CN105119717A

CN105119717A - 一种基于dna编码的加密系统及加密方法

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Publication number: CN105119717A
Application number: CN201510429328.XA
Authority: CN
Inventors: 张勋才; 崔光照; 吴艳敏; 王子成; 牛莹; 孙军伟; 王延峰; 韩栋
Original assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Current assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2015-12-02

Abstract

本发明属于通讯传输中的信息安全技术领域，具体涉及一种DNA加密系统及加密方法。该系统包括加密密钥、信息转换、信息加密、信息传输、解密密钥、信息解密部分；所述加密密钥、解密密钥为引物序列；所述信息加密为将信息转换后编码与DNA中的A、T、C、G碱基按照预定规则进行一一对应。本发明所提出的加密系统及加密方法，依赖于生物学难题设置及生物学技术发展，同时配合相应计算机信息技术的发展，可以实现相应编码转换、加密、解密的自动化运行，具有与其他加密方法兼容性好、自动化程度高、密钥简单但密码破解难度大、信息传输更为安全等特点，具有较好的应用价值，同时也可为其他新的加密系统提供更好的参考和借鉴。

Description

一种基于DNA编码的加密系统及加密方法

技术领域

本发明属于通讯传输中的信息安全技术领域，具体涉及一种DNA加密系统及加密方法。

背景技术

当今社会是一个信息社会，随着信息的海量传播，信息安全保密工作显得尤为重要。

自Adleman1994年提出DNA计算以后，人们首次意识到DNA分子所具有的超大规模并行性和超高密度的存储容量具有十分重要的潜在应用价值，于是DNA分子在计算、信息存储以及密码学等领域的技术研究得到了迅速发展。

DNA密码学作为密码学发展的一个新生分支，其在理论和实际运用中都处于初级探索阶段，远未成熟。且由于DNA密码学属于交叉学科，需要多学科研究人员的通力合作，因而有效的DNA密码系统也十分鲜见。

传统密码学的安全性主要依赖于各种数学困难问题，而新生的DNA密码学安全性则基于生物学困难问题。理论而言，阻碍生物学发展的生物学困难问题在密码学中会有不同的用途，因而可用以构建不同的密码系统。但实际情况则是，尽管基于实验探索发展起来的生物学研究中发现并提出了众多的生物学困难问题，但多数生物学困难问题并不适用于构建密码系统。因而，找到合适的生物学困难问题，是构建可靠的密码系统的重要前提。现有技术中，虽然已经有部分基于DNA分子加密技术所提出的一些简单的加密系统，但是如前所述，基于不同的生物学困难问题，就有可能构建不同的密码系统，因而基于信息加密技术的需要，仍有必要探索新的、更为复杂的、安全性和可操作性更高的密码系统。

发明内容

本发明目的在于提供一种较为完善的DNA加密系统，同时提供了该加密系统的加密方法，从而提高信息传输的安全性和可靠性，同时也为新的DNA加密系统提供借鉴和参考。

本发明所采取的实际技术方案如下。

一种DNA加密系统，包括加密密钥、信息转换、信息加密、信息传输、解密密钥、信息解密等部分；

所述加密密钥、解密密钥为引物序列，例如PCR克隆时所用引物序列；

所述信息转换为将待加密信息（或者说明文信息）进行编码，例如进行十六进制编码或者二进制编码，或者先进行十六进制编码然后进行二进制编码；

所述信息加密为将信息转换后编码与DNA中的A、T、C、G碱基按照预定规则进行一一对应，从而获得一段DNA碱基序列，然后利用加密密钥对所得DNA碱基序列进行加密；例如，二进制编码后信息表型形式为00、11、01、10，规则可以预定为A=00，C=11，G=01，T=10，在此规则基础上将二进制数字序列转换为DNA碱基序列；

所述信息加密过程中，为进一步提高信息传输安全性，可以进一步增加密码复杂性，例如碱基配对规则改变，具体而言，在生物学上，A与T配对，C与G配对，但为了增加密码的复杂性，在预定信息加密规则时可以人为规定A与C或者A与G配对，而这是不影响后续生物实验时的具体生物学操作的；另外一种提高密码复杂性的方式可以采用补充规则进行DNA加密信息的二次转换，例如，首先制定补充规则，（A—G）、（G—T）、（T—C）、（C—A），然后按照补充规则进行碱基序列的二次转换（例如，序列CTAAGT采用补充规则后，序列转换为ACGGTC）；

