Основы информатики и защиты информации

ОСНОВЫ  ИНФОРМАТИКИ 
И  ЗАЩИТЫ  ИНФОРМАЦИИ

Москва
РИОР
ИНФРА-М

Е.К. БАРАНОВА

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано Учебно-методическим объединением
по образованию в области прикладной информатики
в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся
по специальности «Прикладная информатика»
и другим экономическим специальностям

УДК 004.9(075.8)
ББК 32.81я73
 
Б24

Баранова Е.К. 
Îñíîâû èíôîðìàòèêè è çàùèòû èíôîðìàöèè : ó÷åá. ïîñîáèå / Å.Ê. Áàðàíîâà. — Ì. : ÐÈÎÐ : ÈÍÔÐÀ-Ì, 2018. — 183 ñ. + 
Äîï. ìàòåðèàëû [Ýëåêòðîííûé ðåñóðñ; Ðåæèì äîñòóïà http://
www.znanium.com]. — (Âûñøåå îáðàçîâàíèå). — DOI: https://
doi.org/10.12737/18772
ISBN 978-5-369-01169-0 (ÐÈÎÐ)
ISBN 978-5-16-006484-0 (ÈÍÔÐÀ-Ì, print)
ISBN 978-5-16-104837-5 (ÈÍÔÐÀ-Ì, online)

 êíèãå èçëîæåíû îñíîâû ñîâðåìåííîé èíôîðìàòèêè êàê îòðàñëè 
çíàíèé, îñíîâàííîé íà èñïîëüçîâàíèè ñðåäñòâ âû÷èñëèòåëüíîé òåõíèêè è 
èçó÷àþùåé ñòðóêòóðó è îáùèå ñâîéñòâà èíôîðìàöèè, à òàêæå çàêîíîìåðíîñòè è ìåòîäû åå ñîçäàíèÿ, õðàíåíèÿ, ïîèñêà, ïðåîáðàçîâàíèÿ, ïåðåäà÷è 
è ïðèìåíåíèÿ â ðàçëè÷íûõ ñôåðàõ äåÿòåëüíîñòè.
 ïðèëîæåíèè ê ó÷åáíîìó ïîñîáèþ ïðèâîäÿòñÿ âàðèàíòû êîíòðîëüíûõ 
çàäàíèé è îïèñàíèå ëàáîðàòîðíûõ ðàáîò ïî îñíîâíûì ðàçäåëàì êóðñà. Âñå 
ëàáîðàòîðíûå ðàáîòû ñîäåðæàò ïîäðîáíûå îïèñàíèÿ àëãîðèòìîâ, ñîïðîâîæäàåìûå ñîîòâåòñòâóþùèìè ïîÿñíåíèÿìè è èëëþñòðàöèÿìè. 
Êíèãà ðàññ÷èòàíà â ïåðâóþ î÷åðåäü íà ñòóäåíòîâ âûñøèõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé,  áàêàëàâðîâ, ìàãèñòðîâ, îáó÷àþùèõñÿ ïî ñïåöèàëüíîñòÿì 
«Ïðèêëàäíàÿ èíôîðìàòèêà â ýêîíîìèêå», «Ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêîå îáðàçîâàíèå» è «Èíôîðìàòèêà». Îíà ìîæåò áûòü òàêæå ïîëåçíà ó÷àùèìñÿ 
ñòàðøèõ êëàññîâ îáùåîáðàçîâàòåëüíûõ øêîë è ñòóäåíòàì ìëàäøèõ êóðñîâ 
âûñøèõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé, èçó÷àþùèõ êóðñ «Èíôîðìàòèêà», òàê êàê, ïî 
ñóùåñòâó, ýòî áàçîâûé êóðñ, êîòîðûé çíàêîìèò èõ ñ øèðîêèì ñïåêòðîì 
âîïðîñîâ â äàííîé îáëàñòè.
УДК 004.9(075.8)
ББК 32.81я73

Б24

© Áàðàíîâà Å.Ê.

