коды исправляющие ошибки коды хэмминга

Избыточное кодирование, код Хэмминга

Избыточное кодирование (англ. redundant encoding) — вид кодирования, использующий избыточное количество информации с целью последующего контроля целостности данных при записи/воспроизведении информации или при её передаче по линиям связи.

Содержание

Код, определяющий одну ошибку [ править ]

Кодирование Хэмминга [ править ]

По аналогичному принципу можно закодировать любое число бит. Пусть мы имеем исходную строку длиной в [math]2^k[/math] бит. Для получения её кода добавим к ней [math]k[/math] пар бит по следующему принципу:

Теперь заметим, что в случае наличия ошибки в исходной строке, ровно один бит в каждой паре будет равен единице. Тогда можно оставить только один бит из пары. Однако этого будет недостаточно, поскольку если только один добавленный бит не соответствует строке, то нельзя понять, ошибка в нём или в строке. На этот случай можно добавить ещё один контрольный бит — [math] \mathrm X \mathrm O \mathrm R[/math] всех битов строки.

Определение и устранение ошибок в общем случае [ править ]

Пусть [math]\Sigma[/math] — исходный алфавит, [math]C: \Sigma \to B^m[/math] — кодирование, [math]B=(0,1)[/math]

[math]d: B^m \times B^m \to \mathbb[/math] — расстояние Хэмминга между двумя кодами.
Определим [math]d_0 = \min[/math] [math]

Тогда легко понять, что код, полученный преобразованием [math]C[/math] может исправлять [math]

Источник

Код Хэмминга. Пример работы алгоритма

Прежде всего стоит сказать, что такое Код Хэмминга и для чего он, собственно, нужен. На Википедии даётся следующее определение:

Коды Хэмминга — наиболее известные и, вероятно, первые из самоконтролирующихся и самокорректирующихся кодов. Построены они применительно к двоичной системе счисления.

Другими словами, это алгоритм, который позволяет закодировать какое-либо информационное сообщение определённым образом и после передачи (например по сети) определить появилась ли какая-то ошибка в этом сообщении (к примеру из-за помех) и, при возможности, восстановить это сообщение. Сегодня, я опишу самый простой алгоритм Хемминга, который может исправлять лишь одну ошибку.

Также стоит отметить, что существуют более совершенные модификации данного алгоритма, которые позволяют обнаруживать (и если возможно исправлять) большее количество ошибок.

Сразу стоит сказать, что Код Хэмминга состоит из двух частей. Первая часть кодирует исходное сообщение, вставляя в него в определённых местах контрольные биты (вычисленные особым образом). Вторая часть получает входящее сообщение и заново вычисляет контрольные биты (по тому же алгоритму, что и первая часть). Если все вновь вычисленные контрольные биты совпадают с полученными, то сообщение получено без ошибок. В противном случае, выводится сообщение об ошибке и при возможности ошибка исправляется.

Как это работает.

Для того, чтобы понять работу данного алгоритма, рассмотрим пример.

Подготовка

Допустим, у нас есть сообщение «habr», которое необходимо передать без ошибок. Для этого сначала нужно наше сообщение закодировать при помощи Кода Хэмминга. Нам необходимо представить его в бинарном виде.

На этом этапе стоит определиться с, так называемой, длиной информационного слова, то есть длиной строки из нулей и единиц, которые мы будем кодировать. Допустим, у нас длина слова будет равна 16. Таким образом, нам необходимо разделить наше исходное сообщение («habr») на блоки по 16 бит, которые мы будем потом кодировать отдельно друг от друга. Так как один символ занимает в памяти 8 бит, то в одно кодируемое слово помещается ровно два ASCII символа. Итак, мы получили две бинарные строки по 16 бит:

и

После этого процесс кодирования распараллеливается, и две части сообщения («ha» и «br») кодируются независимо друг от друга. Рассмотрим, как это делается на примере первой части.
Прежде всего, необходимо вставить контрольные биты. Они вставляются в строго определённых местах — это позиции с номерами, равными степеням двойки. В нашем случае (при длине информационного слова в 16 бит) это будут позиции 1, 2, 4, 8, 16. Соответственно, у нас получилось 5 контрольных бит (выделены красным цветом):

Было:

Стало:

Таким образом, длина всего сообщения увеличилась на 5 бит. До вычисления самих контрольных бит, мы присвоили им значение «0».

