Kryptographie ist eine Wissenschaft, die sich mit der Zusammenstellung und Entschlüsselung von Codes beschäftigt. Als Grundlage für die Gewährleistung der sicheren Übertragung aller Informationen umfasst sie viele Bereiche wie Mathematik und Computer. Mit der Entwicklung des Internets ist die Übertragung wichtiger Daten über das Internet häufig einigen Sicherheitsangriffen ausgesetzt, wie z. B. IP-Adress-Spoofing, Man-in-the-Middle-Angriffen und Denial-of-Service-Angriffen. Die Komplexität kryptografischer Algorithmen ist von entscheidender Bedeutung Auswirkungen auf die Sicherheit der Internet-Datenübertragung. Daher ist das Studium der Kryptographie von großer Bedeutung. Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie werden Kryptographie und DNA-Moleküle nach und nach miteinander verknüpft und gewinnen immer mehr Aufmerksamkeit ( DNA-Kryptographie ).
Im Jahr 1994 schloss Adleman von der University of Southern California erfolgreich ein Experiment mit DNA-Computing ab, um ein NP-vollständiges Problem zu lösen – das Hamiltonian Path Problem (HPP) – und leitete damit eine neue Ära der DNA-Computing-Forschung ein . DNA-Computing entstand erstmals aus Adlemans Pionierarbeit im Jahr 1994. Mithilfe von Experimenten bestätigte er, dass das DNA-Doppelhelix-Molekül, das den genetischen Code des Lebens trägt, zur Realisierung von Computing verwendet werden kann. Experten haben sich die Eigenschaften des DNA-Computings wie große Speicherkapazität, geringen Energieverbrauch und hohe Parallelität in Kombination mit den Anforderungen der Informationssicherheit zunutze gemacht und viele Anwendungen im Bereich der Informationstechnologie vorgeschlagen.
Im Jahr 1996 schlugen Adleman et al. eine neue Idee vor, DNA-Computing zur Entschlüsselung von DES zu verwenden, was die Aufmerksamkeit der Menschen auf die Analyse und Entschlüsselung moderner Kryptosysteme lenkte, indem sie die unvergleichlichen Vorteile molekularer Computer nutzte. Die allgemeine Idee der Entschlüsselung von DES mithilfe der DNA-Berechnungsmethode lautet: Bei einem gegebenen Klartextpaar (M0, E0) besteht das Ziel des Angreifers Eve darin, das eindeutige k0 zu finden, damit k0 den Klartext M0 dem Chiffretext E0 zuordnen kann. Definieren Sie zunächst die folgende Funktion: g( k) = DES( M0, k0 ), wobei DES( ) den Prozess der DES-Verschlüsselung darstellt. Die Funktion g( k) ordnet einen 56-Bit-Schlüssel einem 64-Bit-Chiffretext zu. Eve möchte nur k finden, das g( k) = E0 erfüllt.
Zur Implementierung mit DNA-Molekülen ist es notwendig, einen Datenpool Tg einzurichten, sodass Tg alle DNA-Moleküle enthält, die 256 mögliche Chiffretext-Wertepaare [k, DES (M0, k)] repräsentieren. Finden Sie dann den entsprechenden Wert von k, indem Sie den Zähler so extrahieren, dass DES(M0,k) = E0.
Der zeitaufwändigste und arbeitsintensivste Teil des gesamten Prozesses ist die Etablierung der Lösung Tg, dieser Schritt erfordert etwa 4 Wochen Arbeit im Labor. Aber sobald Tg etabliert ist, kann Eve das Kryptosystem schnell entschlüsseln. Im Allgemeinen kann ein Liter Wasser bis zu 1017 DNA-Moleküle aufnehmen. Da 256 < 1017 ist, ist ersichtlich, dass die obige Berechnung in einem Liter Wasser durchgeführt werden kann. Mit einem Chosen-Plaintext-Angriff kann Eve DES innerhalb eines Tages entschlüsseln.
