Сборник лабораторных работ по дисциплине «Информатика», часть 2

 
А.П. Алексеев  
 

 

 
СБОРНИК  
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ  
ПО ДИСЦИПЛИНЕ  

«ИНФОРМАТИКА», 
часть 2 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
СОЛОН-Пресс 
2020 
 
 

УДК 004.083.73 (075.8) 
ББК 32.97 
А47 
 
Рецензенты: 
Руководитель кафедрой Компьютерных систем и технологий Шуменского университета им. Епископа К.Преславского (Болгария), профессор 
Станев С.С. 
Доцент кафедры информационных систем и технологий Поволжского 
государственного университета телекоммуникаций и информатики доц., 
к.т.н. Назаренко П.А. 
. 
 
Алексеев А.П. Сборник лабораторных работ по дисциплине «Информатика», часть 2. Учебное пособие по дисциплине «Информатика», для студентов первого курса специальностей 10.03.01 и 10.05.02. – М: СОЛОНПресс. 2020. –  256 с. 
 
Учебное пособие содержат описание тринадцати лабораторных работ, 
выполняемых во втором семестре студентами первого курса. 
Рассматриваются методы сжатия информации, помехоустойчивого кодирования, QR-код, методы стеганографии и криптографии, принцип пространственно-временного распыления информации, асимметричный шифр RSA. 
Материалы данного учебного пособия базируются на предыдущие издания:  
1. Алексеев А.П. Информатика 2015: учебное пособие/ Алексеев А.П. 
– М: СОЛОН-Пресс, 2015. – 400 с. ISBN 978-5-91359-158-6. 
2.  Алексеев А.П. Сборник лабораторных работ по дисциплине «Информатика», часть 1.: учебное пособие// Алексеев А.П. – М: СОЛОН-Пресс, 
2016. – 262 с. ISBN 978-5-91359-193-7. 
3. Алексеев А.П. Сборник задач по дисциплине «Информатика» для 
ВУЗов: учебное пособие// Алексеев А.П. – М: СОЛОН-Пресс, 2016. – 104 с. 
ISBN 978-5-91359-170-8. 
__________________________________ 
 
Ответственный за выпуск: В. Митин 
ООО «СОЛОН-Пресс» 
Верстка: А. П. Алексеев  
115142, г. Москва, Кавказский бульвар, д. 50 
Обложка: СОЛОН-Пресс  
Формат 60×88/8. Объем 16 п. л. Тираж 300 экз. 
____________________________________ 
 
ISBN 978-5-91359-220-0  
 
 
© Алексеев А.П., 2020 
© СОЛОН-Пресс, 2020 

Содержание 
 
 
 
 
 
Стр. 
Введение…………………………………………………….............
 
4 
1. Сжатие информации методом RLE…………………………… 
 
5 
2. Помехоустойчивый код Хэмминга…………………………… 
 
11 
3. Помехоустойчивый код БЧХ………………………………….. 
 
26 
4. Исследование QR-кода………………………………………… 
 
40 
5. Простейшие способы скрытой передачи данных……………. 
 
69 
6. Стеганографические программы Courier и S-Tools…………. 
 
86 
7. Форматная стеганография…………………………………….. 
 
108 
8. Сокрытие информации в файлах формата WAV…………….. 
 
124 
9. Сокрытие информации в звуковых файлах формата MIDI… 
 
133 
10. Сокрытие информации на HTML – страницах……………. 
 
141 
11. Скрытая передача информации с помощью Mathcad……… 
 
167 
12. Метод временного распыления информации ……………… 
 
194 
13. Вычисления с помощью математической системы Mathcad  
 
206 
Приложения………………………………………………………. 
 
243 
Заключение……………………………………………………….. 
 