ISBN 978-5-369-01169-0 (ÐÈÎÐ)
ISBN 978-5-16-006484-0 (ÈÍÔÐÀ-Ì, print)
ISBN 978-5-16-104837-5 (ÈÍÔÐÀ-Ì, online)

Рецензенты:
Корольков А.В. — декан факультета электроники и системотехники Московского 
государственного университета леса, д-р. физ.-мат. наук, профессор;
Мельников Н.В. — академик IIA(UNO), д-р техн. наук, профессор Государственного университета управления

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны 
в электронно-библиотечной системе ZNANIUM по адресу
http://znanium.com.
Ссылку для доступа вы можете получить при сканировании 
QR-кода, указанного на обложке

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ПРЕДИСЛОВИЕ

В книге изложены основы современной информатики как отрасли знаний, основанной на использовании средств вычислительной техники (СВТ). 
Информатика изучает структуру и общие свойства информации, а также 
закономерности и методы ее создания, хранения, поиска, преобразования, 
передачи и применения в различных сферах человеческой деятельности. 
Отдельная глава посвящена вопросам защиты информации, поскольку информация перестала быть просто необходимым для производства 
вспомогательным ресурсом или побочным проявлением всякого рода 
деятельности, а приобрела ощутимый стоимостной вес, который четко 
определяется реальной прибылью, получаемой при ее использовании, 
или размерами ущерба, с разной степенью вероятности наносимого владельцу информации в случае ее искажения или утраты. Обеспечение 
целостности, доступности и конфиденциальности информации, циркулирующей в информационно-вычислительных системах и сетях, приобрело в настоящее время исключительное значение. 
Основные вопросы, рассматриваемые в книге: предмет информатики; место информатики в системе наук; понятие и меры информации; 
принципы представления, хранения, обработки и использования информации; основы теории кодирования; виды кодирования;  арифметические и логические основы построения цифровых автоматов; основы защиты информации. 
В книгу вошли материалы лекций, прочитанных автором на протяжении многих лет студентам Московского государственного университета леса (МГУЛ) и Российского государственного социального университета (РГСУ).
Побудительным мотивом для написания этой книги явился тот факт, 
что современные учебные пособия по информатике предназначены 
либо для студентов гуманитарных факультетов и в основном предлагают рассмотрение вопросов использования прикладных пакетов программ, либо ориентированы на студентов технических специальностей 
и рассматривают базовые  вопросы информатики с точки зрения применения полученных знаний для построения архитектуры аппаратных 
комплексов СВТ.
Книга рассчитана в первую очередь на студентов высших учебных 
заведений, бакалавров, магистров, обучающихся по специальности 
«Прикладная информатика в экономике», «Физико-математическое 
образование» и «Информатика». Она может быть также полезна и студентам младших курсов высших учебных заведений, изучающих курс 
«Информатика», так как по существу это базовый курс, который знакомит их с широким спектром знаний в данной области.

ГЛАВА 1. 
ПРЕДМЕТ ИНФОРМАТИКИ. МЕСТО 
ИНФОРМАТИКИ В СИСТЕМЕ НАУК

1.1. Краткий исторический очерк развития 
информационных технологий

Термин «информатика» (франц. informatique) происходит от французских слов information (информация) и automatique (автоматика) и 
дословно означает – информационная автоматика. Широко распространен также англоязычный вариант этого термина – сomputer science, 
что означает буквально – «компьютерная наука». 
Инфоpматика – это основанная на использовании компьютерной техники отрасль знаний, изучающая структуру и общие свойства информации, 
а также закономерности и методы ее создания, хранения, поиска, преобразования, передачи и применения в различных сферах человеческой деятельности [3]. В 1978 г. международный научный конгресс официально 
закрепил за понятием «информатика» области, связанные с разработкой, 
созданием, использованием и материально-техническим обслуживанием 
систем обработки информации, включая компьютеры и их программное 
обеспечение, а также организационные, коммерческие, административные 
и социально-политические аспекты компьютеризации – массового внедрения компьютерной техники во все области жизни людей. 
Информатика в широком смысле – отрасль знаний, изучающая общие свойства и структуру информации, а также закономерности и 
принципы ее создания, преобразования, накопления, передачи и использования в различных областях человеческой деятельности. 
Информатика в узком смысле – отрасль знаний, изучающая законы 
и методы накопления, передачи и обработки информации с помощью 
компьютера. 
Обращаясь к истории развития информатики, точнее ее предыстории, следует обратить внимание на то, что когда Норберт Винер 
(Norbert Wiener) в 1948 г. провозгласил кибернетику, искусственный 
интеллект, да и сама кибернетика были в определенной степени заявкой, лозунгом для программы работ, т.е. тем, что стало осязаемой 
реальностью лишь в будущем. Как ясно многим сегодня и было понятно серьезным исследователям сразу, «новая наука была названа, 
но новой науки как таковой не было»1.

