CN102025482A - 一种基于虚拟基因组的密码***(vgc) - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种信息安全技术,尤其是一种基于虚拟基因组的密码***。本密码***有两个互相匹配的密匙,一个是由随机DNA序列组成的虚拟基因组数据库(VGDB),另一个是VGDB中虚拟基因在2维微阵列中随机分布的位置表,即虚拟基因芯片(VDMC)。任意明文信息可自由地在VDMC上“书写”,也就是在VDMC微阵列上选择组成明文信息的“点”。这些挑选出来的“点”对应着VGDB中的虚拟基因,在这些虚拟基因中随机挑选一个小片段DNA序列,并用生物信息学常用工具BLAST或其它字符串搜索算法如KMP算法确认其在VGDB中唯一性。密文就是由这些小片段DNA序列组合而成。解密过程只需用这些小片段DNA序列对VGDB进行BLAST,即可找出组成明文信息的“点”,根据VDMC即可恢复出明文信息。密文中可以随意***任意非VGDB序列而对解密没有任何影响,因而VGC是一个很好的信息隐藏***。此外,VGC密匙可自我更新,从而实现不可破译的一次一密***。本发明不仅可用于实时快速的秘密信息通信,也可用于数字签名与身份认证。
Description
技术领域
本发明属于信息安全领域,特别是涉及一种基于虚拟基因组的密码***。
背景技术
密码***是信息安全的核心。传统的密码***基本都是依赖于数学的密码***,也就是说它们只具有数学计算上的安全性。目前仅有所谓的一次一密的密码***具有理论上不可破译的安全性。但是,一次一密的密码***由于存在密匙管理和分配问题,因此实际上难以应用。现在密码学家们正在探索新的密码***,比如量子密码和DNA密码。
由于DNA具有超大规模并行性、超低的能量消耗和超高密度的存储容量,DNA现已被用于计算、数据储存以及密码学等领域。DNA密码在理论和实践上都远没有成熟,有效的DNA密码***并不多。目前,DNA密码***并不特别重视编码方法,往往采用G、A、T、C四个碱基字母编码二进制信息或者以3个碱基字母编码1个英文字母、数字或标点等其它信息,这使得这种编码方式本身极容易被破解。DNA密码***的安全性自然也就不在于这种编码方式,而在于DNA操作本身的生物学困难问题。比如Celland等发明了一种DNA微点技术。Gehani等设计了一个基于DNA的一次一密密码***方案,该方案虽然理论上是不可破译的,但也存在明显的缺陷:构建这样一个一次一密乱码本DNA不仅成本巨大,加密和解密费时费力,而且DNA操作容易污染,从而造成这种方案实际上不可用。
事实上,现行的基于DNA的密码***都是直接把信息“写入”DNA分子,使得这种编码方式非常脆弱,而生物学操作都要经过DNA的合成、提取、克隆、PCR扩增、DNA测序、分子杂交等复杂过程,需要昂贵的实验仪器,同时还费时费力,此外还存在DNA污染、PCR和测序有一定的出错几率、没有正对照(比如预先不知携带消息的DNA分子的序列和片段大小)等问题。DNA密码***所传递的DNA分子只能依赖物理运输方式传送,不能通过电线、光纤和无线信道传输,因而不能用于实时通信,只能用于在对实时性要求不高的大规模并行数据加密、安全数据存储,以及身份认证、数字签名和信息隐藏等密码学应用领域。
发明内容
本发明的目的是要建立一种基于虚拟基因组的新型密码***,该***利用了生物信息学的BLAST(Basic Local Alignment Search Tool)算法,避免了直接对DNA分子的生物学操作,不仅可以达到“一次一密”这样的理论上不可破译的安全性,又可以在电子和网络媒体上实时快速地进行通信,同样也可以用于数字签名与认证。
为了达到本发明的目的,“基于虚拟基因组的密码***”采取如下步骤和方法(图1):
(1)首先,产生大量随机DNA序列,并随机编号或命名(每个随机DNA序列编号或命名为一个虚拟基因),每个虚拟基因采用FASTA格式,所有这些虚拟基因组成“虚拟基因组”,生成“虚拟基因组数据库”(Virtual Genome Database,VGDB)。也可根据需要,方便地将“虚拟基因组数据库”转换成“虚拟蛋白质数据库”(Virtual Protein Database,VPDB)。