255 
 
 

 
 
Пока мы доберёмся до «Я», 
в начале алфавита будут 
стоять совсем другие буквы. 
С. Лец 
 
 
Введение 
 
Лучший способ закрепить учебный материал – выполнить большое 
число лабораторных работ по изучаемой теме. 
Данный Сборник лабораторных работ содержит теоретический материал, примеры выполнения лабораторных работ по Информатике, задания 
для проведения лабораторных работ на первом курсе во втором семестре. 
Сборник лабораторных работ предназначен, как для студентов, так и 
для преподавателей. В публикации собрано большое число методических 
указаний на выполнение лабораторных работ, поэтому преподаватели могут 
подобрать темы в зависимости от рабочей программы и часов, выделенных 
на проведение занятий. 
Структура описания всех работ одинаковая: вначале рассматривается 
теоретический материал (общие сведения), затем приводятся задания для 
аудиторного выполнения работ, затем методические указания для выполнения каждого задания. 
Вопросы, замечания можно направить автору по адресу apa@63.ru. 
Дополнительные материалы (контейнеры, программы) размещены в социальной сети Вконтакте (Алексеев Александр, Самара, ПГУТИ). 
Автор выражает благодарность профессору Станеву С.С., к.т.н., доц. 
Назаренко П.А., к.т.н., доц. Камышникову В.В., к.т.н, доц. Коваленко Т.А., 
к.т.н., доц. Макарову М.И., доц. Сирант О.В., асс. Яковлевой С.С. за обнаруженные неточности в рукописи, методические советы при формировании заданий и практической обкатке лабораторных работ. 
 
 
 

Сжатие информации методом RLE 
____________________________________________________________________________ 
 

5

Лабораторная работа № 1 
Сжатие информации методом RLE 
 
1. Цель работы 
Изучить метод сжатия информации RLE, получить практические 
навыки сжатия файлов стандартными архиваторами. 
 
2. Общие сведения 
Несмотря на то, что объёмы внешней памяти ЭВМ постоянно 
растут, потребность в сжатии информации не уменьшается. Это объясняется тем, что сжатие необходимо не только для экономии места в памяти ЭВМ, но и для быстрой передачи информации по Сети (например, 
для трансляции спортивного соревнования в реальном масштабе времени).  
Кроме того, возможность отказа магнитных и полупроводниковых 
носителей информации, разрушающее действие вирусов заставляют 
пользователей делать резервное копирование ценной информации на 
другие (запасные) носители информации. Очевидно, что разумнее информацию хранить сжатой. 
Сжатие информации (архивация) — это такое преобразование 
информации, при котором объем (размер) файла уменьшается, а количество информации, содержащейся в архиве, остаётся прежним. 
Степень сжатия информации зависит от содержимого файла и 
формата файла, а также от выбранного метода сжатия информации. Степень (качество) сжатия файлов характеризуется коэффициентом сжатия Kc, определяемым как отношение объёма исходного файла Vo к объёму сжатого файла Vc: 

.
o
c
c

V
K
V

 

Чем больше величина Kc, тем выше степень сжатия информации. 
Все существующие методы сжатия информации можно разделить на два класса: сжатие без потерь информации (обратимый алгоритм) и сжатие с потерей информации (необратимый алгоритм). В первом случае исходную информацию можно точно восстановить по имеющейся упакованной информации. Во втором случае распакованное сообщение (например, фотография) будет незначительно отличаться от 
исходного сообщения.  
Одна из идей сжатия состоит в учёте того факта, что в файлах 
часто встречаются несколько подряд идущих одинаковых байтов, а не

Сжатие информации методом RLE 
____________________________________________________________________________ 
 

