KURZUS: Rendszer és irányítás

MODUL: II. modul: Az információ

2. lecke: Az információ megjelenése

| A rendszerhez hasonló alapfogalom életünkben az információ. Sokszor használjuk - informatikusok is - helytelenül, és információnak nevezünk adatot, hírt, értesülést stb. A hétköznapi életben ez általában nem is okoz semmi problémát, hiszen adott szöveg-, illetve beszédkörnyezetben azért egyértelmű a dolog. Az informatikusnak azonban tisztában kell lennie a pontos jelentéssel, hiszen számára az információ a tevékenysége meghatározó attribútuma.
Az információ a rendszerek irányításának nélkülözhetetlen eleme, ezért fontos, hogy tisztában legyünk annak pontos jelentésével és tulajdonságaival.
Ennek igazolására álljon itt Norbert Wiener, amerikai matematikusnak, az információelmélet egyi kimagasló kutatójának, a kibernetika "atyjának" a kijelentése:
Egy szervezetet az információs rendszerek, tehát az alkotóelemei közötti rendszeres információcsere tesz szervezetté.
Cél: A lecke célja, hogy a hallgató megismerje és megértse a rendszerelmélet alapvető fogalmait és folyamatait. Az alapfogalmak a tananyag további részének elsajátítása során segítik azok részletesebb kifejtését, megértését.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes
ismeri az információelmélet létrejöttének okait, körülményeit, ismeri az üzenetküldés folyamatát és összetevőit, ismeri a kódolás szerepét, jelentőségét és kódolási formákat.
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 45 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak
információ, kommunikáció, kód, hibafelismerés, hibajavítás, redundancia Hamming, Shannon
1. Bevezetés
Az információ léte egyidős az emberiséggel (1. ábra). E nélkül nem működhetnek az élő szervezetek, sem a belőlük alkotott közösségek - RENDSZEREK.
Az információ a latin "informo" - alakít, formál - szóból ered, bár ma inkább az angol information szóval azonosítjuk. Amikor információról beszélünk, ugyanabba a problémába ütközünk, amit már a rendszer fogalomnál is tapasztaltunk. Sokan, sokféleképpen közelítik, használják. Bár az értelmezések "mélyére" nézve felfedezhetők bizonyos alapösszefüggések, ez a sokszínűség sokszor zavaró. (https://wikiszotar.hu/ertelmezo-szotar/Információ)
Általánosságban elmondhatjuk, hogy az információ valamilyen új ismeretet jelent. Ennél viszont nekünk, informatikusoknak azért illik egy kicsit jobban elmélyedni az információ "lélektanában", és megismerkedni mindenekelőtt az információelmélet alapjaival és az információ szerepével.
Elöljáróban szögezzük le, az adat, a jel, a hír ... önmagában nem információ!
Az információ megjelenése (forrás: Jean Effel: A Világ teremtése)
1. ábra
2. Az információelmélet kialakulásának háttere
Az emberiség évezredekig egészen jól elvolt a nélkül, hogy tisztában lett volna az információ mibenlétével. (Most tekintsünk el attól, hogy - "szokás szerint" - már a régi görög filozófiában is megjelenik az információ, helyesebben, a megismerés. Ez az ókori hatás egyébként a mai filozófia-tudományban is jelen van.) Ez persze nem azt jelenti, hogy nem létezett az információ - utaltunk rá, hogy az már elég régen megvolt - csak annyit, hogy nem volt rá szükség, hogy definiálják a fogalmat.
Az 1840-es években - I. Ipari Forradalom időszaka - a természettudomány területén is jelentős fejlődés indult. Az információ-fogalom modernkori megjelenése a fizikai-, ezen belül is a termodinamikai kutatásokhoz köthető. A következő mérföldkő a modern távközléstechnika megjelenése. 1837-ben Morse bemutatta az első távíró rendszert, majd 1894-ben Popov, ill. Marconi - bár ezt máig sokan vitatják - egymástól függetlenül a vezeték nélküli távírót szabadalmaztatta. A műszaki alapokon működő távközlés létrejötte az, amely az információelmélet kialakulásában döntő jelentőségű volt.
