文/王延峰 韓琴琴 韓 棟 王 燕 張勛才 崔光照

鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院 河南 450002

1 引言

2013年6月，美國中央情報局前技術(shù)人員愛德華·斯諾登揭露了美國情報機構(gòu)的“棱鏡”秘密情報監(jiān)視項目。消息一經(jīng)公布，世界輿論隨之嘩然，由此而引發(fā)的風波愈演愈烈，其涉及面之廣，影響力之強，令全世界為之觸目驚心。在沸沸揚揚、持續(xù)發(fā)酵的“棱鏡門”事件背后，有兩個問題尤其值得思考：一是我們過分地依賴國外的電子及信息技術(shù)產(chǎn)品。我國所使用的信息技術(shù)、設(shè)備、系統(tǒng)和服務(wù)大多由參與“棱鏡”計劃的公司所提供，缺乏核心技術(shù)及獨立知識產(chǎn)權(quán)。正如中國工程院倪光南院士在“‘棱鏡門’事件引發(fā)的關(guān)于國家信息安全的思考”中所言：“棱鏡門”事件充分暴露了我網(wǎng)絡(luò)空間的軟肋，為了消除這個軟肋，從根本上提升我國網(wǎng)絡(luò)空間的防護能力，一個關(guān)鍵舉措是用自主可控的國產(chǎn)軟硬件和服務(wù)來替代進口；二是美國利用大數(shù)據(jù)等新技術(shù)獲取他國情報信息的能力已達到一個新的高度，傳統(tǒng)的信息安全技術(shù)已不能滿足保障國家涉密信息安全的需求，需要重新審視我國信息安全的相關(guān)能力。

信息安全的實質(zhì)就是要保護信息系統(tǒng)或信息網(wǎng)絡(luò)中的信息資源免受各種類型的威脅、干擾和破壞，即保證信息的完整性、可用性、保密性和可靠性。信息安全是任何國家、政府、部門、行業(yè)和個人都必須十分重視的問題，是一個不容忽視的國家安全戰(zhàn)略。信息安全的核心問題是密碼理論及其應(yīng)用。密碼學是研究信息加密、解密及其變換的一門科學。從古老的凱撒密碼到現(xiàn)代密碼學，已有2000多年的歷史。密碼學中的“解密”與“加密”，是一對永恒的“矛”與“盾”的關(guān)系，相互依存，相互對立，相互促進，相互發(fā)展。一方面，現(xiàn)代密碼學，是基于數(shù)學的密碼學，除了一次一密外，其他的密碼系統(tǒng)都只具備計算安全性，其安全性完全依賴于數(shù)學上的困難問題，如果攻擊者具有足夠的計算能力，就可以破譯這些密碼系統(tǒng)。另一方面，為滿足日益增長的大規(guī)模、超大規(guī)模計算任務(wù)的需求，科學家們正在不斷地構(gòu)建新的計算機體系結(jié)構(gòu)，以提高運算速度和信息處理能力。在新型計算方法不斷出現(xiàn)與日漸成熟的同時，也對當前的信息安全性提出了嚴峻挑戰(zhàn)。