6

которые последовательности байтов повторяются многократно. При архивации такие места файла можно заменить командами вида «повторить данный байт n раз» или «взять часть данных длиной k байтов, которая встречалась m байтов назад». Такой алгоритм архивации называется методом сжатия информации RLE (Run Length Encoding — кодирование путём учёта повторений или кодирование длин серий). 
Рассмотрим основную идею сжатия информации методом RLE.  
Упакованная методом RLE последовательность состоит из 
управляющих байтов, за которыми следуют один или несколько байтов данных. При этом, если старший бит управляющего байта равен 1, 
то следующий за ним байт данных нужно повторить при декодировании 
столько раз, сколько указано в оставшихся 7 битах управляющего байта.  
Например, управляющий байт 10001001 говорит, что следующий 
за ним байт нужно повторить 9 раз, так как 10012 = 910. 
Если старший бит управляющего байта равен 0, то при декодировании нужно взять несколько следующих байтов без изменений. Число 
байтов, которые берутся без изменений, указывается в оставшихся 7 битах. Например, управляющий байт 00000011 говорит, что следующие за 
ним 3 байта нужно взять без изменений. 
Рассмотрим пример сжатия данных методом RLE. 
Пусть дана некоторая последовательность из 12 байтов: 

11111111 11111111 11111111 11111111 11111111 11110000 
00001111 11000011 10101010 10101010 10101010 10101010. 

В начале исходной двоичной последовательности 5 раз повторяется байт 11111111. Чтобы упаковать эти 5 байтов, нужно записать сначала управляющий байт 10000101, а затем повторяемый байт 11111111. 
В результате сжатия этого фрагмента данных выигрыш составит 3 
байта. Далее идут 3 разных (неповторяющихся) байта: 11110000 
00001111 и 11000011. Чтобы их «упаковать», нужно записать управляющий байт 00000011, а затем указать эти 3 неповторяющихся байта. В 
результате архивации этого фрагмента двоичной последовательности 
получается увеличение объёма архива по сравнению с исходными данными на 1 байт. Далее в последовательности 4 раза повторяется байт 
10101010. Для архивации этого фрагмента двоичных данных нужно 
сформировать управляющий байт 10000100 и записать один раз повторяемый байт 10101010. Сжатие последнего фрагмента даст выигрыш 2 
байта. 
В результате проведённой архивации получена новая последовательность данных (архив), состоящая из 8 байтов: 
10000101 11111111 00000011 11110000 

Сжатие информации методом RLE 
____________________________________________________________________________ 
 

7

00001111 11000011 10000100 10101010. 

Таким образом, 12 байт исходной двоичной последовательности 
удалось сжать до 8 байт. Коэффициент сжатия составил: 

12
1,5 .
8
c
K 

 

 
3. Задания на выполнение лабораторной работы 
 
3.1. Задание 1. Исследование эффективности сжатия файлов 
различных форматов 
С помощью архиватора (WinZip, WinRar, 7-Zip и т.п.) выполнить 
сжатие различных документов, формат которых указан в таблице 3.1.1 
 
Табл. 3.1.1 
Документ 
Расширение 
Объем 
файла до 
архивации, 
Кбайт 

Объем файла 
после архивации, Кбайт 

Коэффициент 
сжатия 
 

Текст 
.doc 
 
 
 

Рисунок 
.jpg 
 
 
 

Рисунок 
.bmp 
 
 
 

Видео 
.avi 
 
 
 

Звук 
.mp3 
 
 
 

Звук 
.wav 
 
 
 

Web-страница 
.html 
 
 
 

 
В качестве текстового документа нужно взять файл, который не 
содержит рисунков. Число символов должно быть более 3000 знаков. 
Фотографии формата JPG можно взять, например, на сайте samara.psati.ru в соответствии с вариантом (таблица 3.1.2.).  
Табл. 3.1.2 
Вар 
Раздел 
Вар 
Раздел 

1 
Администрация города 
9 
Животный мир 

2 
Учебные заведения 
10 
Набережные, пляжи 

3 
Парки, сады, скверы 
11 
Ночной город 

4 
Водоёмы 
12 
Спортивные сооружения 

5 
Вокзалы 
13 
Культовые сооружения 

6 
Растительный мир 
14 
Памятники и скульптуры 

7 
Дворцы, дома 
15 
Театры, концертные залы 

8 
Музеи, выставки 
16 
Улицы, проспекты 

Сжатие информации методом RLE 
____________________________________________________________________________ 
 

