Parte 3

La codifica dell’informazione
La sicurezza informatica
Le basi di dati
Fondamenti di Informatica
La rappresentazione dei dati per le scienze umane
Cazzaniga Paolo
Dip. di Scienze Umane e Sociali
[email protected]
Dott. Cazzaniga Paolo
Fondamenti di Informatica
La codifica dell’informazione
La sicurezza informatica
Le basi di dati
Outline
1
La codifica dell’informazione
La rappresentazione dei numeri
L’informazione quantitativa
La rappresentazione binaria di informazione non numerica
La compressione
2
La sicurezza informatica
3
Le basi di dati
Dott. Cazzaniga Paolo
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Le basi di dati
La rappresentazione dei numeri
L’informazione quantitativa
La rappresentazione binaria di informazione non numerica
La compressione
Outline
1
La codifica dell’informazione
La rappresentazione dei numeri
L’informazione quantitativa
La rappresentazione binaria di informazione non numerica
La compressione
2
La sicurezza informatica
3
Le basi di dati
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Le basi di dati
La rappresentazione dei numeri
L’informazione quantitativa
La rappresentazione binaria di informazione non numerica
La compressione
Codifica dell’informazione
Trattare l’informazione:
rappresentare i dati su un supporto fisico con sequenze di
simboli che codificano l’informazione
il supporto fisico viene sottoposto a una trasformazione che
modifica i dati
i dati ottenuti vengono decodificati generando nuova
informazione
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L’informazione quantitativa
La rappresentazione binaria di informazione non numerica
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Codifica dell’informazione
Perché nei calcolatori tutte le informazioni sono codificate in binario?
I calcolatori moderni:
dispongono di supporti fisici bistabili:
memoria centrale (RAM)
memoria di massa (disco fisso)
possono rappresentare le informazioni tramite bit
qualsiasi tipo di informazione è codificato con sequenze di 0 e 1:
numerica
testuale
grafica
sonora
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Codifica dell’informazione
Esiste un’area di ricerca della Information and Communication
Technology che ha come obiettivi principali:
definire tecniche per codificare secondo il sistema binario nuovi
tipi di informazione (rendendoli quindi trattabili dai calcolatori)
definire tecniche di codifica efficienti
minimizzare il numero di simboli utilizzati
diminuire la dimensione dell’informazione (maggiore quantità di
dati memorizzati e maggiore velocità di trasmissione)
definire tecniche di codifica efficaci
rendere l’informazione più semplice da trattare da parte di algoritmi
(e programmi)
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La rappresentazione binaria di informazione non numerica
La compressione
Le rappresentazioni non posizionali
Il sistema di numerazione romano
sistema additivo
è composto da un insieme di simboli letterari a cui viene
associato un valore numerico
un numero è rappresentato da una sequenza di simboli letterari
il valore di un numero è dato dalla somma dei valori
corrispondenti ai simboli della sequenza
Il numero romano VIII, composto dai simboli V (=5) e I (=1),
rappresenta il numero decimale 8 = 5 + 1 + 1 + 1
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Le rappresentazioni non posizionali
Nel Medioevo è stata introdotta una notazione più compatta
alfabeto: I, V, X, L, C, D, M
i valori corrispondenti sono: 1, 5, 10, 50, 100, 500, 1000
i simboli I, X, C, M possono essere ripetuti fino a 3 volte
consecutive (VIII)
i simboli V L D non possono essere ripetuti in sequenza
i simboli scritti in ordine decrescente vengono valutati sommando
il loro valore
se una coppia di simboli è scritta in ordine crescente, il valore del
primo viene sottratto dal secondo
una barra sopra un simbolo ne moltiplica il valore per mille
due barre laterali e una sopra un simbolo indicano che il suo
valore è moltiplicato per 100.000
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Esempi di numeri romani
XXVII = 10 + 10 + 5 + 1 + 1 = 27
MMVIII = 1000 + 1000 + 5 + 1 + 1 + 1 = 2008
IV = 5 - 1 = 4
MCMXCIX = 1000 + (1000 - 100) + (100 - 10) + (10 - 1) = 1999
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L’informazione quantitativa
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La compressione
La rappresentazione dei numeri
La notazione posizionale decimale
la cardinalità dell’alfabeto utilizzato è 10
i simboli sono le cifre: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9
L’aggettivo posizionale indica che ogni cifra assume un diverso ruolo
a seconda della posizione in cui si trova
in un numero naturale si hanno (partendo da destra): unità,
decine, centinaia, migliaia, . . .
ogni cifra è moltiplicata per una potenza di 10 (partendo da
destra): 100 , 101 , 102 , . . .