核酸（Nucleic Acids）是由許多核苷酸聚合成的生物大分子化合物。核酸大分子可分為兩類：脫氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid,DNA）和核糖核酸（Ribonucleic Acid,RNA），在蛋白質(zhì)的復(fù)制和合成中起著儲存和傳遞遺傳信息的作用，是生命的最基本物質(zhì)之一。密碼學和遺傳學原本是毫不相關(guān)的兩門學科。但是，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，密碼學和核酸開始聯(lián)系在一起，并且關(guān)系越來越緊密。1994年，美國南加州大學的Adleman[1]教授針對圖論中的一個NP完全問題——有向哈密頓路問題，首次利用DNA分子，通過DNA編碼，并借助連接、變性、復(fù)性、聚合酶鏈式反應(yīng)（Polymerase Chain Reaction，PCR）擴增、電泳等一系列生物實驗操作，完成了對該問題的求解。該成果的重要意義在于其采用了一種全新的計算介質(zhì)——DNA分子，給出了以現(xiàn)代分子生物學技術(shù)實現(xiàn)目前傳統(tǒng)計算機無法解決的困難問題的一種全新求解思路，并開發(fā)了該計算模式本身所固有的潛在的巨大并行性。緊接著，1995年，Boneh[2]等利用DNA計算模型破譯了數(shù)據(jù)加密標準（Data Encryption Standard,DES）算法，并預(yù)言任何小于64位的密鑰都可以采用這種方法進行破譯。該理論模型由于受生物技術(shù)、誤碼率等諸多限制，目前還很難付諸實施，但對基于數(shù)學的傳統(tǒng)密碼體系提出了挑戰(zhàn)。由此可見，DNA密碼學是伴隨著DNA計算的研究而出現(xiàn)的，其原理是以DNA為信息載體，以現(xiàn)代生物技術(shù)為實現(xiàn)工具，通過挖掘DNA固有的高存儲密度和高并行性等特點，進而實現(xiàn)加密、認證及簽名等密碼學功能。DNA計算和DNA密碼具有巨大的發(fā)展和應(yīng)用潛力，有可能給人類帶來前所未有的計算能力和新型的信息安全工具。

2 基于核酸的加密技術(shù)

近年來，隨著DNA計算和DNA密碼學的發(fā)展，研究者們在傳統(tǒng)加密學理論的基礎(chǔ)上相繼提出了一些基于核酸的加密體系。1999年，Gehani[3]等提出了一種基于DNA的一次一密機制，給出了替代法和異或法兩種一次一密密碼方案；2003年，Chen[4]等構(gòu)建了一種基于DNA分子序列的密碼體系。2004年，饒妮妮[5]提出了一種基于DNA重組技術(shù)的密碼系統(tǒng)，并分析了該系統(tǒng)的保密性。2005年，Kazuo[6]等利用DNA解決了密鑰分配問題。2006年，盧明欣[7]等利用DNA合成技術(shù)、DNA克隆技術(shù)、DNA擴增技術(shù)以及DNA芯片技術(shù)，并結(jié)合計算復(fù)雜度理論提出了一種基于DNA的加密方法。DNA的高并行計算能力和海量數(shù)據(jù)存儲能力、現(xiàn)有生物技術(shù)和計算技術(shù)的局限性為已有的DNA加密方法提供了多重安全保障。下面介紹現(xiàn)有的幾種加密模型。

2.1 一維（序列）加密模型

對于一次一密而言，其安全性完全取決于密鑰的隨機性，這種算法在理論上是絕對安全的。由于該算法不僅要求密碼本的數(shù)據(jù)完全隨機，而且密碼本不能重復(fù)利用，所以在傳統(tǒng)的電子媒體中實現(xiàn)密碼本的生成和存儲受到限制。

由于核酸具有體積小、存儲量大等特點，以核酸作為信息載體可以較好地解決龐大的密碼本生成和存儲問題[8]。因此，1999年，Gehani[3]等利用DNA實現(xiàn)了一次一密的加密方式，并給出了替代法和異或法兩種一次一密密碼方案。替代法是根據(jù)定義的映射表將固定長度的DNA明文序列單元替換成對應(yīng)的DNA密文序列，圖1所示為一次一密密碼本序列，其中可重復(fù)單元由來自一套密碼字母集的序列字母Ci，來自明文字母的序列字母Pi以及聚合酶“終止”序列3部分組成。異或法是利用生物分子技術(shù)進行DNA明文序列與密碼本序列的異或操作，進而實現(xiàn)DNA加密，圖2所示為利用DNA瓦片進行異或運算的過程。另外，Gehani等還將DNA計算引入非對稱加密機制中，提出利用DNA的超強的并行計算能力以及驚人的信息存儲容量，采用比通常加密算法更高復(fù)雜度的算法以提高密碼系統(tǒng)的強度。用這兩種方式實現(xiàn)的一次一密加密機制具有絕對的安全性，但在實際生化操作過程中，如何保證DNA載體的安全性、如何進行DNA密碼本的糾錯處理和長期保存等，還有待于進一步的研究。