Addig a kommunikáció hagyományos formái - élőszó, levél és a nem kifejezetten technikai távközlési módszerek, mint zászló-, fáklya-, füst- és hangjelek - nem izgatták különösebben a tudósokat, hogy ezzel a kérdéssel foglalkozzanak.
A vezetékes, majd pár évtized múlva a vezeték nélküli távközlés megjelenése viszont már felkeltette az érdeklődést. Mára az információelmélet a matematika alaposan kidolgozott ága, amely meghatározó szerepet tölt be több tudományágban, így - számunkra elsősorban - a hírközlés és az informatika terén is.
3. A kommunikációs modell
Az információelmélet "megjelenését" C. E. Shannon - akit ma az információelmélet atyjaként tisztelünk (https://en.wikipedia.org/wiki/Claude_Shannon) - 1948-ban megjelent alapművéhez [1] szokás kötni. Az ilyen "születési" dátumok természetesen meglehetősen szubjektívek - hiszen Shannon előtt is számos jeles tudós foglalkozott a kérdéssel - tény, hogy a jelzett mű a téma első, minden tekintetben alapos, összefoglaló prezentációja. Művében Shannon maga is hivatkozik több elődjének munkásságára.
A korszerű információelmélet az alábbi - 2. ábra - modell alapján vizsgálja a hírközlési folyamat jellemzőit, a folyamat során átvitt információ mértékét.
A Shannon-Weaver féle kommunikációs modell [1] [5]
2. ábra
A nélkül, hogy belemennénk a matematikai részletekbe, röviden összefoglaljuk az információelmélet legfontosabb fogalmait és összefüggéseit. A téma iránt mélyebben érdeklődőknek javasoljuk, hogy az irodalomjegyzék segítségével keressenek számukra megfelelő szakirodalmat.
A modell, illetve a vizsgálat lényege:
Az emberi kommunikációval analógnak feltételezett, technikai eszközök segítségével lebonyolított üzenetküldés során az üzenet forrása, illetve fogadója között a technika megkövetelte átalakítások, valamint az átviteli csatorna "jósága" következtében milyen mértékű az átvitt üzenet torzulása.
Vagyis, mekkora a csatornán átvitt információ mértéke?
3.1. Az üzenetküldési folyamat
A közvetlen emberi kommunikáció során nem szoktunk foglalkozni azzal, hogy valójában ez esetben is egy kommunikációs modell szerint zajlik az üzenetváltás. Ez esetben is van üzenetforrás és üzenetvevő - ez a két beszélgető ember - és ugyanúgy megjelennek a fenti modell egyéb elemei. Gondoljunk csak a kommunikációs közegre - csatorna - a levegőre, amelyben az üzenetünk hanghullámok - moduláció - formájában terjed!
Shannon tkp. ezt a - a két ember közötti beszédfolyamatot - képezte le a modellben.
Az üzenet forrása természetesen nem csak ember, hanem valamilyen gépi eszköz - hiszen valójában ember-gép rendszerekről van szó, ld. később az "Irányítás" modulban - is lehet.
Az átalakítás első lépése a kódolás, amikor az üzenetet átvihető formába alakítjuk, kódoljuk.
1. | A beszédnél ez a gondolat átültetése adott nyelvi környezetbe. (Ez is kódolás!)
2. | A technikai kommunikációnál pedig egyébként is kódolásnak hívjuk. (A kódolásnak annak céljától függően több fajtája létezik. Az informatikában legsűrűbben használt kódolás-fogalom a programozáshoz kötődik, ami valójában az üzenet fenti átalakítását jelenti.)
