DNA密码学的主要技术及其应用现状,大学论文.docx
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1、DNA密码学的主要技术及其应用现在状况,大学论文内容摘要:作为密码学近年来衍生出的全新分支,DNA密码学诞生自DNA计算,以DNA分子为信息载体,充分利用DNA分子所具有的超高存储密度、超大规模并行运算能力、超低能耗等优点,可从分子水平实现加密、隐写及签名认证等功能.经过二十余年的发展,DNA密码学也从理论初步走向应用,研究贴近研究热门,比方结合图像加密的混合加密、用于签名认证的DNA水印技术等.DNA密码学是对基于数学难题的传统密码学的有益补充,但仍处于起步阶段,基于DNA分子的加密、隐写、签名认证等技术都具有很大的发展空间.DNA密码学仍未建立起完备的理论体系,发展也遭到生物技术的制约.随
2、着生物技术的进步,DNA密码学一定能在信息安全领域展示出自个宏大的潜力和能量. 本文关键词语:DNA密码学; 签名认证; DNA计算; 信息安全; Research progress and application of DNA cryptography DONG Xiao-sheng WANG Lei WANG Yan XUE Zhi-dong School of Software Engineering, Huazhong University of Science and Technology College of Life and Technology, Huazhong Univer
3、sity of Science and Technology Abstract:As a new branch of cryptography derived in recent years, DNA cryptography was born from DNA computing, it uses DNA molecules as information carriers, and makes full use of the advantages of ultra-high storage density, ultra-large-scale parallel computing capab
4、ilities, and ultra-low energy consumption of DNA molecules. Encryption, steganography and signature authentication can be realized at the molecular level. After more than two decades of development, DNA cryptography has also gradually moved from theory to application, and research hotspots, include
5、hybrid encryption combined with image encryption and DNA watermarking technology for signature authentication. DNA cryptography is a useful supplement to traditional cryptography based on mathematical problems, but it is still in its infancy, and technologies such as encryption, steganography, and s
6、ignature authentication based on DNA molecules have great room for development. DNA cryptography has not yet established a complete theoretical system, and its development is also constrained by biotechnology. With the advancement of biotechnology, DNA cryptography can also show its great potential