圖1 一次一密密碼本DNA序列[3]

圖2 利用DNA瓦片計算異或運算[3]

2.2 二維（圖像）加密模型

1999年，Gehani[3]等還提出了一種用DNA微陣列芯片對2D圖像信息進行加密和解密的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個待加密的數(shù)據(jù)集（圖像）、一個一次一密密碼本和一個固定有可尋址DNA鏈的芯片，該芯片的組件如圖3所示，其中密文-明文字母對鏈3’端為明文序列，5’端為密文序列，兩段之間用見光易分解的堿基類似物連接，5’端的末端用熒光標記（在圖中用*表示）。在其加密過程中，首先利用生物技術(shù)把可編址DNA鏈固定在芯片的玻璃底層上，再把密文-明文字母對鏈退火到被固定的DNA鏈上，便得到一個被固化的DNA芯片；然后，把信息圖片做成一個黑白的光掩膜，將其覆蓋在上述DNA芯片上，并用燈光照射，不透明區(qū)域下的DNA鏈不受燈光的影響，透明區(qū)域下的DNA鏈中的堿基類似物則在燈光照射下裂開，5’端與3’端分離，帶熒光標記的5’端游離在溶液中，并被收集在試管里作為要傳送的密文DNA。接收者收到密文后，先根據(jù)密碼本用密文鏈作為引物，通過非對稱PCR附上配對的明文；再讓重組的DNA密文-明文字母對鏈與芯片上固定的DNA鏈結(jié)合；最后在顯微鏡下觀察，通過熒光標記讀取傳送的圖像信息。

圖3 DNA芯片的組件和組合方式[3]

2012年2月，美國加州斯克里普斯研究院和以色列理工學院的學者們開發(fā)出一種用于破譯存儲在DNA芯片中的加密圖像的生物計算機。其“硬件”和“軟件”是復(fù)雜的生物分子，分子之間可邏輯地進行“交談”；“輸入”是遵循一套特殊法則的經(jīng)過特殊預(yù)定變化的分子，“輸出”是另一種分子。它們通過互相激活來執(zhí)行某個預(yù)定的化學反應(yīng)，當分子相互作用結(jié)束后，就可以得到想要的結(jié)果。這是DNA密碼系統(tǒng)的首個實證研究。

2.3 三維（微粒陣列）加密模型

聚乙烯熱縮片是基于聚丙乙烯的聚合物，其顯著特點是遇熱時各向同性縮小60%。由于其特殊的性質(zhì)，多被用于制造微流體器件[9-12]。2013年，Goff[13]等把DNA微粒技術(shù)與熱縮片結(jié)合，將DNA聚合物固定在聚乙烯熱縮片上，成功地形成了尺寸在100μm內(nèi)的三維DNA水凝膠微粒陣列。在他們的實驗過程中，首先把可聚合單體和包含DNA探針的緩沖液混合在一起，用壓電式移液槍把混合溶液排列在熱縮片上；接著在70℃下干燥，用聚丙烯酸甲酯作為交聯(lián)劑在光誘導(dǎo)聚合中將預(yù)聚物變成三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)；然后在UV紫外線照射下，苯甲酮作為光引發(fā)劑，吸光后產(chǎn)生自由基，自由基的共價鍵便把水凝膠點錨定在熱縮片上；最后用蒸餾水徹底洗去雜質(zhì)，在163℃下加熱熱縮板30秒，隨著熱縮板的收縮，水泥膠聚合物薄片就同向收縮為水凝膠DNA微粒，底面積較之前縮減60%，高度增加5倍。DNA水凝膠微粒截面放大模型如圖4所示。

3 基于核酸的信息隱藏技術(shù)

