信息安全基础实习报告

1、信息安全基础实习报告姓 名： 学 号： 班 级： 指导老师： 1.问题描述通信系统模型反映了各种通信系统的共同特性，对通信系统模型的研究有助于找出信息传输过程中的共同规律，以提高信息传输的可靠性、有效性、保密性和认证性。本课题的任务是针对文本文件（txt文件）或图像文件（bmp文件）对信源编（译）码，信道编（译）码部分编程实现，并分析实验数据。2.需求分析该通信系统模型主要有四个模块：信源编码（Huffman编码）、信道编码（线性分组码）、信道解码、信源解码。编码对象：图像（test1.bmp）信源编码算法： 哈弗曼编码信源编码结果：文本（2.txt）信道编码算法： 线性分组码信道编码结果：文

2、本（3.txt）统计压缩率统计传输率信源译码：文本5.txt）解码结果：图像（test2.bmp）信道译码结果：文本（4.txt）读像素：文本（1.txt）根据实验要求，需要读写文件，本文选择的是读取图像文件，涉及到读取图像文件的知识。3.算法分析3.1Huffman编码Huffman算法是一种基于统计的压缩方法。它的本质就是对文本文件中的字符进行重新编码，对于使用频率越高的字符，其编码也越短。但是任何2个字符的编码，是不能出现向前包含的。也就是说字符A的编码的前段，不可能为字符B的编码。经过编码后的文本文件，主要包含2个部分：Huffman码表部分和压缩内容部分。解压缩的时候，先把Huffm

3、an码表取出来，然后对压缩内容部分各个字符进行逐一解码,形成源文件。编码过程如下(1) 将信源符号按概率递减顺序排列; (2) 把两个最小的概率加起来, 作为新符号的概率; (3) 重复步(1) 、(2) 直到概率和达到1为止;(4) 在每次合并消息时，将被合并的消息赋以1和0或0和1；(5) 寻找从每个信源符号到概率为1处的路径，记录下路径上的1和0；(6) 对每个符号写出1、0序列（从码数的根到终节点）。哈夫曼译码过程与编码过程相反，译码过程就是分解电文中字符串的过程，具体步骤如下：首先输入要一点问的二进制编码，然后从哈夫曼树的根结点出发，对于电文的二进制编码，按照二进制位串中的0和1确定

4、是进入左分支还是右分支：若编码为0，则进入结点的左孩子，否则进入结点的右孩子，一旦到达叶结点，就译出该叶子结点所代表字符。3.2线性分组码（7，3）码线性分组码是一类奇偶校验码，它可以由（n，k）形式表示，编码器将一个k比特信息分组（信息矢量）转变为一个更长的由给定元素符号集组成的n比特编码分组，当这个符号集包含两个元素（0和1），与二进制相对，称为二进制编码。分组码是对每段k位长的信息组，以一定规则增加r=n-k个检验元，组成长为n的序列：（Cn-1,Cn-2,C1,C0），称这个序列为码字。在二进制情况下，信息组总共有k2个，因此通过编码器后，相应的码字也有k2个，称这k2个码字集合为(n

5、,k)分组码。n长序列的可能排列总共有n2种。称被选取的k2个n重为许用码组，其余kn22-个为禁用码组，称R=k/n为码率。那么对于（7，3）码即为用7位长的序列表示3位信息码，7位长序列的可能排列总共有128个。许用码组有8个，其余128-8=120个禁用码组，码率为R=3/7=42.86%。对于长度为n的二进制分组码，可以表示成（n，k），通常用于前向纠错。在分组码中，监督位加到信息位之后，形成新码，在编码中，k个信息位，被编为n位长度，（n-k）个监督码的作用是实现检错和纠错。n 编码原理（1）根据给定的生成矩阵G，求得监督码与信息码之间呈线性关系即编码方程。 （2）输入信息码，代入上

6、述编码方程中，得到各监督码。 （3）监督码附带在信息码之后，一起输出，即得到编码结果。已知线性分组码的生成矩阵 1 0 0 1 1 1 0 G = 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1因为 C6C5C4G=C6C5C4C3C2C1C0即 1 0 0 1 1 1 0 C6C5C4 0 1 0 0 1 1 1 = C6C5C4C3C2C1C0 0 0 1 1 1 0 1所以由上式可以得到编码方程组C6 = C6C5 = C5C4 = C4=+=+ =+=+表1 信息码、监督码、许用码对照表信息组监督码码字00000000000000001110100111010100111010

7、01110111010011101010011101001110101001110100111101001110100111101001110100n 译码原理（1）根据生成矩阵计算出监督矩阵H，由H计算出伴随式S。 （2）如果S=0,0,0,0，R1无错。 （3）如果S与H的转置矩阵的某一行相等，则有一个错误，找到相应的错误图样E，则正确的接收到的码字R2=R1+E（二进制异或）。 （4）译出的码为R2的前3位。 （5）如果S不等于H转置的任意一行，则有两个或多个错误，不能得到正确的译码结果。已知线性分组码的生成矩阵 1 0 0 1 1 1 0 G = 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1

8、 1 1 0 1 G=IkP （3）其中Ik是k阶单位矩阵，这里k=3 1 1 1 0 G = 0 1 1 1 （4） 1 1 0 1 监督矩阵 H=QIr （5） 1 0 0 00 1 0 0 Ir = 0 0 1 0 （6） 0 0 0 1因为 P=QT （7）所以由（4）得 1 0 11 1 1 Q = 1 1 0 （8） 0 1 1因此由（5）（6）（8）得监督矩阵 1 0 1 1 0 0 01 1 1 0 1 0 0 Q = 1 1 0 0 0 1 0 （9） 0 1 1 0 0 0 14.算法实现4.1图片处理n 定义结构体/位图文件头定义;/其中不包含文件类型信息（由于结构体的内

9、存结构决定，/要是加了的话将不能正确读取文件信息）typedef struct tagBITMAPFILEHEADER/WORD bfType; /文件类型，必须是0x424D，即字符“BM”DWORD bfSize; /文件大小WORD bfReserved1; /保留字WORD bfReserved2; /保留字DWORD bfOffBits; /从文件头到实际位图数据的偏移字节数BITMAPFILEHEADER;typedef struct tagBITMAPINFOHEADERDWORD biSize; /信息头大小LONG biWidth; /图像宽度LONG biHeight; /

10、图像高度WORD biPlanes; /位平面数，必须为1WORD biBitCount; /每像素位数DWORD biCompression; /压缩类型DWORD biSizeImage; /压缩图像大小字节数LONG biXPelsPerMeter; /水平分辨率LONG biYPelsPerMeter; /垂直分辨率DWORD biClrUsed; /位图实际用到的色彩数DWORD biClrImportant; /本位图中重要的色彩数BITMAPINFOHEADER; /位图信息头定义typedef struct tagRGBQUADBYTE rgbBlue; /该颜色的蓝色分量BY

11、TE rgbGreen; /该颜色的绿色分量BYTE rgbRed; /该颜色的红色分量BYTE rgbReserved; /保留值RGBQUAD; /调色板定义typedef struct tagIMAGEDATA /像素信息BYTE blue;/BYTE green;/BYTE red;IMAGEDATA;n 像素保存bool BMP:readOfBMP()cout t正在读取原文件信息,请稍后.n endl;FILE *fpi;fpi = fopen(G:学习资料信息安全基础实习ConsoleApplication1ConsoleApplication1test1.BMP, rb);if

12、 (fpi = NULL)cout t无法打开文件1!n endl;return false;/判断是否是bmp格式文件WORD bfType;fread(&bfType, 1, sizeof(WORD), fpi);if (bfType != 0x4d42)cout t不是bmp格式的图片!n endl;return false;/读取bmp文件的文件头和信息头fread(&strHead, 1, sizeof(tagBITMAPFILEHEADER), fpi);fread(&strInfo, 1, sizeof(tagBITMAPINFOHEADER), fpi);/读取调色板for (

13、unsigned int nCounti = 0; nCounti strInfo.biClrUsed; nCounti+)fread(char *)&(strPlanCounti.rgbBlue), 1, sizeof(BYTE), fpi);fread(char *)&(strPlanCounti.rgbGreen), 1, sizeof(BYTE), fpi);fread(char *)&(strPlanCounti.rgbRed), 1, sizeof(BYTE), fpi);fread(char *)&(strPlanCounti.rgbReserved), 1, sizeof(BY

14、TE), fpi);strInfo.biWidth = (strInfo.biWidth * sizeof(IMAGEDATA)+3) / 4 * 4;long width = strInfo.biWidth;long height = strInfo.biHeight;/width = ( width * sizeof(IMAGEDATA) + 3) / 4 * 4;/申请并初始化存储像素imageDataPtr = new IMAGEDATAwidth * height;for (int i = 0; i height; +i)for (int j = 0; j width; +j)(*(

15、imageDataPtr + i * width + j).blue = 0;/(*(imageDataPtr + i * width + j).green = 0;/(*(imageDataPtr + i * width + j).red = 0;fread(imageDataPtr, sizeof(struct tagIMAGEDATA) * width, height, fpi);fclose(fpi);cout t原文件读取完毕!n endl;return true;4.2 Huffman解压缩n Huffman树构造构造哈夫曼树非常简单，将所有的节点放到一个队列中，用一个节点替换两个

16、频率最低的节点，新节点的频率就是这两个节点的频率之和。这样，新节点就是两个被替换节点的父节点了。如此循环，直到队列中只剩一个节点（树根）。void Haffman(int weight, HaffNode haffTree)int i, j, m1, m2, x1, x2;for (i = 0; i2 * MaxN - 1; i+)if (iMaxN)haffTreei.letter = (char)i;haffTreei.weight = weighti;haffTreei.flag = 0;haffTreei.parent = -1;haffTreei.leftChild = -1;haf

