DNA信息隐藏方法的安全性

DNA信息隐藏方法的安全性分析

随着DNA计算的发展，新兴的DNA密码学也得到了发展，有可能和传统的密码学量子密码学成为密码学的三大分支。DNA密码是在1994年Adleman提出DNA计算也就是俗称的生物计算机之后才开始得到关注。DNA密码目前已经有了一些初步的成果，如Clelland等人用DNA微点实现了信息隐藏，把著名的June6

invasion

Normandy隐藏到DNA微点中。下面我们对这一信息隐藏方法进行简单的分析。背景知识

DNA的学名是脱氧核糖核酸。从构成上看DNA是由核苷酸组成的一种生物大分子，核苷酸含有4种不同的碱基腺嘌呤A

鸟嘌呤G

胞嘧啶C和胸腺嘧啶T。相应地核苷酸也按所含碱基的不同分成4种核苷酸排列成链状，DNA分子由两条长链组成在氢键的作用下两条链连接在一起呈现出螺旋式结构。双链连接的方式是按照碱基互补配对的原则即A与T始终配对存在G与C始终配对存在。DNAPCR技术

DNA体积微小的双螺旋结构使得对数量极少的特定DNA片段进行操作非常困难。通过PCR扩增技术把少量的特定DNA大量复制后操作就容易多了.PCR技术就是一种快速的特定DNA片断(引物)扩增技术.PCR是基于Watson-Crick互补配对特性实现的.该技术十分灵敏,理论上每一个目的DNA分子经20轮扩增后数量可达10的6次方,

从而实现短时间内大量扩增DNA序列.1999年Celland等人成功地把著名的“June6invasion

Normandy”隐藏在DNA微点中从而实现了利用DNA作为载体的信息隐藏

流程第四步信息读取第一步

确定编码

方式第三步信息隐藏第二步制作消息序列.（一）确定编码方式

他们没有采用传统的二进制编码方式而是把核苷酸看作是四进制编码用3位核苷酸表示1个字母.譬如字母A用核苷酸序列CGA表示字母B用核苷酸序列CCA表示.编码方式（二）制作消息序列.