所述信息加密过程中，还可在信息加密转换后的DNA碱基序列中加入冗余序列，从而提高信息获得与破解难度；

所述信息传输为将加密后所获得的DNA碱基序列通过公开或加密渠道进行转运传输；

所述信息解密为将所获得加密信息即DNA碱基序列按照解密密钥进行生化试验，获得特定的碱基序列，然后按照信息加密过程中所对应规则进行逆向操作，从而获得加密信息（或者说明文信息）。

所述DNA加密系统的加密方法，具体包括以下步骤：

（1）加密规则制定，即将相应数字编码信息与DNA碱基进行一一对应，依据待加密信息（如明文信息）所对应数字编码方式不同，数字编码信息与DNA碱基对应关系可以根据需要进行调整，但较为成熟的和易于操作的对应关系采用二进制编码后信息与DNA碱基对进行对应，具体如：二进制编码信息后表现形式有：00、11、01、10，与DNA碱基对应规则可预定为A=00，C=11，G=01，T=10；

为提高加密信息破解难度，在将编码信息转换为相应的DNA碱基序列后，可以进一步制定补充规则，从而对DNA碱基序列进行二次转换，例如可制定补充规则：（A—G）、（G—T）、（T—C）、（C—A），然后按照补充规则进行碱基序列的二次转换（例如，序列CTAAGT采用补充规则后，序列转换为ACGGTC）；

（2）加密密钥、解密密钥生成，本申请中所述加密密钥、解密密钥为特定的引物序列或者引物序列的集合，所述引物序列用于相应生物化学实验时对于DNA碱基序列的特异性识别；

（3）信息加密，首先将待加密信息（如明文信息）首先进行数字化转换，为提高破解难度，可进行多次数字化转换，例如首先将待加密信息进行十六进制转换，然后再进行二进制编码；将数字化转换后信息按照步骤（1）中的加密规则进行转换获得相应的DNA碱基序列；最后利用步骤（2）中的加密密钥即引物序列对所获得的DNA碱基序列进行重新设计即加密处理；

为进一步提高破解难度，加密后所得的DNA碱基序列可进一步进行酶切切割成DNA片段，进一步的可在DNA片段中混入冗余DNA序列，提高DNA序列的复杂度；

（4）信息传输，将步骤（3）中所得DNA碱基序列通过安全渠道或者公开渠道进行传输；

（5）信息解密，利用步骤（2）中解密密钥，将步骤（4）所得DNA碱基序列进行生物化学实验，获得正确的DNA碱基序列，然后依据加密规则逆向转化为相应的数字编码信息，并进一步转换为所需的加密信息（如明文信息）。

本发明中所依据的生物学困难问题是：只有特定的引物序列，才能获得特定的DNA序列。在本申请中，经过转换后的DNA序列即为密文，而所设定的引物序列即为密钥。在本申请中，为进一步提高密码破译难度，可将待加密信息进行多次转换，同时也可将加密后碱基序列进行多次转换，并且增加其他的冗余DNA序列，从而提高密码破译难度。综上，本发明所提出的加密系统及加密方法，依赖于生物学难题设置及生物学技术发展，同时配合相应计算机信息技术的发展，可以实现相应编码转换、加密、解密的自动化运行，因而具有与其他加密方法兼容性好、自动化程度高、密钥简单但密码破解难度大、信息传输更为安全等特点，具有较好的应用价值，同时也可为其他新的加密系统提供更好的参考和借鉴。

附图说明

图1为加密系统构建流程示意图；

图2为加密过程示意图；

图3为PCR扩增后凝胶电泳成像及测序结果。

具体实施方式

下面结合实施例对本申请做进一步的解释说明。

实施例

本实施例中以某具体的明文信息加密为例，对本发明所提供的DNA加密系统进行详细解释说明如下。

为便于解释说明，首先对本发明中部分内容进行虚拟量化标记，具体为：信息发送者为Alice，信息接收者为Bob，加密密钥为K_A，解密密钥为K_B（其中K_A=K_B或者K_A≠K_B），明文信息M内容为“16th—19thOctober，2014，Wuhan，China”。