Az ilyen módon közlésre alkalmassá tett hírt a továbbítási technológiának megfelelően tovább kell alakítani.
3.1.1. A kódolás
A kódolás lényege, hogy egy jelkészlet - ABC - elemeihez - meghatározott szabályok szerint - egy másik jelkészlet - ABC' - elemeit rendeljük. A kód tehát nem más, mint egy jelkészlet segítségével rögzített hír.
Megjegyezzük, hogy a legalapvetőbb kódolási formák az írás és a beszéd. A kommunikációelméletnek - így a kódolásnak is - alapvető tere a "hagyományos" emberi kommunikáció. Mi a továbbiakban ezt a területet nem érintjük. E helyütt kizárólag a hírközlés- és az információelmélet szemszögéből vizsgáljuk a témát, még az olyan - az informatikában alapvető - ún. felhasználási célú kódokkal sem foglalkozunk, amelyek az információs rendszerek működéséhez elengedhetetlenek. Ugyancsak nem tárgyaljuk az adattárolás - bár ezek tekintetében sok azonosság van - illetve a szoftverfejlesztés különböző kódjait. E két utóbbi témával a szakmai tárgyak keretében részletesen meg fognak ismerkedni.
A Számítástechnikai Kislexikon [6] szerint a kód:
"Megállapodás szerinti jelek vagy szimbólumok rendszere, amellyel valamely információ egyértelműen visszaadható."
A kódokat - kódrendszereket - sokféleképpen osztályozhatjuk. Egy lehetséges felosztás:
karakterkészlet alapján: bináris, {0,1} nem bináris pl. {0, 1, 2} a kódszavak hosszúsága alapján: fix hosszúságú, Pl. {100, 010, 111} változó hosszúságú Pl. {01, 110,1111} alkalmazási cél alapján: aritmetikai (1-es komplemens, ofszet stb.), pozíció (Pl. Gray kód, Johnson kód) hibajavító (Pl. Hamming kód) stb.
A kódok önmagukban nem használhatók. Ahhoz, hogy kódolni és a kódokat értelmezni - dekódolás - tudjuk, szükségünk van szabályokra. A jelkészlet és a hozzárendelési szabályok együttesen alkotják a kódrendszert.
Kódrendszerek csoportosítása:
Az alkalmazott jel formája szerint folytonos és diszkrét. Az alkalmazott jel típusa szerint: numerikus - bármely számrendszer, pl. bináris, decimális, alfabetikus - bármelyik nyelv ABC-je, alfanumerikus - ABC + számjegyek, grafikus - pl. vonalkód, piktogramok, speciális - különleges szimbólumok, pl. Morse-abc.
A kódolás célja lehet:
tárolás - információ megőrzése, az adatnak a tárolóeszköz fizikai jellemzőinek megfelelővé alakítása, illetve hibavédelem, feldolgozás - műveletvégzés céljából az utasítások és adatok "érthetővé" tétele a műveletet végző számára - pl. a programozás, továbbítás - az információ hibátlan és biztonságos (ez jelentheti a titkosítást is!) eljuttatása, titkosítás - az információ illetéktelen hozzáférésének megakadályozása.
A fogalmakat nem csak kódolni kell tudnunk, hanem az üzenet fogadójának meg is kell érteni az üzenetet. A kódolás tehát egy kétirányú folyamat - kódolás és dekódolás - ami azonos szabályok alapján történik.
A továbbiakban a továbbítás-célú kódolással - bár a tárolási cél kódrendszerei hasonlóak, sokszor azonosak - foglalkozunk, mivel az információelmélet szempontjából ennek van szerepe.
3.1.2. Kódolás a hírközlési folyamatban
A hírközlés során tehát az üzenetünket a modell különböző elemeiben különbözőképpen átalakítjuk kódoljuk. Ezek az átalakítások különböző célokat - az adott folyamatelem szempontjából szükséges - célokat szolgálnak.