8

 
Рисунок формата BMP следует нарисовать в растровом графическом редакторе. Рисунок должен содержать изображение флага государства в соответствии с таблицей 3.1.3. 
Табл.3.1.3 
Вариант 
Страна 
Вариант 
Страна 

1. 
Россия 
9. 
Германия 

2. 
Украина 
10. 
Польша 

3. 
Франция 
11. 
Голландия 

4. 
Япония 
12. 
Болгария 

5. 
Венгрия 
13. 
Литва 

6. 
Италия 
14. 
Эстония 

7. 
Армения 
15. 
Румыния 

8. 
Латвии 
16. 
Австрия 

 
Видеоклип формата AVI желательно снять самостоятельно (с помощью видеокамеры, цифрового фотоаппарата, мобильного телефона, 
планшетника). 
В качестве звукового файла нужно использовать своё любимое 
музыкальное произведение или сделать самостоятельную запись речи 
(2…3 минуты). 
 
 
3.2. Задание 2. Сжатие информации методом RLE 
Выполнить вручную кодирование сообщения методом RLE. В 
качестве исходной фразы взять текст из табл. 3.2.1. С помощью таблицы CP-1251 (см. Приложение 1) перевести символы заданной фразы 
в двоичные числа. Выполнить сжатие информации, вычислить контрольную сумму и коэффициент сжатия. 
 
Табл. 3.2.1 
Вар 
Текст 
Вар 
Текст 

1 
Кредитка  2235555666122 
9 
Счет 95122244445333333 

2 
Паспорт  25700000333215 
10 
Касса 1478885555233333 

3 
ИНН 78888255555488856 
11 
Прошло 11100002 секунд 

4 
Пароль 177775556666612 
12 
Пролетели 82223333352 м 

5 
Пароль abcWWWWZZZq 
13 
Вес 1597555553333331 кг 

6 
Автомобиль 78999994441 
14 
Цена 2598888666611 коп 

7 
Алло это 4565555544488 
15 
Мощность 3574444555 Вт 

8 
Удостоверение 265444111 
16 
Выиграл 10000555 рублей 

Сжатие информации методом RLE 
____________________________________________________________________________ 
 

9

4. Порядок выполнения лабораторной работы 
 
4.1. Методические указания к заданию 3.1 
Работа со стандартными архиваторами, как правило, осуществляется с помощью контекстного меню. После щелчка по архивируемому файлу правой кнопкой мыши нужно следовать инструкциям (Add 
to “Имя файла”.rar). Для сжатия допустимо использовать любой архиватор. 
 
4.2. Методические указания к заданию 3.2 
Выполним сжатие сообщения методом RLE. Пусть текст сообщения будет таким: ИНН 22223133333. Процесс сжатия поясняется таблицей. 
 
Текст 
Десятичный код 
(таблица CP-1251) 
Двоичный код 
 
Архив 

И 
200 
11001000 
00000001 

Н 
205 
11001101 
11001000 

Н 
205 
11001101 
10000010 

Пробел 
32 
00100000 
11001101 

2 
50 
00110010 
00000001 

2 
50 
00110010 
00100000 

2 
50 
00110010 
10000100 

2 
50 
00110010 
00110010 

3 
51 
00110011 
00000010 

1 
49 
00110001 
00110011 

3 
51 
00110011 
00110001 

3 
51 
00110011 
10000101 

3 
51 
00110011 
00110011 

3 
51 
00110011 
 

3 
51 
00110011 
 

КС двоичная 
 
 
1010111B 

КС шестнадц. 
 
 
A7H 

 
Таким образом, пятнадцать байт исходного текста сжаты до тринадцати байт. Коэффициент сжатия в данном случае составил: 

.
154
,1
13
15 

c
K
 

Для упрощения проверки результата сжатия были вычислены 
контрольные суммы (КС) в двоичной и шестнадцатеричной системах 

Сжатие информации методом RLE 
____________________________________________________________________________ 
 

10

счисления. Для этого одноименные разряды архива были просуммированы по правилу Исключающее ИЛИ. 
 
