DNA信息隱藏方法的安全性

DNA信息隱藏方法的安全性分析

隨著DNA計(jì)算的發(fā)展，新興的DNA密碼學(xué)也得到了發(fā)展，有可能和傳統(tǒng)的密碼學(xué)量子密碼學(xué)成為密碼學(xué)的三大分支。DNA密碼是在1994年Adleman提出DNA計(jì)算也就是俗稱的生物計(jì)算機(jī)之后才開(kāi)始得到關(guān)注。DNA密碼目前已經(jīng)有了一些初步的成果，如Clelland等人用DNA微點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了信息隱藏，把著名的June6

invasion

Normandy隱藏到DNA微點(diǎn)中。下面我們對(duì)這一信息隱藏方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。背景知識(shí)

DNA的學(xué)名是脫氧核糖核酸。從構(gòu)成上看DNA是由核苷酸組成的一種生物大分子，核苷酸含有4種不同的堿基腺嘌呤A

鳥(niǎo)嘌呤G

胞嘧啶C和胸腺嘧啶T。相應(yīng)地核苷酸也按所含堿基的不同分成4種核苷酸排列成鏈狀，DNA分子由兩條長(zhǎng)鏈組成在氫鍵的作用下兩條鏈連接在一起呈現(xiàn)出螺旋式結(jié)構(gòu)。雙鏈連接的方式是按照堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則即A與T始終配對(duì)存在G與C始終配對(duì)存在。DNAPCR技術(shù)

DNA體積微小的雙螺旋結(jié)構(gòu)使得對(duì)數(shù)量極少的特定DNA片段進(jìn)行操作非常困難。通過(guò)PCR擴(kuò)增技術(shù)把少量的特定DNA大量復(fù)制后操作就容易多了.PCR技術(shù)就是一種快速的特定DNA片斷(引物)擴(kuò)增技術(shù).PCR是基于Watson-Crick互補(bǔ)配對(duì)特性實(shí)現(xiàn)的.該技術(shù)十分靈敏,理論上每一個(gè)目的DNA分子經(jīng)20輪擴(kuò)增后數(shù)量可達(dá)10的6次方,

從而實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)大量擴(kuò)增DNA序列.1999年Celland等人成功地把著名的“June6invasion

Normandy”隱藏在DNA微點(diǎn)中從而實(shí)現(xiàn)了利用DNA作為載體的信息隱藏

流程第四步信息讀取第一步

確定編碼

方式第三步信息隱藏第二步制作消息序列.（一）確定編碼方式

他們沒(méi)有采用傳統(tǒng)的二進(jìn)制編碼方式而是把核苷酸看作是四進(jìn)制編碼用3位核苷酸表示1個(gè)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.編碼方式（二）制作消息序列.