Вычисление контрольных бит.

Теперь необходимо вычислить значение каждого контрольного бита. Значение каждого контрольного бита зависит от значений информационных бит (как неожиданно), но не от всех, а только от тех, которые этот контрольных бит контролирует. Для того, чтобы понять, за какие биты отвечает каждых контрольный бит необходимо понять очень простую закономерность: контрольный бит с номером N контролирует все последующие N бит через каждые N бит, начиная с позиции N. Не очень понятно, но по картинке, думаю, станет яснее:

Здесь знаком «X» обозначены те биты, которые контролирует контрольный бит, номер которого справа. То есть, к примеру, бит номер 12 контролируется битами с номерами 4 и 8. Ясно, что чтобы узнать какими битами контролируется бит с номером N надо просто разложить N по степеням двойки.

Но как же вычислить значение каждого контрольного бита? Делается это очень просто: берём каждый контрольный бит и смотрим сколько среди контролируемых им битов единиц, получаем некоторое целое число и, если оно чётное, то ставим ноль, в противном случае ставим единицу. Вот и всё! Можно конечно и наоборот, если число чётное, то ставим единицу, в противном случае, ставим 0. Главное, чтобы в «кодирующей» и «декодирующей» частях алгоритм был одинаков. (Мы будем применять первый вариант).
Высчитав контрольные биты для нашего информационного слова получаем следующее:

и для второй части:

Вот и всё! Первая часть алгоритма завершена.

Декодирование и исправление ошибок.

Теперь, допустим, мы получили закодированное первой частью алгоритма сообщение, но оно пришло к нас с ошибкой. К примеру мы получили такое (11-ый бит передался неправильно):

Вся вторая часть алгоритма заключается в том, что необходимо заново вычислить все контрольные биты (так же как и в первой части) и сравнить их с контрольными битами, которые мы получили. Так, посчитав контрольные биты с неправильным 11-ым битом мы получим такую картину:

Как мы видим, контрольные биты под номерами: 1, 2, 8 не совпадают с такими же контрольными битами, которые мы получили. Теперь просто сложив номера позиций неправильных контрольных бит (1 + 2 + 8 = 11) мы получаем позицию ошибочного бита. Теперь просто инвертировав его и отбросив контрольные биты, мы получим исходное сообщение в первозданном виде! Абсолютно аналогично поступаем со второй частью сообщения.

Заключение.

В данном примере, я взял длину информационного сообщения именно 16 бит, так как мне кажется, что она наиболее оптимальная для рассмотрения примера (не слишком длинная и не слишком короткая), но конечно же длину можно взять любую. Только стоит учитывать, что в данной простой версии алгоритма на одно информационное слово можно исправить только одну ошибку.

Примечание.

На написание этого топика меня подвигло то, что в поиске я не нашёл на Хабре статей на эту тему (чему я был крайне удивлён). Поэтому я решил отчасти исправить эту ситуацию и максимально подробно показать как этот алгоритм работает. Я намеренно не приводил ни одной формулы, дабы попытаться своими словами донести процесс работы алгоритма на примере.

Источник

Помехоустойчивое кодирование. Коды Хэмминга

Назначение помехоустойчивого кодирования – защита информации от помех и ошибок при передаче и хранении информации. Помехоустойчивое кодирование необходимо для устранения ошибок, которые возникают в процессе передачи, хранения информации. При передачи информации по каналу связи возникают помехи, ошибки и небольшая часть информации теряется.

Без использования помехоустойчивого кодирования было бы невозможно передавать большие объемы информации (файлы), т.к. в любой системе передачи и хранении информации неизбежно возникают ошибки.

Рассмотрим пример CD диска. Там информация хранится прямо на поверхности диска, в углублениях, из-за того, что все дорожки на поверхности, часто диск хватаем пальцами, елозим по столу и из-за этого без помехоустойчивого кодирования, информацию извлечь не получится.

Использование кодирования позволяет извлекать информацию без потерь даже с поврежденного CD/DVD диска, когда какая либо область становится недоступной для считывания.