Die Methode zur DES-Entschlüsselung ist auch auf andere kryptografische Systeme anwendbar, deren Schlüssellänge weniger als 64 Bit beträgt. Sobald molekulare Computer herkömmliche elektronische Computer ersetzen, besteht die Gefahr, dass viele bestehende Kryptosysteme entschlüsselt werden.
Im Jahr 1999 schlugen Ashish Gehani et al. auf der Fifth International Conference on DNA Computing eine DNA-Verschlüsselungs- und -Entschlüsselungsmethode vor, die auf einem einmaligen Codebuch basiert . Das auf Einmal-Pads basierende kryptografische System ist in praktischen Anwendungen durch elektronische Medien begrenzt. Als neuartiges Speichermedium kann DNA mit einer kleinen Menge DNA genügend Einmal-Pads speichern. Ashish Gehani et al. haben zwei DNA-Verschlüsselungsschemata entwickelt, die auf einmaligen Codebüchern basieren: eines ist die Substitutionsmethode , die die DNA-Klartextsequenz fester Länge durch die entsprechende DNA-Chiffretextsequenz ersetzt, das andere ist die molekulare Berechnungs-XOR-Methode , die Photolithographie kombiniert und Fluoreszenzmarkierung zur Durchführung einer XOR-Operation an DNA-Klartext- und Codebuchsequenzen.
Die leistungsstarke Speicherkapazität von DNA übertrifft die herkömmlicher Speichermedien bei weitem.
Seit der Entdeckung, dass DNA-Moleküle über Rechenleistung verfügen, ist die Erforschung der Nutzung molekularer Rechenfunktionen der DNA in den Fokus vieler Wissenschaftler gerückt. Im Vergleich zu herkömmlichen Speichermedien kann 1 g DNA-Moleküle etwa 108 TB Daten speichern, und seine leistungsstarke Speicherkapazität hat jedes Medium der elektrischen Speicherung, optischen Speicherung und magnetischen Speicherung übertroffen. Auch die DNA-Molekülberechnung ist eine Niedrigenergieberechnung. 1J Energie kann einen DNA-Computer mit 2x1019 Berechnungen versorgen, während ein Supercomputer nur 109 Berechnungen durchführen kann.
Unter den vielen Studien zum DNA-Molecular-Computing hat sich die DNA-Kryptographie als neuer Zweig der Kryptographie schnell entwickelt und viele Errungenschaften hervorgebracht. Basierend auf der traditionellen Kryptographie nutzt die DNA-Kryptographie die starke Speicherkapazität, den geringen Energieverbrauch und die hohe Parallelität von DNA-Molekülen, um DNA-Moleküle durch molekulare Verarbeitungstechnologie zu erzeugen, und nutzt die DNA-Moleküle als Rechenwerkzeuge zur Konstruktion und Vervollständigung kryptografischer Algorithmen. Im Vergleich zur traditionellen Kryptographie, die auf mathematischen Problemen basiert, basiert die DNA-Kryptographie nicht nur auf mathematischen Problemen, sondern basiert auch auf Biotechnologie, was die Entschlüsselung von DNA-Codes erschwert und DNA-Codes sicherer macht.
Mithilfe der DNA-Kryptografie können viele Modelle entwickelt werden, um Verschlüsselungsalgorithmen wie DES, RSA und NTRU in der herkömmlichen Kryptografie zu knacken.
Das DNA Symmetric Encryption System (DNASC) ist die Anwendung moderner DNA-Biotechnologie und Microarray-Technologie in der kryptografischen Technologie. In diesem System sind Verschlüsselungs- und Entschlüsselungsschlüssel Chiffretexte, die von DNA-Sonden gebildet und in DNA-Chips implantiert werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Verschlüsselungstechniken ergibt sich die Sicherheit des Systems aus der Komplexität der biologischen Verarbeitung und wird daher durch zukünftige Quantencomputer nicht beeinträchtigt.