1 Журавлев Ю.И. Ляпунов и становление кибернетики в нашей стране. М.: 
Наука, 1980.

Прошло более полувека, и информатика стала неотъемлемой частью нашей жизни. Бурное развитие компьютерных технологий не 
оставляет места для ностальгии по старому доброму времени. Казалось 
бы, что можно увидеть интересного в деятельности изобретателей, 
родившихся более двух веков назад, тем не менее...
Чарльз Бэббидж (Charles Babbage) родился в 1791 г. в Англии. 
Состояние его отца, банкира, не только позволило юному Чарльзу 
обучаться в частных школах и окончить Кембридж, но и сделало его 
относительно финансово независимым на всю оставшуюся жизнь. 
Бэббижд был весьма одаренным и разносторонним человеком. Он был 
необычайно общителен – среди его друзей Лаплас, Гумбольт, Юнг, 
Фурье, Бессель и многие другие известные ученые. 
Главное дело жизни Бэббиджа – разностная, а затем аналитическая 
машина (рис. 1.1). Заметим, что правительство Англии, которое обычно не финансировало в то время научные исследования, в виде исключения периодически выделяло Бэббиджу определенные суммы.

 Рис. 1.1. Аналитическая машина Бэббиджа

Работать над созданием разностной машины Бэббидж начал вскоре после 1812 г. Прежде всего у него возникло множество, как сейчас 
бы сказали, технологических проблем. Приходилось изобретать не 
только узлы и механизмы, но и способы их изготовления с достаточной точностью. Тем не менее при всех сложностях Бэббидж сумел к 
1822 г. построить действующую модель, на которой он рассчитал, в 
частности, таблицу квадратов.
Около 1833 г. ему пришла в голову идея усовершенствованной машины (он назвал ее аналитической), после чего работы над разностной 
машиной он практически прекратил, ибо возможности новой машины значительно перекрывали возможности разностной. Это и была 
первая в истории идея цифровой вычислительной машины (ЦВМ).
Идея аналитический машины состояла в том, чтобы использовать 
единую конструкцию для выполнения многих, теоретически любых 

программ. Это и есть идея  ЦВМ во вполне современном виде. Машина 
Бэббиджа содержала все узлы сегодняшнего компьютера: ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, на регистрах из колес (Бэббидж 
назвал его store – склад) емкостью 1000 чисел по 50 десятичных знаков, 
т.е. около 20 Кбайт; АЛУ – арифметико-логическое устройство (mill – 
мельница) имело, как бы мы сейчас сказали, аппаратную поддержку 
всех четырех действий арифметики; устройство управления и устройства ввода-вывода, последних было целых три: печать одной или двух 
копий, изготовление стереотипного отпечатка и пробивка на перфокартах.
Трудно представить – на дворе 1834 г. Еще не изобретены фотография, электрические генераторы и в помине нет телефона и радио, 
только-только начали прокладывать первые железные дороги и телеграфные линии. Радиоактивность, которая повлечет за собой всю цепочку событий, приведших в том числе к достижениям современной 
технологии полупроводников, откроют только в 1890-х гг., а прообраз 
современных средств вычислительной техники уже рожден.
Ада Августа Лавлейс (Ada Loveleis) – дочь Байрона и первая в истории программистка прожила короткую жизнь и умерла в 1852 г. в возрасте 37 лет. Ада с малолетства привлекала внимание современников 
нетривиальным сочетанием черт характера – будучи вполне миловидной и женственной, в то же время она поражала своим быстрым математическим умом. Окружающие поощряли ее математические занятия, в том числе и состоятельных муж, граф Лавлейс, что само по 
себе вещь не очень обычная для тех времен.
В 1842 г. итальянец Менабреа (Menabrea)1 опубликовал описание 
аналитической машины Бэббиджа на итальянском языке, заметим, 
что сам Бэббидж не был расположен к популяризации своих идей. Ада 
Лавлейс сделала перевод этой работы на английский, и, Бэббидж, 
познакомившись с работой Ады, предложил ей сделать свои комментарии к переводу. Вот эти-то комментарии, явившиеся единственной 
печатной работой Ады, значительно превысившие как по объему, так 
и по значению сам оригинал, и вошли в историю как пример первого 
описания ЦВМ – цифровой вычислительной машины и инструкций 
по программированию к ней.
Значение деятельности Бэббиджа и Лавлейс далеко не историческое. 
Их работы ни в коем случае не принадлежат к историческим курьезам, 