В зависимости от того, используется в системе обнаружение или исправление ошибок с помощью помехоустойчивого кода, различают следующие варианты:

Возможен также гибридный вариант, чтобы лишний раз не гонять информацию по каналу связи, например получили пакет информации, попробовали его исправить, и если не смогли исправить, тогда отправляется запрос на повторную передачу.

Исправление ошибок в помехоустойчивом кодировании

Любое помехоустойчивое кодирование добавляет избыточность, за счет чего и появляется возможность восстановить информацию при частичной потере данных в канале связи (носителе информации при хранении). В случае эффективного кодирования убирали избыточность, а в помехоустойчивом кодировании добавляется контролируемая избыточность.

Простейший пример – мажоритарный метод, он же многократная передача, в котором один символ передается многократно, а на приемной стороне принимается решение о том символе, количество которых больше.

Допустим есть 4 символа информации, А, B, С,D, и эту информацию повторяем несколько раз. В процессе передачи информации по каналу связи, где-то возникла ошибка. Есть три пакета (A1B1C1D1|A2B2C2D2|A3B3C3D3), которые должны нести одну и ту же информацию.

Но из картинки справа, видно, что второй символ (B1 и C1) они отличаются друг от друга, хотя должны были быть одинаковыми. То что они отличаются, говорит о том, что есть ошибка.

Необходимо найти ошибку с помощью голосования, каких символов больше, символов В или символов С? Явно символов В больше, чем символов С, соответственно принимаем решение, что передавался символ В, а символ С ошибочный.

Для исправления ошибок нужно, как минимум 3 пакета информации, для обнаружения, как минимум 2 пакета информации.

Параметры помехоустойчивого кодирования

Первый параметр, скорость кода R характеризует долю информационных («полезных») данных в сообщении и определяется выражением: R=k/n=k/m+k

Параметры n и k часто приводят вместе с наименованием кода для его однозначной идентификации. Например, код Хэмминга (7,4) значит, что на вход кодера приходит 4 символа, на выходе 7 символов, Рида-Соломона (15, 11) и т.д.

Второй параметр, кратность обнаруживаемых ошибок – количество ошибочных символов, которые код может обнаружить.

Третий параметр, кратность исправляемых ошибок – количество ошибочных символов, которые код может исправить (обозначается буквой t).

Контроль чётности

Самый простой метод помехоустойчивого кодирования это добавление одного бита четности. Есть некое информационное сообщение, состоящее из 8 бит, добавим девятый бит.

Если нечетное количество единиц, добавляем 0.

1 0 1 0 0 1 0 0 | 0

Если четное количество единиц, добавляем 1.

1 1 0 1 0 1 0 0 | 1

Если принятый бит чётности не совпадает с рассчитанным битом чётности, то считается, что произошла ошибка.

1 1 0 0 0 1 0 0 | 1

Под кратностью понимается, всевозможные ошибки, которые можно обнаружить. В этом случае, кратность исправляемых ошибок 0, так как мы не можем исправить ошибки, а кратность обнаруживаемых 1.

Есть последовательность 0 и 1, и из этой последовательности составим прямоугольную матрицу размера 4 на 4. Затем для каждой строки и столбца посчитаем бит четности.

Прямоугольный код – код с контролем четности, позволяющий исправить одну ошибку:

И если в процессе передачи информации допустим ошибку (ошибка нолик вместо единицы, желтым цветом), начинаем делать проверку. Нашли ошибку во втором столбце, третьей строке по координатам. Чтобы исправить ошибку, просто инвертируем 1 в 0, тем самым ошибка исправляется.

Этот прямоугольный код исправляет все одно-битные ошибки, но не все двух-битные и трех-битные.

Рассчитаем скорость кода для:

Здесь R=16/24=0,66 (картинка выше, двадцать пятую единичку (бит четности) не учитываем)

Более эффективный с точки зрения скорости является первый вариант, но зато мы не можем с помощью него исправлять ошибки, а с помощью прямоугольного кода можно. Сейчас на практике прямоугольный код не используется, но логика работы многих помехоустойчивых кодов основана именно на прямоугольном коде.

Классификация помехоустойчивых кодов

По используемому алфавиту:

Блочные коды делятся на

В случае систематических кодов, выходной блок в явном виде содержит в себе, то что пришло на вход, а в случае несистематического кода, глядя на выходной блок нельзя понять что было на входе.