10 è la base del nostro sistema di rappresentazione numerica
posizionale.
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La rappresentazione posizionale decimale
Il numero 7529 è definito da 7 migliaia, 5 centinaia, 2 decine, 9 unità
o in maniera equivalente:
7529 = 7 · 103 + 5 · 102 + 2 · 101 + 9 · 100
Con 4 cifre si possono esprimere 104 numeri naturali:
{0, . . . , 9999} ovvero {0, . . . , 104 − 1}
...e con n cifre? 10n numeri {0, . . . , 10n − 1}
Utilizzando il separatore decimale (la virgola “,”) si possono
rappresentare i sottomultipli delle unità (decimi, centesimi, millesimi)
Il numero 36,482 equivale al somma di 3 decine, 6 unità, 4 decimi, 8
centesimi, 2 millesimi
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I sistemi posizionali non decimali
Scegliendo un qualsiasi numero b > 1 è possibile rappresentare
qualsiasi numero con notazione posizionale in base b, scegliendo b
cifre da moltiplicare per le potenze di b
Con n cifre in base b si possono rappresentare bn numeri naturali
{0, . . . , bn − 1}
Quando si indicano numeri in una base diversa da 10 è necessario
specificare la base usata:
14348 è ottale
14345 è in base 5
1434 è decimale
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I sistemi posizionali non decimali
E’ ovvio che la stessa sequenza di cifre in basi diverse indica numeri
diversi
14348 = 1 · 83 + 4 · 82 + 3 · 81 + 4 · 80 = 796
Anche la pronuncia dei numeri cambia
1434 = millequattrocentotrentaquattro
14348 = ottale: uno, quattro, tre, quattro
Il sistema esadecimale (base 16, noto in ambito informatico) utilizza
oltre alle cifre 0, . . . , 9 la lettera A per il 10, B per l’undici, . . . , F per il
15
1B6FH = 1 · 163 + 11 · 162 + 6 · 161 + 15 · 160 = 7023
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La codifica binaria
E’ la codifica usata nei calcolatori
Viene usata una notazione binaria posizionale, i bit 0 e 1 vengono
moltiplicati per le potenze di 2
100101012 = 1 · 27 + 0 · 26 + 0 · 25 + 1 · 24 +
+0 · 23 + 1 · 22 + 0 · 21 + 1 · 20 = 149
Con n bit si possono esprimere 2n numeri naturali (da 0 a 2n − 1)
Con 8 bit, un byte, si possono esprimere 28 = 256 numeri naturali
Con 4 bit, un nibble, si possono esprimere 24 = 16 numeri naturali
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La codifica binaria
Sappiamo come si trasforma un numero binario in decimale
Come si fa la trasformazione inversa? Da decimale a binario
al primo passo il dividendo è il numero da convertire
si divide sempre per due
ai passi successivi il dividendo è dato dal quoziente della
divisione precedente
il processo termina quando il dividendo è nullo
al termine, la sequenza dei resti delle divisioni, trascritti in ordine
inverso rispetto a come sono stati generati, costituisce il numero
binario
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La codifica binaria
Ad esempio 149 corrisponde a 100101012 :
149/2 = 74 resto 1
74/2 = 37 resto 0
37/2 = 18 resto 1
18/2 = 9 resto 0
9/2 = 4 resto 1
4/2 = 2 resto 0
2/2 = 1 resto 0
1/2 = 0 resto 1
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La compressione
Codifica analogica e digitale
Codifica analogica
richiede l’individuazione di una grandezza analoga
ad ogni variazione della prima deve corrispondere una
variazione della seconda
Codifica digitale
richiede l’introduzione di un alfabeto di simboli
richiede regole di codifica per associare una grandezza a una
sequenza di simboli
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Codifica analogica e digitale
Esempio: rappresentazione della quantità di caramelle
analogica: numero di sassolini corrispondente (diciotto sassolini
per diciotto caramelle)
digitale: notazione numerica decimale posizionale (la sequenza
di simboli 18)
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Codifica analogica e digitale
Pro e Contro
l’approccio digitale è più compatto
18453 è meno ingombrante di diciottomilaquattrocentocinquantatre
sassolini
la codifica analogica contiene meta-informazioni
ordinale: relazioni d’ordine tra valori
metrico: quantificare le differenze tra valori
analogico
tre sassolini rappresentano un valore maggiore di un sassolino
togliendo tre sassolini da un mucchio di cinque ne restano due
digitale
senza regole di codifica non posso sapere chi è il maggiore tra 13
e 31
non posso sapere che la differenza tra 5 e 3 equivale a 2