(2)然后,将“虚拟基因组数据库”中的所有虚拟基因随机分配在一个2维阵列表上,得到一个虚拟基因分布位置表,该表即为“虚拟基因芯片”(Virtual DNA Microarray Chip,VDMC)。
(3)信息发送方可在“虚拟基因芯片”(VDMC)上“书写”任何所要传递的秘密信息,这种“书写”就是在拥有巨大点阵的VDMC上挑选用于组成秘密信息的“点”。
(4)由于VDMC上的每个点对应于“虚拟基因组数据库”(VGDB)中的一个虚拟基因,因此在VDMC上挑选组成秘密信息的点,对应地就是找出了VGDB中的虚拟基因。
(5)然后,从每个找出的虚拟基因中随机地挑选一个DNA序列小片段,利用本地BLAST程序对VGDB进行相似性搜索,确认随机挑选的这个小片段DNA序列在VGDB中是唯一的。也就是说,该小片段DNA序列与所挑选的虚拟基因是一一对应的,在其它的虚拟基因中没有相同的DNA序列存在。
(6)将所有这些随机挑选出来的DNA序列不分先后顺序地随机组合起来(每个小片段DNA序列用逗号或其它间隔方式如空格、分号等等区隔开来)就成了密文信息。
(7)信息接收方收到密文后,将以逗号等方式区隔开来的各小片段DNA序列对VGDB进行BLAST,找出各自对应的虚拟基因,再在VDMC上把这些虚拟基因标记出来,秘密信息自然就显现出来了。
为了增强保密性能,可以采取如下两种方法:
(1)在密文中随机***非VGDB数据库的随机DNA序列。由于密文中的非VGDB数据库的随机DNA序列经BLAST分析不会得到任何结果,因此它们不会影响解密结果。这种可随意性的***冗余DNA序列的特性,使得本密码***具有无限的密匙空间。
(2)密匙可以自我更新,VGC密码***成为一次一密的密码***。比如,随机选择的小片段DNA序列处于某个虚拟基因的第i个位置,而该虚拟基因在VDMC上处于第m行、第n列。那么,经过加密或解密之后,随机小片段序列从虚拟基因的第i位置删除并重新***到第(i+j)个位置,重排后的虚拟基因从VDMC上的第m行、第n列位置上删除并重新***到第(m+a)行、第(n+b)列位置上。j,a,b的数值发送方和接收方可以自由地约定。因此,每次加密和解密过程完成之后,密匙就自动更新一次。这样,VGC密码***就成了一次一密的密码***。
本发明具有如下显著的特点:
1,本密码***的密匙包括VGDB和VDMC两个相互匹配的密匙。VGDB是一个巨大的随机DNA序列即虚拟基因组数据库,具有巨大的密匙空间;VDMC是一个VGDB中虚拟基因随机分布2维阵列表。
2,密匙完全随机,密文也完全随机。
3,本密码***的算法非常简单,采用DNA序列的相似性搜索程序BLAST。也可以采用其它字符串搜索算法,比如Knuth-Morris-Pratt(KMP)算法。
4,密文可以随意***非VGDB数据库的随机DNA序列。此外,由于虚拟基因可由多个小片段DNA序列所“代表”,而密文中也可随机***冗余DNA序列,因而同样的明文使用同样的密匙加密,得到完全不同的密文。明文与密文之间不存在一一对应的关系,因而通过明文或者密文,甚至明文与密文对无法对本密码***造成有效攻击。
5,密匙可以自我更新,成为一次一密的密码***。发送与接收方共享一次密匙后,可通过不断的密匙更新,得到一个全新的密匙,可完美解决对称密码***密匙的第一次共享问题。也就是说,密匙的第一次共享不一定要通过秘密渠道。
6,由于信息加密过程经过VGMC的“书写”,明文信息可以在VGMC上以任何形式进行书写,包括图像形式、将明文信息编码成其它密码形式(图2)、手书形式等等。因此本密码***可轻松实现信息的二次编码。
7,本密码***不仅适合于绝密的秘密通信,还可用于数字签名与认证。由第6个特征可知,本密码***可以实现真正的“手写式”数字签名与认证。由于本***一次一密的特点,数字签名将完全无法伪造。
附图说明:
图1是“基于虚拟基因组的密码***”(VGC)的示意图。以加密和解密一个字母“T”为例。(1)是由随机DNA序列组成的虚拟基因组数据库(VGDB);(2)是与VGDB相匹配的虚拟基因芯片(VDMC),是一个VGDB中的虚拟基因在2维点阵中随机分布的位置表;(3)在VDMC上“书写”一个字母“T”,挑选组成字母“T”的点;(4)找出(3)中各点在VGDB中对应的虚拟基因;(5)从每个找出的虚拟基因中随机地挑选一个DNA序列小片段,利用本地BLAST程序对VGDB进行相似性搜索,确认随机挑选的这个小片段DNA序列是在VGDB中是唯一的;(6)将所有这些随机挑选出来的DNA序列不分先后顺序地随机组合起来(每个小片段DNA序列用逗号或其它间隔方式如空格、分号等等区隔开来)就成了密文信息。解密的过程是将以逗号等方式区隔开来的各小片段DNA序列对VGDB进行BLAST,找出各自对应的虚拟基因,再在VDMC上把这些虚拟基因标记出来,加密的字母“T”就显现出来了。
图2说明“基于虚拟基因组的密码***”(VGC)和秘密传送任何信息。A,B和C分别表示VGC可以传送二进制编码、Braille盲文和莫尔斯代码传递“SOS”信息。VGC可以传递任何加密信息,也就是说,可以用VGC传递传统密码***的密文;D表示VGC可以传递图像信息。
具体实施方式
实施例1建立VGC密码***,并发送与接收一个字母“T”(图1)
(1)首先,随机产生大量(几千几万,甚至几百万上千万)几kb甚至更长的DNA序列,并随机编号或命名(每个随机DNA序列编号或命名为一个虚拟基因),每个虚拟基因采用FASTA格式,所有这些虚拟基因组成“虚拟基因组”,生成“虚拟基因组数据库”(VirtualGenome Database,VGDB)。
(2)然后,将“虚拟基因组数据库”中的所有虚拟基因随机分配在一个2维阵列表上,得到一个虚拟基因分布位置表,该表即为“虚拟基因芯片”(Virtual DNA Microarray Chip,VDMC)。
(3)在“虚拟基因芯片”(VDMC)上书写字母“T”,即在VDMC上挑选用于组成字母“T”的“点”。
(4)找出这些点应于“虚拟基因组数据库”(VGDB)中的虚拟基因,即B2,C2,D2,C3和C4.
(5)然后,从每个找出的虚拟基因中随机地挑选一个DNA序列小片段:从B2虚拟基因找出“CGACGTGCG”,从C2虚拟基因找出“ACTCGGC”,从D2虚拟基因找出“GCCGCGGGA”,从C3虚拟基因找出“GGAGCCAT”,从C4虚拟基因找出“CATGCCTCG”。利用本地BLAST程序对VGDB进行相似性搜索,确认随机挑选的这个小片段DNA序列在VGDB中是唯一的。也就是说,该小片段DNA序列与所挑选的虚拟基因是一一对应的,在其它的虚拟基因中没有相同的DNA序列存在。
(6)将所有这些随机挑选出来的DNA序列不分先后顺序地随机组合起来(每个小片段DNA序列用逗号开来)就成了密文信息:“CGACGTGCG,ACTCGGC,GCCGCGGGA,GGAGCCAT,CATGCCTCG”
(7)信息接收方收到密文后,将密文“CGACGTGCG,ACTCGGC,GCCGCGGGA,GGAGCCAT,CATGCCTCG”中各小片段DNA序列对VGDB进行BLAST,找出各自对应的虚拟基因,B2,C2,D2,C3和C4,再在VDMC上把这些虚拟基因标记出来,字母“T”自然就显现出来了。
实施例2数字签名
VGC***用于数字签名具有特殊的签名方法。由于VGC***使用的是图像识别式的信息输入输出,也即在VDMC上“书写”与还原信息,因此,VGC传送的信息本身就是非常个性化的。VGC数字签名可以真正做到手写式真迹签名。还可以在VDMC特殊位置上做一些特殊的标记,从而使得密文完全无法伪造。
Claims (12)
1.一种基于虚拟基因组的密码***(VGC),其特征在于按如下步骤和方法进行:
(1)产生大量随机DNA序列,并随机编号或命名(每个随机DNA序列编号或命名为一个虚拟基因),每个虚拟基因采用FASTA格式,所有这些虚拟基因组成“虚拟基因组”,生成“虚拟基因组数据库”(Virtual Genome Database,VGDB)。
(2)将VGDB中的所有虚拟基因随机分配在一个2维阵列表上,得到一个虚拟基因分布位置表,该表即为“虚拟基因芯片”(Virtual DNAMicroarray Chip,VDMC)。