Смотря на картинку выше, код 1 1 0 0 0 1 0 0 | 1 является систематическим, на вход поступило 8 бит, а на выходе кодера 9 бит, которые в явном виде содержат в себе 8 бит информационных и один проверочный.

Код Хэмминга

Код Хэмминга — наиболее известный из первых самоконтролирующихся и самокорректирующихся кодов. Позволяет устранить одну ошибку и находить двойную.

Код Хэмминга (7,4) — 4 бита на входе кодера и 7 на выходе, следовательно 3 проверочных бита. С 1 по 4 информационные биты, с 6 по 7 проверочные (см. табл. выше). Пятый проверочный бит y5, это сумма по модулю два 1-3 информационных бит. Сумма по модулю 2 это вычисление бита чётности.

Декодирование кода Хэмминга

Декодирование происходит через вычисление синдрома по выражениям:

Синдром это сложение бит по модулю два. Если синдром не нулевой, то исправление ошибки происходит по таблице декодирования:

Расстояние Хэмминга

Расстояние Хэмминга — число позиций, в которых соответствующие символы двух кодовых слов одинаковой длины различны. Если рассматривать два кодовых слова, (пример на картинке ниже, 1 0 1 1 0 0 1 и 1 0 0 1 1 0 1) видно что они отличаются друг от друга на два символа, соответственно расстояние Хэмминга равно 2.

Кратность исправляемых ошибок и обнаруживаемых, связано минимальным расстоянием Хэмминга. Любой помехоустойчивый код добавляет избыточность с целью увеличить минимальное расстояние Хэмминга. Именно минимальное расстояние Хэмминга определяет помехоустойчивость.

Помехоустойчивые коды

Современные коды более эффективны по сравнению с рассматриваемыми примерами. В таблице ниже приведены Коды Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ)

Из таблицы видим, что там один класс кода БЧХ, но разные параметры n и k.

Несмотря на то, что скорость кода близка, количество исправляемых ошибок может быть разное. Количество исправляемых ошибок зависит от той избыточности, которую добавим и от размера блока. Чем больше блок, тем больше ошибок он исправляет, даже при той же самой избыточности.

Пример: помехоустойчивые коды и двоичная фазовая манипуляция (2-ФМн). На графике зависимость отношения сигнал шум (Eb/No) от вероятности ошибки. За счет применения помехоустойчивых кодов улучшается помехоустойчивость.

Из графика видим, код Хэмминга (7,4) на сколько увеличилась помехоустойчивость? Всего на пол Дб это мало, если применить код БЧХ (127, 64) выиграем порядка 4 дБ, это хороший показатель.

Компромиссы при использовании помехоустойчивых кодов

Чем расплачиваемся за помехоустойчивые коды? Добавили избыточность, соответственно эту избыточность тоже нужно передавать. Нужно: увеличивать пропускную способность канала связи, либо увеличивать длительность передачи.

Необходимость чередования (перемежения)

Все помехоустойчивые коды могут исправлять только ограниченное количество ошибок t. Однако в реальных системах связи часто возникают ситуации сгруппированных ошибок, когда в течение непродолжительного времени количество ошибок превышает t.

Например, в канале связи шумов мало, все передается хорошо, ошибки возникают редко, но вдруг возникла импульсная помеха или замирания, которые повредили на некоторое время процесс передачи, и потерялся большой кусок информации. В среднем на блок приходится одна, две ошибки, а в нашем примере потерялся целый блок, включая информационные и проверочные биты. Сможет ли помехоустойчивый код исправить такую ошибку? Эта проблема решаема за счет перемежения.

Пример блочного перемежения:

На картинке, всего 5 блоков (с 1 по 25). Код работает исправляя ошибки в рамках одного блока (если в одном блоке 1 ошибка, код его исправит, а если две то нет). В канал связи отдается информация не последовательно, а в перемешку. На выходе кодера сформировались 5 блоков и эти 5 блоков будем отдавать не по очереди а в перемешку. Записали всё по строкам, но считывать будем, чтобы отправлять в канал связи, по столбцам. Информация в блоках перемешалась. В канале связи возникла ошибка и мы потеряли большой кусок. В процессе приема, мы опять составляем таблицу, записываем по столбцам, но считываем по строкам. За счет того, что мы перемешали большое количество блоков между собой, групповая ошибка равномерно распределится по блокам.

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