[發明專利]一種基于虛擬基因組的密碼系統(VGC)

有效

• 申請號: 200910192218.0
• 申請日: 2009-09-10
• 公開（公告）號: CN102025482A
• 公開（公告）日: 2011-04-20
• 發明（設計）人: 曾紀晴;張明永
• 申請（專利權）人: 中國科學院華南植物園
• 主分類號: H04L9/00
• 分類號: H04L9/00;G06N3/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于信息安全領域，特別是涉及一種基于虛擬基因組的密碼系統。

背景技術

密碼系統是信息安全的核心。傳統的密碼系統基本都是依賴于數學的密碼系統，也就是說它們只具有數學計算上的安全性。目前僅有所謂的一次一密的密碼系統具有理論上不可破譯的安全性。但是，一次一密的密碼系統由于存在密匙管理和分配問題，因此實際上難以應用。現在密碼學家們正在探索新的密碼系統，比如量子密碼和DNA密碼。

由于DNA具有超大規模并行性、超低的能量消耗和超高密度的存儲容量，DNA現已被用于計算、數據儲存以及密碼學等領域。DNA密碼在理論和實踐上都遠沒有成熟，有效的DNA密碼系統并不多。目前，DNA密碼系統并不特別重視編碼方法，往往采用G、A、T、C四個堿基字母編碼二進制信息或者以3個堿基字母編碼1個英文字母、數字或標點等其它信息，這使得這種編碼方式本身極容易被破解。DNA密碼系統的安全性自然也就不在于這種編碼方式，而在于DNA操作本身的生物學困難問題。比如Celland等發明了一種DNA微點技術。Gehani等設計了一個基于DNA的一次一密密碼系統方案，該方案雖然理論上是不可破譯的，但也存在明顯的缺陷：構建這樣一個一次一密亂碼本DNA不僅成本巨大，加密和解密費時費力，而且DNA操作容易污染，從而造成這種方案實際上不可用。

事實上，現行的基于DNA的密碼系統都是直接把信息“寫入”DNA分子，使得這種編碼方式非常脆弱，而生物學操作都要經過DNA的合成、提取、克隆、PCR擴增、DNA測序、分子雜交等復雜過程，需要昂貴的實驗儀器，同時還費時費力，此外還存在DNA污染、PCR和測序有一定的出錯幾率、沒有正對照(比如預先不知攜帶消息的DNA分子的序列和片段大小)等問題。DNA密碼系統所傳遞的DNA分子只能依賴物理運輸方式傳送，不能通過電線、光纖和無線信道傳輸，因而不能用于實時通信，只能用于在對實時性要求不高的大規模并行數據加密、安全數據存儲，以及身份認證、數字簽名和信息隱藏等密碼學應用領域。

發明內容

本發明的目的是要建立一種基于虛擬基因組的新型密碼系統，該系統利用了生物信息學的BLAST(Basic?Local?Alignment?Search?Tool)算法，避免了直接對DNA分子的生物學操作，不僅可以達到“一次一密”這樣的理論上不可破譯的安全性，又可以在電子和網絡媒體上實時快速地進行通信，同樣也可以用于數字簽名與認證。

為了達到本發明的目的，“基于虛擬基因組的密碼系統”采取如下步驟和方法(圖1)：

(1)首先，產生大量隨機DNA序列，并隨機編號或命名(每個隨機DNA序列編號或命名為一個虛擬基因)，每個虛擬基因采用FASTA格式，所有這些虛擬基因組成“虛擬基因組”，生成“虛擬基因組數據庫”(Virtual?Genome?Database，VGDB)。也可根據需要，方便地將“虛擬基因組數據庫”轉換成“虛擬蛋白質數據庫”(Virtual?Protein?Database，VPDB)。

(2)然后，將“虛擬基因組數據庫”中的所有虛擬基因隨機分配在一個2維陣列表上，得到一個虛擬基因分布位置表，該表即為“虛擬基因芯片”(Virtual?DNA?Microarray?Chip，VDMC)。

(3)信息發送方可在“虛擬基因芯片”(VDMC)上“書寫”任何所要傳遞的秘密信息，這種“書寫”就是在擁有巨大點陣的VDMC上挑選用于組成秘密信息的“點”。

(4)由于VDMC上的每個點對應于“虛擬基因組數據庫”(VGDB)中的一個虛擬基因，因此在VDMC上挑選組成秘密信息的點，對應地就是找出了VGDB中的虛擬基因。

(5)然后，從每個找出的虛擬基因中隨機地挑選一個DNA序列小片段，利用本地BLAST程序對VGDB進行相似性搜索，確認隨機挑選的這個小片段DNA序列在VGDB中是唯一的。也就是說，該小片段DNA序列與所挑選的虛擬基因是一一對應的，在其它的虛擬基因中沒有相同的DNA序列存在。

(6)將所有這些隨機挑選出來的DNA序列不分先后順序地隨機組合起來(每個小片段DNA序列用逗號或其它間隔方式如空格、分號等等區隔開來)就成了密文信息。

(7)信息接收方收到密文后，將以逗號等方式區隔開來的各小片段DNA序列對VGDB進行BLAST，找出各自對應的虛擬基因，再在VDMC上把這些虛擬基因標記出來，秘密信息自然就顯現出來了。

為了增強保密性能，可以采取如下兩種方法：