把需要傳遞的消息按上面的編碼方式編成相應(yīng)的DNA序列，如AB用CCGCCA表示。編碼結(jié)束以后人工合成相應(yīng)的有69個(gè)核苷酸的DNA序列，并在DNA序列前后各鏈接上有20個(gè)核苷酸的5'和3'引物。這樣需要隱藏的DNA消息序列就準(zhǔn)備好了.（三）信息隱藏藏用超聲波波把人類類基因序序列粉碎碎成長(zhǎng)度度為50-100的核核苷酸雙雙鏈，并變性成成單鏈作作為冗余余的DNA使用用，再把含有有信息的的DNA序列混混雜到冗冗余的DNA序序列中噴噴到信紙紙上形成成無(wú)色的的微點(diǎn)，就可通過(guò)過(guò)普通的的非保密密途徑傳傳送了。（四）信息讀取取接收方和和發(fā)送方方的共享享秘密是是編碼方式式和引物。接收方收收到含有有消息DNA微微點(diǎn)的信信紙后提提取出微微點(diǎn)中的的DNA。由于接收收方預(yù)先先通過(guò)安安全的途途徑得到到了引物物，所以他可可以用已已有的引引物對(duì)含含有消息息的DNA序列列進(jìn)行PCR擴(kuò)擴(kuò)增，通過(guò)測(cè)序序得出消消息DNA序列列。然后根據(jù)據(jù)預(yù)先約約定的編編碼方式式恢復(fù)出出消息明明文。微點(diǎn)技術(shù)術(shù)安全性性安全性第一層生物安全全性第二層數(shù)學(xué)安全全性第三層微點(diǎn)技術(shù)術(shù)安全性DNA微微點(diǎn)無(wú)色色無(wú)味噴噴涂在物物品表面面不易被被發(fā)現(xiàn)。除非對(duì)附附帶有DNA微微點(diǎn)的物物品進(jìn)行行專門(mén)檢檢查否則則難以發(fā)發(fā)現(xiàn)DNA微點(diǎn)點(diǎn)的存在在.但是是這種安安全性并并不比使使用隱寫(xiě)寫(xiě)墨水安安全多少少，用攻破隱隱寫(xiě)的技技術(shù)就足足可以找找出這些些微點(diǎn)。鑒于隱寫(xiě)寫(xiě)墨水在在歷史上上已經(jīng)被被輕松破破譯，可認(rèn)為第第1層安安全性是是很脆弱的。生物學(xué)安全性因?yàn)樵诂F(xiàn)現(xiàn)有的生生物技術(shù)術(shù)條件下下要從未未知的DNA混混合液中中分離出出未知的的特定DNA序列并測(cè)序序是困難難的，這是從生物學(xué)學(xué)方面保障了了該信息隱藏藏方案的安全全性。數(shù)學(xué)安全性是由數(shù)學(xué)編碼碼方法提供的的.也就是由傳統(tǒng)統(tǒng)的密碼學(xué)編編碼方式提供供的。DNA信息隱隱藏方法的安安全性分析傳統(tǒng)密碼學(xué)領(lǐng)領(lǐng)域尚有許多多問(wèn)題遠(yuǎn)未解解決同傳統(tǒng)密密碼的研究相相比生物學(xué)家家的研究更加加不完善.他他們的工作主主要還停留在在實(shí)驗(yàn)階段缺缺乏完善的理理論更缺乏有有效的方法來(lái)來(lái)對(duì)生物學(xué)困困難問(wèn)題進(jìn)行行衡量.這里里就以生物學(xué)學(xué)上共識(shí)性的的困難問(wèn)題作作為依據(jù)對(duì)Celland等人所提提方案的安全全性進(jìn)行論證證.當(dāng)然DNA密碼系統(tǒng)統(tǒng)的安全性很很復(fù)雜除了生生物學(xué)上的困困難問(wèn)題外數(shù)數(shù)學(xué)工具也是是構(gòu)成系統(tǒng)安安全的基石之之一.DNA信息隱藏方方法具有3層層安全性要攻攻破本系統(tǒng)就就要突破全全部3層安安全性性。考慮到到微點(diǎn)點(diǎn)技術(shù)術(shù)的安安全性性是比比較脆脆弱的的，所所以我我們跳跳過(guò)第第一層層安全全性直直接分分析第第二層層安全全性。。生物物學(xué)學(xué)安全全性性分析析第2層層安安全全性性即生物物學(xué)學(xué)的的安安全全性性。生物物學(xué)學(xué)仍仍然然是是以以實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)事事實(shí)實(shí)為為主主的的，與以以定定理理和和公公式式為為主主的的精精確確的的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)是是大大不不相相同同的的。