Основы информационных технологий для неспециалистов: что происходит внутри машин

Understanding the Digital World:

What You Need to Know about Computers, the Internet, Privacy, and Security, Second Edition by Brian W. Kernighan.

Copyright © 2021 by Princeton University Press

All rights reserved.

No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage and retrieval system, without permission in writing from the Publisher.

Библиотека ИТ. Главные книги о современных технологиях

© Жевлакова Е.В., перевод на русский язык, 2024

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2024

Предисловие

Курс под названием «Компьютеры в нашем мире» я преподаю в Принстоне почти каждую осень начиная с 1999 года. Название курса – размытое до неприличия, но дело в том, что однажды мне пришлось придумать его за пять минут, а поменять с тех пор стало довольно сложно. Впрочем, преподавать этот курс – самая увлекательная часть моей работы, которая и так почти всегда приносит радость.

Факт, что компьютеры и вычислительная техника окружают нас повсюду. Некоторые технологии у всех на виду: у студентов есть ноутбуки, и они намного мощнее компьютера IBM 70941, который стоил несколько миллионов долларов, занимал большую комнату с кондиционером и обслуживал весь кампус Принстона, когда я пришел сюда аспирантом в 1964 году. Кроме того, каждый студент пользуется сотовым телефоном, вычислительная мощность которого намного выше, чем у той древней машины IBM. У всех студентов, как и у значительной доли населения земного шара, есть высокоскоростной доступ в интернет. Любой из них может искать информацию в браузере, совершать покупки онлайн, пользоваться электронной почтой, мессенджерами и социальными сетями для общения с друзьями и семьей.

Но это только вершина айсберга вычислительных технологий, большая его часть скрыта в глубине. Мы обычно не думаем о компьютерах, которые незаметно работают в бытовой технике, машинах, самолетах и вездесущих электронных устройствах вроде умных телевизоров, термостатов и дверных звонков, средств распознавания голоса, фитнес-трекеров, наушников, игрушек и игровых аксессуаров, – и мы воспринимаем их как данность. Мы мало задумываемся и о том, до какой степени от вычислительной техники зависит инфраструктура: телефонная сеть, кабельное телевидение, управление воздушным движением, энергосистема, банковские и финансовые услуги.

Большинство людей напрямую не создают эти системы, но ощущают их сильное влияние – а некоторым предстоит принимать важные решения по поводу их работы. Образованный человек должен знать по меньшей мере основы вычислительных технологий: что делают компьютеры и как, на что они не способны в принципе, а что просто чересчур сложно для них на данный момент, как они общаются между собой и что при этом происходит, какими многочисленными способами технологии и коммуникации воздействуют на мир вокруг нас.

То, что информационные технологии проникают повсюду, влияет на нас неожиданным образом. Хотя нам время от времени напоминают о распространении систем наблюдения, о вторжениях в нашу частную жизнь, угрозах кражи личных данных, мы не всегда осознаем, насколько это все обусловлено технологиями и коммуникациями.

В июле 2013 года Эдвард Сноуден, подрядчик Агентства национальной безопасности (АНБ) Соединенных Штатов Америки, предоставил журналистам 50 000 документов, в которых раскрывалось, что сотрудники АНБ регулярно отслеживали электронные средства связи: звонки, сообщения, письма, интернет – и собирали данные почти по каждому жителю мира. Что примечательно, они следили и за американцами, которые жили в своей стране и не представляли никакой угрозы ее безопасности. Документы Сноудена показывали, что и другие государства тоже шпионили за своими гражданами. Удивительно, но после первоначального возмущения общественности все вернулось на круги своя, правительства стали еще более масштабно отслеживать, чем занимаются граждане, и шпионить за ними, а люди либо смирились с этим, либо не возражают по неведению.

Нашу деятельность в интернете и реальном мире отслеживают также и корпорации. Бизнес-модели многих компаний основаны на обширном сборе данных, возможностях прогнозировать наше поведение и влиять на него. Доступность громадных объемов данных позволила достичь серьезного прогресса в машинном распознавании речи и образов, а также автоматических переводах. Но она вредит неприкосновенности частной жизни, и теперь сложно сохранять анонимность.