把需要传递的消息按上面的编码方式编成相应的DNA序列，如AB用CCGCCA表示。编码结束以后人工合成相应的有69个核苷酸的DNA序列，并在DNA序列前后各链接上有20个核苷酸的5'和3'引物。这样需要隐藏的DNA消息序列就准备好了.（三）信息隐藏藏用超声波波把人类类基因序序列粉碎碎成长度度为50-100的核核苷酸双双链，并变性成成单链作作为冗余余的DNA使用用，再把含有有信息的的DNA序列混混杂到冗冗余的DNA序序列中喷喷到信纸纸上形成成无色的的微点，就可通过过普通的的非保密密途径传传送了。（四）信息读取取接收方和和发送方方的共享享秘密是是编码方式式和引物。接收方收收到含有有消息DNA微微点的信信纸后提提取出微微点中的的DNA。由于接收收方预先先通过安安全的途途径得到到了引物物，所以他可可以用已已有的引引物对含含有消息息的DNA序列列进行PCR扩扩增，通过测序序得出消消息DNA序列列。然后根据据预先约约定的编编码方式式恢复出出消息明明文。微点技术术安全性性安全性第一层生物安全全性第二层数学安全全性第三层微点技术术安全性DNA微微点无色色无味喷喷涂在物物品表面面不易被被发现。除非对附附带有DNA微微点的物物品进行行专门检检查否则则难以发发现DNA微点点的存在在.但是是这种安安全性并并不比使使用隐写写墨水安安全多少少，用攻破隐隐写的技技术就足足可以找找出这些些微点。鉴于隐写写墨水在在历史上上已经被被轻松破破译，可认为第第1层安安全性是是很脆弱的。生物学安全性因为在现现有的生生物技术术条件下下要从未未知的DNA混混合液中中分离出出未知的的特定DNA序列并测序序是困难难的，这是从生物学学方面保障了了该信息隐藏藏方案的安全全性。数学安全性是由数学编码码方法提供的的.也就是由传统统的密码学编编码方式提供供的。DNA信息隐隐藏方法的安安全性分析传统密码学领领域尚有许多多问题远未解解决同传统密密码的研究相相比生物学家家的研究更加加不完善.他他们的工作主主要还停留在在实验阶段缺缺乏完善的理理论更缺乏有有效的方法来来对生物学困困难问题进行行衡量.这里里就以生物学学上共识性的的困难问题作作为依据对Celland等人所提提方案的安全全性进行论证证.当然DNA密码系统统的安全性很很复杂除了生生物学上的困困难问题外数数学工具也是是构成系统安安全的基石之之一.DNA信息隐藏方方法具有3层层安全性要攻攻破本系统就就要突破全全部3层安安全性性。考虑到到微点点技术术的安安全性性是比比较脆脆弱的的，所所以我我们跳跳过第第一层层安全全性直直接分分析第第二层层安全全性。。生物物学学安全全性性分析析第2层层安安全全性性即生物物学学的的安安全全性性。生物物学学仍仍然然是是以以实实验验事事实实为为主主的的，与以以定定理理和和公公式式为为主主的的精精确确的的数数学学是是大大不不相相同同的的。所以以这这里里进进行行安安全全分分析析也也主主要要是是以以分分析析实实验验事事实实而而不不是是公公式式推推导导为为依依据据。假设设攻攻击击者者找找到到了了这这些些DNA微微点点要要想想得得到到消消息息序序列列有有如如下下几几种种可可能能的的攻攻击击方方式式：攻击击方方法法1用引引物物把把特特定定的的序序列列扩扩增增出出来来以以测测序序，这相相当当于于没没有有密密钥钥而而尝尝试试随随机机寻寻找找密密钥钥的的穷穷举举攻攻击击法法。对于于一一个个攻攻击击者者如如果果他他不知知道道所所需需引物物他他就就只只能能是是随随便便找找些些引引物物尝尝试试进进行行扩扩增增这这相相当当于于没没有有解解密密密密钥钥随随机机选选择择一一个个密密钥钥进进行行尝尝试试的的情情况况。首先先考考虑虑随随机机寻寻找找引物进进行行扩扩增增的的方方法法.考考虑虑到到扩扩增增的的效效果果比比较较理理想想的的引引物物长长度度是是20个个核核苷苷酸酸.用用这这么么长长的的引引物物扩扩增增的的结结果果是是最最稳稳定定的的.一一般般情情况况下下如如果果在在发发生生错错误误匹匹配配使使得得匹匹配配的的引引物物长长度度变变为为17个个核核苷苷酸酸那那么么有有3个个核核苷苷酸酸错错误误匹匹配配并并且且均均在在远远离离待待扩扩增增序序列列端端的的情情况况下下还还是是能能够够得得到到可可接接受受的的结结果果.那那么么分分离离并并扩扩增增所所有有这这些些DNA序序列列所所需需要要的的引引物物数数量量为为4对.34合成少数数引物并并且期望望能够偶偶然成功功的概率率是极其其微小的的。如果有人人想合成成所有这这些引物物,所所需要的的财力物物力是无无法承受受的。并且,即即使得得到了所所有这些些引物,如果果不知道道哪些是是真正需需要的,就只只能把这这些引物物进行逐逐个尝试试。然而,DNA混混合物物并不像像数字那那样可被被反复利利用而不不产生变变化,PCR扩扩增也也不是像像数学运运算那样样精确。这种尝试试如果多多次进行行,会会对含有有消息序序列的DNA混混合物物造成污污染,严严重影影响PCR扩扩增的的进行。要把所有有的引物物都尝试试一遍并并且还期期望能得得到正确确的结果果也是不不可能的的。也就是是这种攻攻击方法法基本不不可行。。攻击方法法2对微点中中的所有有序列测测序然后后进行数数学分析析找出消消息序列列。这种方法法相当于于传统的的信息隐隐藏方法法中对所所有数据据进行检检测.但但是传统统的信息息隐藏方方法所有有数据都都是可方方便读出出的而DNA信信息隐藏藏方法的的数据难难以读出出，所以也就就难以检检测。这是因为为DNA微点中中的序列列是未知知的混合合序列使使用现有有的测序序方法都都无法进进行有效效的测序序。第3层安全全性如果很多年年以后第1和第2层层安全性都都被突破了了那么攻击击者的破译译工作就是是从一些数数字序列中中找出消息息序列.对对于消息的的发送者和和接收者如如果引物不重复使用用那么就要要保存数量量巨大的引引物并且在在数据读取取的时候还还要知道如如何选择正正确的引物物这可能也也需要在发发送消息时时发送额外外的信息.这样操作作所需要的的工作量巨巨大类似于于一次一密.但可以达达到绝对的的安全。如果引物重重复使用虽虽然可使得得实现更容容易但是该该系统就可可用下面的的简单方法法来破译.攻击方法3在两次加密密的过程中中对于消息息序列引物物是固定的的而5'和和3'引物物之间的消消息序列是是变化的对对于冗余序序列如果重重复使用整整个序列就就是不变的的如果不重重复使用整整个序列就就都不同.