具体的如图1所示，采用本申请所提供的DNA加密系统对上述明文信息进行加密，即加密方法，包括以下步骤。

（1）加密规则制定。

在本实施例中，为便于利用计算机系统进行自动化转换，因而对于明文信息M最终数字化转换要求以二进制形式表达，并且制定二进制形式与DNA碱基对对应规则如下：

A=00，C=11，G=01，T=10。

为进一步提高密码破解难度，同时制定补充规则如下：A—G、G—T、T—C、C—A；即，在首次获得碱基序列后尚需应用补充规则进一步进行碱基序列转换。

（2）加密密钥、解密密钥生成。

在本实施例中，加密密钥为K_A，解密密钥为K_B，K_A=K_B，分别包括3对引物序列，即前引物1、后引物1，前引物2、后引物2，前引物3、后引物3。具体应用中，加密密钥为K_A、解密密钥为K_B，由发送者Alice或者接收者Bob单独设计，抑或由两者共同设计，设计完成后通过安全途径传送知悉。

在本实施例中,具体的引物序列信息如下：

前引物1（正向引物），20个核苷酸，序列为：TCTCAGCATTGGTCGTATGG，

后引物1（反向引物），19个核苷酸，序列为：TATGGGCACCTGTCTCCTC；

前引物2（正向引物），19个核苷酸，序列为：CTGTGAGGCAGAAGGATGC，

后引物2（反向引物），20个核苷酸，序列为：CCCACGGTTGATAGGTTGTC；

前引物3（正向引物），19个核苷酸，序列为：GCCACCACAGCCAACTATG，

后引物3（反向引物），18个核苷酸，序列为：TTGCCCAGGAAGACGAAG。

需要强调的是，所设计的引物序列即密钥特异性的引导识别特定的DNA碱基序列，因而相当于针对不同的密文需要不同的密钥，即需一次一加密，这也同时提高了解密的难度。

（3）信息加密。

首先将待加密信息（即明文信息M：“16th—19thOctober，2014，Wuhan，China）进行数字化转换，为提高破解难度，本实施例中借助于计算机编码转换系统首先将待加密信息进行十六进制转换，然后再进行二进制编码；最终二进制编码信息如下：

00110001001101100111010001101000

01011111001100010011100101110100

01101000001000000100111101100011

01110100011011110110001001100101

01110010001011000010000000110010

00110000001100010011010000101100

00100000010101110111010101101000

01100001011011100010110000100000

01000011011010000110100101101110

01100001。

将上述二进制编码信息按照加密规则进行一次DNA碱基序列转换，获得如下碱基序列：

ACAGACGTGCGAGTTAGGCCACAGACTGGCG

AGTTAATAAGACCGTACGCGAGTCCGTATGTG

GGCATATCAATAAACATACAAACAGACGAATC

AATAAGGGCGCGGGTTAGTAGGTCTATCAATA

AGAACGTTAGTTGGTCTGTAG。

为进一步提高破解难度，依据补充规则，对一次转换的DNA碱基序列进行二次转换，转换后碱基序列如下：

GAGTGATCTATGTCCGTTAAGAGTGACTTATGT

CCGGCGGTGAATCGATATGTCAATCGCTCTTTA

GCGCAGGCGGGAGCGAGGGAGTGATGGCAG

GCGGTTTATATTTCCGTCGTTCACGCAGGCGGT

GGATCCGTCCTTCACTCGT。

如图2所示（图2仅为示意图，非本实施例中真实的碱基序列），对二次转换后碱基序列按照酶切位点进行切割，或者人为设计进行切割，然后加上加密密钥K_A片段。在本实施例中，将上述二次转换后剪辑序列分为三段碱基序列，加上加密密钥后所形成的第一条DNA链包含88个碱基（其中引物1有39个碱基），第二条DNA链包含88个碱基（其中引物2有39个碱基），第二条DNA链包含87个碱基（其中引物3有37个碱基）。