信息隱藏是信息安全領(lǐng)域中的一種新技術(shù)，它通過把秘密信息隱藏在可公開的媒體信息里，達到證實該媒體信息的所有權(quán)歸屬和完整性或傳遞秘密信息的目的。近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字媒體技術(shù)的發(fā)展，信息隱藏技術(shù)受到人們的廣泛重視。基于核酸的信息隱藏技術(shù)為信息安全的發(fā)展提供了一種新的思路，為信息安全的研究提供了一個新的方向。與以多媒體為載體的信息隱藏相比，基于核酸的信息隱藏不僅能夠傳遞秘密信息，而且還可以保護醫(yī)學、分子生物學、遺傳學等領(lǐng)域的知識產(chǎn)權(quán)。此外，由于核酸序列可對抗常規(guī)的信號處理和幾何攻擊，所以基于DNA序列的信息隱藏方式更加穩(wěn)健。

圖4 DNA水凝膠微粒截面放大模型。其中圓點為探針網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)點，五角星點為水凝膠固定探針的共價鍵，七角星點為吸附到熱縮板表面的共價鍵[13]

正是由于核酸具有適用于信息隱藏這些特性，學者們陸續(xù)提出了一些以核酸作為隱寫載體的信息隱藏方案。1999年，Clelland[14]等成功地將信息隱藏到DNA微點中，實現(xiàn)了基于生物操作的隱寫。2006年，盧明欣[15]等分析了該DNA信息隱藏方法的安全性，并提出了具體的保密增強的方法。2000年，Leier[16]等提出了一種使用引物做為密鑰來解碼加密的DNA序列密碼方案。2002年，Shimanovsky[17]等提出了利用冗余密碼子在信使核糖核酸（Messenger Ribonucleic Acid，mRNA）中進行隱寫，并給出了用算術(shù)編碼進行信息嵌入的隱寫方法。2005年，鄭國清[18]等提出了先把秘密信息進行預(yù)處理變成一維DNA序列，再將秘密信息隱藏在載體DNA序列中的信息隱藏算法。2007年，Sarb[19]等提出了兩種基于DNA的信息隱藏方法，他們利用重組DNA技術(shù)和DNA突變技術(shù)將信息DNA鏈嵌入至另一條DNA鏈，具有較高的嵌入容量。2010年，Shiu[20]等提出了3種基于DNA序列的可逆數(shù)據(jù)隱藏方案，分別是插入法、互補配對法和替代法。2011年，Mousa[21]等采用可逆的對比映射技術(shù)將秘密信息隱藏到DNA序列中，并成功地恢復(fù)出了秘密信息。為了增強信息隱藏的安全性和嵌入率，有學者將傳統(tǒng)加密方法和信息編碼理論應(yīng)用于信息嵌入。2012年，Guo[22]等提出了一種基于DNA序列的信息隱藏方案。他們在兩個秘密信息位和互補規(guī)則之間建立了一個單映射關(guān)系，可以有效地將兩個秘密信息位替換為一個字符，該方案具有較高的嵌入容量和較低的修改率?？傊?，生物技術(shù)及DNA計算在信息科學領(lǐng)域的應(yīng)用給信息安全領(lǐng)域帶來了新的挑戰(zhàn)和機遇。而基于核酸的隱寫作為信息安全的一個分支，正變得越來越重要。

3.1 基于DNA微點的信息隱藏

微點是一個粘貼在鉛字某一點上的無限縮小了的圖片，是一種隱藏信息的方法。微點技術(shù)可進一步延伸為基于DNA的一種雙重隱寫技術(shù)。人們可以用單一的微點來發(fā)送不同的個人信息，即給每個預(yù)期接收者發(fā)送重復(fù)的DNA微點，接收者都擁有自己特有的引物序列，他們收到含有明文信息的微點后，就用自己固有的引物序列只放大自己預(yù)期接收的信息。除了用于密碼學，微點還可廣泛地應(yīng)用于如特定商標的版權(quán)歸屬問題等其他領(lǐng)域[8]。