A kódolás hírközlésbeli funkciója szerint lehet:
A forráskódolás tkp. a kiindulás a kódolás során. A forráskódolás célja az átviteli csatorna jobb kihasználása, ezzel a költség csökkentése. A forráskód a forrás jelkészletéből egy-egy leképezéssel előálló kód. A forráskódolás során megpróbáljuk az átviendő hír információvesztés nélküli tömörítését elérni. Ezt úgy lehet elérni, hogy a kevésbé valószínű forrásszimbólumokhoz hosszabb, a valószínűbbekhez pedig rövidebb szimbólumsorozatot rendelünk. L( A )= ∑ 1 n p i l i →L (A) m i n L( A )=∑ p i l i ⇒L ( A ) m i n , ahol: L( A ) - az A→B kód átlagos szóhossza, l i - az A i elemhez rendelt szóhosszúság, p i - az A i elem előfordulási valószínűsége. A forráskód redundáns kód. R forrás ≥0 A forráskód redundanciáját, a forrás statisztikai szerkezete határozza meg. Az illesztőkódolás célja a forrás redundanciájának csökkentése. Az illesztőkód a forráskódnál kisebb - lehetőleg 0 - redundanciájú kód. A tömörítés valójában nem önálló kódolási forma. A tömörítés célja A csatornakódolás célja a zajvédelem. Ennek során az illesztő kód redundanciáját célszerűen növeljük. A redundancia egyrészt káros, mivel növeli az átviendő jelmennyiséget, ami idő- és költségtöbbletet jelent. Másrészt szükséges, mivel ez teszi lehetővé a csatornán fellépő zavarok miatt esetlegesen megsérült üzenet sérültségének észrevételét és - bizonyos feltételek mellett - az üzenet helyreállítását.
A kódolás folyamata az üzenetküldésnél
3. ábra
3.1.3. Üzenettovábbítás
A megfelelően előkészített üzenet, a modulátorba kerül, amelyből most már (fizikai) jelsorozat - lehet analóg és digitális - formájában kerül a csatornára, ahol különböző aktív és passzív eszközökön - erről bővebben a Számítógép hálózatok c. tantárgyban - eljut a vevőegységhez. Közben mindenféle sérülésnek van kitéve, mivel a hírközlési rendszer közel sem ideális közeg.
3.1.4. Az üzenet vétele
A megérkezett üzenet - jelsorozat - elvileg meg kell egyezzen a csatorna bemeneti oldalán betáplálttal. A demodulátor először fizikai visszaalakítást végez, majd bináris jelsorozat a dekódolóhoz kerül.
Itt először is arról kell meggyőződni, hogy hibátlan üzenetet kaptunk-e? Amennyiben felismerhető hiba fordult elő, akkor az előre meghatározott protokoll szerint történhet figyelmen kívül hagyás, ismétlés kérés. Amennyiben javítható hiba fordult elő, akkor a dekódoló automatikus javítást végez.
A hiba felismerhetőségét vagy javíthatóságát megfelelő redundanciájú kóddal tudjuk elérni. Ennek mértékét R. W. Hamming (https://en.wikipedia.org/wiki/Richard_Hamming) határozta meg, és a róla elnevezett Hamming-távolsággal (d) adjuk meg a felismerhető, illetve javítható hibák számát.
Az adatátvitelnél legáltalánosabban használt 1 db paritásbittel növelt kódok egy bit hibáját tudja kimutatni. Ha egynél több a várható hiba ( h), akkor a minimálisan szükséges paritásbitek száma ( d m i n ):
Hibafelismerő kódolásnál: d m i n =h+1 Hibajavító kódolásnál: d m i n =2 h+1
Megjegyzés: A paritásbit egy kódszót kiegészítő bit (0 vagy 1). Alapesetben egy db paritásbittel a kódszóban található 1-ek számát párosra - páros paritás - vagy páratlanra - páratlan paritás - alakítjuk.