(3)信息发送方可在VDMC上“书写”任何所要传递的秘密信息,也就是在拥有巨大点阵的VDMC上挑选用于组成秘密信息的“点”。
(4)由于VDMC上的每个点对应于VGDB中的一个虚拟基因,因此在VDMC上挑选组成秘密信息的点,对应地就是找出VGDB中的虚拟基因。
(5)从每个找出的虚拟基因中随机地挑选一个DNA序列小片段,利用本地BLAST程序对VGDB进行相似性搜索,确认随机挑选的这个小片段DNA序列在VGDB中是唯一的。也就是说,该小片段DNA序列与所挑选的虚拟基因是一一对应的,在其它的虚拟基因中没有相同的DNA序列存在。
(6)将所有这些随机挑选出来的DNA序列不分先后顺序地随机组合起来(每个小片段DNA序列用逗号或其它间隔方式如空格、分号等等区隔开来)就成了密文信息。
(7)信息接收方收到密文后,将以逗号等方式区隔开来的各小片段DNA序列对VGDB进行BLAST分析,找出各自对应的虚拟基因,再在VDMC上把这些虚拟基因标记出来,秘密信息就显现出来了。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟基因组的密码***(VGC),其特征在于其密匙是由虚拟基因组数据库(VGDB)和虚拟基因芯片(VDMC)共同组成的。
3.根据权利要求1所述的VGC密码***,其特征在于所述的VGDB中每个虚拟基因都是随机产生的DNA序列。虚拟基因的编号或命名是随机的或无规律的。
4.根据权利要求1所述的VGC密码***,其特征在于所述的VGDB可转换为虚拟蛋白质数据库(Virtual Protein Database,VPDB)。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟基因组的密码***,其特征在于所述的“虚拟基因芯片”(VDMC)是一个2维阵列表,表中的每个点对应于VGDB中的一个虚拟基因。
6.根据权利要求1所述的VGC密码***,其特征在于所述的秘密信息在VDMC上的“书写”指的是在VDMC上挑选用于组成秘密信息的“点”,也就是找出与各点对应的虚拟基因。
7.根据权利要求1所述的VGC密码***,其特征在于所述的从虚拟基因中随机地挑选一个DNA序列小片段指的是在虚拟基因DNA序列中的任意位置随机地截取一小段DNA序列(为了精简起见,一般取5-10bp左右大小)。
8.根据权利要求1所述的VGC密码***,其特征在于所述的BLAST算法指的是生物信息学中的相似性搜索算法,可从NCBI网站下载并进行本地化安装,按说明对VGDB进行格式化处理。BLAST算法有很多种,对VGDB进行BLAST采用BLASTn算法,对VPDB则采用BLASTx算法。本加密方法中BLAST的目的是要确认小片段DNA序列的唯一性。
9.根据权利要求1所述的VGC密码***,其特征在于所述的BLAST算法也可以用其它字符串搜索算法如Knuth-Morris-Pratt(KMP)算法代替。如使用KMP等字符串搜索算法,DNA随机序列则可用任意字符串序列替代。
10.根据权利要求1所述的VGC密码***,其特征在于所述的密文是经权利要求6和7所选定所有小片段DNA序列不分先后顺序组合而成的,各小片段DNA序列之间可用逗号、空格、分号、回车等任意与DNA四个碱基字母不同的字符区隔开来。
11.根据权利要求1所述的VGC密码***,其特征在于为了增强保密性能,密文中可随意***非VGDB序列片段,以BLAST分析或其它字符串搜索算法如KMP确认其不存在于VGDB中。
12.根据权利要求1所述的VGC密码***,其特征在于其密匙可以自我更新。比如,随机选择的小片段DNA序列处于某个虚拟基因的第i个位置,而该虚拟基因在VDMC上处于第m行、第n列。那么,经过加密或解密之后,随机小片段序列从虚拟基因的第i位置删除并重新***到第(i+j)个位置,重排后的虚拟基因从VDMC上的第m行、第n列位置上删除并重新***到第(m+a)行、第(n+b)列位置上。j,a,b的数值发送方和接收方可以自由地约定。因此,每次加密和解密过程完成之后,密匙就自动更新一次。这样,VGC密码***就成了一次一密的密码***。
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