海明码的通信校验软件设计课程设计报告.doc

海明码的通信校验软件设计通信 班、 、 ；指导老师：王国才1、 设计题目题目：海明码的通信校验软件设计设计要求：环境为Windows2000/XP/7；编程语言为C；信息交换内容为文本文件；通信传输方式通过共享文件实现。功能要求：能在两台计算机机上运行程序，一台产生海明码，另一台校验纠错。（信息位4位，冗余位3位，文件中字符采用8位）2、 相关工作1. 海明码的概念当计算机存储或移动数据时，可能会产生数据位错误，这时可以利用海明码来检测并纠错，简单的说，海明码是一个错误校验码码集，由Bell实验室的R.W.Hamming发明，因此定名为海明码（汉明码）。与其他的错误校验码类似，汉明码也利用了奇偶校验位的概念，通过在数据位后面增加一些比特，可以验证数据的有效性。利用一个以上的校验位，汉明码不仅可以验证数据是否有效，还能在数据出错的情况下指明错误位置。它是在k位的信息位中，增加r位冗余位，构成一个n=k+r位的码字。如果校验位有r位，那么r个校验位就有个状态，其中一个状态指出“没有发生错误”，其余的个状态指出有错误时错误发生在哪一位（包括k个信息位和r个冗余位），所以必须满足不等式。即：或。2. 海明码的原理在数据中间加入几个校验码，码距均匀拉大，将数据的每个二进制位分配在几个奇偶校验组里，当某一位出错，会引起几个校验位的值发生变化。进行奇偶校验的方法是先计算数据中1的个数，通过增加一个0或1(称为校验位)，使1的个数变为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。例如，数据1101总共是4个比特位，包括3个1，1的数目是奇数，因此，如果是偶校验，那么增加的校验位就是一个1，反之，增加一个0作为校验位。通过“异或”运算来实现偶校验，“同或”运算来实现奇校验。单个比特位的错误可以通过计算1的数目是否正确来检测出来，如果1的数目错误，说明有一个比特位出错，这表示数据在传输过程中受到噪音影响而出错。利用更多的校验位，汉明码可以检测两位码错，每一位的检错都通过数据中不同的位组合来计算出来。 海明码的编码规则： 1) 校验位被分配在编码后码字的第位置上；2) 校验位所校验的是从第个位置开始，校验i位，然后跳位不校验；3) 海明码中的每一位都被多个校验位所校验，被校验的位置是所有校验这位的校验位位置序号之和。3. 例题分析下面结合本文所设计的题目，以例题来讲解汉明码是怎么编码的。假设信息位为1101，共4位，分别对应为d0，d1，d2，d3，因为，所以，4位信息位只需要3位校验位就够了。假设校验位为r0，r1，r2。信息位和校验位在码字中对应的位置如表1所示：表1码字C1C2C3C4C5C6C7信息位d0d1d2d3校验位r0r1r2校验位数值的确定（假设进行奇校验）：；。所以进行编码之后的码字为1010101。如果要验证所接收的码字是否出错，则验证：；。如果P1，P2和P4都为0，则没有出错，否则，就说明码字在传输过程当中出现了错误。错误的位置为不为0的所有校验位之和。假设所接收的码字为1010111，计算P1=0，P2=1，P4=1，因为P1，P2和P4不全为0，所以接收出现错误。错误的位置为第（2+4=6）位，即第6位。纠错之后的码字为1010101，与原来编码之后的码字相同。3、 题目分析及其设计的详细方案设计题目乍一看很简单，就是设计一个汉明码的校验软件，能在两台计算机机上运行程序，一台产生海明码，另一台校验纠错。要求信息位4位，冗余位3位，文件中字符采用8位进行传输。但是仔细一想，这里面的工作还是很多的。首先说文件，这个文件里头是什么内容？只是简单的“0”和“1”？不。这个文件里面可以有字符、数字、特殊符号和汉字等。但是汉明码的编码只是对简单的“0”和“1”，这个问题怎么解决呢？我们知道字符，数字等信息都是以二进制的形式存储在计算机中的。所以，我们只要将文件中的信息读取出来，再转化为二进制进行编码处理。编码规则在上述相关工作中已经详细叙述。将文件中的字符转化为二进制，那也有8位，但是题目要求是4位，这个怎么办呢？很简单，一次处理4位就好了，先处理前4位，再处理后4位，分别对其进行编码。编码完成之后，我们要考虑的问题就是怎么进行文件传输了。这个很简单，我们只需要在计算机上找到所需要共享的文件夹，将其设置为共享就行了。在文件共享的过程中，可能会出错，就会导致所接收的信息错误，这可能会造成很严重的后果。这就是我们要对其进行编码的原因。收到编码后的文件，我们要对其进行校验，检查文件在传输的过程中是否出现错误。根据编码规则进行校验，看是否满足奇偶特性。如果满足，那么说明没有出错；否则，文件在传输过程中就出现了错误。汉明码有一定的纠错功能，当发现接收的文件有错误时，可以对其进行纠错。有关内容在相关工作中已经有详细叙述。之后，就是对已接收的文件进行译码，译码的对象也是“0”和“1”，去掉冗余，得到数据位。因为编码是分开编的，所以译码的时候，需要将其组合起来再能得到完整的数据位。然后通过数据位，得到所对应的字符，并将其写入到一个新的文件中。最后要验证文件是否传输成功，只要将译码后的文件与原文件进行比较就可以了。如果一致，则成功，否则，失败。