Хакеры всех мастей стали особенно изощренными в своих атаках на хранилища данных. В государственных службах и на предприятиях почти ежедневно происходят электронные взломы; данные о клиентах и сотрудниках похищают в больших количествах и часто используют в целях мошенничества и кражи личной информации. Обычными стали атаки на отдельных лиц. Раньше считалось, что для защиты от онлайн-мошенников достаточно игнорировать письма от мнимых нигерийских принцев или их родственников. Но сейчас целевые атаки стали куда более хитроумными, и это один из наиболее распространенных способов взлома корпоративных компьютеров.

Социальные сети вроде Facebook[1], Instagram[2], X (Twitter), Reddit и других изменили способы общения между людьми. С одной стороны, это полезно: мы можем поддерживать связь с друзьями и семьей, просматривать новости и всевозможные развлекательные посты. Соцсети могут и помочь, как в середине 2020 года, когда движение Black Lives Matter привлекло всеобщее внимание благодаря «вирусным» видеороликам о жестокости полиции.

Но через социальные сети также распространялось множество дурных идей. Расисты, участники групп ненависти, сторонники теорий заговора и другие безумцы, независимо от их убеждений и политических взглядов, могут легко находить друг друга в интернете, координировать свои действия и усиливать свое влияние. Сдержать разгул ненависти и бреда мешают щекотливые вопросы свободы слова, а также технологические сложности модерирования контента.

В мире с обширным взаимодействием через интернет сложно решать вопросы юрисдикции. В 2018 году Европейский союз ввел в действие Общий регламент по защите персональных данных, который позволил жителям ЕС контролировать сбор и использование своих данных и запретил компаниям отправлять или хранить данные за пределами ЕС. Коллегия присяжных еще не определила, насколько Общий регламент оказался полезным для конфиденциальности. К тому же эти правила применяются только в ЕС, а в других частях мира действуют иные законы.

Еще одна сложность появилась после быстрого внедрения облачных вычислений, когда отдельные лица и компании стали хранить данные и обрабатывать их на серверах, принадлежащих Amazon, Google, Microsoft и т. д. Данные теперь хранятся не только у их владельца, но и у третьих лиц, у которых есть свои цели, обязанности, уязвимые места и неразрешенные проблемы с взаимоисключающими требованиями разных юрисдикций.

Быстро развивается «интернет вещей», в котором все виды устройств подключаются к сети. Смартфоны – это очевидный пример, но, кроме них, онлайн-доступ получают автомобили, камеры слежения, бытовая техника и средства управления домом, медицинское оборудование и большая часть инфраструктуры – например, управление воздушным движением и энергосети. Эта тенденция соединять все с интернетом будет продолжаться, потому что преимущества такого соединения неоспоримы. К сожалению, здесь есть и серьезные риски: некоторые устройства контролируют жизненно важные системы, а не только развлечения, и часто их защита намного слабее, чем у более зрелых технологий.

Криптография – одно из немногих эффективных средств защиты, поскольку она обеспечивает конфиденциальность и безопасность как коммуникации, так и хранения данных. Но надежная криптография подвергается постоянным атакам. Правительствам не нравится идея, что люди, компании или террористы получат возможность общаться по-настоящему тайно, поэтому они часто призывают внедрить в криптографические алгоритмы лазейки, которые позволили бы госслужбам взломать шифрование – разумеется, с «надлежащей страховкой» и только «в интересах национальной безопасности». Какими бы благими ни были их намерения, это очень плохая идея. Даже если вы верите, что правительство всегда будет вести себя достойно и не позволит утечь секретной информации (забудем о Сноудене), ослабленная криптография поможет не только вашим союзникам, но и противникам. А плохие парни все равно не будут ее применять.

Это лишь некоторые проблемы и вопросы, которые должны беспокоить обычных граждан на улицах, вроде студентов моего курса или, как говорится, «людей просвещенных», независимо от их происхождения и образования.