通过这些些不同的特特征借助于于电子计算算机的分析析就可比较较容易地找找出消息序序列来.此此后针对文文献3中提提出的编码码方案只要要能够得到到足够多的的密文数量量就可根据据语言的统统计特性按按照英文字字母频度进进行攻击.如英文中中出现频度度最高的是是字母E对对于大量文文献统计的的结果是出出现概率约约为0.12712.对应的的就是消息息序列中GGT出现现的频度最最高.采用用这种初等等密码分析析方法就可可很容易地地攻破前面提出的编编码方案案.从上面的介绍中可看出出引物才是真正正的密钥.如果引引物泄漏漏了该系系统的编编码方式式只具有有简单的的安全性性.一般般来说一一个信息息隐藏系系统的编编码方式式是不太太重要的的,采用普通通的编码码方式如如电子计计算机中中普遍使使用的二二进制码码就可以以了.那么该系系统的编编码方式式的保密密性是否否也是毫毫不重要要甚至可可以公开开呢？举一反三三答案是否否定的.这是因为为编码方方式的泄泄漏会导导致如下下的安全全漏洞.任何一一个密码码系统都都是有一一定的应应用背景景的相应应地特定定的关键键词也就就会大量量出现.虽然攻攻击者不不知道消消息的具具体内容容但是可可以用把把关键词词作为PCR扩扩增引物物的方法法进行攻攻击。攻击者猜猜到消息息里很可可能会有有JuneJulyinvasionNormandyCalais之之类的可可能词.如果编编码方式式泄漏了了就可以以把上述述可能词词转换成成DNA序列然然后作为为引物对对微点中中的DNA序列列进行PCR扩扩增.比比如June6就可编码码为AGTCTGTCTGGCTTANormandy可编编码为TCTGGATCATCCCGATCTTTGAAA.把所有有这些可可能词都都编码成成DNA序列，再把这些序序列和这这些序列列的互补补以及转转置序列列作为引引物放到到DNA混合物物中。无关的可可能词不不会引起起PCR反应.而June和和Normandy这这两个可可能词编编码成的的引物会会引起PCR反反应把“June6invasionNormandy”这句话完完整地扩扩增出来来.此处处June6编码序序列AGTCTGTCTGGCTTA是引物物1Normandy编码码的的互补补反反转序序列列TTTCAAAGATCGGGATGATCCGA作为引物物2.所以密钥钥应该是是由引物和编码方式式共同组成成.鉴于于对每组组引物更更换编码码方式比比较困难难这里提提出进行行隐藏前前对明文文预先采采取一定定的数学学变换比比如预选选先用DES之之类的加加密算法法加密这这样可使使得攻击击者难以以找到关关键词作作为引物物.此时时加密密密钥就由由引物和和一个普普通的数数学加密密系统的的密钥组组成.这这种方法法的好处处是对于于相同的的明文改改变数学学加密钥钥就可改改变对应应的DNA消息息序列使使用更方方便.用PCR扩扩增增DNA测测序序等等技技术术对对DNA信信息息隐隐藏藏方方法法进进行行攻攻击击的的方方法法。提出出由由于于寻寻找找匹匹配配引引物物的的困困难难性性和和测测序序中中电电泳泳技技术术以以及及纯纯化化技技术术的的限限制制上上述述攻攻击击不不能能奏奏效效，论证证了了可可能能词词可可作作为为PCR引引物物成成功功攻攻击击该该方方法法提提出出要要以以引引物物和和编编码码方方式式为为密密钥钥或或者者用用传传统统加加密密方方法法对对要要隐隐藏藏的的信信息息先先进进行行加加密密。对明明文文预预先先用用传传统统方方法法加加密密的的保保密密增增强强方方法法可可有有效效防防止止可可能能词词作作为为PCR引引物物进进行行的的攻攻击击。总结结THANKYOU9、静夜四无邻邻，荒居旧业业贫。。12月-2212月-22Wednesday,December7,202210、雨中黄叶叶树，灯下下白头人。。。21:55:1121:55:1121:5512/7/20229:55:11PM11、以我独沈沈久，愧君君相见频。。。12月-2221:55:1121:55Dec-2207-Dec-2212、故人江江海别，，几度隔隔山川。。。21:55:1121:55:1121:55Wednesday,December7,202213、乍见见翻疑疑梦，，相悲悲各问问年。。。12月月-2212月月-2221:55:1121:55:11December7,202214、他乡生生白发，，旧国见见青山。。。07十十二月20229:55:11下午午21:55:1112月-2215、比不不了得得就不不比，，得不不到的的就不不要。。。。十二月月229:55下下午午12月月-2221:55December7,202216、行行动动出出成成果果，，工工作作出出财财富富。。。。2022/12/721:55:1121:55:1107December202217、做前，能够够环视四周；；做时，你只只能或者最好好沿着以脚为为起点的射线线向前。。9:55:11下午9:55下下午21:55:1112月-229、没有失失败，只只有暂时时停止成成功！。。12月-2212月-22Wednesday,December7,202210、很多事情情努力了未未必有结果果，但是不不努力却什什么改变也也没有。。。21:55:1121:55:1121:5512/7/20229:55:11PM11、成功就是是日复一日日那一点点点小小努力力的积累。。。12月-2221:55:1121:55Dec-2207-Dec-2212、世间成事事，不求其其绝对圆满满，留一份份不足，可可得无限完完美。。21:55:1121:55:1121:55Wednesday,December7,202213、不不知知香香积积寺寺，，数数里里入入云云峰峰。。。。12月月-2212月月-2221:55:1121:55:11December7,202214、意志坚坚强的人人能把世世界放在在手中像像泥块一一样任意意揉捏。。07十十二月20229:55:11下午午21:55:1112月-2215、楚塞三三湘接，，荆门九九派通。。。。十二月229:55下午午12月-2221:55December7,202216、少年十五二二十时，步行行夺得胡马骑骑。。2022/12/721:55: