, зашифрованного методом Цезаря согласно (4.1), осуществляется по формуле

Шифрование методами перестановки

Шифрование перестановкой заключается в том, что символы открытого текста переставляются по определенному правилу в пределах некоторого блока этого текста. Данные преобразования приводят к изменению только порядка следования символов исходного сообщения.

При достаточной длине блока, в пределах которого осуществляется перестановка, и сложном неповторяющемся порядке перестановки можно достигнуть приемлемой для простых практических приложений стойкости шифра.

При шифровании методом простой перестановки производят деление открытого текста на блоки одинаковой длины равной длине ключа. Ключ длины n представляет собой последовательность неповторяющихся чисел от 1 до n. Символы открытого текста внутри каждого из блоков переставляют в соответствие с символами ключа. Элемент ключа Ki в заданной позиции блока говорит о том, что на данное место будет помещен символ открытого текста с номером Ki из соответствующего блока.

Пример. Зашифруем открытый текст «ПРИЕЗЖАЮДНЕМ» методом перестановки с ключом К=3142.

Для дешифрования шифротекста необходимо символы шифротекста перемещать в позицию, указанную соответствующим им символом ключа Ki.

Под гаммированием понимают наложение на открытые данные по определенному закону гаммы шифра [5].

Гамма шифра – псевдослучайная последовательность, вырабатываемая по определенному алгоритму, используемая для шифровки открытых данных и дешифровки шифротекста.

Общая схема шифрования методом гаммирования представлена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема шифрования методом гаммирования

Принцип шифрования заключается в формировании генератором псевдослучайных чисел (ГПСЧ) гаммы шифра и наложении этой гаммы на открытые данные обратимым образом, например, путем сложения по модулю два. Процесс дешифрования данных сводится к повторной генерации гаммы шифра и наложении гаммы на зашифрованные данные. Ключом шифрования в данном случае является начальное состояние генератора псевдослучайных чисел. При одном и том же начальном состоянии ГПСЧ будет формировать одни и те же псевдослучайные последовательности.

Перед шифрованием открытые данные обычно разбивают на блоки одинаковой длины, например по 64 бита. Гамма шифра также вырабатывается в виде последовательности блоков той же длины.

Стойкость шифрования методом гаммирования определяется главным образом свойствами гаммы – длиной периода и равномерностью статистических характеристик. Последнее свойство обеспечивает отсутствие закономерностей в появлении различных символов в пределах периода. Полученный зашифрованный текст является достаточно трудным для раскрытия. По сути дела гамма шифра должна изменяться случайным образом для каждого шифруемого блока.

Источник

Корректирующие коды. Начало новой теории кодирования

Введение

По основному своему образованию я не математик, но в связи с читаемыми мной дисциплинами в ВУЗе пришлось в ней дотошно разбираться. Долго и упорно читал классические учебники ведущих наших Университетов, пятитомную математическую энциклопедию, множество тонких популярных брошюр по отдельным вопросам, но удовлетворения не возникало. Не возникало и глубокое понимание прочитанного.

Вся математическая классика ориентирована, как правило, на бесконечный теоретический случай, а специальные дисциплины опираются на случай конечных конструкций и математических структур. Отличие подходов колоссальное, отсутствие или недостаток хороших полных примеров — пожалуй главный минус и недостаток вузовских учебников. Очень редко существует задачник с решениями для начинающих (для первокурсников), а те, что имеются, грешат пропусками в объяснениях. В общем я полюбил букинистические магазины технической книги, благодаря чему пополнилась библиотека и в определенной мере багаж знаний. Читать довелось много, очень много, но «не заходило».

Этот путь привел меня к вопросу, а что я уже могу самостоятельно делать без книжных «костылей», имея перед собой только чистый лист бумаги и карандаш с ластиком? Оказалось совсем немного и не совсем то, что было нужно. Пройден был сложный путь бессистемного самообразования. Вопрос был такой. Могу ли я построить и объяснить, прежде всего себе, работу кода, обнаруживающего и исправляющего ошибки, например, код Хемминга, (7, 4)-код?