基于DNA微點的信息隱藏主要是利用大量的與DNA無關(guān)信息隱藏加密后的信息，使得攻擊者難以確定正確的DNA片斷，只有正確的接收者才能根據(jù)事前雙方約定的信息找到正確的DNA片斷，并獲取隱藏于其中的信息。Clelland[14]等最早完成了關(guān)于DNA微點的信息隱藏實驗，他們將一條二戰(zhàn)中的著名信息“June 6 Invasion：Normandy”進行了DNA隱寫，并最終成功將其提取出來。在其試驗中，他們首先定義了一種將字符轉(zhuǎn)化成堿基的映射表，并按照該映射表將明文信息編碼成DNA鏈，同時在這段DNA鏈尾部加上了一段特殊的標記信息；然后用超聲波將人類DNA片段破碎成大量含有與明文信息的DNA鏈物理相似的DNA鏈，并將這些無關(guān)的DNA鏈作為冗余信息與含有明文信息的DNA鏈混合，再噴到信紙上形成無色的微點后，就可通過普通的非保密途徑進行信息傳送。經(jīng)過信件的郵寄和接收后，從信件上提取到混合的DNA溶液，用引物來放大含有明文信息的DNA序列，再通過凝膠電泳來分析PCR產(chǎn)物；最后，用編碼方式去解碼合成的DNA序列，進而得到明文信息。圖5是其信息隱藏方法的基本流程。需要說明的是，原文中把編碼方式作為密鑰的說法并不準確，真正的密鑰應(yīng)該是引物和編碼方式。

對于Clelland等提出的信息隱藏方法而言，由于含有明文信息的DNA鏈與大量其他物理相似的DNA鏈混合后被分成了眾多的微點，而每個微點都包含了數(shù)以億計的DNA分子，并且DNA微點不易被發(fā)現(xiàn)，所以對于攻擊者而言，即使能夠在大量的微點中確定信息存在于哪個微點中，但要在該微點所包含的億萬條DNA鏈中選擇正確的一條還是如大海撈針一樣困難。而解密消息的關(guān)鍵在于尋找一段具有特殊尾部標記的DNA鏈，這可以通過DNA計算的方法來搜尋。一旦DNA鏈通過標記進行了確認，接收者就可采用PCR來復(fù)制該DNA鏈并解密得到信息。Clelland等提出的信息隱藏方案采用的是三位核苷酸表示一個字母的編碼方式，例如“A”=CGA，但英文中“E”和“I”出現(xiàn)的概率較高，攻擊者容易把關(guān)鍵詞作為PCR擴增的引物來進行攻擊[16,23]。

圖5 信息隱藏方法。其中，(a)合成的消息序列；(b)編碼方式；(c)PCR擴增結(jié)果；(d)PCR擴增后通過測序得到的消息序列及其對應(yīng)的明文[14]

從生化實驗角度講，Clelland等提出的信息隱藏方法符合生物學原理，比較容易實現(xiàn)。但Clelland等未對其信息隱藏方案的安全性進行全面的分析與論述。

3.2 基于密碼子的信息隱藏

遺傳密碼是將DNA編譯成蛋白質(zhì)的一套特殊指令。其中，DNA編譯是將每3個堿基讀取為1個氨基酸，進而組成蛋白質(zhì)。一般地，這種能夠翻譯成氨基酸的3個堿基被稱為基因的密碼子，核酸分子由4種堿基組成，故密碼子共有43=64種不同的排列方式，但組成蛋白質(zhì)的基本氨基酸只有20種，不同的密碼子會被翻譯成同一個氨基酸，如GCU、GCC、GCA、GCG這4種密碼子都會被翻譯成丙氨酸?？茖W家們認為這些被翻譯成同一種氨基酸的不同密碼子，包含的只是重復(fù)的信息，故將其稱為冗余密碼子。利用這一特性就可以通過冗余密碼子的替換來實現(xiàn)信息隱藏，密碼子和氨基酸的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