所以以這這里里進(jìn)進(jìn)行行安安全全分分析析也也主主要要是是以以分分析析實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)事事實(shí)實(shí)而而不不是是公公式式推推導(dǎo)導(dǎo)為為依依據(jù)據(jù)。假設(shè)設(shè)攻攻擊擊者者找找到到了了這這些些DNA微微點(diǎn)點(diǎn)要要想想得得到到消消息息序序列列有有如如下下幾幾種種可可能能的的攻攻擊擊方方式式：攻擊擊方方法法1用引引物物把把特特定定的的序序列列擴(kuò)擴(kuò)增增出出來(lái)來(lái)以以測(cè)測(cè)序序，這相相當(dāng)當(dāng)于于沒(méi)沒(méi)有有密密鑰鑰而而嘗嘗試試隨隨機(jī)機(jī)尋尋找找密密鑰鑰的的窮窮舉舉攻攻擊擊法法。對(duì)于于一一個(gè)個(gè)攻攻擊擊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隨隨便便找找些些引引物物嘗嘗試試進(jìn)進(jìn)行行擴(kuò)擴(kuò)增增這這相相當(dāng)當(dāng)于于沒(méi)沒(méi)有有解解密密密密鑰鑰隨隨機(jī)機(jī)選選擇擇一一個(gè)個(gè)密密鑰鑰進(jìn)進(jìn)行行嘗嘗試試的的情情況況。首先先考考慮慮隨隨機(jī)機(jī)尋尋找找引物進(jìn)進(jìn)行行擴(kuò)擴(kuò)增增的的方方法法.考考慮慮到到擴(kuò)擴(kuò)增增的的效效果果比比較較理理想想的的引引物物長(zhǎng)長(zhǎng)度度是是20個(gè)個(gè)核核苷苷酸酸.用用這這么么長(zhǎng)長(zhǎng)的的引引物物擴(kuò)擴(kuò)增增的的結(jié)結(jié)果果是是最最穩(wěn)穩(wěn)定定的的.一一般般情情況況下下如如果果在在發(fā)發(fā)生生錯(cuò)錯(cuò)誤誤匹匹配配使使得得匹匹配配的的引引物物長(zhǎng)長(zhǎng)度度變變?yōu)闉?7個(gè)個(gè)核核苷苷酸酸那那么么有有3個(gè)個(gè)核核苷苷酸酸錯(cuò)錯(cuò)誤誤匹匹配配并并且且均均在在遠(yuǎn)遠(yuǎn)離離待待擴(kuò)擴(kuò)增增序序列列端端的的情情況況下下還還是是能能夠夠得得到到可可接接受受的的結(jié)結(jié)果果.那那么么分分離離并并擴(kuò)擴(kuò)增增所所有有這這些些DNA序序列列所所需需要要的的引引物物數(shù)數(shù)量量為為4對(duì).34合成少數(shù)數(shù)引物并并且期望望能夠偶偶然成功功的概率率是極其其微小的的。如果有人人想合成成所有這這些引物物,所所需要的的財(cái)力物物力是無(wú)無(wú)法承受受的。并且,即即使得得到了所所有這些些引物,如果果不知道道哪些是是真正需需要的,就只只能把這這些引物物進(jìn)行逐逐個(gè)嘗試試。然而,DNA混混合物物并不像像數(shù)字那那樣可被被反復(fù)利利用而不不產(chǎn)生變變化,PCR擴(kuò)擴(kuò)增也也不是像像數(shù)學(xué)運(yùn)運(yùn)算那樣樣精確。這種嘗試試如果多多次進(jìn)行行,會(huì)會(huì)對(duì)含有有消息序序列的DNA混混合物物造成污污染,嚴(yán)嚴(yán)重影影響PCR擴(kuò)擴(kuò)增的的進(jìn)行。要把所有有的引物物都嘗試試一遍并并且還期期望能得得到正確確的結(jié)果果也是不不可能的的。也就是是這種攻攻擊方法法基本不不可行。。攻擊方法法2對(duì)微點(diǎn)中中的所有有序列測(cè)測(cè)序然后后進(jìn)行數(shù)數(shù)學(xué)分析析找出消消息序列列。這種方法法相當(dāng)于于傳統(tǒng)的的信息隱隱藏方法法中對(duì)所所有數(shù)據(jù)據(jù)進(jìn)行檢檢測(cè).但但是傳統(tǒng)統(tǒng)的信息息隱藏方方法所有有數(shù)據(jù)都都是可方方便讀出出的而DNA信信息隱藏藏方法的的數(shù)據(jù)難難以讀出出，所以也就就難以檢檢測(cè)。這是因?yàn)闉镈NA微點(diǎn)中中的序列列是未知知的混合合序列使使用現(xiàn)有有的測(cè)序序方法都都無(wú)法進(jìn)進(jìn)行有效效的測(cè)序序。第3層安全全性如果很多年年以后第1和第2層層安全性都都被突破了了那么攻擊擊者的破譯譯工作就是是從一些數(shù)數(shù)字序列中中找出消息息序列.對(duì)對(duì)于消息的的發(fā)送者和和接收者如如果引物不重復(fù)使用用那么就要要保存數(shù)量量巨大的引引物并且在在數(shù)據(jù)讀取取的時(shí)候還還要知道如如何選擇正正確的引物物這可能也也需要在發(fā)發(fā)送消息時(shí)時(shí)發(fā)送額外外的信息.這樣操作作所需要的的工作量巨巨大類似于于一次一密.但可以達(dá)達(dá)到絕對(duì)的的安全。如果引物重重復(fù)使用雖雖然可使得得實(shí)現(xiàn)更容容易但是該該系統(tǒng)就可可用下面的的簡(jiǎn)單方法法來(lái)破譯.攻擊方法3在兩次加密密的過(guò)程中中對(duì)于消息息序列引物物是固定的的而5'和和3'引物物之間的消消息序列是是變化的對(duì)對(duì)于冗余序序列如果重重復(fù)使用整整個(gè)序列就就是不變的的如果不重重復(fù)使用整整個(gè)序列就就都不同.通過(guò)這些些不同的特特征借助于于電子計(jì)算算機(jī)的分析析就可比較較容易地找找出消息序序列來(lái).此此后針對(duì)文文獻(xiàn)3中提提出的編碼碼方案只要要能夠得到到足夠多的的密文數(shù)量量就可根據(jù)據(jù)語(yǔ)言的統(tǒng)統(tǒng)計(jì)特性按按照英文字字母頻度進(jìn)進(jìn)行攻擊.如英文中中出現(xiàn)頻度度最高的是是字母E對(duì)對(duì)于大量文文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)的的結(jié)果是出出現(xiàn)概率約約為0.12712.對(duì)應(yīng)的的就是消息息序列中GGT出現(xiàn)現(xiàn)的頻度最最高.采用用這種初等等密碼分析析方法就可可很容易地地攻破前面提出的編編碼方案案.從上面的介紹中可看出出引物才是真正正的密鑰.如果引引物泄漏漏了該系系統(tǒng)的編編碼方式式只具有有簡(jiǎn)單的的安全性性.一般般來(lái)說(shuō)一一個(gè)信息息隱藏系系統(tǒng)的編編碼方式式是不太太重要的的,采用普通通的編碼碼方式如如電子計(jì)計(jì)算機(jī)中中普遍使使用的二二進(jìn)制碼碼就可以以了.那么該系系統(tǒng)的編編碼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開(kāi)開(kāi)呢？舉一反三三答案是否否定的.這是因?yàn)闉榫幋a方方式的泄泄漏會(huì)導(dǎo)導(dǎo)致如下下的安全全漏洞.任何一一個(gè)密碼碼系統(tǒng)都都是有一一定的應(yīng)應(yīng)用背景景的相應(yīng)應(yīng)地特定定的關(guān)鍵鍵詞也就就會(huì)大量量出現(xiàn).雖然攻攻擊者不不知道消消息的具具體內(nèi)容容但是可可以用把把關(guān)鍵詞詞作為PCR擴(kuò)擴(kuò)增引物物的方法法進(jìn)行攻攻擊。攻擊者猜猜到消息息里很可可能會(huì)有有JuneJulyinvasionNormandyCalais之之類的可可能詞.如果編編碼方式式泄漏了了就可以以把上述述可能詞詞轉(zhuǎn)換成成DNA序列然然后作為為引物對(duì)對(duì)微點(diǎn)中中的DNA序列列進(jìn)行PCR擴(kuò)擴(kuò)增.比比如June6就可編碼碼為AGTCTGTCTGGCTTANormandy可編編碼為T(mén)CTGGATCATCCCGATCTTTGAAA.把所有有這些可可能詞都都編碼成成DNA序列，再把這些序序列和這這些序列列的互補(bǔ)補(bǔ)以及轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)置序列列作為引引物放到到DNA混合物物中。無(wú)關(guān)的可可能詞不不會(huì)引起起PCR反應(yīng).而June和和Normandy這這兩個(gè)可可能詞編編碼成的的引物會(huì)會(huì)引起PCR反反應(yīng)把“June6invasionNormandy”這句話完完整地?cái)U(kuò)擴(kuò)增出來(lái)來(lái).此處處June6編碼序序列AGTCTGTCTGGCTTA是引物物1Normandy編碼碼的的互補(bǔ)補(bǔ)反反轉(zhuǎn)序序列列TTTCAAAGATCGGGATGATCCGA作為引物物2.所以密鑰鑰應(yīng)該是是由引物和編碼方式式共同組成成.鑒于于對(duì)每組組引物更更換編碼碼方式比比較困難難這里提提出進(jìn)行行隱藏前前對(duì)明文文預(yù)先采采取一定定的數(shù)學(xué)學(xué)變換比比如預(yù)選選先用DES之之類的加加密算法法加密這這樣可使使得攻擊擊者難以以找到關(guān)關(guān)鍵詞作作為引物物.