8251
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Ноздрин В.В.
Современные компьютерные технологии в науке и образовании
(учебное пособие для магистрантов направления подготовки 40.04.01 «Юриспруденция», профиль подготовки «Градостроительное право, природоресурсное право, экологическое право, земельное право»)
Нижний Новгород – 2022
2
У Д К 0 0 7
Б Б К 3 2 . 8 1
Ноздрин В.В. Правовая защита информации и информационных технологий [текст]: учебное пособие. – Н.Новгород: Нижегород. гос. архит.- строит. ун-т, 2022. – 147 с.
ISBN 5-06-003803-3
В учебном пособии рассмотрены способы правовой защиты информации, характеристика информационных технологий, дана общая характеристика процесса сбора, обработки, хранения и передачи информации. Проанализировано аппаратное и программное обеспечение ЭВМ. Приведено описание структуры и функций персонального компьютера. Большое внимание уделено раскрытию основных видов информационных технологий и информатизации общества.
ISBN 5-06-003803-3
© Ноздрин В.В., 2022 © ННГАСУ, 2022
СОДЕРЖАНИЕ
3 |
|
Введение.......................................................................................................................... |
4 |
1. Предмет информатики ............................................................................................... |
6 |
2. Ресурсы общества и причины появления науки «информатика» ......................... |
12 |
3. Информационные основы ........................................................................................ |
15 |
3.1. Понятие информации, виды информации ...................................................... |
15 |
3.2. Методы получения, использования информации .......................................... |
21 |
3.3. Алфавит, слово, процесс, конструкция .......................................................... |
24 |
3.4. Кодирование и декодирование ........................................................................ |
27 |
3.5. Основная проблема информатики .................................................................. |
30 |
3.6. Измерение сообщений. Бит, байт, слово ........................................................ |
31 |
4. Общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и хранения |
|
информации .................................................................................................................. |
32 |
4.1. Восприятие информации ................................................................................. |
32 |
4.2. Сбор информации............................................................................................. |
33 |
4.3. Передача информации ..................................................................................... |
40 |
4.4. Обработка информации ................................................................................... |
42 |
4.5. Хранение информации..................................................................................... |
50 |
5. Технические средства реализации информационных процессов ......................... |
54 |
5.1. Определение и принципы организации информационных процессов в |
|
вычислительных устройствах ................................................................................ |
54 |
5.2. Функционирование ЭВМ с шинной организацией........................................ |
56 |
5.3. Функционирование ЭВМ с канальной организацией.................................... |
62 |
5.4. Информационная модель ЭВМ ....................................................................... |
65 |
5.5. Основные команды ЭВМ................................................................................. |
68 |
5.6. Поколения вычислительных средств .............................................................. |
71 |
6. Алгоритмизация и программирование ................................................................... |
76 |
6.1. Определение алгоритма ................................................................................... |
76 |
6.2. Методы разработки алгоритма ........................................................................ |
80 |
6.2.1. Метод частных целей............................................................................... |
81 |
6.2.2. Метод подъема ......................................................................................... |
84 |
6.2.3. Программирование с отходом назад ...................................................... |
84 |
7. Языки программирования........................................................................................ |
85 |
8. Базы данных .............................................................................................................. |
93 |
8.1. Документальные и фактографические информационные системы ............. |
93 |
8.2. Системы управления базами данных.............................................................. |
94 |
8.3. Модели данных................................................................................................. |
95 |
8.4. Операции над отношениями реляционных БД .............................................. |
98 |
8.5. Нормализация отношений ............................................................................... |
99 |
8.6. Средства ускорения доступа к данным ........................................................ |
103 |
8.7. Язык запросов................................................................................................. |
105 |
9. Локальные и глобальные сети ЭВМ ..................................................................... |
106 |
9.1. От централизованных систем – к вычислительным сетям.......................... |
106 |
9.2. Основные проблемы построения сетей ........................................................ |
114 |