2003年，Shimanovsky[17]等利用冗余密碼子將信息隱藏在mRNA序列中，并提出了利用算術(shù)編碼進行信息嵌入的隱寫方法。在他們所給出的方案中，更換冗余密碼子只是改變了原來核酸序列中的核苷酸，不會影響轉(zhuǎn)錄的結(jié)果。但需要一個可逆隱藏機制，不僅可以隱藏信息到核酸序列中，而且也可以完全恢復(fù)出原始序列。

表1 密碼子和氨基酸的對應(yīng)關(guān)系

王敏翔[24]等利用核苷酸數(shù)據(jù)庫中的DNA序列載體提出了一個信息隱藏模型。DNA序列在數(shù)據(jù)庫中都有自己的ID，在數(shù)據(jù)庫中可以查詢出從任意位置起到任意位置結(jié)束的DNA基因序列。在該模型中，定義密鑰K是由DNA在基因數(shù)據(jù)庫中的ID號P、開始替換的基因在DNA序列中的基因序號q以及密碼子序列的密碼子個數(shù)r組成的三元組K=（p，q，r），其中P是事先商定的，q是一個隨機數(shù)。他們將載體DNA序列S、密鑰K=（p，q，r）、秘密信息W、一套二進制與DNA編碼的轉(zhuǎn)換規(guī)則以及冗余密碼子替換規(guī)則作為輸入，通過算法輸出隱藏有信息的偽DNA序列f。圖6是該信息隱藏的基本流程圖，信息提取過程是信息隱藏過程的逆過程。

對于王敏翔等提出的信息隱藏模型，攻擊者唯一可做的就是通過搜索DNA數(shù)據(jù)庫來尋找用來進行秘密通信的載體序列，從而找出發(fā)送者到底用哪條DNA作為載體。由于公開基因庫具有大量的序列并呈爆發(fā)式增長，攻擊者破解信息的概率幾乎為零。對于惡意攻擊者進行偽造消息或者以發(fā)送方的名義進行秘密通信，其首先要知道通信雙方所選用的DNA序列是哪個，而信息隱藏所用的DNA序列號是作為密鑰事先知道并保密的，只有正確密鑰的擁有者才能檢測、提取隱藏的信息，因此該模型可對抗攻擊者的惡意攻擊。

圖6 信息隱藏的基本流程圖[24]

3.3 基于DNA載體和重組技術(shù)的信息隱藏

崔光照等在傳統(tǒng)隱藏技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用有機體（如質(zhì)粒）作為載體來實現(xiàn)信息隱藏，提出了一種基于DNA載體和重組技術(shù)的信息隱藏方法。其中，信息的隱藏過程包含兩部分：一是基于DNA序列的數(shù)據(jù)隱藏；二是基于DNA重組技術(shù)的信息隱藏。首先，發(fā)送方按照一定的規(guī)則把明文信息編碼成堿基序列后，根據(jù)設(shè)計的單映射規(guī)則表將其嵌入到參考DNA序列中；然后，將隱藏有明文信息的DNA序列重組到DNA質(zhì)粒載體中并植入到受體細胞內(nèi)；最后，將隱藏有明文信息的有機體與大量無關(guān)的有機體一同發(fā)送給接收者。接收者可通過選擇性標記、生物酶以及參考序列等密鑰破解出明文信息。基于DNA載體和重組技術(shù)的信息隱藏過程如圖7所示。

圖8給出了以質(zhì)粒載體為例實現(xiàn)信息隱藏的實驗過程。首先，將明文信息隱藏在一個DNA序列中并合成；然后，使用限制性

內(nèi)切酶和連接酶將合成的DNA序列片段和標記基因片段連接到質(zhì)粒載體上，將所得的重組質(zhì)粒進一步隱藏到細菌（如大腸桿菌）體內(nèi)；最后，將含有明文信息的細胞隱藏到大量無關(guān)的偽裝細胞中發(fā)送出去。接收者接受到菌體后可通過選擇性培養(yǎng)篩選出含有隱藏信息的細胞，進而通過測序技術(shù)恢復(fù)出明文信息。