5. Требования к отчёту 
Отчёт подготавливается в электронном виде. Он должен содержать рисунок флага, таблицу с результатами экспериментальных исследований эффективности сжатия файлов разного формата, а также результаты ручного кодирования методом RLE. 
 
 
6. Контрольные вопросы 
6.1. Перечислите известные Вам методы сжатия информации без 
потерь. 
6.2. В чём состоит отличие методов сжатия с потерями и без потерь? 
6.3. Сколько бит в управляющем байте отводят для указания 
числа повторяющихся байтов при сжатии методом кодирования длин 
серий? 
6.4. О чём говорит равенство единице старшего бита в управляющем байте при сжатии методом кодирования длин серий? 
6.5. Перечислите известные Вам архиваторы. 
6.6. Целесообразно ли выполнять сжатие файлов формата JPEG, 
MP3, MPEG? 
6.7. Рисунок какого формата будет сжат сильнее BMP или JPEG? 
6.8. Какой код является неравномерным: RLE или Хаффмана? 
6.9. Что называется кодом? 
 
 
7. Список литературы 
1. Алексеев А.П. Информатика 2015: учебное пособие/ Алексеев 
А.П. – М: СОЛОН-Пресс, 2015. – 400 с. ISBN 978-5-91359-158-6. 
2. Алексеев А.П. Сборник лабораторных работ по дисциплине 
«Информатика», часть 1.: учебное пособие// Алексеев А.П. – М: СОЛОН-Пресс, 2016. – 262 с. ISBN 978-5-91359-193-7. 
3. Алексеев А.П. Сборник задач по дисциплине «Информатика» 
для ВУЗов: учебное пособие// Алексеев А.П. – М: СОЛОН-Пресс, 2016. 
– 104 с. ISBN 978-5-91359-170-8. 
 
 
 

Помехоустойчивый код Хэмминга 
____________________________________________________________________________ 
 

11

Лабораторная работа № 2 
Помехоустойчивый код Хэмминга 
 
1. Цель работы 
Изучить принципы помехоустойчивого кодирования, получить 
навыки моделирования помехоустойчивых кодов с помощью программ 
Electronics Workbench (EWB) или Multisim. 
 
2. Общие сведения 
При работе устройств вычислительной техники и телекоммуникационной аппаратуры возможно появление ошибок (искажений) в обрабатываемых цифровых данных. Причинами сбоев могут быть мощные электромагнитные помехи, резкое изменение напряжения питания, 
старение радиоэлементов, ненадёжный контакт разъёмов, радиоактивное излучение естественных и искусственных источников и т.п. Сбои 
проявляются в виде случайного изменения одного или нескольких битов машинного слова (вместо единицы в отдельных разрядах передаётся 
ноль или наоборот). 
Автоматическое обнаружение и исправление ошибок сопровождается введением избыточности в передаваемые или хранимые данные. 
Для этих целей разработаны специальные коды, в которые помимо информационных битов 
nb
b
b
...
2
1
 дополнительно вводят контрольные 

(проверочные) биты 
m
k
k
k
...
2
1
. Контрольные биты позволяют прове
рять целостность (не искаженность) информационных битов машинного слова, а наиболее сложные коды могут не только обнаружить, но и 
исправить неверно принятые биты. 
Разработанные помехоустойчивые коды позволяют решать разные задачи: обнаружить одиночную ошибку, обнаружить и исправить 
единственную ошибку, обнаружить и исправить несколько ошибок. 
Первые коды называются обнаруживающими, а вторые – корректирующими кодами. 
На передающей стороне формирование помехоустойчивого кода 
осуществляют с помощью специального устройства – кодера. Обнаружение и исправление ошибок на приёмной стороне производят с помощью устройств, которые называются декодерами. В данной лабораторной работе кодер и декодер строят с помощью комбинационных цифровых устройств (логические элементы, которые выполняют функцию 
неравнозначности).