9.3. Особенности локальных, глобальных и городских сетей ........................... |
120 |
9.4. Отличия локальных сетей от глобальных .................................................... |
121 |
9.5. Тенденция к сближению локальных и глобальных сетей ........................... |
123 |
4 |
|
10. Основы и методы защиты информации.............................................................. |
125 |
10.1. Современная ситуация в области информационной безопасности .......... |
125 |
10.2. Категории информационной безопасности................................................ |
125 |
10.3. Абстрактные модели защиты информации ................................................ |
126 |
10.4. Комплексный поиск возможных методов доступа.................................... |
127 |
10.5. Терминалы защищенной информационной системы ................................ |
128 |
10.6. Получение пароля на основе ошибок администратора и пользователей. 130
10.7. Получение пароля на основе ошибок в реализации .................................. |
131 |
10.8. Социальная психология и иные способы получения паролей.................. |
134 |
10.9. Классификация криптоалгоритмов ............................................................. |
136 |
10.10. Среда передачи информации..................................................................... |
139 |
10.11. Операционные системы ............................................................................. |
140 |
10.12. Прикладные программы ............................................................................ |
141 |
10.13. Ошибки, приводящие к возможности атак на информацию................... |
142 |
10.14. Классификация по требуемой степени безотказности ............................ |
143 |
10.15. Классификация по уровню конфиденциальности ................................... |
143 |
10.16. Требования по работе с конфиденциальной информацией .................... |
144 |
10.17. Политика ролей .......................................................................................... |
145 |
Литература ............................................................................................................ |
147 |
Введение
5
Информационное общество имеет следующие основные признаки:
1.Большинство работающих в информационном обществе (около 80 %) занято в информационной сфере, т.е. сфере производства информации и информационных услуг.
2.Обеспечены техническая, технологическая и правовая возможности доступа любому члену общества практически в любой точке территории доступа и в приемлемое время к нужной ему информации.
3.Информация становится важнейшим стратегическим ресурсом общества и занимает ключевое место в экономике, образовании и культуре.
Информатизация – необходимое условие научно-технического, социального, экономического и политического прогресса в обществе. Неизбежность информатизации обусловлена следующими причинами:
беспрецедентным усложнением социально-экономических процессов в результате увеличения масштабов и темпов общественного производства, углубления разделения труда и его специализации в научно-технической революции;
необходимостью адекватно реагировать на возникающие проблемы в динамично меняющейся обстановке, присущей постоянно развивающемуся обществу;
повышением степени самоуправления предприятий, территорий, регионов.
Для информационного общества характерно обеспечение требуемой степени информированности всех его членов, возрастание объема и уровня информационных услуг, предоставляемых пользователю. Информационное общество в теоретическом аспекте характеризуется высокоразвитой информационной сферой (инфосферой), которая включает деятельность человека по созданию, переработке, хранению, передаче и накоплению информации.
Научным фундаментом процесса информатизации общества является новая научная дисциплина – информатика. В широком смысле информатика – это наука об информационной деятельности, информационных процессах и их организации в человеко-машинных системах. Основными разделами информатики являются исследование и разработка информационных средств и технологий, программных средств и моделирование предметных областей.
6
1. Предмет информатики
Можно, видимо, говорить о завершении этапа информатики, понимаемой как основы информатики и вычислительной техники, и наступлении этапа научной, системно-междисциплинарной информатики. Отсутствие развивающей понятийной системы, понятийного аппарата в образовательной информатике, искусственное «притягивание» неадекватного целям, задачам, значению информатики понятийного аппарата из других наук (кибернетика, микропроцессорная техника, управление и др.) сводит его к тривиальному изучению программирования и ЭВМ. Поэтому определим ряд основных, базовых понятий и фактов информатики, выясняющих предмет и назначение этой дисциплины.
Термин «информатика» (l’informatique) введен французскими учеными около 30 лет тому назад. Французская Академия Наук определяла информатику как «науку об осуществляемой преимущественно с помощью автоматических средств целесообразной обработке информации, рассматриваемой как представление знаний и сообщений в технических, экономических и социальных областях». Этот термин образовался соединением двух ключевых слов – «информация» и «автоматика». Это достаточно молодая и бурно развивающаяся наука. В англоязычных странах более ужился термин «computer science» (компьютерная, вычислительная наука, наука о компьютерах, точнее, наука о преобразовании информации с помощью компьютеров). В нашей стране принято более широкое и фундаментальное толкование информатики.
Информатика – это наука, изучающая структуру, общие свойства, вопросы сбора, хранения, поиска, переработки (преобразования), использования (актуализации) знаний, научно - технической информации. Это
- классическое определение информатики.