圖7 基于DNA載體和重組技術(shù)的信息隱藏過程

實驗結(jié)果和安全性分析表明，發(fā)送和接收雙方能夠成功地隱藏和提取信息，攻擊者成功恢復(fù)出秘密信息的概率非常小，并且該隱藏方案可對抗主動攻擊和惡意攻擊，具有較好的魯棒性、穩(wěn)定性和安全性。

3.4 基于RNA二級結(jié)構(gòu)信息隱藏

除了基于DNA載體和重組技術(shù)的信息隱藏方法外，崔光照等還開展了基于RNA二級結(jié)構(gòu)的信息隱藏方法研究?；赗NA二級結(jié)構(gòu)的信息隱藏方法主要包括發(fā)送方隱藏和接收者提取兩部分。發(fā)送方首先要選取一條參考RNA序列，再將編碼成RNA序列的秘密信息隨機嵌入到參考RNA序列，然后在特定的軟件上預(yù)測該序列在特定條件下的二級結(jié)構(gòu)，根據(jù)它的二級結(jié)構(gòu)確定密文的位置信息，最后將該序列及位置信息發(fā)送給接收者；接收者接收到序列和位置信息后，通過約定的軟件和條件恢復(fù)出秘密信息。對于該方案而言，秘密信息即為明文，發(fā)送的序列即為密文，而位置信息、特定的軟件和條件即為密鑰?；赗NA二級結(jié)構(gòu)的信息隱藏方案的流程如圖9所示。

圖8 以質(zhì)粒載體為例實現(xiàn)信息隱藏的實驗流程

圖9 隱藏方案流程圖

由于這些信息只需通過通信信道或者網(wǎng)絡(luò)傳送給接收者，不需要經(jīng)過任何生物實驗，所以該方案具有方便、快捷、及時、靈活等優(yōu)點，可應(yīng)用于對安全性和效率要求都較高的即時通信系統(tǒng)，實現(xiàn)實時傳遞以及點對點的數(shù)據(jù)交換。安全性分析也表明該方案有較好的安全性和穩(wěn)健性。

4 基于核酸的認證技術(shù)

信息認證的目的有兩個方面：一是驗證信息的發(fā)送者是否合法，即實體認證，包括信源、信宿的認證和識別；二是驗證信息的完整性，驗證數(shù)據(jù)在信息的傳輸和存儲過程中是否被篡改、重放或延遲等。核酸分子作為一種特殊載體在信息認證技術(shù)中已有不少成功應(yīng)用。

每個生物個體具有唯一一套核酸序列，生物個體核酸序列具有特殊性，親緣關(guān)系較近生物體核酸序列具有相似性。對于像人類的DNA這樣一個具有數(shù)億堿基對的大分子，沒有人懷疑它的獨特性。所以，核酸分子因其龐大的差異性和唯一性廣泛用于身份鑒定及認證技術(shù)等。相比而言，RNA的分子結(jié)構(gòu)不如DNA的分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，所以目前應(yīng)用較多的是DNA認證技術(shù)，主要是利用DNA的生物特性，在司法、金融等領(lǐng)域用于準確認證生物個體的身份。

2000年，加拿大的DNA Technology公司將Clelland[14]等的信息隱藏方法成功地應(yīng)用于悉尼奧運會的授權(quán)產(chǎn)品認證和防偽。從奧運T恤到咖啡杯，所有的商品都用一種包含一位匿名的澳大利亞運動員DNA的特殊墨水做了標記，利用一個便攜式掃描器通過掃描墨水標記中的DNA信息就可以鑒別紀念品是否為真品，所增加的成本僅為5美分，比通常的全息商標更便宜[8]。由于墨水中的DNA片斷隨機地取自于近百名運動員中的某一位的基因組，所以偽造這一DNA信息是十分困難的。我國文化部也啟用了利用特制生物DNA油墨技術(shù)在內(nèi)的新版音像制品防偽標識。新標識可由指定實驗室進行專業(yè)測量，直徑18毫米，可視性強，易于識別。在出版發(fā)行的音像制品上加貼固定號段的防偽標識，將更加有利于管理部門的識別和打擊盜版。