7、and energy in the field of information security. 计算机技术的快速发展为人们带来便利的同时也带来了一些新的问题,人们对于信息的保卫意识日益加强,信息安全的重要性显着提高.密码技术,作为信息安全的核心技术之一,于公元前5世纪便以密码器械 天书 的形式应用于战场.历经2 000多年的发展与应用,密码技术早已浸透到各个领域.数学难题的计算复杂度是传统密码学的安全性的保障,一旦攻击者具备了破解数学难题的计算能力,就能破解传统密码学的密钥.在计算资源更易获得的今天,传统密码学的信息安全性遭到了严峻的挑战,密码学也开场寻求新的发展. 1994年美国加州大学的
8、Adelman初次利用DNA计算方式方法解决了一种NP完全问题,实现了DNA计算1.利用Waston-Crick互补配对原则对信息进行编码,DNA计算的目的是通过DNA链间的生化反响实现困难数学问题的求解.DNA计算首先会建立一个运算对象与DNA链的映射,并利用各种特定的生物酶生成各种数据池,再通过DNA链的可控的生化反响经过得到原始问题的全部可能解.最后,根据原始问题的约束条件设计过滤步骤(如凝胶电泳)得到可行解,并利用DNA探针等技术读取运算结果2. DNA计算拥有独特的数据存储和计算机制,不仅能够解决传统的困难数学问题,可以应用于密码学领域,DNA密码学也就应运而生.DNA密码学利用DN
9、A分子本身所具有的高并行性和高存储密度等特点,借助当代分子生物技术,可实现加密、隐写、签名认证等功能3.本文拟对基于DNA分子的加密、信息隐藏及应用的研究进展予以综述,并给出研究瞻望.本文牵涉到的概念如此图1所示. 图1 概念框架图 当前密码学能够从加密的方式分为传统密码学、量子密码学与DNA密码学;又能够从加密的目的分为信息加密和信息隐藏.基于DNA分子的信息加密能够采用 一次一密 的方式以及结合DNA分子自组装技术的方式实现,基于DNA分子的信息隐藏能够采用DNA微点、DNA重组和基于DNA序列等技术或方式实现. 1 基于DNA分子的加密方式方法 自1994年Adleman1利用DNA计算
10、解决NP完全问题之后,由DNA计算衍生出的DNA密码学4无论是在理论上还是在实践中都获得了飞速的发展.1999年,Gehani初次以DNA链为载体提出了两种 一次一密 的加密方案,分别为替代法和异或法5.2000年,Leier等6基于DNA二进制链设计了两种加密方案,第一种加密方案实现了快速的加密和解密,第二种方案针对图形进行设计.2003年,Chen7构建了一种基于碳纳米管的消息转换和基于DNA链的密码体系.2007年,Lu等8利用微阵列技术、DNA芯片技术以及DNA杂交技术设计了一种对称密钥DNA加密系统DNASC.2018年,崔光照等9进一步提出了一种采用PCR扩增技术的加密方案,该方案
11、以PCR扩增的引物和DNA编码方式作为密钥,并对明文进行传统加密方式的预处理以防止外部对引物的攻击.2018年,Lai等10又在DNASC的基础上进一步提出了一种非对称DNA加密和签名系统DNA-PKC.2020年,Legoff等11将DNA微粒子技术与热缩片结合,构建了一种微粒子阵列加密模型.2020年,王延峰等12总结了基于核酸的信息安全的研究现在状况,并从长远的角度出发,对我们国家今后在该领域的发展提出了全面的建设性的意见.2021年,梁超等13对DNA密码学的研究现在状况作了综述,并分析了一些缺乏及提出了对DNA加密研究的瞻望.2020年,Grass等14通过读取人类基因组和DNA合成
12、技术设计了一种DNA加密存储系统,使得有价值的信息能够安全地存储在合成DNA中,并遭到个性化密钥的保卫. 1.1 基于 一次一密 机制的加密方式方法 一次一密 机制的安全性主要基于密钥的随机生成和不重复使用,即每次加密所使用的密钥通过随机算法生成,且每次加密所使用的密钥仅使用一次,随机密钥的长度需与明文长度一致15. 一次一密 机制生成的密码本一般非常庞大,而DNA分子相较传统信息媒介的超高存储密度特性使得其非常合适 一次一密 机制16. 1999年,Gehani等设计了映射替代法和DNA芯片异或法两种基于DNA分子的加密方案,实现了分子层面的 一次一密 的加密机制5. 映射替代法首先定义一张