Известно, что код Хемминга широко используется во многих прикладных программах в области хранения и обмена данными, особенно в RAID; кроме того, в памяти типа ECC и позволяет «на лету» исправлять однократные и обнаруживать двукратные ошибки.

Информационная безопасность. Коды, шифры, стегосообщения

Информационное взаимодействие путем обмена сообщениями его участников должно обеспечиваться защитой на разных уровнях и разнообразными средствами как аппаратными так и программными. Эти средства разрабатываются, проектируются и создаются в рамках определенных теорий (см. рис.А) и технологий, принятых международными договоренностями об OSI/ISO моделях.

Защита информации в информационных телекоммуникационных системах (ИТКС) становится практически основной проблемой при решении задач управления, как в масштабе отдельной личности – пользователя, так и для фирм, объединений, ведомств и государства в целом. Из всех аспектов защиты ИТКС в этой статье будем рассматривать защиту информации при ее добывании, обработке, хранении и передаче в системах связи.

Уточняя далее предметную область, остановимся на двух возможных направлениях, в которых рассматриваются два различных подхода к защите, представлению и использованию информации: синтаксическом и семантическом. На рисунке используются сокращения: кодек–кодер-декодер; шидеш – шифратор-дешифратор; скриз – скрыватель – извлекатель.

Рисунок А – Схема основных направлений и взаимосвязи теорий, направленных на решение задач защиты информационного взаимодействия

Синтаксические особенности представления сообщений позволяют контролировать и обеспечивать правильность и точность (безошибочность, целостность) представления при хранении, обработке и особенно при передаче информации по каналам связи. Здесь главные задачи защиты решаются методами кодологии, ее большой части — теории корректирующих кодов.

Семантическая (смысловая) безопасность сообщений обеспечивается методами криптологии, которая средствами криптографии позволяет защитить от овладения содержанием информации потенциальным нарушителем. Нарушитель при этом может скопировать, похитить, изменить или подменить, или даже уничтожить сообщение и его носитель, но он не сможет получить сведений о содержании и смысле передаваемого сообщения. Содержание информации в сообщении останется для нарушителя недоступным. Таким образом, предметом дальнейшего рассмотрения будет синтаксическая и семантическая защита информации в ИТКС. В этой статье ограничимся рассмотрением только синтаксического подхода в простой, но весьма важной его реализации корректирующим кодом.

Сразу проведу разграничительную линию в решении задач информационной безопасности:
теория кодологии призвана защищать информацию (сообщения) от ошибок (защита и анализ синтаксиса сообщений) канала и среды, обнаруживать и исправлять ошибки;
теория криптологии призвана защищать информацию от несанкционированного доступа к ее семантике нарушителя (защита семантики, смысла сообщений);
теория стеганологии призвана защищать факт информационного обмена сообщениями, а также обеспечивать защиту авторского права, персональных данных (защита врачебной тайны).

В общем «поехали». По определению, а их довольно много, понять что есть код очень даже не просто. Авторы пишут, что код — это алгоритм, отображение и ещё что-то. О классификации кодов я не буду здесь писать, скажу только, что (7, 4)-код блоковый.

В какой-то момент до меня дошло, что код — это кодовые специальные слова, конечное их множество, которыми заменяют специальными алгоритмами исходный текст сообщения на передающей стороне канала связи и которые отправляются по каналу получателю. Замену осуществляет устройство-кодер, а на приемной стороне эти слова распознает устройство-декодер.

Поскольку роль сторон переменчива оба этих устройства объединяют в одно и называют сокращенно кодек (кодер/декодер), и устанавливают на обоих концах канала. Дальше, раз есть слова, есть и алфавит. Алфавит — это два символа <0, 1>, в технике массово используются блоковые двоичные коды. Алфавит естественного языка (ЕЯ) — множество символов — букв, заменяющих при письме звуки устной речи. Здесь не будем углубляться в иероглифическую письменность в слоговое или узелковое письмо.