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Grandezze discrete e continue
Grandezze discrete: valori appartenenti all’insieme dei numeri
naturali
Grandezze continue: valori appartenenti all’insieme dei numeri
reali
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Quantizzazione
Se un valore continuo viene rappresentato con una codifica
digitale allora è necessario discretizzarlo
La rappresentazione discreta (a gradini) prevede un processo di
quantizzazione, caratteristica intrinseca di tutte le codifiche
digitali
La quantizzazione prevede l’individuazione di un numero finito di
intervalli e tutti i diversi valori all’interno dello stesso intervallo
vengono rappresentati con la stessa sequenza di simboli
Nella rappresentazione della temperatura fino ai decimi di grado le
temperature 37,51 e 37,54 vengono rappresentate con la stessa
sequenza di simboli 37,5
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Campionamento
Per rappresentare l’andamento nel tempo di una grandezza
continua, usando una codifica digitale, è necessario effettuare un
campionamento
Si divide l’intervallo di osservazione del fenomeno in
sottointervalli
Il valore viene rilevato in un istante predefinito (ad es. all’inizio
del sottointervallo)
La frequenza di campionamento è definita come numero di
campioni per unità di tempo
Una frequenza di 7Hz indica che ogni secondo vengono rilevati 7
campioni
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La compressione
Quantizzazione e campionamento: pro e contro
La quantizzazione porta ad una approssimazione dei valori
37,51 e 37,54 −→ 37,5
Anche il campionamento porta ad una approssimazione
2
Quantita'
1.5
1
0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
Tempo
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7
8
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La compressione
Quantizzazione e campionamento: pro e contro
La quantizzazione porta ad una approssimazione dei valori
37,51 e 37,54 −→ 37,5
Anche il campionamento porta ad una approssimazione
2
1.8
1.6
Quantita'
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
1
2
3
4
5
6
Tempo
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La trasmissione dell’informazione digitale
La codifica digitale ha avuto grande successo grazie all’avvento dei
calcolatori
I messaggi digitali sono più facili da trasmettere rispetto a quelli
analogici
Se la codifica è binaria, avendo solo 2 valori ammissibili, è facile
capire se ci sono stati errori di trasmissione (scostamento dai
valori 0 e 1 causati dal rumore)
Per individuare gli errori, trasmettitore e ricevitore possono
concordare meccanismi di ridondanza
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Schemi di ripetizione
Ogni bit viene trasmesso più volte:
il messaggio viene scomposto in blocchi di bit (byte o nibble)
ogni blocco viene ripetuto più volte
Il messaggio binario 011011101100 può essere scomposto nei
blocchi 0110 0111 1100
Il messaggio verrà inviato come segue: 0110 0110 0111 0111 1100
1100
Se viene ricevuta la sequenza 0110 0111 0111 0111 1000 1100
Vengono individuati 2 errori MA non possono essere corretti, quindi il
messaggio deve essere inviato di nuovo
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Controllo di parità
Viene contato il numero di bit 1 presenti nei blocchi del messaggio
se il blocco contiene un numero dispari di 1, viene aggiunto un
bit di parità a 1
se il blocco contiene un numero pari di 1, viene aggiunto un bit di
parità a 0
Per trasmettere il messaggio 0110111011001010, dopo ogni byte
viene aggiunto il bit di parità
01101110 seguito da un bit di parità a 1 (perché il numero di bit a 1
nel byte è dispari)
11001010 seguito da un bit di parità a 0 (perché il numero di bit a 1
nel byte è pari)
e gli errori di trasmissione? gli errori singoli vengono identificati, MA
se cambiano 2 bit nello stesso byte, il messaggio risulta corretto. In
ogni caso gli errori non possono essere corretti dal ricevente
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L’informazione non numerica
Codice : sequenza di simboli impiegati per rappresentare
sinteticamente oggetti del mondo reale
numero di matricola (cifre decimali - lunghezza variabile)
codice fiscale (alfanumerico - 16 caratteri)
codice catastale (alfanumerico - 4 caratteri)
partita IVA (11 cifre)