17、fTreei.rightChild = -1;for (i = 0; iMaxN - 1; i+)m1 = m2 = MaxValue;x1 = x2 = 0;for (j = 0; jMaxN + i; j+)if (haffTreej.weightm1&haffTreej.flag = 0)m2 = m1;x2 = x1;m1 = haffTreej.weight;x1 = j;else if (haffTreej.weightm2&haffTreej.flag = 0)m2 = haffTreej.weight;x2 = j;haffTreex1.parent = MaxN + i;ha

18、ffTreex2.parent = MaxN + i;haffTreex1.flag = 1;haffTreex2.flag = 1;haffTreeMaxN + i.weight = haffTreex1.weight + haffTreex2.weight;haffTreeMaxN + i.leftChild = x1;haffTreeMaxN + i.rightChild = x2;n Huffman编码解压缩比构造哈夫曼树要简单的多，将输入缓冲区中的每个编码用对应的ASCII码逐个替换就可以了。只要记住，这里的输入缓冲区是一个包含每个ASCII值的编码的位流。因此，为了用ASCII值替

19、换编码，我们必须用位流搜索哈夫曼树，直到发现一个叶节点，然后将它的ASCII值添加到输出缓冲区中：void HaffmanEncode(HaffNode haffTree, char codeMaxNMaxN)/编码结果保存在2.txt文档中char hcodeMaxN;int start, i, child, parent;for (i = 0; iMaxN; i+)start = MaxN - 1;hcode-start = 0;child = i;parent = haffTreechild.parent;while (parent != -1)if (haffTreeparent.le

20、ftChild = child)hcode-start = 0;else hcode-start = 1;child = parent;parent = haffTreechild.parent;strcpy(codei, &hcodestart);n Huffman译码void HaffmanDecode(HaffNode haffTree)/译码结果保存在5.txt文档中FILE *fp1, *fp2;int i = 2 * MaxN - 2;char c;if (fp1 = fopen(G:学习资料信息安全基础实习ConsoleApplication1ConsoleApplication

21、12.txt, rb) = NULL)printf(Cannot Open The File!n);exit(1);if (fp2 = fopen(G:学习资料信息安全基础实习ConsoleApplication1ConsoleApplication14.txt, wb) = NULL)printf(Cannot Open The File!n);exit(1);fscanf(fp1, %c, &c);doif (c = 0) i = haffTreei.leftChild;else i = haffTreei.rightChild;if (haffTreei.leftChild = -1)f

22、putc(haffTreei.letter, fp2);i = 2 * MaxN - 2;fscanf(fp1, %c, &c); while (c != );fclose(fp1);fclose(fp2);4.3 线性分组码n 线性分组码编码void Encode()int c13, c27;string str, b1;int i = 0;FILE *fp2, *fp3;if (fp2 = fopen(G:学习资料信息安全基础实习ConsoleApplication1ConsoleApplication12.txt, r) = NULL)printf(无法打开文件！);exit(1);if

23、 (fp3 = fopen(3.txt, w) = NULL)printf(无法打开文件！);exit(1);while (!feof(fp2)fscanf(fp2, %c, &str);/将2.txt中二进制流写入str中stri = 0;int num = i;num-;for (i = 0; i num; i+)b1i = stri;if (i % 3 = 0)c10 = stri - 0;else if (i % 3 = 1)c11 = stri - 0;else if (i % 3 = 2)c12 = stri - 0;if (i + 1) % 3 = 0)c20 = c10;c21

24、 = c11;c22 = c12;c23 = c10 + c12;c24 = c10 + c11 + c12;c25 = c10 + c11;c26 = c11 + c12;for (int j = 0; j 7; j+)if (c2j = 2)c2j = 0;else if (c2j = 3)c2j = 1;fprintf(fp3, %d, c2j);/将线性分组码编码结果放在3.txt中fclose(fp3);n 线性分组码译码void Decoding() int G37=1,0,0,1,1,1,0,0,1,0,0,1,1,1,0,0,1,1,1,0,1;int P34,Q43,HT73

25、,R27,C3; int R17;int H47=0,S4=0,E7=0; int i,j,n,k,t=0,w; FILE *fp1,*fp2;string str;int num;i=0;if(fp1=fopen(6.txt,r)=NULL) printf(无法打开文件！); exit(1); if(fp2=fopen(G:学习资料信息安全基础实习ConsoleApplication1ConsoleApplication14.txt,w)=NULL) /将线性分组码的译码结果存入4.txt中 printf(无法打开文件！); exit(1); while(!feof(fp1) fscanf(fp1,%c,&stri+); num=i;/printf(num=%d,num);for(i=0;i3;i+) for(j=3;j7;j+) Pij-3=Gij; for(i=0;i3;i+) for(j=0;j4;j+) Qji=Pij; for(i=0;i4;i+) for(j=0;j3;j+) Hij=Qij; for(i=0;i4;i+) j=3; Hii+j=1; for(i=0;i4;i+) for(j=0;j7;j+) HTji=Hij; for(w=0;wnum;w+)if(w%7=