目前，在基于核酸的信息安全技術(shù)當中，DNA認證技術(shù)發(fā)展得最為成熟，應(yīng)用也最為廣泛。若將DNA隱寫的原理用于基于核酸的識別或鑒定方面，則可以進行更廣泛意義上的信息認證[8]；若將DNA認證和DNA隱寫原理應(yīng)用于DNA計算中，則可以提高算法的復(fù)雜度及安全性。

5 對開展我國基于核酸的信息安全技術(shù)研究的建議

基于核酸的密碼技術(shù)是生命科學和密碼學的交叉學科。同現(xiàn)代密碼學相比，基于核酸的密碼技術(shù)既有現(xiàn)代密碼技術(shù)的共性，又有自己獨有的特性。針對基于核酸的密碼技術(shù)的優(yōu)缺點和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對開展我國基于核酸的信息安全技術(shù)的研究提出以下幾點建議：

（1）爭取先機，尋求創(chuàng)新。與傳統(tǒng)的密碼體系相比，基于核酸的信息安全技術(shù)的研究尚處于起步階段，尚未建立起相應(yīng)的理論、知識和方法等完備的理論體系。但核酸所具有的高安全性、高存儲容量和高并行性，對當前的信息安全技術(shù)既是挑戰(zhàn)也是機遇，若能把握住先機，就等同于原始創(chuàng)新。對于中國科技來講，要實現(xiàn)真正創(chuàng)新，引領(lǐng)前沿技術(shù)，不僅需要具備高素質(zhì)的科研人員，更需要政府管理和決策部門對新出現(xiàn)的前沿方向和技術(shù)研究提供及時有效的支持。

（2）多技術(shù)集成，跨學科研究。密碼學和遺傳學原本是兩門毫不相關(guān)的學科，這兩個學科領(lǐng)域的科研人員以往很少在一起工作，彼此不熟悉對方的研究領(lǐng)域，這使得DNA密碼的研究充滿了艱辛?；诤怂岬男畔踩夹g(shù)的研究，作為一個綜合性強的交叉學科研究領(lǐng)域，需要多領(lǐng)域的科研人員共同參與，團結(jié)合作，資源共享，推動該領(lǐng)域研究的快速發(fā)展。

（3）把握研究方向，建立系統(tǒng)的研究體系?？v觀國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，已逐漸形成了與其相關(guān)的DNA自組裝與折紙術(shù)、DNA鏈置換技術(shù)與邏輯門電路、DNA芯片與信息安全技術(shù)等研究方向。建議時刻把握該領(lǐng)域的國際學術(shù)前沿，緊密結(jié)合我國需求現(xiàn)狀，支持創(chuàng)新能力強的研究隊伍，積極建立相應(yīng)的研究體系，深入系統(tǒng)地開展相關(guān)技術(shù)研究，以取得突破性進展及原始性創(chuàng)新成果。

總之，基于核酸的密碼系統(tǒng)具有傳統(tǒng)密碼系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢，并具有巨大開發(fā)潛力[25]，有望突破破譯分析中的數(shù)據(jù)復(fù)雜度和計算復(fù)雜度。雖然現(xiàn)階段基于核酸的密碼系統(tǒng)受成本限制還不可能大范圍地推廣使用，但在某些如國家安全等特殊領(lǐng)域，其作為現(xiàn)代密碼學的有益補充，發(fā)展核酸密碼學具有其獨特的戰(zhàn)略意義。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的進一步發(fā)展以及該領(lǐng)域科學家們的共同努力，具備了相應(yīng)的物質(zhì)條件與理論基礎(chǔ)，則從事核酸密碼系統(tǒng)的研發(fā)者必將在未來的信息安全領(lǐng)域占得先機，并對加速我國的國防現(xiàn)代化產(chǎn)生深刻的影響。

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