1 Луиджи Федериго (с 1861 г. – граф Menabrea, с 1875 г. – маркиз de Val-Dora) – 
итальянский генерал и политический деятель (1809–1896), военный инженер, 
профессор механики в Туринской военной академии; принимал участие в войнах 1848–1849 гг. и 1859 г. В 1848 г. был избран депутатом, в 1860 г. назначен 
сенатором.

и, когда разрабатывалась теория первых вычислительных машин, ее 
создатели уже знали, куда идти – за сто лет до того им была указана 
столбовая дорога, с которой никто так и не свернул. Конечно, были и 
продолжаются попытки создания компьютеров, основанных на других 
принципах, часто успешные (нейрокомпьютеры, квантовые компьютеры), но все, что мы видим в повседневной жизни – начиная от терминала на рабочем месте оператора в банке и заканчивая мобильным 
телефоном, – построено в основе точно так же, как это задумали один 
упрямый математик и одна светская леди много лет назад1.
Важную роль в дальнейшем развитии цифровой вычислительной 
техники сыграло и сравнительно простое изобретение – перфокарты, 
использовавшиеся для ввода и вывода информации уже в ткацком 
станке Жаккарда2 в 1801 г.
В России в 1882 г. Чебышев Пафнутий Львович, знаменитый математик, академик, автор многочисленных научных трудов, реализовал 
идею механического арифмометра для реализации операций сложения, вычитания, 
деления.
В 1904 г. Крылов Алексей Николаевич 
сконструировал вычислительную машину 
для решения дифференциальных уравнений. 
Все устройства, создаваемые до 40-х гг. 
прошлого столетия, объединяет один признак – они, как и аналитическая машина 
Бэббиджа, были механическими, что ограничивало их скоростные и надежностные 
характеристики. 

Рис. 1.2. Механические арифмометры
 
Лишь бурное развитие электротехники, а позднее электроники привело к созданию современных ЦВМ. Можно продолжить список имен 
тех, кто стоял у истоков идеи автоматизации процесса вычислений. 
К середине XX в. фундаментальной теоретической идеей, давшей 
очередной толчок развитию информатики, была идея машины 
Тьюринга, которая возникла в связи с развитием теории алгоритмов, 

1 Ревич Ю. Основоположники // Знание-Сила. 1999. № 4.

2 Французский ткач Жозеф-Мари Жаккард в 1801 г. предложил способ автоматического контроля за нитью при работе на ткацком станке. Способ заключался в использовании специальных карточек с просверленными в нужных 
местах (в зависимости от узора, который предполагалось нанести на ткань) 
отверстиями.

созданной в 30-е гг. ХХ столетия. Алгоритм в самом общем виде представляет собой некоторое предписание или систему правил, выполнение 
которых должно привести к получению вполне определенного результата. 
В 1936 г. известные математики Эмиль Леон Пост (Emil L.Post) и 
Алан Мэтисон Тьюринг (Alan M.Turing) независимо друг от друга предложили для уточнения понятия «алгоритм» идею абстрактного автоматического устройства, получившего впоследствии название машины Тьюринга. Это устройство, состоявшее из бесконечной бумажной 
ленты с записанными на ней символами и считывающей головки, 
могло решать любые математические или логические задачи. Таким 
образом, она обладала основными свойствами современного компьютера: пошаговым выполнением математических операций, запрограммированных во внутренней памяти. Описание действия машины 
Тьюринга и машины Поста можно найти во многих популярных и 
учебных источниках1 [5, 11].
Идея машины Тьюринга привела к выводу о возможности материальной реализации алгоритмических вычислительных процедур. 
Поэтому современные компьютеры есть не что иное, как более или 
менее специализированные технические воплощения универсальной 
машины Тьюринга. Алану Тьюрингу принадлежит мысль о том, что 
рано или поздно будет создан компьютер, способный мыслить, и предложен простой тест для определения этой способности у компьютера, 
названный тестом Тьюринга. Эти работы Тьюринга считаются основополагающими в теории искусственного интеллекта. 
Один из основоположников теории искусственного интеллекта, 
американский профессор Дж. Вейценбаум подчеркивал, что в условиях информационного общества человек становится человеком 
Тьюринга. Это определение может в известном смысле рассматриваться как синоним для обозначения современного человека информационного.

ПОКОЛЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН 

Мощный импульс развитию электронной вычислительной техники дала Вторая мировая война. Потребности военного противоборства 
сформировали целый ряд проблем.

1 См., напр.: Могилев А.В., Пак Н.И., Хённер Е.К. Информатика: Учеб. пособие 
для студ. пед.  вузов. М.: Academia, 1999. C. 55–63. 

Разработкой проблем математической теории передачи сигналов в 
информационных системах – теории информации – занялась группа, 
возглавляемая Клодом Элвудом Шенноном (C. Shannon) [53].   
Разработку проблем, связанных с шифрованием и дешифрованием 
информации, а также обеспечением соответствующей вычислительной 
техникой боевых действий, в числе других исследователей вели английские ученые, инженеры и математики, включая Алана Тьюринга. С началом Второй мировой войны Тьюринг возглавил секретную работу на 
британское криптоаналитическое бюро (Государственный институт 
кодов и шифров).
Эти исследователи стали классиками науки об информации ХХ столетия.
В 1944 г. группа исследователей фирмы IBM (International Business 
Machines) под руководством Говарда Айкена создала электрическую 
вычислительную машину «Марк-1», впервые реализовав идеи 
Бэббиджа. Для представления чисел в ней были использованы механические элементы – счетные колеса, для управления – электромеханические реле. 
«Марк-1» и наиболее удачная модель «Марк-2» (1947 г.) имели релейную базу; в качестве носителя информации использовали перфоленту и имели быстродействие для операции сложения порядка 0,125 с.
Одна из самых мощных релейных машин РВМ-1 была в начале 
50-х гг. построена в СССР под руководством Н.И. Бессонова. Она выполняла до 20 умножений в секунду с достаточно длинными двоичными числами. Однако релейные машины были очень быстро вытеснены 
электронными, гораздо более производительными и надежными. 
В 1946 г. под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта была 
создана большая вычислительная машина ЭНИАК (ENIAC, Electronic 

Рис. 1.4. Клод Элвуд Шеннон
Рис.1.3. Алан Мэтисон Тьюринг

Numeral Integrator and Calculator) – родоначальник первого поколения 
ЦВМ уже на электронных лампах, а не на реле. В Советском Союзе 
создание компьютеров первого поколения началось по инициативе 
С.А. Лебедева в 1947 г.  В 1950 г. появился  первый советский компьютер – МЭСМ (Малая электронно-счетная машина).
Созданные в рамках этого цикла машины первого поколения имели гигантские по нынешним временам масштабы: одна машина весила 30 т, имела 18 тыс. ламп и совершала 5 тыс. операций в секунду. 
Ввод и вывод информации совершался с помощью перфокарт, а составление программ было уникальным творческим процессом, требовавшим большого времени и высочайшей профессиональной квалификации. 
Впечатление от быстродействия и вычислительной мощи этих машин было так велико, что первоначально, по мнению наиболее компетентных специалистов и в США, и в СССР, для решения оборонительных, народно-хозяйственных и научных проблем следовало создать не более 10–12 таких агрегатов. В США ошибочность таких 
расчетов была осознана довольно скоро, и мощные промышленные 
фирмы начали интенсивно развивать в содружестве с университетами 
и Министерством обороны новую информационную индустрию и технологию. 
Одним из основных понятий эволюции средств вычислительной техники 
является понятие поколения, которое 
фиксирует появление принципиально 
новых характеристик, связанных с элементной базой, быстродействием, на
Рис. 1.6. Малая электронносчетная машина (МЭСМ)

Рис. 1.5. Общий вид ЦВМ первого поколения