codice ISBN – International Standard Book Number (11 cifre)
numero di telefono
codice IBAN – International Bank Account Number (alfanumerico
- 27 caratteri)
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L’informazione non numerica
La comunicazione di informazioni codificate è possibile solo se
mittente e destinatario concordano il tipo di codifica
Nei calcolatori tutti i codici sono costituiti da sequenze di bit
Quante sequenze posso esprimere con n bit? 2n
Quanti bit servono per codificare i giorni della settimana?
3 bit → 23 = 8 sequenze (una resta inutilizzata)
lunedi = 000
martedi = 001
mercoledi = 010
giovedi = 011
venerdi = 100
sabato = 101
domenica = 110
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Il testo
La codifica del testo viene realizzata associando un codice binario ad
ogni singolo carattere
ASCII - American Standard Code for Information Interchange
Ogni carattere è rappresentato da una sequenza di 7 bit
E’ stato adottato dall’ISO - International Organization for
Standardization
ASCII esteso
usa una codifica a 8 bit
ISO ha rilasciato diverse versioni di ASCII esteso
ISO 8859-1 (detto Latin1) che contiene i caratteri dei linguaggi
dell’Europa occidentale
ISO 8859-2 che contiene i caratteri dei linguaggi dell’Europa orientale
ISO 8859-5 che contiene i caratteri cirillici
Unicode
usa una codifica a 21 bit - 2 milioni di caratteri
comprende ASCII esteso (Latin1), caratteri di lingue vive e morte,
ideogrammi, Braille; simboli matematici, chimici, cartografici
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Il testo
E’ necessario distinguere i file memorizzati nella memoria del
calcolatore a seconda del tipo di codifica utilizzato
File txt (SO Windows) - contengono esclusivamente caratteri
File doc (Microsoft Word o OpenOffice Writer) - contengono il
testo e le informazioni sulla formattazione
font
allineamento
dimensione delle pagine
intestazioni e piè di pagina
sommario
...
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Il testo
File scritti con linguaggi di marcatura (markup language)
HTML - pagine ipertestuali (in Internet costituiscono il World Wide
Web)
ODT e DOCX - documenti di testo basati su XML
SBML Systems Biology Markup Language
RTF (SO Windows) - sviluppato per supportare lo scambio di
testo tra sistemi e applicazioni (contiene codici di controllo)
PostScript - linguaggio di programmazione che consente di
descrivere l’impaginazione (diffuso in editoria)
PDF (Portable Document Format) - sviluppato da Adobe System
Incorporated è diventato standard ISO
molto comune per la diffusione di documenti su Internet
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La compressione
Le immagini
Metodi di campionamento sono utilizzati anche per la
rappresentazione di immagini
I dispositivi di acquisizione delle immagini effettuano una codifica
campionando l’immagine in una bitmap
La bitmap è una matrice di pixel (picture element)
Ogni pixel assume un colore specificato nella codifica
La qualità dell’immagine dipende dalla dimensione dei pixel
grossi → immagine sgranata
piccoli → immagine fedele all’originale
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Le immagini
Anche i metodi di quantizzazione sono utilizzati anche per la
rappresentazione di immagini
La quantizzazione viene usata per rappresentare i colori
La profondità di colore (color depth) è il numero di bit usato per
rappresentare il colore dei pixel
In un’immagine monocromatica in bianco e nero il colore dei
pixel viene codificato con un bit (0 nero, 1 bianco)
In un’immagine in tonalità di grigio si possono usare 8 bit per
rappresentare le 256 tonalità di grigio
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Le immagini
Per rappresentare i colori vengono combinati alcuni colori primari su
vari livelli di intensità
Modelli sottrattivi - a partire dal colore bianco
CMYK (Cyan, Magenta, Yellow and Key) - il nero è stato aggiunto
perchè combinando ciano, magenta e giallo si ottiene il marrone
Modelli additivi - a partire dal colore nero
RGB (Red, Green, Blue - detto truecolor) - usato nel video del
calcolatore. Non è propriamente additivo perchè ogni pixel è diviso
in 3 parti, e la combinazione di rosso, verde e blu dà il colore
desiderato
E’ chiaro che codifiche diverse portano ad ottenere immagini di
dimensione diverse
Per un’immagine di 1024×768 pixel:
Monocromatica: 1024 × 768 = 786432 bit = 98304 byte ' 100
KB
Tonalità di grigio: 786432 byte ' 800 KB
RGB: 2359296 byte ' 2.3 MB
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La compressione
Formato dei file immagini
Formato raster
JPEG (Joint Photographic Experts Group): truecolor,
compressione lossy
GIF (Graphics Interchange Format): massimo 256 colori,
compressione lossless
BMP (Windows Bitmap): formato non compresso di Windows
TIFF (Tagged Image File Format): famiglia di formati che
supporta la compressione lossy e lossless
PNG (Portable Network Graphics): truecolor, compressione
lossless
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La compressione
Formato dei file immagini
Formato vettoriale
rappresentazione tramite primitive geometriche codificate in
equazioni matematiche
CGM (Computer Graphics Metafile)
SVG (Scalable Vector Graphics)
WMF (Windows Metafile)
Per riprodurre le immagini vettoriali è necessario un processo di
rasterizzazione che permette di sfruttare meglio la risoluzione della
periferica usata, ottenendo migliore qualità
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La rappresentazione binaria di informazione non numerica
La compressione
Formato dei file immagini
Anche per la visualizzazione dei caratteri:
font bitmap o raster: caratteri come matrici di pixel
font outline o vettoriali: rappresentazione vettoriale dei caratteri
PostScript Type 1
PostScript Type 3
TrueType
OpenType
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La compressione
I suoni
La codifica binaria di suoni viene tipicamente fatta seguendo le
caratteristiche tipiche dei CD audio:
stereofonia: due segnali che riproducono la distribuzione
spaziale delle sorgenti sonore
frequenza di campionamento: 44100 Hz
quantizzazione: 65536 livelli (codifica a 16 bit)
I formati audio:
WAV (Waveform Audio Format) e AIFF (Audio Interchange File
Format) formati non compressi
MP3 (MPEG-1 Audio Layer 3) formato con compressione lossy
AAC (Advance Audio Coding) formato con compressione lossy
con qualità migliore di MP3 (è il formato standard di Apple e delle
console Sony e Nintendo)
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La compressione
I filmati
I filmati digitali sono composti da una serie di fotogrammi (immagini
digitali) mostrati a una frequenza costante (FPS - frame per second)
I formati video:
QuickTime: sviluppato da Apple
MPEG-2: usato per DVD e Bluray, usa compressione lossy sia
per il video che per l’audio
FLV (flash video) sviluppato da Macromedia e supporato da
Adobe per la fruizione di filmati in Internet (YouTube, Google
Video, ...). Usa compressione lossy
AVI (Audio Video Interleave) è un contenitore di file che possono
essere codificati in vari formati tramite codec
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La codifica dell’informazione
La sicurezza informatica
Le basi di dati
La rappresentazione dei numeri
L’informazione quantitativa
La rappresentazione binaria di informazione non numerica
La compressione
La compressione
Processo che consiste nella riformulazione del contenuto informativo
con una codifica differente che permette di ridurne le dimensioni
Compressione lossless (senza perdita) - WinZip per Windows e
GunZip per Linux. Il processo di compressione è reversibile
il rapporto di compressione e la riduzione dell’occupazione di
spazio dipendono dal tipo di formato dei dati
Compressione lossy (con perdita) - parte delle informazioni
viene persa irreversibilimente
immagini: viene cambiato il colore di alcuni pixel - difficilmente
rilevabile dall’occhio umano
audio: modelli psicoacustici - vengono tolte frequenze molto alte
(basse) o suoni a basso volume
video: anziché memorizzare tutti i frame, vengono memorizzate
solo le differenze tra frame consecutivi
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Le basi di dati
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Le basi di dati
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Le basi di dati
La legge sulla privacy
La legge individua una serie di misure minime di sicurezza:
autenticazione informatica tramite credenziali (dimostrazione di
conoscenza, possesso, caratteristiche fisiche)
procedure di gestione delle credenziali: lunghezza minima e
durata delle password, regolamentazione dell’attivazione,
disattivazione, conservazione, ...