对加密后最终所得碱基序列利用生物技术进行人工合成。为提高密文的隐蔽性，可以进一步通过DNA合成技术合成冗余的DNA文库，所合成冗余DNA片段长度与上述包含密文的DNA片段长度类似，然后将冗余DNA片段与含有密文的DNA片段混合在一起，从而提高密文的隐蔽性。

需要强调和说明的是，冗余DNA片段在设计时应不能被特定的解密密钥K_B所识别，以避免密码解密时出现错误。

（4）信息传输。

将含有冗余DNA序列和加密DNA序列的碱基序列混合物通过安全渠道或者公开渠道由发送者Alice传输给接收者Bob即可。

（5）信息解密。

信息接收者Bob在收到相应的碱基序列混合物后（也可能仅是序列信息，需要自行人工合成），由于加密信息（明文信息M）与冗余信息混合在一起，因而需进行PCR扩增，以单独扩增出加密信息（明文信息M）所对应碱基序列，从而进行解密，PCR扩增时，特定序列的扩增即依赖于解密密钥K_B。

具体的PCR扩增过程如下：

（1）对所获得的含有加密信息的碱基序列混合物进行适当处理后，例如，对获得碱基序列混合物进行溶解、清洗、离心等操作，就本实施例而言，由于并未进行实际传递，因而仅是将人工合成序列进行特定序列PCR扩增即可。

（2）配置PCR反应体系。在本实施例中，所采用的为50μL反应体系，反应体系设置如下：

1×PCRBuffer，

dNTPMix，终浓度0.2mM；

引物浓度，终浓度1μM；

Taq酶，2.5U；

氯化镁，终浓度1.5mM；

步骤（1）中含有加密信息的碱基混合物，1μg，

ddH₂O补足至50μl。

PCR扩增：94℃预变性2min；94℃、30s，55℃、30s，72℃、30s，25个循环；72℃延伸10min。

PCR扩增产物4℃保存备用或直接进行凝胶电泳分析。

凝胶电泳具体过程如下：

（1）制备2%的琼脂糖凝胶。具体为：琼脂糖浓度为2%，称量好琼脂糖后用电解液(1×TAE)加热溶解，待凝胶溶液温度降至40~50℃后，加入核酸染料，迅速搅拌，使其充分混匀，然后将凝胶溶液倒入制胶板槽中，插入梳子，半小时后拔出梳子，将制好的凝胶放入电泳槽中，倒入电解液。

（2）点样。DNAMaker加样量为6μL，PCR扩增后样品5μL与1μL的DNALoadingBuffer混合后加样。对照样品为所收到含有加密信息的碱基序列混合物（即PCR扩增前混合样）。

（3）电泳。采用恒压法，电压为50V，电泳结束时间的判断以溴酚蓝指示剂在凝胶中的位置决定。

电泳结束后用凝胶成像系统观察拍照，具体电泳结果如图3所示。

从图3中可以看出，冗余DNA序列仅产生微弱的连续涂片（图3a，2泳道）。相反的，含有密文的三个DNA片段扩增后分别产生了单一的跟预期大小相近的清新条带（图3a，泳道3-5）。

对所获得的含有密文的三个DNA片段样品进一步送生物公司进行分子克隆测序鉴定。测序结果见图3b所示。根据所获得的碱基序列，在去除解密密钥K_B的引物序列后，按照加密规则进行逆向转化，借助于计算机编码系统首先转换为二进制编码，进一般转换为十六进制编码，再进一步翻译出加密信息即明文M。

安全性分析

由于针对DNA密码学的安全性分析尚无较为成熟的理论和方法，因而仅对本申请中的DNA密码系统的安全性进行简要分析。

本申请中DNA密码系统的安全性主要包括两个层次。第一层安全性是基于生物学困难问题提供的，这也是本申请的主要安全依据；第二层安全性是计算的概率问题。

第一层安全性（生物学安全性）：就加密后DNA序列而言，由于加密后密文所得的DNA序列是不确定的，其所切割片段也是不确定的，且其中包含了大量冗余序列，因而攻击者即使得到了含有密文的DNA序列，在不知道密钥的情况下，其显然是难以得到正确的DNA序列的。就密钥设计而言，由于密钥即引物序列长度是不固定的，且可以一次加密一设计，而且密钥可以有多种排列组合形式，因此如果攻击者采用穷举法获得合成获得引物序列，其所耗费的人力、物力成本显然是难以想象的。