Алфавит и слова — это уже язык, известно, что естественные человеческие языки избыточны, но что это означает, где обитает избыточность языка трудно сказать, избыточность не очень хорошо организована, хаотична. При кодировании, хранении информации избыточность стремятся уменьшить, пример, архиваторы, код Морзе и др.

Ричард Хемминг, наверное, раньше других понял, что если избыточность не устранять, а разумно организовать, то ее можно использовать в системах связи для обнаружения ошибок и автоматического их исправления в кодовых словах передаваемого текста. Он понял, что все 128 семиразрядных двоичных слов могут использоваться для обнаружения ошибок в кодовых словах, которые образуют код — подмножество из 16 семиразрядных двоичных слов. Это была гениальная догадка.

До изобретения Хемминга ошибки приемной стороной тоже обнаруживались, когда декодированный текст не читался или получалось не совсем то, что нужно. При этом посылался запрос отправителю сообщения повторить блоки определенных слов, что, конечно, было весьма неудобно и тормозило сеансы связи. Это было большой не решаемой десятилетиями проблемой.

Построение (7, 4)-кода Хемминга

Вернемся к Хеммингу. Слова (7, 4)-кода образованы из 7 разрядов С j = , j = 0(1)15, 4-информационные и 3-проверочные символа, т.е. по существу избыточные, так как они не несут информации сообщения. Эти три проверочных разряда удалось представить линейными функциями 4-х информационных символов в каждом слове, что и обеспечило обнаружение факта ошибки и ее места в словах, чтобы внести исправление. А (7, 4)-код получил новое прилагательное и стал линейным блоковым двоичным.

Линейные функциональные зависимости (правила (*)) вычислений значений символов
имеют следующий вид:

Исправление ошибки стало очень простой операцией — в ошибочном разряде определялся символ (ноль или единица) и заменялся другим противоположным 0 на 1 или 1 на 0.
Сколько же различных слов образуют код? Ответ на этот вопрос для (7, 4)-кода получается очень просто. Раз имеется лишь 4 информационных разряда, а их разнообразие при заполнении символами имеет = 16 вариантов, то других возможностей просто нет, т. е. код состоящий всего из 16 слов, обеспечивает представление этими 16-ю словами всю письменность всего языка.

Информационные части этих 16 слов получают нумерованный вид №
():

0=0000; 4= 0100; 8=1000; 12=1100;
1=0001; 5= 0101; 9=1001; 13=1101;
2=0010; 6= 0110; 10=1010; 14=1110;
3=0011; 7= 0111; 11=1011; 15=1111.

Каждому из этих 4-разрядных слов необходимо вычислить и добавить справа по 3 проверочных разряда, которые вычисляются по правилам (*). Например, для информационного слова №6 равного 0110 имеем и вычисления проверочных символов дают для этого слова такой результат:

Шестое кодовое слово при этом приобретает вид: Таким же образом необходимо вычислить проверочные символы для всех 16-и кодовых слов. Подготовим для слов кода 16-строчную таблицу К и последовательно будем заполнять ее клетки (читателю рекомендую проделать это с карандашом в руках).

Таблица К – кодовые слова Сj, j = 0(1)15, (7, 4) – кода Хемминга

Описание таблицы: 16 строк — кодовые слова; 10 колонок: порядковый номер, десятичное представление кодового слова, 4 информационных символа, 3 проверочных символа, W-вес кодового слова равен числу ненулевых разрядов (≠ 0). Заливкой выделены 4 кодовых слова-строки — это базис векторного подпространства. Собственно, на этом все — код построен.

Таким образом, в таблице получены все слова (7, 4) — кода Хемминга. Как видите это было не очень сложно. Далее речь пойдет о том, какие идеи привели Хемминга к такому построению кода. Мы все знакомы с кодом Морзе, с флотским семафорным алфавитом и др. системами построенными на разных эвристических принципах, но здесь в (7, 4)-коде используются впервые строгие математические принципы и методы. Рассказ будет как раз о них.