Die Verarbeitung von Passwörtern in DNASC umfasst drei Teile: Schlüsselgenerierung, Verschlüsselung und Entschlüsselung . Der Verschlüsselungsschlüssel besteht aus DNA, und der Entschlüsselungsschlüssel ist eine zum Verschlüsselungsschlüssel komplementäre DNA. Der Absender wählt DNA als Verschlüsselungsschlüssel und der Entschlüsselungsschlüssel wird auf sichere Weise an den Empfänger gesendet. Der Klartext wird durch binäre Konvertierung in eine binäre Matrix umgewandelt und die Matrix wird zu einem DNA-Chip verarbeitet. Der Empfänger verwendet den Entschlüsselungsschlüssel, um den DNA-Chip zu verarbeiten, um eine binäre Matrix zu erhalten, und schließlich kann der Klartext basierend auf der binären Matrix entschlüsselt werden.
Die Sicherheit des DNASC-Systems beruht hauptsächlich auf zwei Aspekten: zum einen auf der biologischen Sicherheit und zum anderen auf der rechnerischen Sicherheit. Selbst wenn die Biosicherheit gefährdet ist, muss der Angreifer ohne den Schlüssel viele Berechnungen durchführen, um das System zu knacken. Die Kombination aus biologischer und algorithmischer Komplexität macht Informationen sicherer.
Steganographie ist eine Technologie, die Informationen vor dem Lesen durch Dritte schützt oder Informationen vor Dritten schützt, indem sie Informationen verbirgt und verschlüsselt. Mischen Sie eine bestimmte DNA-Sequenz mit einer großen Anzahl ähnlicher und nicht verwandter DNA-Sequenzen, um eine DNA-Mischung zu bilden, die nach dem Ausblenden und Verschlüsseln der Informationen sicher übertragen werden kann. Nur der Empfänger kann die spezifische DNA-Sequenz aus der DNA-Mischung entsprechend der Entschlüsselung herausfinden Von beiden Parteien vereinbarter Schlüssel. Eine DNA-Sequenz, die in Informationen übersetzt wird.
Im Jahr 1999 veröffentlichten Celland et al. einen Artikel in der Zeitschrift „Nature“, in dem sie die berühmte „Invasion vom 6. Juni: Normandie“ in DNA-Mikropunkten versteckten und die weltweit erste Methode zur Verwendung von DNA zur Erzielung von Informationssicherheit vorschlugen. Der Weg zum Schreiben von Informationen besteht darin, DNA-Sequenzen mit spezifischen Primern zu synthetisieren, und der Weg zum Entschlüsseln besteht darin, PCR-Amplifikation und anschließende Sequenzierung zu verwenden.
Die Sicherheit der DNA-Steganographie liegt darin, dass die Klartext-DNA-Stränge im DNA-Gemisch in einer großen Anzahl ähnlicher DNA-Stränge verborgen sind . Für einen Angreifer ist es sehr schwierig, die Klartext-DNA-Stränge unter der großen Anzahl von DNA-Strängen zu finden. Daher liegt der Schlüssel zur Entschlüsselung in den Primern am Ende der Klartext-DNA-Kette. Nachdem der Klartext-DNA-Strang durch den Marker bestätigt wurde, kann eine PCR-Amplifikation am DNA-Strang durchgeführt werden und die Klartextinformationen können durch Sequenzierung und Dekodierung erhalten werden.
Gegenwärtig kann das unter Verwendung der Eigenschaften der DNA selbst erstellte kryptografische System grob in zwei Arten unterteilt werden: Die eine besteht darin, die DNA-Datenbank als Codebuch zu verwenden, um ein einmaliges geheimes DNA-Kryptosystem zu erstellen , und die andere besteht darin, ein neues zu erstellen DNA-Kryptographiesystem unter Verwendung schwieriger Probleme in der Biologie. Passwortsystem .
1) Verwenden Sie ein alternatives One-Time-Pad-System : Ein alternatives One-Time-Pad-System verwendet eine Klartext-Binärnachricht und eine Tabelle, die zufällig Chiffretext zuordnet. Der eingegebene DNA-String der Länge n wird in Klartext-Strings mit fester Länge unterteilt. Die Rolle der Tabelle besteht darin, alle möglichen Klartextzeichenfolgen mit fester Länge den entsprechenden Chiffretextzeichenfolgen zuzuordnen und ihre inverse Zuordnung eindeutig zu machen. Bei der Verschlüsselung wird jedes Klartext-DNA-Wort durch den entsprechenden DNA-Chiffretext ersetzt.