Студенты моего курса – не технические специалисты. Они не инженеры, не физики, не математики. Они – бакалавры английского языка и политологии, историки, классицисты, экономисты, музыканты и артисты. Превосходная выборка по гуманитарным и общественным наукам. К окончанию курса эти одаренные люди должны научиться читать и понимать новостные статьи на компьютерную тематику, узнавать из них что-то новое и, возможно, находить неточности. В более широком смысле я хочу, чтобы мои студенты и читатели разумно и скептически относились к технологиям, понимали, что они полезны, но вовсе не панацея. И наоборот, понимали, что, хотя технологии иногда приводят к плохим последствиям, они вовсе не абсолютное зло.

Ричард Мюллер в своей прекрасной книге «Физика для будущих президентов»2 пытается объяснить научно-техническую подоплеку, лежащую в основе проблем, с которыми сталкиваются лидеры: ядерная угроза, терроризм, энергетические кризисы, глобальное потепление и так далее. Эрудированные люди, хоть и не претендующие на пост президента, тоже должны разбираться в этих темах. Если опираться на подход Мюллера, то и мое направление работы можно определить схоже: «Компьютеризация для будущих президентов».

Что будущий президент должен знать о компьютеризации? Что должен знать об этом эрудированный человек – например, вы?3

Я выделяю четыре основные технические области: аппаратное обеспечение, программное обеспечение, коммуникации и данные.

Аппаратное обеспечение — это осязаемая часть. Компьютеры, которые мы видим и трогаем, они стоят у нас дома и в офисах, мы носим их с собой в телефонах. Что находится внутри компьютера, как он работает и как он устроен? Как он хранит и обрабатывает информацию? Что такое биты и байты и как мы их используем для воспроизведения музыки, фильмов и всего остального?

Программное обеспечение — это инструкции, которые указывают компьютеру, что делать, и они, напротив, практически не осязаемы. Что мы можем вычислить и как быстро? Как мы отдаем компьютеру команды? Почему так трудно заставить компьютеры работать правильно? Почему так часто бывает сложно их использовать?

Коммуникации — это средства, которые позволяют компьютерам, телефонам и другим устройствам общаться между собой на пользу нам, а людям – разговаривать друг с другом: интернет, Всемирная паутина, электронная почта и социальные сети. Как это работает? Выгоды очевидны, но какие при этом возникают риски, особенно в отношении нашей безопасности и неприкосновенности частной жизни, и как их можно снизить?

Данные — это вся информация, которую аппаратное и программное обеспечение собирает, хранит и обрабатывает, а системы коммуникации рассылают по миру. Некоторые данные, осмотрительно это или нет, мы предоставляем добровольно: загружаем тексты, картинки и видео. В ходе нашей повседневной жизни большая часть этой персональной информации собирается и распространяется без нашего ведома и тем более согласия.

Президент вы или нет, вам нужно знать об устройстве мира применительно к компьютерам, поскольку это касается лично вас. Не важно, насколько ваша жизнь и профессия связаны с техникой – вы все равно будете взаимодействовать с технологиями и техническими специалистами. Хоть какое-то знание о работе устройств и систем – это большое преимущество, даже в простых ситуациях. Например, оно поможет понять, что продавец, политик или служба поддержки не говорят вам всей правды.

Мало того, невежество в этой сфере может напрямую повредить вам. Если вы не разбираетесь в вирусах, фишинге и подобных угрозах, то становитесь уязвимыми для них. Если вы не знаете, как социальные сети сливают или даже открыто передают информацию, которую вы считаете конфиденциальной, то вы раскрываете о себе гораздо больше сведений, чем предполагали. Если вы не осознаете, как безудержно коммерческие компании стремятся использовать все, что они узнали о вашей жизни, то вы отказываетесь от конфиденциальности без особой пользы для себя. Если вы не знаете, почему опасно пользоваться банковскими услугами, сидя в кафе или аэропорту, то возникает риск, что ваши деньги и личные данные похитят. Если вы не знаете, как легко другие люди манипулируют данными, то, скорее всего, попадетесь на удочку заведомо ложных новостей, фальсифицированных изображений и теорий заговора.