aggiornamento periodico dell’individuazione dell’ambito del
trattamento consentito ai singoli incaricati e addetti
protezione degli strumenti e dei dati: dispositivi HW e SW per la
protezione contro software maligni
procedure per la custodia di copie di sicurezza, backup e
ripristino, disaster recovery
stesura di un aggiornato documento programmatico sulla
sicurezza
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La sicurezza dei dati
riservatezza (privacy): protezione da letture non autorizzate
integrità: protezione da modifiche non autorizzate, per la
trasmissione di dati:
autenticità: garanzia dell’identità della sorgente, del destinatario e
del contenuto del messaggio
non ripudiabilità: garanzia che la sorgente non possa negare di
avere inviato un messaggio e che il destinatario non l’abbia ricevuto
disponibilità: protezione da interventi non autorizzati che
compromettano la possibilità di accesso ai dati da parte degli
utenti autorizzati
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La crittografia
La crittografia è una tecnica usata per garantire la riservatezza dei
dati durante la trasmissione. E’ quindi molto importante in ambito ICT
e Internet
Algoritmi crittografici a chiave segreta (crittografia simmetrica)
tramite un algoritmo di cifratura, il mittente trasforma un messaggio
in chiaro in un messaggio cifrato
il destinatario è in grado di rigenerare il messaggio originale tramite
un algoritmo di decifratura
se il messaggio viene intercettato, anche conoscendo l’algoritmo di
decifratura, senza la chiave segreta risulta essere illeggibile
La trasmissione della chiave segreta è critica, se questa viene
intercettata, la riservatezza è compromessa!
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La crittografia
Algoritmi crittografici a chiave pubblica (crittografia asimmetrica)
prevedono una coppia di chiavi, la conoscenza della prima non
consente di calcolare la seconda
l’algoritmo di cifratura usa una delle chiavi e quello di decifratura
l’altra
ogni persona in possesso della chiave pubblica può cifrare i
messaggi e inviarli
solo la persona in possesso della chiave privata può decifrare i
messaggi
Gli stessi algoritmi possono essere usati per la firma elettronica
garantendo:
riservatezza, autenticità, integrità e non ripudiabilità
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Le basi di dati
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Le basi di dati
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Le basi di dati
Le basi di dati
Basi di dati (DB, data base) sono grandi collezioni strutturate di dati
con le seguenti caratteristiche:
rappresentazione efficace in un singolo contenitore logico,
conservazione affidabile, fruizione efficiente di tutte le
informazioni
evitare frammentazione, ridondanza e inconsistenza dei dati
evitare accessi non autorizzati
La gestione viene fatta tramite sistemi di gestione di DB (DataBase
Management System, es. Oracle, SQL Server):
DDL (Data Definition Language): definire strutture dati e relazioni
DML (Data Manipulation Language): modifica e interrogazione
dei dati
SQL (Structured Query Language): DDL + DML
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Le basi di dati
Le basi di dati
La rappresentazione concettuale dei DB viene fatta usando Modelli
Entità-Relazioni
entità: classi di oggetti (persone, cose) che hanno proprietà
comuni ed esistenza autonoma
relazioni: legami logici tra entità
attributi: proprietà di entità o relazioni
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