2) One-Time-Pad-System mit XOR : Die Vernam-Verschlüsselung verwendet eine Sequenz S, die aus R gleichmäßig verteilten Zufallsbits besteht, als One-Time-Pad. Eine Kopie von S wird beim Sender und Empfänger aufbewahrt. L ist die Anzahl der Bits von S, die nicht zum Verschlüsseln der Nachricht verwendet wurden. Das anfängliche L = R. Die XOR-Verknüpfung zweier Binäreingänge hat den Wert 0, wenn sie gleich sind, andernfalls den Wert 1. Beim Senden einer Klartext-Binärnachricht M mit einer Länge von n < L Bits wird jedes Bit von Mi mit jedem Bit von Ki = SR – L + i XOR-verknüpft, um verschlüsselte Bits Ci = Mi ⊕ Ki, i = 1, 2, . zu erzeugen. .., N. Die verwendeten n Bits von S werden beim Absender zerstört und die verschlüsselte Sequenz C = ( C1, C2, ..., Cn ) wird an das Ziel gesendet. Der gleiche Vorgang wird am Ziel wiederholt: Verwenden Sie die Sequenz C als M, führen Sie eine XOR-Operation mit S durch und zerstören Sie die verwendeten Bits von S.
3) Kryptographisches System, das auf schwierigen biologischen Problemen basiert : Es ist schwierig, die Informationen unbekannter gemischter DNA-Sonden (PNA-Sonden), die sich nur in der Nukleotidanordnung auf DNA-Chips (Mikroarrays) unterscheiden, vollständig und genau zu sequenzieren und zu entschlüsseln. Das bedeutet, dass ein Angreifer nicht nur die Art der DNA-Sonden an jeder Stelle auf dem Chip kennen muss, sondern auch die genaue Menge jeder Sonde. Auf dieser Grundlage werden zwei Algorithmen konstruiert: der symmetrische Verschlüsselungsalgorithmus auf Basis der DNA-Technologie (DNASC) und der asymmetrische Verschlüsselungsalgorithmus auf Basis der DNA-Technologie (DNA-PKC). Da bei der DNA-Kryptografie DNA-Stränge oder DNA-Chips als Speichermedien verwendet werden, bietet die DNA-Kryptografie aufgrund der hohen Speicherdichte der DNA offensichtliche Vorteile gegenüber der herkömmlichen Kryptografie beim Aufbau eines Sicherheitssystems, das Datenspeicherkapazität erfordert. Da das kryptografische System auf biologisch schwierigen Problemen beruht, bietet es gleichzeitig einen weiteren Sicherheitsmechanismus, der gegen Angriffe von Supercomputern wie Quantencomputern immun ist.
Zusammenfassung und Ausblick
Die starke Speicherkapazität, die hohe Parallelität und die starke Verschleierung von DNA-Molekülen machen es in den letzten Jahren zu einem Forschungsschwerpunkt. Die DNA-Kryptographie umfasst Biowissenschaften und Kryptographie und weist ihre eigenen Merkmale auf. Die Entwicklung der DNA-Einmalverschlüsselung, DNASC und Steganographie hat die hohe Sicherheit der DNA-Verschlüsselung bewiesen. Wenn ein Angreifer den DNA-Code knacken will, muss er Durchbrüche sowohl im Algorithmus als auch in der Biotechnologie erzielen, und das Knacken der Biotechnologie ist schwieriger als algorithmisches Cracken. Daher macht die DNA-Kryptographie die Sicherheit der traditionellen Kryptographie zuverlässiger.
