DNA密码学的主要技术及其应用现状
DNA 密码学的主要技术及其应用现状
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,研究贴近研究热点,比如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,发展也受到生物技术的制约.随着生物技术的进步,DNA 密码学一定能在信息安全领域展示出
自己巨大的潜力和能量.
关键词：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 University 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 capabilities, 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
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 signature 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 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,人们对于信息的保护意识
日益增强,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,密码技术早已渗透到各个
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受
到了严峻的挑战,密码学也开始寻求新的发展.
1994 年美国加州大学的 Adelman 首次利用 DNA 计算方法解决了一种 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
生化反应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 链的可控的生化反应过程得到原始问题的全
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,不仅可以解决传统的困难数学问题,也可应用于密码
学领域,DNA 密码学也就应运而生.DNA 密码学利用 DNA 分子本身所具有的高并行性和高存储
密度等特点,借助现代分子生物技术,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,并给出研究展望.本文涉及到的概念如
图1所示.
图1 概念框架图
目前密码学可以从加密的方式分为传统密码学、量子密码学与 DNA 密码学;又可以从加密的目
的分为信息加密和信息隐藏.基于 DNA “ ”分子的信息加密可以采用 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 分子的信息隐藏可以采用DNA 微点、DNA 重组和
基于 DNA 序列等技术或方式实现.
1 基于 DNA 分子的加密方法
自1994 年Adleman[1]利用 DNA 计算解决 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取得了飞速的发展.1999 年,Gehani 首次以 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,Chen[7]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.2009 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.2010 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.2013 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.2014 年,王延峰等[12]总结了基于核酸的信息安全的研究现状,并从长远的角度出发,对我国
今后在该领域的发展提出了全面的建设性的意见.2015 年,梁超等[13]对DNA 密码学的研究现状
作了综述,并分析了一些不足及提出了对 DNA 加密研究的展望.2020 年,Grass 等[14]通过读取人
类基因组和DNA 合成技术设计了一种 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,并受到个性化密钥的保护.
1.1 “ ”基于 一次一密 机制的加密方法
“ ”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
“ ”得其非常适合 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 序列如图 2所示,其中密码本的
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,也就是说密文序列通过 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 DNA 瓦片进行异或运算的过
程,DNA 瓦片是DNA 计算中用于 DNA 分子自组装的最常用的一种 DNA 分子结构,它是一簇具
有分支结构的DNA 交叉分子,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,Chen[7]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 计算领域的发展联系在一起,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点.
1.2 结合 DNA 分子自组装的增强加密方法
DNA 自组装技术是 DNA 分子在 DNA 分子间非共价键的作用下,自发组装形成较复杂的有序
DNA 分子结构的过程[17].在DNA 自组装模型计算过程中,设计满足系统特定功能的 DNA 分子
自组装结构是系统设计中最重要的一步.
2014 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,系统流程如图 4所
示.该系统首先设计了一种可以从分子层面实现异或运算的 DNA 自组装结构,实现异或运算的操
作是 DNA 链的替换,然后通过这个DNA 自组装结构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,接收方使用与加密过程中相同的 DNA 自组装结构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 自组装结
构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 Rothemund[19]于2006 年首次提出的一种全新的 DNA 自组装方法.DNA 折纸术,
顾名思义,就是将DNA 链折叠形成一个预期的图案,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)按照一定方式进行折叠,并用短链(钉子链)加以固定,构
造出预期图案的DNA 链结构[19].DNA 折纸术的前期设计阶段可以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应,二者就会自发地结合形成预先设计
的图案结构.
2019 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,加密过程并未涉及到 DNA 折纸术的具体过程,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.解密过程
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钉子链,然后与骨架链
进行物理折叠形成与点阵排列相同的形状,其中生物素化位点的位置与加密过程中的点阵排列斑
点位置一致,通过链霉亲和素识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过程,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 分子的信息隐藏方法
信息隐藏的过程是将秘密信息隐藏在载体信息中得到载密信息,载密信息允许在公开的信道中进
行传输,其目的是保证秘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
息的保护和身份信息的认证等方面有了更高的需求,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法
相比,DNA 隐写术不仅能够隐藏秘密信息,还能对生物学领域的知识产权实施保护.对基于 DNA
分子的信息隐藏方法研究较多的,最早有 Clelland 等[2]于1999 年提出的基于 DNA 微点技术的信
息隐藏方法.2000 年,Leier 等[6]提出了一种基于 DNA 二进制链的信息隐藏方法,该方法不需要附
加的映射关系编码表,无需 DNA 测序,解密更加迅速.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法.2010 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法,有效提升了算法的鲁棒性和容量.2012 年,Guo 等[22]通过
建立一个两个秘密信息位和互补规则之间的映射关系表,有效地将两个秘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.2013 年,Mitras 等[23]提出了一种在 DNA 序列中
隐藏秘密信息的方法,使用RSA 算法对秘密消息进行加密后,该秘密消息隐藏在使用互补字符已
知的DNA 序列中,DNA 参考序列可以从不同的 DNA 数据库(如EBI、NCBI)中选择.2018
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
摘要：
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DNA密码学的主要技术及其应用现状摘要：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,研究贴近研究热点,比如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,发展也受到生物技术的制约.随着生物技术的进步,...
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作者：闻远设计
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时间：2023-05-15