Математические основы кода. Высшая алгебра

Подошло время рассказать какая Р.Хеммингу пришла идея открытия такого кода. Он не питал особых иллюзий о своем таланте и скромно формулировал перед собой задачу: создать код, который бы обнаруживал и исправлял в каждом слове одну ошибку (на деле обнаруживать удалось даже две ошибки, но исправлялась лишь одна из них). При качественных каналах даже одна ошибка — редкое событие. Поэтому замысел Хемминга все-таки в масштабах системы связи был грандиозным. В теории кодирования после его публикации произошла революция.

Это был 1950 год. Я привожу здесь свое простое (надеюсь доступное для понимания) описание, которого не встречал у других авторов, но как оказалось, все не так просто. Потребовались знания из многочисленных областей математики и время, чтобы все глубоко осознать и самому понять, почему это так сделано. Только после этого я смог оценить ту красивую и достаточно простую идею, которая реализована в этом корректирующем коде. Время я в основном, потратил на разбирательство с техникой вычислений и теоретическим обоснованием всех действий, о которых здесь пишу.

Создатели кодов, долго не могли додуматься до кода, обнаруживающего и исправляющего две ошибки. Идеи, использованные Хеммингом, там не срабатывали. Пришлось искать, и нашлись новые идеи. Очень интересно! Захватывает. Для поиска новых идей потребовалось около 10 лет и только после этого произошел прорыв. Коды, обнаруживающие произвольное число ошибок, были получены сравнительно быстро.

Векторные пространства, поля и группы. Полученный (7, 4)-код (Таблица К) представляет множество кодовых слов, являющихся элементами векторного подпространства (порядка 16, с размерностью 4), т.е. частью векторного пространства размерности 7 с порядком Из 128 слов в код включены лишь 16, но они попали в состав кода не просто так.

Во-первых, они являются подпространством со всеми вытекающими отсюда свойствами и особенностями, во-вторых, кодовые слова являются подгруппой большой группы порядка 128, даже более того, аддитивной подгруппой конечного расширенного поля Галуа GF() степени расширения n = 7 и характеристики 2. Эта большая подгруппа раскладывается в смежные классы по меньшей подгруппе, что хорошо иллюстрируется следующей таблицей Г. Таблица разделена на две части: верхняя и нижняя, но читать следует как одну длинную. Каждый смежный класс (строка таблицы) — элемент факторгруппы по эквивалентности составляющих.

Таблица Г – Разложение аддитивной группы поля Галуа GF () в смежные классы (строки таблицы Г) по подгруппе 16 порядка.

Столбцы таблицы – это сферы радиуса 1. Левый столбец (повторяется) – синдром слова (7, 4)-кода Хемминга, следующий столбец — лидеры смежного класса. Раскроем двоичное представление одного из элементов (25-го выделен заливкой) факторгруппы и его десятичное представление:

Техника получение строк таблицы Г. Элемент из столбца лидеров класса суммируется с каждым элементом из заголовка столбца таблицы Г (суммирование выполняется для строки лидера в двоичном виде по mod2). Поскольку все лидеры классов имеют вес W=1, то все суммы отличаются от слова в заголовке столбца только в одной позиции (одной и той же для всей строки, но разных для столбца). Таблица Г имеет замечательную геометрическую интерпретацию. Все 16 кодовых слов представляются центрами сфер в 7-мерном векторном пространстве. Все слова в столбце от верхнего слова отличаются в одной позиции, т. е. лежат на поверхности сферы с радиусом r =1.

Второе — все множество 7-разрядных двоичных слов из 128 слов равномерно распределено по 16 сферам. Декодер может получить слово лишь из этого множества 128-ми известных слов с ошибкой или без нее. Третье — приемная сторона может получить слово без ошибки или с искажением, но всегда принадлежащее одной из 16-и сфер, которая легко определяется декодером. В последней ситуации принимается решение о том, что послано было кодовое слово — центр определенной декодером сферы, который нашел позицию (пересечение строки и столбца) слова в таблице Г, т. е номера столбца и строки.

Здесь возникает требование к словам кода и к коду в целом: расстояние между любыми двумя кодовыми словами должно быть не менее трех, т. е. разность для пары кодовых слов, например, Сi = 85==1010101; Сj = 25== 0011001 должна быть не менее 3; 85 — 25 = 1010101 — 0011001 =1001100 = 76, вес слова-разности W(76) = 3. (табл. Д заменяет вычисления разностей и сумм). Здесь под расстоянием между двоичными словами-векторами понимается количество не совпадающих позиций в двух словах. Это расстояние Хемминга, которое стало повсеместно использоваться в теории, и на практике, так как удовлетворяет всем аксиомам расстояния.

Замечание. (7, 4)-код не только линейный блоковый двоичный, но он еще и групповой, т. е. слова кода образуют алгебраическую группу по сложению. Это означает, что любые два кодовых слова при суммировании снова дают одно из кодовых слов. Только это не обычная операция суммирования, выполняется сложение по модулю два.

Таблица Д — Сумма элементов группы (кодовых слов), используемой для построения кода Хемминга

Сама операция суммирования слов ассоциативна, и для каждого элемента в множестве кодовых слов имеется противоположный ему, т. е. суммирование исходного слова с противоположным дает нулевое значение. Это нулевое кодовое слово является нейтральным элементом в группе. В таблице Д- это главная диагональ из нулей. Остальные клетки (пересечения строка/столбец) — это номера-десятичные представления кодовых слов, полученные суммированием элементов из строки и столбца.При перестановке слов местами (при суммировании) результат остается прежним, более того, вычитание и сложение слов имеют одинаковый результат. Дальше рассматривается система кодирования/декодирования, реализующая синдромный принцип.

Применение кода. Кодер

Пример 1. Необходимо передать слово «цифра» в ЕЯ. Входим в таблицу ASCII-кодов, буквам соответствуют: ц –11110110, и –11101000, ф – 11110100, р – 11110000, а – 11100000 октеты. Или иначе в ASCII — кодах слово «цифра» = 1111 0110 1110 1000 1111 0100 1111 0000 1110 0000

с разбивкой на тетрады (по 4 разряда). Таким образом, кодирование слова «цифра» ЕЯ требует 10 кодовых слов (7, 4)-кода Хемминга. Тетрады представляют информационные разряды слов сообщения. Эти информационные слова (тетрады) преобразуются в слова кода (по 7 разрядов) перед отправкой в канал сети связи. Выполняется это путем векторно-матричного умножения: информационного слова на порождающую матрицу. Плата за удобства получается весьма дорого и длинно, но все работает автоматически и главное — сообщение защищается от ошибок.
Порождающая матрица (7, 4)-кода Хемминга или генератор слов кода получается выписыванием базисных векторов кода и объединением их в матрицу. Это следует из теоремы линейной алгебры: любой вектор пространства (подпространства) является линейной комбинацией базисных векторов, т.е. линейно независимых в этом пространстве. Это как раз и требуется — порождать любые векторы (7-разрядные кодовые слова) из информационных 4-разрядных.

Порождающая матрица (7, 4, 3)-кода Хемминга или генератор слов кода имеет вид:

Справа указаны десятичные представления кодовых слов Базиса подпространства и их порядковые номера в таблице К
№ i строки матрицы — это слова кода, являющиеся базисом векторного подпространства.

Информационные слова сообщения имеют вид:

Это половины символа (ц). Для (7, 4)-кода, определенного ранее, требуется найти кодовые слова, соответствующее информационному слову-сообщению (ц) из 8-и символов в виде:

Чтобы превратить эту букву–сообщение (ц) в кодовые слова u, каждую половинку буквы-сообщения i умножают на порождающую матрицу G[k, n] кода (матрица для таблицы К):

Получили два кодовых слова с порядковыми номерами 15 и 6.

