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

用超声波把人类基因序列粉碎成长度为50-100的核苷酸双链，并变性成单链作为冗余的DNA使用，再把含有信息的DNA序列混杂到冗余的DNA序列中喷到信纸上形成无色的微点，就可通过普通的非保密途径传送了。（四）信息读取

接收方和发送方的共享秘密是编码方式和引物。接收方收到含有消息DNA微点的信纸后提取出微点中的DNA。由于接收方预先通过安全的途径得到了引物，所以他可以用已有的引物对含有消息的DNA序列进行PCR扩增，通过测序得出消息DNA序列。然后根据预先约定的编码方式恢复出消息明文。微点技术安全性安全性第一层生物安全性第二层数学安全性第三层微点技术安全性

DNA微点无色无味喷涂在物品表面不易被发现。除非对附带有DNA微点的物品进行专门检查否则难以发现DNA微点的存在.但是这种安全性并不比使用隐写墨水安全多少，用攻破隐写的技术就足可以找出这些微点。鉴于隐写墨水在历史上已经被轻松破译，可认为第1层安全性是很脆弱的。生物学安全性

因为在现有的生物技术条件下要从未知的DNA混合液中分离出未知的特定DNA序列并测序是困难的，这是从生物学方面保障了该信息隐藏方案的安全性。数学安全性

是由数学编码方法提供的.也就是由传统的密码学编码方式提供的。DNA信息隐藏方法的安全性分析

传统密码学领域尚有许多问题远未解决同传统密码的研究相比生物学家的研究更加不完善.他们的工作主要还停留在实验阶段缺乏完善的理论更缺乏有效的方法来对生物学困难问题进行衡量.这里就以生物学上共识性的困难问题作为依据对Celland等人所提方案的安全性进行论证.当然DNA密码系统的安全性很复杂除了生物学上的困难问题外数学工具也是构成系统安全的基石之一.DNA信息隐藏方法具有3层安全性要攻破本系统就要突破全部3层安全性。

考虑到微点技术的安全性是比较脆弱的，所以我们跳过第一层安全性直接分析第二层安全性。生物学安全性分析

第2层安全性即生物学的安全性。生物学仍然是以实验事实为主的，与以定理和公式为主的精确的数学是大不相同的。所以这里进行安全分析也主要是以分析实验事实而不是公式推导为依据。假设攻击者找到了这些DNA微点要想得到消息序列有如下几种可能的攻击方式：攻击方法1

用引物把特定的序列扩增出来以测序，这相当于没有密钥而尝试随机寻找密钥的穷举攻击法。对于一个攻击者如果他不知道所需引物他就只能是随便找些引物尝试进行扩增这相当于没有解密密钥随机选择一个密钥进行尝试的情况。首先考虑随机寻找引物进行扩增的方法.考虑到扩增的效果比较理想的引物长度是20个核苷酸.用这么长的引物扩增的结果是最稳定的.一般情况下如果在发生错误匹配使得匹配的引物长度变为17个核苷酸那么有3个核苷酸错误匹配并且均在远离待扩增序列端的情况下还是能够得到可接受的结果.那么分离并扩增所有这些DNA序列所需要的引物数量为4

对.34合成少踪蝶数引物愧并且期冷望能够森偶然成植功的概携率是极碧其微小眯的。如果有人泽想合成所妙有这些引悄物,所俭需要的财茎力物力是款无法承受或的。并且,帽即使丈得到了鹅所有这张些引物吧,如尤果不知壁道哪些摘是真正伏需要的碰,就纱只能把侮这些引闹物进行承逐个尝绞试。然而,鹊D蝇NA端混合佛物并不影像数字员那样可拥被反复堂利用而霸不产生鼠变化,格PCR贸扩增梯也不是饰像数学帖运算那斯样精确。这种尝垒试如果红多次进挽行,援会对含钱有消息纤序列的稿D学NA寄混合详物造成围污染,象严重蹄影响观PCR赞扩增判的进行。要把所侍有的引者物都尝党试一遍豪并且还僚期望能济得到正摩确的结绳果也是鸡不可能欢的。也就是迹这种攻击调方法基本清不可行。攻击方法拢2对微点中锅的所有序多列测序然葱后进行数舍学分析找走出消息序女列。这种方辨法相当杀于传统溜的信息算隐藏方黎法中对序所有数巷据进行归检测.使但是传约统的信狡息隐藏译方法所熔有数据嗽都是可己方便读发出的而纪DNA套信息隐层藏方法雨的数据焦难以读谷出，所以也就似难以检测。这是因惠为DN趴A微点呢中的序斩列是未青知的混覆合序列序使用现运有的测与序方法叶都无法眠进行有虑效的测描序。第3层长安全性如果很量多年以栋后第1益和第2久层安全客性都被劈燕突破了捉那么攻痕击者的肌破译工割作就是混从一些谣数字序陪列中找球出消息眯序列.毙对于消拿息的发隆送者和失接收者田如果引物不重复尘使用那测么就要拥保存数扯量巨大心的引物执并且在用数据读廉取的时芬候还要龙知道如疼何选择秒正确的兴引物这相可能也惊需要在碰发送消侵息时发对送额外祥的信息肝.这样葡操作所睁需要的另工作量核巨大类出似于一次一密.但可以炭达到绝对尿的安全。如果引物律重复使用百虽然可使菜得实现更蜂容易但是雷该系统就愈可用下面叼的简单方跪法来破译忍.攻击方露法3在两次加趋密的过程谱中对于消铜息序列引谁物是固定吉的而5'掠和3'引描物之间的床消息序列蔬是变化的膜对于冗余规序列如果馆重复使用呆整个序列莫就是不变心的如果不斯重复使用膨整个序列员就都不同话.通过这拌些不同的巨特征借助蛮于电子计婚算机的分患析就可比蜂较容易地副找出消息查序列来.愚此后针对非文献3中题提出的编剥码方案只动要能够得楼到足够多酿的密文数巨量就可根仙据语言的罩统计特性办按照英文宇字母频度纹进行攻击吹.如英文颤中出现频甩度最高的牙是字母E节对于大量鼓文献统计雪的结果是摩出现概率播约为0.评1271楼2.对应矛的就是消朽息序列中命GGT出之现的频度商最高.采圣用这种初醋等密码分踩析方法就旱可很容易螺地攻破前面提出的编嘴码方案.从上面的介绍中可看似出引物才是真独正的密钥.如果引佛物泄漏了公该系统的陆编码方式郑只具有简隐单的安全敬性.一般井来说一个膏信息隐藏伴系统的编论码方式是侄不太重要增的,采用普寒通的编原码方式汇如电子窑计算机手中普遍要使用的派二进制上码就可辜以了.那么该系往统的编码敞方式的保每密性是否维也是毫不跨重要甚至石可以公开头呢？举一反三答案是否买定的.这是因值为编码碧方式的姻泄漏会罩导致如既下的安图全漏洞焰.任何未一个密葛码系统殖都是有观一定的两应用背奏景的相帜应地特昼定的关碌键词也壤就会大凭量出现童.虽然扒攻击者根不知道烤消息的蕉具体内尽容但是疮可以用网把关键就词作为陷PCR晌扩增引防物的方裂法进行贯攻击。攻击者楼猜到消颈息里很邀可能会剃有Ju偏neJul枕yinv蚀asi薯onNorm幼andyCal叔ais迎之类的涂可能词爱.如果深编码方愧式泄漏歇了就可醉以把上伍述可能肯词转换煎成DN户A序列器然后作世为引物怨对微点右中的D凳NA序辞列进行渴PCR贴扩增.但比如J筝une6就可编码疤为AGT瘦CTG膝TCT酱GGC千TTANorm池andy煎可编码为TCT友GGA板TCA现TCC歇CGA辉TCT陶TTG月AAA.把所燃有这些泪可能词矿都编码兆成DN厉A序列，再把这些滤序列和挪这些序遗列的互迟补以及宾转置序瞒列作为昌引物放耻到DN轨A混合涨物中。无关的可鸦能词不会尝引起PC嘴R反应.圣而Jun柏e和No申rman嘱dy这两宪个可能词碎编码成的泳引物会引株起PCR谋反应把“Jun跑e6矩in采vas肥ionNor懂man余dy”这句话五完整地越扩增出缘瑞来.此疏处J促une吉6编码子序列AGT乒CTG煮TCT也GGC订TTA是引怖物1属Norm呆andy畜编码什的互犹补反薯转序峰列TTTC筝AAAG翻ATCG针GGAT惭GATC量CGA作为引物们2.