此時(shí)時(shí)加密密密鑰就由由引物和和一個(gè)普普通的數(shù)數(shù)學(xué)加密密系統(tǒng)的的密鑰組組成.這這種方法法的好處處是對(duì)于于相同的的明文改改變數(shù)學(xué)學(xué)加密鑰鑰就可改改變對(duì)應(yīng)應(yīng)的DNA消息息序列使使用更方方便.用PCR擴(kuò)擴(kuò)增增DNA測(cè)測(cè)序序等等技技術(shù)術(shù)對(duì)對(duì)DNA信信息息隱隱藏藏方方法法進(jìn)進(jìn)行行攻攻擊擊的的方方法法。提出出由由于于尋尋找找匹匹配配引引物物的的困困難難性性和和測(cè)測(cè)序序中中電電泳泳技技術(shù)術(shù)以以及及純純化化技技術(shù)術(shù)的的限限制制上上述述攻攻擊擊不不能能奏奏效效，論證證了了可可能能詞詞可可作作為為PCR引引物物成成功功攻攻擊擊該該方方法法提提出出要要以以引引物物和和編編碼碼方方式式為為密密鑰鑰或或者者用用傳傳統(tǒng)統(tǒng)加加密密方方法法對(duì)對(duì)要要隱隱藏藏的的信信息息先先進(jìn)進(jìn)行行加加密密。對(duì)明明文文預(yù)預(yù)先先用用傳傳統(tǒng)統(tǒng)方方法法加加密密的的保保密密增增強(qiáng)強(qiáng)方方法法可可有有效效防防止止可可能能詞詞作作為為PCR引引物物進(jìn)進(jìn)行行的的攻攻擊擊?？偨Y(jié)結(jié)THANKYOU9、靜夜四無(wú)鄰鄰，荒居舊業(yè)業(yè)貧。。12月-2212月-22Wednesday,December7,202210、雨中黃葉葉樹(shù)，燈下下白頭人。。。21:55:1121:55:1121:5512/7/20229:55:11PM11、以我獨(dú)沈沈久，愧君君相見(jiàn)頻。。。12月-2221:55:1121:55Dec-2207-Dec-2212、故人江江海別，，幾度隔隔山川。。。21:55:1121:55:1121:55Wednesday,December7,202213、乍見(jiàn)見(jiàn)翻疑疑夢(mèng)，，相悲悲各問(wèn)問(wèn)年。。。12月月-2212月月-2221:55:1121:55:11December7,202214、他鄉(xiāng)生生白發(fā)，，舊國(guó)見(jiàn)見(jiàn)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、行行動(dòng)動(dòng)出出成成果果，，工工作作出出財(cái)財(cái)富富。。。。2022/12/721:55:1121:55:1107December202217、做前，能夠夠環(huán)視四周；；做時(shí)，你只只能或者最好好沿著以腳為為起點(diǎn)的射線線向前。。9:55:11下午9:55下下午21:55:1112月-229、沒(méi)有失失敗，只只有暫時(shí)時(shí)停止成成功！。。12月-2212月-22Wednesday,December7,202210、很多事情情努力了未未必有結(jié)果果，但是不不努力卻什什么改變也也沒(méi)有。。。21:55:1121:55:1121:5512/7/20229:55:11PM11、成功就是是日復(fù)一日日那一點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)小小努力力的積累。。。12月-2221:55:1121:55Dec-2207-Dec-2212、世間成事事，不求其其絕對(duì)圓滿滿，留一份份不足，可可得無(wú)限完完美。。21:55:1121:55:1121:55Wednesday,December7,202213、不不知知香香積積寺寺，，數(shù)數(shù)里里入入云云峰峰。。。。12月月-2212月月-2221:55:1121:55:11December7,202214、意志堅(jiān)堅(jiān)強(qiáng)的人人能把世世界放在在手中像像泥塊一一樣任意意揉捏。。07十十二月20229:55:11下午午21:55:1112月-2215、楚塞三三湘接，，荊門(mén)九九派通。。。。十二月229:55下午午12月-2221:55December7,202216、少年十五二二十時(shí)，步行行奪得胡馬騎騎。。2022/12/721:55: