信息安全基礎實習報告

1、信息安全基礎實習報告姓 名： 學 號： 班 級： 指導老師： 1.問題描述通信系統(tǒng)模型反映了各種通信系統(tǒng)的共同特性，對通信系統(tǒng)模型的研究有助于找出信息傳輸過程中的共同規(guī)律，以提高信息傳輸的可靠性、有效性、保密性和認證性。本課題的任務是針對文本文件（txt文件）或圖像文件（bmp文件）對信源編（譯）碼，信道編（譯）碼部分編程實現，并分析實驗數據。2.需求分析該通信系統(tǒng)模型主要有四個模塊：信源編碼（Huffman編碼）、信道編碼（線性分組碼）、信道解碼、信源解碼。編碼對象：圖像（test1.bmp）信源編碼算法： 哈弗曼編碼信源編碼結果：文本（2.txt）信道編碼算法： 線性分組碼信道編碼結果：文

2、本（3.txt）統(tǒng)計壓縮率統(tǒng)計傳輸率信源譯碼：文本5.txt）解碼結果：圖像（test2.bmp）信道譯碼結果：文本（4.txt）讀像素：文本（1.txt）根據實驗要求，需要讀寫文件，本文選擇的是讀取圖像文件，涉及到讀取圖像文件的知識。3.算法分析3.1Huffman編碼Huffman算法是一種基于統(tǒng)計的壓縮方法。它的本質就是對文本文件中的字符進行重新編碼，對于使用頻率越高的字符，其編碼也越短。但是任何2個字符的編碼，是不能出現向前包含的。也就是說字符A的編碼的前段，不可能為字符B的編碼。經過編碼后的文本文件，主要包含2個部分：Huffman碼表部分和壓縮內容部分。解壓縮的時候，先把Huffm

3、an碼表取出來，然后對壓縮內容部分各個字符進行逐一解碼,形成源文件。編碼過程如下(1) 將信源符號按概率遞減順序排列; (2) 把兩個最小的概率加起來, 作為新符號的概率; (3) 重復步(1) 、(2) 直到概率和達到1為止;(4) 在每次合并消息時，將被合并的消息賦以1和0或0和1；(5) 尋找從每個信源符號到概率為1處的路徑，記錄下路徑上的1和0；(6) 對每個符號寫出1、0序列（從碼數的根到終節(jié)點）。哈夫曼譯碼過程與編碼過程相反，譯碼過程就是分解電文中字符串的過程，具體步驟如下：首先輸入要一點問的二進制編碼，然后從哈夫曼樹的根結點出發(fā)，對于電文的二進制編碼，按照二進制位串中的0和1確定

4、是進入左分支還是右分支：若編碼為0，則進入結點的左孩子，否則進入結點的右孩子，一旦到達葉結點，就譯出該葉子結點所代表字符。3.2線性分組碼（7，3）碼線性分組碼是一類奇偶校驗碼，它可以由（n，k）形式表示，編碼器將一個k比特信息分組（信息矢量）轉變?yōu)橐粋€更長的由給定元素符號集組成的n比特編碼分組，當這個符號集包含兩個元素（0和1），與二進制相對，稱為二進制編碼。分組碼是對每段k位長的信息組，以一定規(guī)則增加r=n-k個檢驗元，組成長為n的序列：（Cn-1,Cn-2,C1,C0），稱這個序列為碼字。在二進制情況下，信息組總共有k2個，因此通過編碼器后，相應的碼字也有k2個，稱這k2個碼字集合為(n

5、,k)分組碼。n長序列的可能排列總共有n2種。稱被選取的k2個n重為許用碼組，其余kn22-個為禁用碼組，稱R=k/n為碼率。那么對于（7，3）碼即為用7位長的序列表示3位信息碼，7位長序列的可能排列總共有128個。許用碼組有8個，其余128-8=120個禁用碼組，碼率為R=3/7=42.86%。對于長度為n的二進制分組碼，可以表示成（n，k），通常用于前向糾錯。在分組碼中，監(jiān)督位加到信息位之后，形成新碼，在編碼中，k個信息位，被編為n位長度，（n-k）個監(jiān)督碼的作用是實現檢錯和糾錯。n 編碼原理（1）根據給定的生成矩陣G，求得監(jiān)督碼與信息碼之間呈線性關系即編碼方程。 （2）輸入信息碼，代入上

6、述編碼方程中，得到各監(jiān)督碼。 （3）監(jiān)督碼附帶在信息碼之后，一起輸出，即得到編碼結果。已知線性分組碼的生成矩陣 1 0 0 1 1 1 0 G = 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1因為 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編碼方程組C6 = C6C5 = C5C4 = C4=+=+ =+=+表1 信息碼、監(jiān)督碼、許用碼對照表信息組監(jiān)督碼碼字00000000000000001110100111010100111010

7、01110111010011101010011101001110101001110100111101001110100111101001110100n 譯碼原理（1）根據生成矩陣計算出監(jiān)督矩陣H，由H計算出伴隨式S。 （2）如果S=0,0,0,0，R1無錯。 （3）如果S與H的轉置矩陣的某一行相等，則有一個錯誤，找到相應的錯誤圖樣E，則正確的接收到的碼字R2=R1+E（二進制異或）。 （4）譯出的碼為R2的前3位。 （5）如果S不等于H轉置的任意一行，則有兩個或多個錯誤，不能得到正確的譯碼結果。已知線性分組碼的生成矩陣 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階單位矩陣，這里k=3 1 1 1 0 G = 0 1 1 1 （4） 1 1 0 1 監(jiān)督矩陣 H=QIr （5） 1 0 0 00 1 0 0 Ir = 0 0 1 0 （6） 0 0 0 1因為 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）得監(jiān)督矩陣 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.算法實現4.1圖片處理n 定義結構體/位圖文件頭定義;/其中不包含文件類型信息（由于結構體的內

9、存結構決定，/要是加了的話將不能正確讀取文件信息）typedef struct tagBITMAPFILEHEADER/WORD bfType; /文件類型，必須是0x424D，即字符“BM”DWORD bfSize; /文件大小WORD bfReserved1; /保留字WORD bfReserved2; /保留字DWORD bfOffBits; /從文件頭到實際位圖數據的偏移字節(jié)數BITMAPFILEHEADER;typedef struct tagBITMAPINFOHEADERDWORD biSize; /信息頭大小LONG biWidth; /圖像寬度LONG biHeight; /

10、圖像高度WORD biPlanes; /位平面數，必須為1WORD biBitCount; /每像素位數DWORD biCompression; /壓縮類型DWORD biSizeImage; /壓縮圖像大小字節(jié)數LONG biXPelsPerMeter; /水平分辨率LONG biYPelsPerMeter; /垂直分辨率DWORD biClrUsed; /位圖實際用到的色彩數DWORD biClrImportant; /本位圖中重要的色彩數BITMAPINFOHEADER; /位圖信息頭定義typedef struct tagRGBQUADBYTE rgbBlue; /該顏色的藍色分量BY

11、TE rgbGreen; /該顏色的綠色分量BYTE rgbRed; /該顏色的紅色分量BYTE rgbReserved; /保留值RGBQUAD; /調色板定義typedef struct tagIMAGEDATA /像素信息BYTE blue;/BYTE green;/BYTE red;IMAGEDATA;n 像素保存bool BMP:readOfBMP()cout t正在讀取原文件信息,請稍后.n endl;FILE *fpi;fpi = fopen(G:學習資料信息安全基礎實習ConsoleApplication1ConsoleApplication1test1.BMP, rb);if

12、 (fpi = NULL)cout t無法打開文件1!n endl;return false;/判斷是否是bmp格式文件WORD bfType;fread(&bfType, 1, sizeof(WORD), fpi);if (bfType != 0x4d42)cout t不是bmp格式的圖片!n endl;return false;/讀取bmp文件的文件頭和信息頭fread(&strHead, 1, sizeof(tagBITMAPFILEHEADER), fpi);fread(&strInfo, 1, sizeof(tagBITMAPINFOHEADER), fpi);/讀取調色板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;/申請并初始化存儲像素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原文件讀取完畢!n endl;return true;4.2 Huffman解壓縮n Huffman樹構造構造哈夫曼樹非常簡單，將所有的節(jié)點放到一個隊列中，用一個節(jié)點替換兩個

16、頻率最低的節(jié)點，新節(jié)點的頻率就是這兩個節(jié)點的頻率之和。這樣，新節(jié)點就是兩個被替換節(jié)點的父節(jié)點了。如此循環(huán)，直到隊列中只剩一個節(jié)點（樹根）。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編碼解壓縮比構造哈夫曼樹要簡單的多，將輸入緩沖區(qū)中的每個編碼用對應的ASCII碼逐個替換就可以了。只要記住，這里的輸入緩沖區(qū)是一個包含每個ASCII值的編碼的位流。因此，為了用ASCII值替

19、換編碼，我們必須用位流搜索哈夫曼樹，直到發(fā)現一個葉節(jié)點，然后將它的ASCII值添加到輸出緩沖區(qū)中：void HaffmanEncode(HaffNode haffTree, char codeMaxNMaxN)/編碼結果保存在2.txt文檔中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譯碼void HaffmanDecode(HaffNode haffTree)/譯碼結果保存在5.txt文檔中FILE *fp1, *fp2;int i = 2 * MaxN - 2;char c;if (fp1 = fopen(G:學習資料信息安全基礎實習ConsoleApplication1ConsoleApplication

21、12.txt, rb) = NULL)printf(Cannot Open The File!n);exit(1);if (fp2 = fopen(G:學習資料信息安全基礎實習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 線性分組碼n 線性分組碼編碼void Encode()int c13, c27;string str, b1;int i = 0;FILE *fp2, *fp3;if (fp2 = fopen(G:學習資料信息安全基礎實習ConsoleApplication1ConsoleApplication12.txt, r) = NULL)printf(無法打開文件！);exit(1);if

23、 (fp3 = fopen(3.txt, w) = NULL)printf(無法打開文件！);exit(1);while (!feof(fp2)fscanf(fp2, %c, &str);/將2.txt中二進制流寫入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);/將線性分組碼編碼結果放在3.txt中fclose(fp3);n 線性分組碼譯碼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(無法打開文件！); exit(1); if(fp2=fopen(G:學習資料信息安全基礎實習ConsoleApplication1ConsoleApplication14.txt,w)=NULL) /將線性分組碼的譯碼結果存入4.txt中 printf(無法打開文件！); 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=