Предполагается, что вы прочтете эту книгу от начала до конца, но, возможно, вам захочется перейти к интересующим вас темам, а потом возобновить чтение по порядку. Например, вы можете начать с главы 8, где рассматриваются сети, сотовые телефоны, интернет, Всемирная паутина и вопросы конфиденциальности. Возможно, вам придется заглянуть в предыдущие главы, чтобы разобраться в каких-либо тонкостях, но в целом материал будет вам понятен. Также вы можете пропустить места, где много математики, – например, главу 2 о сути двоичных чисел или подробности о языках программирования в паре других глав.

В конце вы найдете список книг, которые я рекомендую, и ссылки на полезные ресурсы с дополнительными сведениями. В глоссарии приведены краткие определения и объяснения важных технических терминов и сокращений.

Любая книга об IT может быстро устареть, и эта не исключение. Предыдущее издание вышло задолго до того, как мы увидели, в каких масштабах враждебные силы способны влиять на общественное мнение и выборы в разных странах. Я дополнил книгу новыми важными историями, многие из которых касаются личной неприкосновенности и безопасности, поскольку за последние годы эти вопросы стали более актуальными. Появилась новая глава об искусственном интеллекте, машинном обучении и о том, как «большие данные»[3] сделали их такими эффективными, а в некоторых случаях – опасными. Я также попытался упростить сложные объяснения, а устаревший материал удалил или заменил. Тем не менее некоторые фрагменты уже устареют или станут неверными, когда вы будете читать эту книгу. Но я приложил все усилия, чтобы четко выделить знания, наделенные непреходящей ценностью.

Моя цель при работе над книгой состояла в том, чтобы вы по достоинству оценили удивительные технологии и по-настоящему поняли, как они работают, откуда появились и куда могут привести в будущем. На этом пути вы, возможно, приобретете полезную манеру мышления о мире в целом. Я надеюсь на это.

Благодарности

Я снова в большом долгу перед друзьями и коллегами, которые помогали мне улучшить эту книгу. Как и прежде, Джон Бентли с особым вниманием вычитывал многочисленные черновики, а его поддержка в форме организационных предложений, проверки фактов и сбора новых примеров просто неоценима. Аль Ахо, Свати Бхатт, Джованни де Феррари, Пол Керниган, Джон Линдерман, Мадлен Планейкс-Крокер, Арнольд Роббинс, Ян Сон, Говард Трики и Джон Уэйт дали подробные комментарии ко всей рукописи. Я также благодарен Фабрицио д’Аморе, Питеру Грабовски, Эбигейл Гупте, Майе Хамин, Джерарду Хольцманну, Кену Ламберту, Даниэлю Лопрести, Теодору Марку, Джоан Ордилле, Аюши Синхе, Уильяму Угетте, Питеру Вайнбергеру и Франциске Вейрих-Фрейберг за ценные предложения. Корейский перевод предыдущего издания, сделанный Сончан Ха, заметно улучшил и эту английскую версию. Гарри Льюис, Джон Маккормик, Брайан Респасс и Эрик Шмидт не скупились на похвалы для предыдущего издания. Как всегда, было приятно работать с производственной группой издательства Принстонского университета: Марком Беллисом, Лоррейн Донекер, Кристен Хоп, Дмитрием Каретниковым и Хэлли Стеббинс. В свою очередь, Мэри-Эллен Оливер исключительно тщательно вычитала текст и проверила факты.

Спустя двадцать лет мои студенты начнут управлять миром или, по крайней мере, не дадут ему развалиться. Они станут журналистами, врачами, юристами, учителями всех уровней, чиновниками, учредителями компаний, творческими людьми, актерами и просто глубоко неравнодушными гражданами. Я очень горжусь ими.

Мы все в долгу перед многими людьми, которые трудились, не жалея себя, во время пандемии COVID-19, чтобы мы могли работать дома с относительным удобством, зная, что даже во время карантина будут действовать ключевые службы, а система здравоохранения не перестанет заботиться о нас. Никакими словами не выразить, как сильно мы обязаны им.

