基于分组码的消息验证码的程序实现开题报告

文献综述

1.选题背景及意义

随着数字通信技术的发展，各种业务对系统误码率的要求，对电子产品的运行速度的要求也不断提高。为了克服这些缺陷提高信息传输的准确性在通信中越来越多的人开始研究采用专门的检、纠错误的方法即差错控制。在数字通信系统中采用差错控制信道编码技术，以此来减少传输过程的误码，提高数字通信系统的传输质量。它的基本原理是：发送端的信道编码器在信息码元序列中按照一定的关系加入一些冗余码元(称为监督码元)，使得原来相关性很小的信息码元产生某种相关性，从而在接收端利用这种相关性来检查并纠正信息码元在传输中引起的差错。冗余度的引入提高了传输的可靠性，但降低了传输效率。因此设计数字通信系统时,应首先合理选择信道编译码码组种类，这样才可以在信号的传输，以及接收环节达到较好的效果，线性分组码具有编译码简单，封闭性好等特点,是目前较为流行的差错控制编码技术。所以合理的选择编码器电路很重要。

以往的编码器的实现通常都是用移位寄存器作为主要部件来实现的。但用移位寄存器这样的IC集成块来做编码器的缺点是，电路庞大，接线复杂，可靠性稳定性不高，延时大，最大的问题是时序难于控制。现在也有用ARM，DSP，单片机做编码器的。但是，由于单片机和IC集成块本身的缺陷使得这些电路具有延时时间长，速度慢，集成度不高，体积大、可靠性不够高等缺点。然而EDA技术却使得编码器的实现变得简洁，接线大幅度减少，在一个芯片上实现，减少了很多接线电容，接线电阻等一些负面的因素的影响。

在实际的通信系统中，由于信道传输特性不理想以及加性噪声的影响，传输的信息中不可避免地会发生错误，影响通信系统的传输可靠性。随着数字通信技术的发展，各种业务对系统误码率的要求也逐渐提高，采用差错控制编码技术是提高数字通信可靠性的有效方法之一。差错控制编码就是在发送端的信息码元序列中，以某种确定的编码规则加入一些监督码元，使信息码元与监督码元之间具有某种相关性。接收端通过检验这种相关性是否存在来判断在传输过程中是否出现了误码。线性分组码、巴克码、CRC冗余校验码等都是目前较为流行的差错控制编码技术之一。

2.基本原理

2.1通信的概念

通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图像等都是消息（Message）。消息由模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）。所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物资载体。

相应的信号可以分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的后才能在通信系统中传输，但幅度是连续的，如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的，如计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。

通信的目的是传递消息，但对受信者有用的是消息中包含的有效内容，即信息（Information）。消息是具体的、表面的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。

数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。因而，数字通信更能适应对通信技术的高要求。

2.2 计算机通信

计算机通信是一种以数据通信形式出现，在计算机与计算机之间或计算机与终端设备之间进行信息传递的方式。它是现代计算机技术与通信技术相融合的产物，在军队指挥自动化系统、武器控制系统、信息处理系统、决策分析系统、情报检索系统以及办公自动化系统等领域得到了广泛应用。计算机通信按照传输连接方式的不同，可分为直接式和间接式两种。直接式是指将两部计算机直接相联进行通信，可以是点对点，也可以是多点通播。间接式是指通信双方必须通过交换网络进行传输。按照通信覆盖地域的广度，计算机通信通常分为局域式、城域式和广域式三类。局域式是指在一局部的地域范围内（例如一个机关、学校、军营等）建立计算机通信。局域计算机通信覆盖地区的直径在数公里以内。城域式是指在一个城市范围内所建立的计算机通信。城域计算机通信覆盖地区的直径在十公里到数十公里。 广域式是指在一个广泛的地域范围内所建立的计算机通信。通信范围可以超越城市和国家，以至于全球。广域计算机通信覆盖地区的直径一般在数十公里到数干公里乃至上万公里。

在通常情况下，计算机通信都是由多台计算机通过通信线路连接成计算机通信网进行的，这样可共享网络资源，充分发挥计算机系统的效能。

3.消息码

3.1消息认证码的应用

1 SWIFT

SWIFT是于1973年成立的一个组织，其目的是为了国际银行间的交易保驾护航。该组织成立时候有15个成员国，2008年时已经发展到208个成员国。银行和银行之间是通过SWIFT来传递交易消息的。而为了确保消息的完整性以及对消息进行验证，SWIFT中使用了消息认证码。在使用公钥密钥进行密钥交换之前，消息认证码所使用的共享密钥都是由人来进行配送的。

2 IPsec

IPsec是对互联网基本通信协议IP协议增加安全性的一种方式。在IPsec中，对通信内容的认证和完整性校验都是采用消息认证码来完成。

3 SSL/TLS

SSL/TLS是我们在网上购物等场景中所使用的通信协议。SSL/TLS中对通信内容的认证和完整性校验也使用了消息认证码。

3.2 消息认证码的实现方法

1 使用单向散列函数实现

使用SHA-2之类的单向散列函数可以实现消息认证码，其中一种实现方法称为HMAC。

2 使用分组密码实现

使用AES之类的分组密码可以实现消息认证码。

将分组密码的密钥作为消息认证码的共享密钥来使用，并用CBC模式将消息全部加密。此时，初始化向量是固定的。由于消息认证码不需要解密，因此将除最后一份分组意外的密文全部丢弃，而将最后一个分组用作MAC值。由于CBC模式额最后一个分组会受到整个消息以及密钥的双重影响，因此可以将它用作消息认证码。例如，AES-CMAC就是一种基于AES来实现的消息认证码。

3.3 其他实现方法

使用流密码和公钥密码也可以实现消息认证码。

2000年以后，关于认证加密的研究逐步展开。认证加密是一种将对称密码和消息认证码相结合，同时满足机密性、完整性和认证三大功能的机制。Encryt-then-MAC：先用对称密码将明文加密，然后计算密文的MAC值。Encrpt-and-MAC：将明文用对称密码加密，并对明文计算MAC值。MAC-then-Encrpt：计算明文的MAC值，然后将明文和MAC值同时用对称密码加密。

4.参考文献

[1] 潘新民著. 计算机通信技术[M]. 电子工业出版社，2013

[2] 吴玲达，李国辉，杨冰等著. 计算机通信原理与技术[M]. 国防科技大学出版社，2013

[3]  孙丽华著. 信息论与纠错编码[M]. 电子工业出版社，2015

[4]  张应中，张德明等编著. 数据通信工程. 人民邮电出版社，1996

[5]  杜煜，姚鸿等编. 计算机网络基础. 电子工业出版社，2012

[6]  王福昌，熊兆飞，黄本雄等编著. 通信原理. 清华大学出版社，2016

[7]  王兴亮著. 《数字通信原理与技术》（第二版）.  西安电子科技大学出版社，2011

[8]  沈越泓，高媛媛，魏以民等编著.《通信原理》. 机械工业出版社，2014

[9]  黎洪松，张卫刚等编著. 数字通信原理. 西安电子科技大学出版社，2015

[10] 谭浩强著. C程序设计（第三版）. 北京：清华大学出版社，2015

本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）

1.研究目的和意义：

1.1研究目的：

1、克服单片机编码器运行速度慢，集成度不够高的缺点用VHDL语言设计一个EDA编码器电路。

2、深入理解消息验证码、线性分组码的原理和方法， 掌握线性分组码的生成矩阵、校验矩阵的推算和编码器原理。

3、会熟练使用vhdl语言基本语法和quartus ii的基本功能，并能在quartus ii这个软件的平台上来实现（7,3）线性分组码的编码器电路。

1.2研究意义：

1、基于本设计的编码器能克服单片机编码器可靠性不够高，速度不够快、集成度不够高的缺陷。

2、通过本设计可以加深我对以前所学的知识熟练程度，还可以让我学到很多的课外知识，同时把所学知识应用到论文中进行分析，进一步加深对线性分组码的理解和应用进一步熟练掌握VHDL语言的编程方法和quartus ii的使用方法。同时通过这次论文的写作，加强我的逻辑思维能力和知识整合能力。

3、通过对此编码器的设计，使我们将信息论的编码理论和电子技术的知识结合起来，深刻理解了如何将理论转化成实际，如何用电子技术的知识来设计有用的实际的电路等等。

2.研究内容(内容、结构框架以及重点、难点)：

2.1研究内容：

1、理论研究：

（1）学习和掌握线性分组码的原理与方法。

（2）深入学习消息验证码的原理与方法。

（3）研究FPGA的设计流程，并会熟练应用

（4）熟练掌握VHDL语言和quartus ii软件的使用方法

2、电路设计：根据掌握的理论知识和原理电路实现框图设计编码器电路，并用quartus ii软件去调试、仿真和下载。

3、研究FPGA硬件平台和quartus ii软件平台的基本原理和使用方法。

2.2结构框架：

基本思路为:首先阐述消息验证码和线性分组码的原理与方法,在理论的支撑下设计（7,3）线性分组码的编码电路,通过vhdl语言和quartus ii软件的模拟仿真,验证其正确性,论文总体分为四个部分:1.信道编码的分类及消息验证码;2.线性分组码原理及其编码方法;3.VHDL语言及Quartus ii软件概述4.编码器详细设计、调试与实现5.总结以及参考文献;

3.3研究重点：

1、消息验证码和线性分组码的原理和方法的研究和分析。

线性分组编码，是将每k个信息位分为一组独立处理，按一定规则给每个信息组增加(n-k)个监督码元，组成长度为n的二进制码字，记为是(n，k)分组码。信息位和监督位采用的关系式由一组线性方程所决定，称之为线性分组码。

C=U.G             (1)

式中：C为编码输出,U为输入信息位,G为线性分组码的生成矩阵。当G确定后，编码的方法就完全确定了,因此，在设计分组码编码器时，重点是需要确定生成矩阵G。

2、quartus ii软件的研究和使用。及基于quartus ii软件平台上的VHDL语言的使用。

3、编码器电路的设计、调试、和实现。

3.4研究难点：

1、如何实现存储器的取数。

2、如何实现输入信息位和生成矩阵相乘的乘法电路。

5.研究方法、手段：

理论与实践相结合，先学习理论原理再利用理论知识构建设计框架设计出基本电路图，最后再在quartus ii上不断调试、仿真和修改电路，最后实现电路。

其中理论学习分为以下几步：

1. 通过书籍和互联网查询相关资料，进行理论知识的学习和研究。

2. 结合自己所学知识加强与指导老师沟通，解决自己解决不了的问题。

3 .设计电路图，编写代码。

实践分为以下几步：

1、根据电路图和用VHDL语言编写代码，在quartus ii仿真看电路是否正确和是否符合要求。

2、如果不对再修改，直至正确为止。

3、与指导老师讨论调试中出现的问题并进一步改善电路。

4、测试所设计的硬件电路，看是否符合要求。