Server4、 设计的整体框架生成文件messageClient将message中的字符转化为二进制（每个字符转化为8位二进制）纠错并译码，得到前4位数据文 件 共 享纠错并译码，得到后4位数据文 件 共 享对前4位数据进行汉明码编码将前后4位数据组合对后4位数据进行汉明码编码还原出原来的字符与message比较验证传输是否出错？若一致，则没错！不一致，则有错！文件共享还原出原来的字符，并将其写入文件yima图1：整体框架图5、 设计过程以及结果和说明1. 初步设计所实现的功能是对4位二进制信息进行汉明码编码、译码、纠错。输入4位二进制数值，对其进行汉明码编码之后输出对应的汉明码。如输入1101，则输出1010101。调试结果如图2所示。图2：对4位二进制信息进行汉明码编码手动输入汉明码代替文件传输，然后对其进行校验和纠错，最后还原出原来的信息。如输入1010101，则表示没有出错，原来的信息位1101，如图3所示；如输入1010111，则第6位出现错误，纠正之后还原的信息为1101如图4所示。图3：正确接收并译码图4：纠错并译码2. 最终设计实现了最终功能。在两台计算机机上运行程序，一台产生海明码，另一台校验纠错。要求信息位4位，冗余位3位，文件中字符采用8位进行传输。欢迎界面。刚开始运行程序会出现welcome字样，然后回车之后，如果需要进入校验软件，则输入1，否则输入0退出。如图5所示。图5：欢迎界面创建message文件，输入任意字符，字数在50个字符以内，以“#”号键结束。输入的字符将写入命名为message的文本当中。如图6所示。 图6：创建message文本文件 然后将message中的内容转化为二进制，如“a”，在ASC中的编号为97，转化为二进制为01100001。如图7所示。图7：将字符转化为二进制 分别对前4位和后4位数据位进行汉明码编码。如01100001的前4位为0110，根据汉明码的编码规则，编码后为11001100，并将其编码后的代码写入文本文件hanmingma1中；后4位为0001，根据汉明码的编码规则，编码后为11010010，并将其编码后的代码写入文本文件hanmingma2中。如图8所示。 图8：分别处理前后4位数据位在校验端，读取hanmingma1中的代码进行前一个字节的处理；读取hanmingma2中的代码进行后一个字节的处理。将他们的数据位提取出来之后进行组合得到原来的数据信息，然后将其复原为字符信息。如hanmingma1中的代码11001100，对其进行校验：发现没有出错，故不需要纠错，提取其中数据位为0110。同样hanmingma2中的代码11010010，对其进行校验，发现没有出错，故不用进行纠错，提取其中的数据位0001。将前后两个字节的处理得到的数据位组合得到01100001，恢复成十进制数据为97，表示的字符为“a”。并将译码后得到的字符写入文本文件yima中。如图9所示。 图9：校验并纠错，并译码成原始信息 Message中的第一个字符处理完毕之后，开始处理message中的第二个字符，处理方法与处理第一位的方法一样。先将其转化为二进制代码，然后分别对前4位数据和后4位数据进行汉明码的编码、译码处理，译码之后将其组合成为8位数据，再化成十进制数据，得到对应的字符信息，并写入文件yima中。如图10所示。 图10：message中第二个字符的处理 是否需要向message中写入新的信息，如果需要，则输入1，不需要则输入0。假设需要向message中写入“c”，则输入1后按照提示操作。如图11所示。图11：继续向message中写入“c” 然后对message中新输入的字符信息“c”的处理。如图12所示。 图12：对message中新输入的字符的处理 如果你不想继续向message文本文件中输入新的信息，则在校验端输入“0”，表示不要再进行校验了。然后在发送端也输入“0”表示，不再输入新的信息。结束之后，在发送端读取message和yima中的内容，进行比较，验证传输是否出错。如图13所示。 图13：校验结束6、 总结通过两周时间的课程设计，我对汉明码有了更深一步的认识。在选题的时候，因为看到汉明码三个字，我就选定了这个设计题目。因为我学过嘛！选定题目之后，我初步计划是先弄清楚汉明码的相关知识，然后对生成汉明码和校验汉明码分别进行编程，最后在实现文件共享。我用了一天的时间来温习巩固汉明码的有关知识，它的概念，原理，编码规则，译码规则等。彻底弄清楚之后，我就开始编写程序，因为学过C+，所以，这一块对我来说很简单。虽然调试的时候，出现了一些小bug，但是经过我的改正，很快已经没有问题了。早早的完成了任务，我很兴奋。于是我早早的让王老师检查我的程序，本来以为这次的课程设计就这么结束了。谁知道你所共享的文件里面就只能写4位二进制信息，普通的文件就不说二进制，怎么着也不可能只有4位，所以，文本文件需要改进；你写一篇文章的时候，是不是经常需要更新，比如说插入，删除，修改等，那么你的共享文件如果出现这样的操作，还能继续进行校验吗，所以，这一部分需要改进；你怎么判断文件在共享的过程中没有出差错，在你的程序里头没有体现出来，所以，需要改进经过王老师这么一指导，我发现，我想的真的是太简单。我也经过了反思，我做这次课程设计没有怎么端正心态，我只是把它当做一次课程设计，做完了就是做完了，不会去想，我还有什么需要改进的，还有哪里是可以更加完美的。心里就只是想着：嗯，完整设计的基本要求就好了。没有像王老师一样，把它当成一种兴趣，一种挑战，一种自我提升，所以才会导致这样的错误发生。反思之后，我认真的改进了程序，改进之后的程序基本上比初步设计的程序好很多很多，当时也没想到一个简单的汉明码校验软件会被我做成这样。课设结束后，自己除了高兴，也很惊喜，我没想到自己会做的这么好。同时，我也在问自己，是刚开始的程序好，还是改进之后的程序好？自己当时怎么就没有想到呢？对人对事，都是需要用心的，就比如这次课程设计，我如果多用点心，不要怕麻烦，我肯定也会想到这些改进的地方。还有，不要怀疑自己的能力，这世上，只有你想不到的，没有你做不到的。对待一件事情或者一个事物，只要你用心，你可以想到很多很多，任何方面，每个细节。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。参考文献：施荣华,王国才.计算机通信网络技术及应用.中国水利水电出版社 2012年高传善等编著数据通信与计算机网络，高等教育出版社，2004年附录：附录一：发送端的源代码#include#include#includeint main() int i,k,j,y,a,m,dnum,rnum,g=0;char message100,message1100;int data8,data14,data24;int r13,r23; char code19,code29,c;printf(nn*Welcome*nnn);getchar();system(cls);printf(是否进入校验软件？n);printf(是：1n否：0n);scanf(%d,&m);getchar();system(cls);while(m)getchar(); printf(请输入需要校验的信息(小于50个字符并以“#”号键结束)：n); for(k=0;k50;k+) messagek=getchar(); if(messagek=#) break; printf(nn输入的信息为：); for(j=0;jk;j+) printf(%c,messagej); getchar(); messagek=0; for(j=0;jk;j+) message1g=messagej; g+; printf(nn*汉明码的生成*nnn);getchar();for(j=0;j=0;a-) y=(int)messagej%2; messagej=(int)messagej/2; dataa=y; printf(n输出第%d位字符对应的二进制代码为：,j+1); for(a=0;a8;a+) printf(%d,dataa); getchar(); printf(n*前4位二进制的处理*nn); getchar(); dnum=0; rnum=0; i=0; printf(前4位的二进制代码为：); for(a=0;a4;a+) data1a=dataa; printf(%d,data1a); r10=data10+data11+data13;r10=r10%2; r11=data10+data12+data13; r11=r11%2; r12=data11+data12+data13; r12=r12%2; printf(n前4位的校验位为：); printf(%d%d%d,r10,r11,r12); for(a=1;a8;a+) if(a=pow(double)2,rnum) if(r1rnum=0) c=0; if(r1rnum=1) c=1; code1i=c; i+; rnum+; else if(data1dnum=0) c=0; if(data1dnum=1) c=1; code1i=c; i+; dnum+; code17=0;code18=0; printf(n前4位的汉明码为：); for(a=0;a8;a+) printf(%c,code1a); getchar(); printf(n*后4位二进制的处理*nn); getchar(); dnum=0;rnum=0; i=0; printf(后4位的二进制代码为：); for(a=0;a4;a+) data2a=dataa+4; printf(%d,data2a); r20=data20+data21+data23; r20=r20%2; r21=data20+data22+data23; r21=r21%2; r22=data21+data22+data23; r22=r22%2; printf(n后4位的校验位为：); printf(%d%d%d,r20,r21,r22); for(a=1;a8;a+) if(a=pow(double)2,rnum) if(r2rnum=0) c=0; if(r2rnum=1) c=1; code2i=c; i+; rnum+; else if(data2dnum=0) c=0; if(data2dnum=1) c=1; code2i=c; i+; dnum+; code27=0; code28=0; printf(n后4位的汉明码为：); for(a=0;a8;a+) printf(%c,code2a); getchar(); FILE *fp1,*fp2,*fp4; fp1=fopen(C:gongxianghanmingma1.txt,w); fp2=fopen(C:gongxianghanmingma2.txt,w); fp4=fopen(C:gongxiangcode.txt,a); fprintf(fp1,%s,code1); fprintf(fp2,%s,code2); fprintf(fp4,%s,code1); fprintf(fp4,%c,n); fprintf(fp4,%s,code2); fprintf(fp4,%c,n); fclose(fp1); fclose(fp2); fclose(fp4); getchar(); printf(n是否继续进入软件？n); printf(是：1n否：0n); scanf(%d,&m);system(cls); message1g=0;FILE *fp3; fp3=fopen(C:gongxiangmessage.txt,w); fprintf(fp3,%s,message1); fclose(fp3);char mes1100,mes100;FILE *fp6;fp6=fopen(C:gongxiangmessage.txt,r);fscanf(fp6,%s,mes1);fclose(fp6);for(k=0;k100;k+) mesk=mes1k; if(mes1k=#) break; mesk=0; char yima1100,yima100;FILE *fp5;fp5=fopen(C:gongxiangyima.txt,r);fscanf(fp5,%s,yima1);fclose(fp5);for(k=0;k100;k+) yimak=yima1k; if(yima1k=#) break; yimak=0; int f; printf(n*原来的信息为：%s,mes); printf(n译码后的信息为：%s,yima); for(f=0;fk;f+) if(mesf!=yimaf)&f!=k) break; if(f=k) printf(n因为译码前后的信息一致n所以传输没有错！n); if(f!=k) printf(n以为译码前后的信息不一致n所以传输有错！n); getchar();return 0;附录二：接收校验端的源代码#include#include#includeint main() int k,m,p,i,num; char code110,code210,c19,c29; char P16,P26; printf(nn*Welcome*nnn);getchar();system(cls);printf(是否进入校验软件？n);printf(是：1n否：0n);scanf(%d,&m);getchar();system(cls);while(m) printf(nn*前一个字节的处理*nn); p=0;i=0;num=0;FILE *fp1; fp1=fopen(C:gongxianghanmingma1.txt,r); fscanf(fp1,%s,c1); c18=0; for(k=1;k9;k+) code1k=c1k-1; code19=0; printf(输出前一半的汉明码：); for(k=1;k9;k+) printf(%c,code1k); printf(n前一半的校验（只能纠错一位）：n); P11=code11+code13+code15+code17; P11=P11%2=0?0:1; P12=code12+code13+code16+code17; P12=P12%2=0?0:1; P13=0; P14=code14+code15+code16+code17; P14=P14%2=0?0:1; P15=0; printf(P1=%cn,P11); printf(P2=%cn,P12); printf(P4=%cn,P14); for(k=1;k5;k+) if(P1k=0) p=p+k; if(P1k!=0) num=num+k; if(p=10) printf(n因为P1，P2和P4都为0n所以没有出错！); if(p!=10) printf(n因为P1,P2和P4不全为0n); printf(所以接收的的码字有发生错误！n); printf(n所接收的码字中第%d位发生错误！n,num); printf(纠错之后的码字为：); for(k=1;k9;k+) if(k=num) if(code1k=0) code1k=1; else code1k=0; printf(%c,code1k); printf(n输出前一半的二进制代码：%c%c%c%c,code13,code15,code16,code17); printf(nnn*后一个字节的处理*nn); p=0;i=0;num=0;FILE *fp2; fp2=fopen(C:gongxianghanmingma2.txt,r); fscanf(fp2,%s,c2); c28=0; for(k=1;k9;k+) code2k=c2k-1; code29=0; printf(输出后一半汉明码：); for(k=1;k9;k+) printf(%c,code2k); printf(n后一半的校验（只能纠错一位）：n); P21=code21+code23+code25+code27;P21=P21%2=0?0:1; P22=code22+code23+code26+code27;P22=P22%2=0?0:1; P23=0; P24=code24+code25+code