Благодарность за второе издание книги «Цифровой мир»

Я снова в большом долгу перед друзьями и коллегами за их щедрую помощь и советы. Как и в случае с первым изданием, Джон Бентли внимательно прочитал несколько черновиков, оставил полезные комментарии на каждой странице, и эта книга стала намного лучше благодаря его вкладу. Ценные предложения, критику и правки я получил также от Свати Бхатт, Джованни Де Феррари, Питера Грабовски, Джерарда Хольцманна, Вики Керн, Пола Кернигана, Эрена Курсуна, Дэвида Малана, Дэвида Маускопа, Дипы Муралидхар, Мадлен Планейкс-Крокер, Арнольда Роббинса, Говарда Трики, Джанет Вертези и Джона Уэйта. Кроме того, я воспользовался полезными советами Дэвида Добкина, Алана Донована, Эндрю Джадкиса, Марка Кернигана, Элизабет Линдер, Жаклин Мислоу, Арвинда Нараянана, Джона Синовица, Питера Вайнбергера и Тони Вирт. Было приятно работать с производственной группой издательства Принстонского университета – Марком Беллисом, Лоррейн Донекер, Дмитрием Каретниковым и Вики Керн. Моя благодарность им всем.

Я также благодарен Принстонскому центру политики в области информационных технологий за хорошую компанию, беседы и еженедельные бесплатные обеды, и прекрасным студентам курса COS 109, чей талант и энтузиазм по-прежнему удивляют и вдохновляют меня. Спасибо вам.

Благодарности за книгу «D значит Digital»[4]

Я в большом долгу перед друзьями и коллегами за щедрую помощь и советы. В частности, Джону Бентли – за подробные комментарии почти к каждой странице нескольких черновиков. Клей Бейвор, Дэн Бентли, Хильдо Бирсма, Стю Фельдман, Джерард Хольцманн, Джошуа Кац, Марк Керниган, Мэг Керниган, Пол Керниган, Дэвид Малан, Тали Мо-решет, Джон Рике, Майк Ши, Бьярне Страуструп, Говард Трики и Джон Уэйт внимательно прочитали полные черновики, внесли много полезных предложений и спасли меня от нескольких серьезных оплошностей. Я также благодарю Дженнифер Чен, Дуга Кларка, Стива Элгерсму, Ави Флам-хольца, Генри Лейтнера, Майкла Ли, Хью Линча, Патрика Маккормика, Жаклин Мислоу, Джонатана Рошелла, Кори Томпсона и Криса Ван Вика за ценные комментарии. Я надеюсь, они увидят, что во многих местах я воспользовался их советами, и не заметят, что где-то я этого не сделал.

Дэвид Брэйлсфорд дал очень полезные советы по самостоятельной публикации и форматированию текста, полагаясь на личный опыт, приобретенный тяжким трудом. Грег Доенч и Грег Уилсон щедро делились советами по вопросам публикации. За фотографии я в долгу перед Джерардом Хольцманном и Джоном Уэйтом.

Гарри Льюис принимал меня в Гарварде в 2010/2011 учебном году, когда я написал первые несколько черновиков. Советы Гарри и его опыт преподавания аналогичного курса очень пригодились мне, как и его комментарии к многочисленным черновикам. Гарвардская школа инженерных и прикладных наук и Беркмановский центр интернета и общества создали для меня дружественную и вдохновляющую атмосферу, предоставили офис, оборудование и (да, такое бывает!) регулярные бесплатные обеды.

Я особенно благодарен многим сотням студентов, которые прошли курс COS 109 «Компьютеры в нашем мире». Их интерес, энтузиазм и дружелюбие стали неисчерпаемым источником вдохновения. Я надеюсь, что, когда несколько лет спустя они будут руководить миром, окажется, что этот курс пошел им на пользу.