所以密休钥应该庭是由引物和编码方式共同组睛成.鉴形于对每地组引物墨更换编昼码方式杂比较困挡难这里吃提出进掏行隐藏沫前对明衫文预先凉采取一睛定的数近学变换虏比如预丘选先用投DES给之类的愿加密算烈法加密予这样可恼使得攻寨击者难淡以找到狼关键词回作为引渠物.此善时加密草密钥就晨由引物顽和一个万普通的匠数学加藏密系统颠的密钥蓝组成.躺这种方师法的好留处是对约于相同塘的明文锈改变数园学加密啊钥就可左改变对旧应的D似NA消炕息序列非使用更析方便.用PC谈R扩增铁DNA歉测序等贱技术对世DNA易信息隐撤藏方法纠进行攻愈击的方页法。提出由于怖寻找匹配穗引物的困夜难性和测叠序中电泳精技术以及里纯化技术挎的限制上忠述攻击不哑能奏效，论证了梨可能词启可作为合PCR汁引物成正功攻击过该方法汁提出要榨以引物聋和编码兆方式为度密钥或叛者用传志统加密粗方法对鸭要隐藏蹈的信息饼先进行旨加密。对明文预由先用传统妥方法加密针的保密增丝式强方法可瞒有效防止促可能词作店为PCR婶引物进行菠的攻击。总结THA着NK垒YOU9、静夜置四无邻镇，荒居街旧业贫糖。。4月-验234月-含23Wed罗nes渔day撒,A剂pri保l2移6,匹202缺310、雨中黄荐叶树，灯源下白头人片。。00:0烧2:4400:成02:造4400:0啦24/2买6/2鸟023饭12蒸:02夜:44联AM11、以我独亚沈久，愧光君相见频靠。。4月-楼2300:0掠2:4400:畜02Apr-玻2326-垫Apr泉-2312、故人浊江海别股，几度育隔山川债。。00:卸02:途4400:0廉2:4400:亦02Wed纤nes从day矮,A守pri购l2甲6,译202届313、乍见翻借疑梦，相汤悲各问年蚂。。4月-2虑34月-志2300:关02:宣4400:0伐2:45Apr群il急26,店20动2314、他乡酷生白发姻，旧国树见青山瓦。。26搭四月染202谋312:0稻2:45赵上午00:0筐2:454月-2贯315、比不了怒得就不比煎，得不到睬的就不要擦。。。四月彩2312:0筑2上午4月-旺2300:畏02Apri崭l26辉,20丸2316、行动谦出成果晓，工作缝出财富惨。。202须3/4垄/26栏0:愤02:在4500:暗02:啊4526A汁pril询202剂317、做前，签能够环视饿四周；做程时，你只犬能或者最垮好沿着以森脚为起点池的射线向挺前。。12:0喜2:45浊上午12:0咳2上午00:桃02:围454月-2件39、没有达失败，应只有暂愈时停止环成功！遣。4月-隐234月-踩23Wed颗nes附day院,A衡pri都l2密6,准202字310、很多事糕情努力了针未必有结欣果，但是兔不努力却乓什么改变羞也没有。末。00:篇02:努4500:0情2:4500:0尾24/26怪/202锁312纽奉:02:底45A净M11、成功亮就是日镜复一日朝那一点跟点小小长努力的昏积累。购。4月-阁2300:0虏2:4500:蜡02Apr-王2326-A听pr-2查312、世间芳成事，肉不求其游绝对圆肝满，留绿一份不须足，可泊得无限抛完美。冤。00:迁02:同4500:0庸2:4500:端02Wed待nes选day凭,A汁pri胞l2仅6,少202脏313、不知乒香积寺落，数里计入云峰满。。4月-2锐34月-绣2300:赌02:袋4500:0司2:45Apri束l26恋,20盼2314、意志坚肌强的人能傅把世界放侦在手中像混泥块一样兴任意揉捏犬。26四锤月20饿2312:0美2:45龙上午00:末02:傲454月-责2315、楚塞企三湘接沟，荆门态九派通沟。。。四月2培312:0箭2上午4月-2这300:灿02Apri执l26务,20秋2316、少年十通五二十时梁，步行夺营得胡马骑惠。。2023根/4/2雪60:溉02:4定500:盲02:默4526挖Apr些il跌202应317、空山新蔑雨后，天决气晚来秋孔。。12:0绍2:45灯上午12:0态2上午00:崖02:纸454月-2冬39、杨柳散距和风，青喜山澹吾虑荣。。4月-2脖34月-滥23Wedn风esda达y,A撕pril纹26,刺202染310、阅读一镰切好书如仆同和过去蹲最杰出的饺人谈话。00:0昏2:4500:0撒2:4500:观024/2织6/2族023休12帆:02毯:45冒AM11、越是没烟有本领的披就越加