第二层安全性（计算安全性）：即使攻击者在得到了部分生物学安全难题的信息后，基于概率计算方面，攻击者也是很难得到相应的加密信息的。为简便计算期间，我们假设攻击者已知引物长度为20bp，那么攻击者要想得到6条正确引物的概率是：

，

假设攻击者已知为3段DNA碱基序列，将3段碱基序列排列成一条正确密文序列的概率是：

，

假设攻击者仅知道采用了补充规则，那么攻击者需在如下六种补充规则中进行逐一转换试验：

（AG）（GT）（TC）（CA），

（AG）（GC）（CT）（TA），

（AC）（CT）（TG）（GA），

（AC）（CG）（GT）（TA），

（AT）（TC）（CG）（GA），

（AT）（TG）（GC）（CA），

根据补充规则和DNA数字编码规则，将密文还原为二进制字符串的概率是：

，

所以，最终攻击者获得成功的概率为：

。

综上，从安全性角度分析而言，攻击者在缺乏必要的密钥的前提下，无论基于生物学难题的设置还是基于计算难度而言，要在有限时间内破解相应密码是十分困难的。

本申请以生物学困难问题为出发点，交叉综合利用计算机编码技术、DNA合成技术、PCR扩增技术、测序技术、DNA数字编码技术、密码学技术等，构建了一种新的DNA加密系统，进一步通过实验和分析证明了其具有较好的可操作性和安全性，因而具有较好的潜在应用价值，同时也为其他新的DNA加密系统构建提供了新的借鉴和参考思路。

Claims

1.一种DNA加密系统，其特征在于，该系统包括加密密钥、信息转换、信息加密、信息传输、解密密钥、信息解密部分；

所述加密密钥、解密密钥为引物序列；

所述信息转换为将待加密信息进行编码；

所述信息加密为将信息转换后编码与DNA中的A、T、C、G碱基按照预定规则进行一一对应，从而获得一段DNA碱基序列，然后利用加密密钥对所得DNA碱基序列进行加密；

所述信息解密为将所获得加密信息即DNA碱基序列按照解密密钥进行生化试验，获得特定的碱基序列，然后按照信息加密过程中所对应规则进行逆向操作，从而获得加密信息。

2.如权利要求1所述DNA加密系统，其特征在于，所述信息加密过程中，还包括利用补充规则进行的DNA加密信息的二次转换。

3.如权利要求1所述DNA加密系统，其特征在于，所述信息加密过程中，加密转换后的DNA碱基序列中包括有冗余序列。

4.权利要求1所述DNA加密系统的加密方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）加密规则制定：即将相应数字编码信息与DNA碱基进行一一对应；

（2）加密密钥、解密密钥生成：所述加密密钥、解密密钥为特定的引物序列或者引物序列的集合，所述引物序列用于相应生物化学实验时对于DNA碱基序列的特异性识别；

（3）信息加密：首先将待加密信息进行数字化转换，最后利用步骤（2）中的加密密钥即引物序列对所获得的DNA碱基序列进行重新设计即加密处理；

（4）信息传输：将步骤（3）中所得DNA碱基序列通过安全渠道或者公开渠道进行传输；

（5）信息解密：利用步骤（2）中解密密钥，将步骤（4）所得DNA碱基序列进行生物化学实验，获得正确的DNA碱基序列，然后依据加密规则逆向转化为相应的数字编码信息，并进一步转换为所需的加密信息。

5.如权利要求4所述DNA加密系统的加密方法，其特征在于，步骤（1）中所述数字编码信息为二进制编码信息。

6.如权利要求4所述DNA加密系统的加密方法，其特征在于，步骤（1）中还设有补充规则。

7.如权利要求4所述DNA加密系统的加密方法，其特征在于，步骤（3）中加密信息的数字化转换可以进行多次。

8.如权利要求4所述DNA加密系统的加密方法，其特征在于，对步骤（3）中加密后DNA碱基序列利用生物酶进行酶切，同时混入冗余DNA序列。