13、明文 密文映射表,即 一次一密 密码本,每一个固定长度的DNA明文序列单元都对应一个DNA密文序列. 一次一密 密码本DNA序列如此图2所示,华而不实密码本的重复单元由映射表中一个明文序列集的序列Pi、Pi在映射表中对应的密文序列Ci和作为 终止子 的聚合酶序列等三部分组成.加密时,把明文中所有字母的互补序列作为PCR扩增引物进行扩增得到后续的的互补序列,并且扩增会在终止子处终止,也就是讲密文序列通过PCR扩增技术得到. 图2 一次一密 密码本DNA序列 异或法的目的是从分子层面实现明文序列和密钥序列的按位异或运算,往往会利用DNA分子技术、荧光标记技术等生物分子技术进行实现.图3为一种利用D
14、NA瓦片进行异或运算的经过,DNA瓦片是DNA计算中用于DNA分子自组装的最常用的一种DNA分子构造,它是一簇具有分支构造的DNA穿插分子,每个分子都具有粘性末端. 图3 利用DNA瓦片进行异或运算示意图 2003年,Chen7提出了基于DNA计算的并行性的 一次一密 的加密系统,该系统利用PCR扩增技术在分子层面实现了二进制数的模2加法运算,并结合 一次一密 密码本对消息序列进行加密.DNA密码学的研究也一直与DNA计算领域的发展联络在一起,结合DNA计算中DNA分子自组装技术的DNA加密系统的相关研究也是DNA密码学领域的研究热门. 1.2 结合DNA分子自组装的加强加密方式方法 DNA自
15、组装技术是DNA分子在DNA分子间非共价键的作用下,自发组装构成较复杂的有序DNA分子构造的经过17.在DNA自组装模型计算经过中,设计知足系统特定功能的DNA分子自组装构造是系统设计中最重要的一步. 2020年,Yang等18提出一种基于DNA自组装技术的 一次一密 加密系统,系统流程如此图4所示.该系统首先设计了一种能够从分子层面实现异或运算的DNA自组装构造,实现异或运算的操作是DNA链的替换,然后通过这个DNA自组装构造对二进制的明文序列与随机生成的密钥序列进行逐位异或运算得到二进制的密文序列,随机密钥序列长度与明文序列一致.密文序列通过安全信道发送至接收方,接收方使用与加密经过中一样
16、的DNA自组装构造并结合随机密钥序列进行解密,解密同样通过异或运算也就是通过是DNA链的替换实现.系统设计的DNA自组装构造中利用了荧光淬灭技术,使得加密得到的密文序列实际是一组荧光信号,根据荧光信号的强度高低划分 0 和 1 ,系统通过荧光检测的方式验证了该加密系统的可行性. 图4 一次一密 加密系统的荧光检测流程图 DNA折纸术是Rothemund19于2006年初次提出的一种全新的DNA自组装方式方法.DNA折纸术,顾名思义,就是将DNA链折叠构成一个预期的图案,实际是利用DNA分子的自组装特性和碱基互补配对规则,将天然DNA长链(骨架链)根据一定方式进行折叠,并用短链(钉子链)加以固定
17、,构造出预期图案的DNA链构造19.DNA折纸术的前期设计阶段能够通过计算机全自动组装得到若干短链,实验阶段是将长链和短链在一定条件下进行反响,二者就会自发地结合构成预先设计的图案构造. 2022年,樊春海院士的团队20设计了一种基于DNA折纸术的分子加密系统.在针对文本信息的加密系统中,加密经过并未牵涉到DNA折纸术的详细经过,首先将文本信息按一定规则编码成3 3的点阵排列,并根据点阵排列的各斑点位置信息合成对应数量的短链,短链进行生物素化标记,生物素化后外部不可见,然后将骨架链与生物素化后的短链杂交得到最终的密文链.解密经过首先就要利用DNA折纸术得到预期形状,通过骨架链折叠方式生成所需的
18、钉子链,然后与骨架链进行物理折叠构成与点阵排列一样的形状,华而不实生物素化位点的位置与加密经过中的点阵排列斑点位置一致,通过链霉亲和素辨别出各图案所代表的文本信息,最终解密得到原始文本信息. 该加密系统中通过生物素 亲和素作用机制实现了信息隐写,整个加密系统是加密和隐写的结合.系统的算法复杂度主要来自于骨架链的折叠经过,系统所采用的骨架链为7 249个核苷酸的M13病毒,通过计算理论密钥长度可达702位,远超经典AES算法的256位.系统可通过设计不同的DNA折纸形状实现对不同的加密信息类型的加密. 2 基于DNA分子的信息隐藏方式方法 信息隐藏的经过是将机密信息隐藏在载体信息中得到载密信息,
19、载密信息允许在公开的信道中进行传输,其目的是保证机密信息不被第三方所发现或读取.近年来,人们对个人隐私、知识产权信息的保卫和身份信息的认证等方面有了更高层次的需求,信息隐藏技术也得到了人们更多的关注.基于DNA分子的信息隐藏技术也被称为DNA隐写术,与传统的以多媒体为载体的信息隐藏方式方法相比,DNA隐写术不仅能够隐藏机密信息,还能对生物学领域的知识产权施行保卫.对基于DNA分子的信息隐藏方式方法研究较多的,最早有Clelland等2于1999年提出的基于DNA微点技术的信息隐藏方式方法.2000年,Leier等6提出了一种基于DNA二进制链的信息隐藏方式方法,该方式方法不需要附加的映射关系编
20、码表,无需DNA测序,解密愈加迅速.2007年,崔光照等16以质粒为载体提出了一种基于重组技术的信息隐藏方式方法.2018年,Shiu等21提出了插入法、互补配对法和替代法这3种基于DNA序列的可逆信息隐藏方式方法,有效提升了算法的鲁棒性和容量.2020年,Guo等22通过建立一个两个机密信息位和互补规则之间的映射关系表,有效地将两个机密信息位替换为一个字符,在很大程度上提高了隐写方案的信息嵌入率.2020年,Mitras等23提出了一种在DNA序列中隐藏机密信息的方式方法,使用RSA算法对机密消息进行加密后,该机密消息隐藏在使用互补字符已经知道的DNA序列中,DNA参考序列能够从不同的DNA
21、数据库(如EBI、NCBI)中选择.2021年,Mohammed等24提出了一种结合神经网络的基于DNA分子的隐写方式方法,将所有密码子最后一个碱基的最低有效位LSB列表作为神经网络模型的输入,训练得到加密信息. 2.1 基于DNA微点技术 DNA微点技术是将包含大量DNA链的溶液喷到信纸上制成DNA微点,每个微点都包含所有的DNA链.基于DNA微点技术的信息隐藏的思路就是把明文DNA链和大量无关DNA链混合制成DNA微点进行传输,进而实现隐藏明文DNA链的目的12. 1999年,Clelland等2采用DNA微点技术将一段文本信息 June 6 Invasion: Normandy 进行了D
22、NA隐写,并成功从微点中恢复出原始文本信息.这一实验也创始了基于DNA分子的信息隐藏技术的先河.实验第一步是定义一种字符 碱基的映射关系表,例如,碱基 CGA 就对应字符 A 、 CCA 对应字符 B ,然后把明文信息根据该映射关系表转换成明文DNA序列,并在明文DNA链的尾部加上一段引物序列进行标记.第二步选取一条与明文DNA链无关的人类DNA链,利用超声波技术对其进行破碎得到大量与明文DNA链物理构造类似的冗余DNA链,将这些冗余DNA链与明文DNA链混合并喷到信纸上构成无色的DNA微点,然后将含有无色的DNA微点的信纸通过可公开的方式发送到接收方.这两步的操作成功实现了基于DNA微点技术
23、实现信息隐写的实验目的.第三步是接收方的解密操作,首先从信件中提取出DNA混合溶液,利用第一步中的引物序列采取PCR扩增技术放大得到明文DNA链,然后利用第一步中定义的字符 碱基映射关系表对提取出的明文DNA链解码得到原始明文信息. 该信息隐藏方案的安全性基于三个方面:第一,DNA微点具有无色无味的特点;第二,明文DNA链与数以万计的物理构造类似的冗余DNA链混合在一起,若没有引物序列而直接提取明文DNA链无异于大海捞针;第三,即便攻击者成功提取出了明文DNA链,下一步要把DNA链解码成字符的形式,还需要方案所定义的字符 碱基映射关系表. 从以上分析能够发现,该信息隐藏方案的密钥是第一步中定义
24、的字符 碱基映射关系表以及引物序列.引物序列的安全性就显得尤为重要,一旦引物序列被攻击者得悉,那么,方案中实现DNA隐写的前两步DNA分子生物操作就基本失去了意义,但论文中并未对这一点提出进一步的分析和改良.2006年,卢明欣等25针对论文中的这一安全性问题进行了分析,并设计出一种改良的信息隐藏方案.该方案提出了一种保密加强的算法,该算法以引物和编码方式为密钥或者用传统加密技术对要隐藏的信息预先进行加密,以防止利用本文关键词语作为引物序列进行攻击.该论文的方案同样采用的是DNA微点技术,但以当前的DNA微点技术水平很难保证信息的安全传递,信息的传输安全性还需要结合其它方式方法保障,这一点也还需
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