Введение

Это было лучшее из всех времен, это было худшее из всех времен…[5]

Мы с женой планировали провести летний отпуск 2020 года в Англии. Мы забронировали номер, внесли предоплату, купили билеты, договорились с друзьями, чтобы они присмотрели за нашим домом и котом… а потом мир изменился.

В начале марта стало понятно, что COVID-19 станет серьезным мировым кризисом в области здравоохранения. Принстонский университет отменил занятия и в срочном порядке отправил студентов домой. Им дали неделю, чтобы собрать вещи и уехать. Быстро последовало решение, что в этом семестре они уже не вернутся.

Занятия перенесли в онлайн. Студенты смотрели лекции, писали работы, сдавали экзамены и получали оценки – все происходило удаленно. Я начал познавать Zoom – систему для видеоконференций – и стал пусть не экспертом, но, во всяком случае, опытным пользователем-любителем. К счастью, я преподавал два коротких семинара, примерно по десятку студентов в каждом, поэтому одновременно видел всю группу и поддерживал нормальное общение. У коллег, которые вели большие лекционные занятия, дела обстояли не так хорошо – и, конечно, это негативно отразилось на учениках по другую сторону всех этих виртуальных кафедр.

Большинство студентов вернулись в свои уютные дома с надежным электроснабжением и устойчивым интернет-соединением, где их поддерживали родные и они не столкнулись с нехваткой еды или еще чего-либо жизненно важного. Естественно, отношения между людьми страдали из-за вынужденного разделения или процветали из-за вынужденного объединения (а иногда – наоборот). Но это были несерьезные проблемы.

Часть студентов попала в гораздо более бедственное положение. У одних интернет-соединение прерывалось или вообще отсутствовало, из-за чего они не могли пользоваться видеосвязью и электронной почтой. Другие долго болели или находились на длительном карантине. У третьих заразились родственники, и о них приходилось заботиться, а у кого-то даже умерли близкие.

Повседневная административная работа в университете также перешла в онлайн-режим, случайные разговоры в коридоре превратились в ежедневные виртуальные встречи, а вся бумажная работа в основном велась по электронной почте. Я быстро устал от Zoom, но пока что хотя бы не сталкивался с выходками хакеров, вторгающихся в онлайн-пространство.

Во многих частях мира нашлись везучие люди, профессия которых позволяла трудиться удаленно, и компании быстро перешли в режим работы из дома. Люди улучшали фон для видеосвязи: демонстрировали книжные полки или аккуратно расставленные цветы и картины, учились добиваться (почти полной) тишины от своих детей, домашних животных и близких, а также не показывать их в кадре.

Стриминговые сервисы вроде Netflix, и так уже популярные, расширили аудиторию. Полный запрет на спортивные мероприятия поспособствовал ускорению развития онлайн-игр и фэнтези-спорта[6].

Мы постоянно смотрели новостные сводки о том, как быстро распространяется вирус COVID-19 и как удручающе медленно и непоследовательно его сдерживают, что сопровождалось чрезмерным изобилием несуразных идей и откровенной лжи политиков. Честных и компетентных руководителей среди них нашлось мало. Еще мы немного узнали о том, как стремительно развиваются экспоненциальные процессы.

Адаптироваться к новому способу ведения дел оказалось на удивление легко. Счастливчики продолжали работать, поддерживали виртуальный контакт с друзьями и родственниками, заказывали еду и все необходимое, почти как и прежде. Интернет и вся инфраструктура поддерживали связь между нами. Ситуация была на удивление устойчивой: системы передачи информации никогда не отключались, как и (к счастью) электричество, тепло и вода.

Технологические системы настолько хорошо работали во время этого глобального кризиса, что мы почти не вспоминали о них, – если не считать нескольких тревожных моментов, – хотя без них нам пришел бы конец. То же самое относится и ко множеству незаметных героев, которым не уделяли внимания, но они не допускали поломок, зачастую серьезно рискуя здоровьем и даже жизнью. Кроме того, мы по-настоящему не задумывались о миллионах людей, которые потеряли работу, потому что не могли выполнять свои задачи через интернет и их источник дохода исчез в одночасье.