Aus der Analyse des oben genannten Forschungsstandes kann festgestellt werden, dass sich, obwohl die Cracking-Theorien der traditionellen Kryptographie wie DESRSA und NTRU entwickelt wurden, Änderungen in den Reaktionsbedingungen auswirken, da die DNA-Berechnung auf den besonderen Bedingungen biochemischer Reaktionen basiert Ergebnisse. Gleichzeitig ist die theoretische Unterstützung der DNA-Kryptographie nicht sehr umfangreich und das entsprechende theoretische System ist noch nicht vollständig ausgebildet. Wie die Zwischenergebnisse des DNA-Computing gespeichert werden, wie Fehler im Prozess der Informationsverarbeitung reduziert werden können und welcher Anwendungsbereich gilt, müssen noch weiter untersucht werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die aktuelle Forschung zeigt, dass die DNA-Kryptographie großes Entwicklungspotenzial hat. Mit der Vertiefung der Forschung und der Entwicklung der Biotechnologie werden neue Theorien und Implementierungsmethoden eine stärkere theoretische Unterstützung für die DNA-Kryptographie bieten, insbesondere in speziellen Bereichen wie vertraulichen Informationen. Sobald diese theoretischen Technologien ausgereift sind, wird auch die DNA-Kryptographie rasch Fortschritte machen, die technischen Kosten werden sinken und die Zuverlässigkeit der Informationsverschlüsselung wird garantierter sein.
Die Forschung zum DNA-Computing hat viele aufregende Ergebnisse erzielt, die einen weltweiten Aufschwung des DNA-Computing ausgelöst haben. Die Menschen sind voller Zuversicht in die Aussicht auf DNA-Computing, und immer mehr Wissenschaftler und Experten auf dem Gebiet der Kryptographie investieren auch in die Forschung im Bereich DNA-Computing. Einerseits analysierten sie umfassend die Überlegenheit des Molekular-Computing-Tools und seine Auswirkungen auf das aktuelle Kryptosystem und überlegten, wie dieses Tool zur Verbesserung und Aktualisierung des aktuellen Kryptosystems eingesetzt werden kann. Andererseits wurde auch eine brandneue DNA-Verschlüsselung entdeckt, die sich in Bezug auf Anwendungsprotokoll und Sicherheit stark vom herkömmlichen Kryptografiesystem unterscheidet. Die zukünftige Anwendung von DNA-Kryptographie und DNA-Computing im Bereich der Informationssicherheit kann in folgende Richtungen entwickelt werden:
(1) Weitere neue DNA-Berechnungen und -Modelle erforschen und neue Methoden zur Verwendung von DNA-Berechnungen zur Lösung anderer NP-vollständiger Probleme erforschen;
(2) Untersuchung der Auswirkungen des DNA-Algorithmus auf die bestehende Public-Key-Kryptographie und Public-Key-Technologie;
(3) Analysieren Sie die neuen Sicherheitsmetriken der aktuellen kryptografischen Algorithmen unter den Bedingungen des DNA-Computings und untersuchen Sie die effektiven Angriffs- und Entschlüsselungsmethoden des DNA-Computings auf einige kryptografische Systeme.
(4) Die Methode zur Verschlüsselung und Entschlüsselung der DNA-Steganographie weiter vertiefen und die Situation ihrer Förderung und Anwendung erweitern;
(5) Erkunden Sie die Kombination und Integration von DNA-Computing und verschiedenen Soft Sciences, beispielsweise der kombinierten Authentifizierung mit chaotischer digitaler Wasserzeichentechnologie, die die Sicherheit sensibler Informationen erheblich verbessern und dadurch digitale Informationsprodukte wirksam schützen kann.
(6) Entwicklung von Lösungstools und Programmen, die für biomolekulares Computing geeignet sind, Modellierung von DNA-Computing und Entwicklung verfügbarer DNA-Computing-Chips;
(7) Mit dem Ziel, neue Chiffren zu entwickeln, die gegen Quantencomputer und biologische Computer resistent sind, die Konstruktionsmethode von DNA-Chiffren weiter zu analysieren und zu untersuchen und neue kryptografische Modelle zu erforschen, die sicherer und effizienter sind.
Im Allgemeinen steckt die Anwendung der DNA-Kryptographie und des DNA-Computing in der Informationssicherheit zwar noch in den Kinderschuhen, ihr enormes Entwicklungspotenzial und ihre breiten Anwendungsaussichten haben sich jedoch nach und nach herauskristallisiert und warten auf eingehendere Forschung und Erkundung.