Покажем детальное формирование нижнего результата №6 – кодового слова (умножение строки информационного слова на столбцы порождающей матрицы); суммирование по (mod2)

∙ = 0∙1 +1∙0 + 1∙0 + 0∙0 = 0(mod2);
∙ = 0∙0 +1∙1 + 1∙0 + 0∙0 = 1(mod2);
∙ = 0∙0 +1∙0 + 1∙1 + 0∙0 = 1(mod2);
∙ = 0∙0 +1∙0 + 1∙0 + 0∙1 = 0(mod2);
∙ = 0∙0 +1∙1 + 1∙1 + 0∙1 = 0(mod2);
∙ = 0∙1 +1∙0 + 1∙1 + 0∙1 = 1(mod2);
∙ = 0∙1 +1∙1 + 1∙0 + 0∙1 = 1(mod2).

В результате перемножения получили 15 и 6 слова таблицы К кода.

Применение кода. Декодер

Декодер размещается на приемной стороне канала там, где находится получатель сообщения. Назначение декодера состоит в предоставлении получателю переданного сообщения в том виде, в котором оно существовало у отправителя в момент отправления, т.е. получатель может воспользоваться текстом и использовать сведения из него для своей дальнейшей работы.

Основной задачей декодера является проверка того, является ли полученное слово (7 разрядов) тем, которое было отправлено на передающей стороне, не содержит ли слово ошибок. Для решения этой задачи для каждого полученного слова декодером путем умножения его на проверочную матрицу Н[n-k, n] вычисляется короткий вектор-синдром S (3 разряда).

Рассматриваемый код является систематическим, т. е. символы информационного слова размещаются подряд в старших разрядах кодового слова. Восстановление информационных слов выполняется простым отбрасыванием младших (проверочных) разрядов, число которых известно. Далее используется таблица ASCII-кодов в обратном порядке: входом являются информационные двоичные последовательности, а выходом – буквы алфавита естественного языка. Итак, (7, 4)-код систематический, групповой, линейный, блочный, двоичный.

Основу декодера образует проверочная матрица Н[n-k, n], которая содержит число строк, равное числу проверочных символов, а столбцами все возможные, кроме нулевого, столбцы из трех символов . Проверочная матрица строится из слов таблицы К, они выбираются так, чтобы быть ортогональными к кодирующей матрице, т.е. их произведение — нулевая матрица. Проверочная матрица получает следующий вид в операциях умножения она транспонируется. Для конкретного примера проверочная матрица Н[n-k, n] приведена ниже:

Видим, что произведение порождающей матрицы на проверочную в результате дает нулевую матрицу.

В результате вычисленный синдром имеет нулевое значение, что подтверждает отсутствие ошибки в словах кода.

Пример 3. Обнаружение одной ошибки в слове, полученном на приемном конце канала (таблица К).

А) Пусть требуется передать 7 – е кодовое слово, т.е.

Установление факта искажения кодового слова выполняется умножением полученного искаженного слова на проверочную матрицу кода. Результатом такого умножения будет вектор, называемый синдромом кодового слова.

Выполним такое умножение для наших исходных (7-го вектора с ошибкой) данных.

Итак, при вычислениях получен синдром S= для обоих слов одинаковый. Смотрим на проверочную матрицу и отыскиваем в ней столбец, совпадающий с синдромом. Это третий слева столбец. Следовательно, ошибка допущена в третьем слева разряде, что совпадает с условиями примера. Этот третий разряд изменяется на противоположное значение и мы вернули принятые декодером слова к виду кодовых. Ошибка обнаружена и исправлена.

Вот собственно и все, именно так устроен и работает классический (7, 4)-код Хемминга.

Здесь не рассматриваются многочисленные модификации и модернизации этого кода, так как важны не они, а те идеи и их реализации, которые в корне изменили теорию кодирования, и как следствие, системы связи, обмена информацией, автоматизированные системы управления.

Заключение

В работе рассмотрены основные положения и задачи информационной безопасности, названы теории, призванные решать эти задачи.

Задача защиты информационного взаимодействия субъектов и объектов от ошибок среды и от воздействий нарушителя относится к кодологии.

Рассмотрен в деталях (7, 4)-код Хемминга, положивший начало нового направлению в теории кодирования — синтеза корректирующих кодов.

Показано применение строгих математических методов, используемых при синтезе кода.
Приведены примеры иллюстрирующие работоспособность кода.

Источник