一种基于dna编码的加密系统及加密方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 自Adleman 1994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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 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。
[0007] 本发明所采取的实际技术方案如下。
[0008] -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〇〇、11、〇1、1〇，规则可以预定为4=00,0=11，6=01，1=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加密彳目息的二次转换，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)。
[0009] 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：〇〇、11、〇1、10,与DNA碱基对应规则可预定为 A=OO，C=Il，G=Ol，T=IO ; 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一C)、（C一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)。
[0010] 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】
[0011] 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】
[0012] 下面结合实施例对本申请做进一步的解释说明。 实施例
[0013] 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。
[0014] 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Kb (其中Ka = Kb或者 Ka^ K B)，明文信息 M 内容为 " 16th - 19th October，2014, Wuhan，China"。
[0015] 具体的如图I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。
[0016] (1)加密规则制定。
[0017] 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=OO，C=Il，G=Ol，T=IO。
[0018] 为进一步提尚密码破解难度，同时制定补充规则如下：A -G、G -T、T一C、C一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。
[0019] (2)加密密钥、解密密钥生成。
[0020] 在本实施例中，加密密钥为Ka，解密密钥为KB，K a = Kb，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Kb，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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] (3)信息加密。
[0024] 首先将待加密信息（即明文信息 M :" 16th -19th October，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?目息如下： 00110001 00110110 01110100 01101000 01011111 00110001 00111001 01110100 01101000 00100000 01001111 01100011 01110100 01101111 01100010 01100101 01110010 00101100 00100000 00110010 00110000 00110001 00110100 00101100 00100000 01010111 01110101 01101000 01100001 01101110 00101100 00100000 01000011 01101000 01101001 01101110 01100001。
[0025] 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 GGCATATCAA