Информатика – наука об информации и информационных процессах, о моделях и моделировании, об алгоритмах и алгоритмизации, о программах и программировании для различных классов исполнителей алгоритмов, в частности, компьютеров, об их использовании в общественном развитии. Это определение информатики назовем «рабочим» определением информатики;
оно используется часто при рассмотрении научно-практических проблем. Информатика – наука, изучающая информационные аспекты
системных процессов и системные аспекты информационных процессов. Это определение можно считать системным определением информатики.
Информатика – это наука об инвариантах (т.е. неизменных сущностях) информационных процессов, протекающих, как правило, динамически, их выявлении, описании, изучении, применении, их организации и самоорганизации. Такое определение естественно назвать синергетическим определением информатики и оно имеет важное значение при исследовании синергетики информационных процессов в различных системах.
Синергетика – междисциплинарная наука, изучающая общие идеи, методы и закономерности организации (изменения структуры, ее пространственно-временного усложнения) различных объектов и процессов,
7
инварианты этих процессов. «Синергетика» в переводе – совместный, согласованно действующий.
Информатика тесно связана и с философией (понимаемой, например, как общая методология наук). Философия дает общие методы содержательного анализа, а информатика дает общие методы формального анализа предметных областей (особенно, теоретическая, математическая информатика).
Можно дать и философское определение информатики:
информатика – это наука, изучающая общие свойства и процессы отражения материи, порядок, структуры в материи, ее структурированность и отражение в сознании человека, общества.
Мы будем уделять большое внимание вопросам, связанным с математическими проблемами, с математической (теоретической)
информатикой. Дадим математическое определение информатики (определение математической информатики).
Математическая информатика – наука, изучающая вопросы построения и исследования математических методов и моделей, алгоритмов, формальных систем их описания и актуализации для различных типов информационных систем и процессов, различных классов операционных пространств, наука математически (формальным языком) описывающая и исследующая их инварианты, абстрагируясь при этом от материальной основы информационных процессов и исследуемых систем.
Можно дать различные определения информатики – с акцентом на ту или иную предметную область. Наиболее актуальными, в силу схожести и важности информационных процессов и структур, являются следующие определения.
Экономическая информатика изучает информационные системы и процессы экономического характера (производства, потребления, накопления, спроса, предложения, финансирования, кредитования, ценообразования, инфляции, капитала и прибыли и др.), включая вопросы купли-продажи информации, а также управление и самоорганизацию в таких системах.
Экологическая информатика изучает информационные системы и процессы в экологических средах, включая экологию человека и проблемы информационной экологии, а также управление и самоорганизацию в таких системах.
Правовая информатика изучает информационные системы и процессы в системах права, юриспруденции, включая правовое обеспечение доступа к доступной информации или защиты конфиденциальной информации, а также проблемы управления и самоорганизации в таких системах.
Социально - гуманитарную информатику можно определить как ветвь информатики, изучающей информационные процессы в социальной и гуманитарной сфере, а также управление и самоорганизацию в таких системах.
Образовательная информатика – ветвь информатики, изучающая информационные процессы в образовании, образовательные среды, системы, технологии, а также управление, самоорганизацию в таких системах.
8
Разумеется, можно говорить о химической, медицинской, физической информатике и др. (примеры из них мы будем рассматривать).
Пример. Определим предметы химической, медицинской, физической информатики.
Химическая информатика изучает информационные процессы и системы в химических средах, проблемы управления в них и самоорганизацию химических структур.
Медицинская информатика изучает проблемы информационных процессов, а также управления и самоорганизации в медицинских системах.
Физическая информатика (часто неточно интерпретируемая как компьютерная физика – раздел физической информатики) изучает проблемы информационных процессов, управления, вопросы самоорганизации, хаоса (порядка) в открытых физических системах.
Предметом информатики являются – информационные ресурсы (знания и отражающая их информация), методы и системы функционирования (организации) этих ресурсов, а также их эволюция и актуализация.
Впрочем, предмет информатики, как следует из вышеприведенных определений, точно («математически») невозможно определить, в силу его сложности, многосторонности, динамической изменчивости. Тем не менее, можно отметить следующие три основные ветви информатики (в классическом понимании), определяемые ее познавательной и прагматической функциями, ее внутренней и внешней сущностями. (Деление информатики как науки и человеческой деятельности на те или иные части зависит от целей, задач, ресурсов).
Теоретическая, математическая информатика (brain ware) изучает теоретические проблемы информатики, которые, большей частью, связанны с формальными системами, моделями, алгоритмами и теорией программирования, кодирования и организации систем.
Практическая, прикладная информатика (soft ware) изучает практические, конкретные проблемы информатики, которые больше связанны с программированием и использованием моделей, программными и компьютерными технологиями и системами.
Техническая, инженерно-физическая информатика (hardware)
изучает инженерно - физические, технические принципы и вопросы информатики. Они большей частью связанны с проектированием, разработкой, использованием технических средств обработки информации, ЭВМ и систем ЭВМ.
Пример. Задача построения математической модели эпидемии гриппа
– это задача из области теоретической информатики. Задача построения алгоритма исследования этой модели (или комплекса моделей) для прогноза эпидемии – задача теоретической информатики. Задача разработки компьютерной программы (комплекса программ) для прогноза эпидемии является, например, задачей практической информатики. Задача разработки технических устройств для обеспечения прогноза, например, разработки системы передачи, обработки данных о больных – задача технической информатики. Примером междисциплинарной задачи информатики (на стыке
9
информатики и экономики) может служить построение математической модели динамики налоговых поступлений. Она является междисциплинарной задачей, так как при ее решении требуется разработать соответствующие математические, экономические, информационные и компьютерные методы, алгоритмы, системы для решения подзадач этой сложной проблемы.
Информатика базируется на следующих основных и важных понятиях:
информация и сообщение, в частности, получение, переработка, сжатие, актуализация информации сообщениями различного типа;
алгоритм и алгоритмизация, в частности, программа и программный комплекс, проектирование программ и программирование;
система и структура, т. е. отношение и связь, порядок, в частности, информационные система и структура, отношения в них;
изменение, изменчивость и выбор, в частности, выбор решений на базе инвариантов различных информационных систем, процессов;
модель и моделирование, в частности, описание и исследование систем с помощью моделей и моделирования;
исполнитель и его операционная среда, в частности, автомат (ЭВМ)
икомплекс автоматов (система ЭВМ);
языки и грамматика, в частности, алгоритмические языки, языки программирования, языки общения со средами;
проектирование систем и технология, в частности,
информационная и компьютерная технологии.
Информатика, как и математика, является наукой для описания и исследования проблем других наук. Она предоставляет свои общие и/или частные методы исследования другим наукам, помогает прокладывать и усиливать междисциплинарные связи, исследовать проблемы различных наук, дополняя их своими идеями, методами, технологиями и, особенно, своими инвариантами.
Пример. На стыке различных наук возникли и исследуются следующие важные проблемы информатики: разработка и использование надежных спутников систем связи (информатика, физика, техника, математика, кибернетика и др.); разработка и использование моделей принятия решений человеком или же автоматом, например, в экстремальных ситуациях (информатика, математика, физика, кибернетика, психология и др.); разработка
ииспользование программных систем ведения домашней бухгалтерии (информатика, экономика, математика, психология, социология и др.); разработка, использование медицинских комплексов диагностирования психофизиологического состояния человека (информатика, медицина, биология, химия, математика, психология, кибернетика, физика, и др.); разработка инструментальной системы подготовки и использования учебных компьютерных курсов и обучающих сред (информатика, все учебные дисциплины).
Информатика предоставляет к использованию в различных науках, информационных системах следующие методы и процедуры:
10
абстрагирование и конкретизация;
анализ и синтез;
индукция и дедукция;
формализация;
виртуализация;
актуализация;
визуализация;
структурирование;
макетирование;
алгоритмизация и программирование;
инфологическое (информационно - логическое) моделирование;
математическое моделирование;
компьютерное моделирование, вычислительный эксперимент;
программное управление;
распознавание, классификация и идентификация образов;
экспертное оценивание и тестирование и другие методы и
процедуры.
Информатика, как междисциплинарная наука, объединяет своими методами, алгоритмами, моделями, информационными потоками и технологиями остальные науки, связывает их не только общими проблемами, но и общими методами, технологиями.
Пример. Приведем схему основных связей информатики; при этом отметим, что ни количество, ни пересечение, ни величина, ни расположение прямоугольников никак не связаны с силой, степенью рассматриваемых связей (см. рис. 1.1).
Математика
Кибернетика
Химия
Семиотика
Лингвистика
Физика
Биология |
Медицина |
Психология |