DNA信息隐藏方法的安全性分析.pptx
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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
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
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
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 。 D N A 密 码 是 在 1 9 9 4 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C l elland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。
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
安全性
第一层
微点技术 安全性
第二层
生物安 全性
第三层
数学安 全性
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
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。
PCR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 P C R 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.
所有这些DNA序列所需要的引物数量为4 34对.
合成少数引物并且期望能够偶然成功的概率 是极其微小的。如果有人想合成所有这些引物, 所 需要的财力物力是无法承受的。并且, 即使得到了 所有这些引物, 如果不知道哪些是真正需要的, 就 只能把这些引物进行逐个尝试。 然而, D N A 混 合物并不像数字那样可被反复利用而不产生变化 ,PCR 扩增也不是像数学运算那样精确。 这种尝 试如果多次进行, 会对含有消息序列的 D N A 混 合物造成污染, 严重影响 PCR 扩增的进行。 要把 所有的引物都尝试一遍并且还期望能得到正确的 结果也是不可能的。也就是这种攻击方法基本不 可行。
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。
1999年Celland等人成功地把著名的 “ June 6 invasion 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
第一步
确定编码 方式
第四步
信息读取
流程
第二步
制作消息 序列.
第三步
信息隐藏
（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 .
方法具有3层安全性要攻破本系统就要突破全源自文库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：
DNA的学 名 是脱氧核糖核酸 。 从构成上看
背
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
景 胞嘧啶C和胸腺嘧啶T 。 相应地核苷酸也按所
知
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
识 条链连接在一起呈现出螺旋式结构 。 双链连
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
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
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 。 D N A 密 码 是 在 1 9 9 4 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C l elland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。
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
安全性
第一层
微点技术 安全性
第二层
生物安 全性
第三层
数学安 全性
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
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。
PCR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 P C R 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.
所有这些DNA序列所需要的引物数量为4 34对.
合成少数引物并且期望能够偶然成功的概率 是极其微小的。如果有人想合成所有这些引物, 所 需要的财力物力是无法承受的。并且, 即使得到了 所有这些引物, 如果不知道哪些是真正需要的, 就 只能把这些引物进行逐个尝试。 然而, D N A 混 合物并不像数字那样可被反复利用而不产生变化 ,PCR 扩增也不是像数学运算那样精确。 这种尝 试如果多次进行, 会对含有消息序列的 D N A 混 合物造成污染, 严重影响 PCR 扩增的进行。 要把 所有的引物都尝试一遍并且还期望能得到正确的 结果也是不可能的。也就是这种攻击方法基本不 可行。
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。
1999年Celland等人成功地把著名的 “ June 6 invasion 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
第一步
确定编码 方式
第四步
信息读取
流程
第二步
制作消息 序列.
第三步
信息隐藏
（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 .
方法具有3层安全性要攻破本系统就要突破全源自文库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：
DNA的学 名 是脱氧核糖核酸 。 从构成上看
背
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
景 胞嘧啶C和胸腺嘧啶T 。 相应地核苷酸也按所
知
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
识 条链连接在一起呈现出螺旋式结构 。 双链连