本发明专利技术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系统。本密码系统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。密文中可以随意插入任意非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系统。此外，ＶＧＣ密匙可自我更新，从而实现不可破译的一次一密系统。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟基因组的密码系统(VGC)
本专利技术属于信息安全领域，特别是涉及一种基于虚拟基因组的密码系统。技术背景密码系统是信息安全的核心。传统的密码系统基本都是依赖于数学的密码系 统，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系统具 有理论上不可破译的安全性。但是，一次一密的密码系统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系统，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密码系统并不多。目前，DNA密码系统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密码系统的安全性 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 专利技术了一种DNA微点技术。Gehani等设计了一个基于DNA的一次一密密码系统方案， 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的密码系统都是直接把信息“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密码系统所传递的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。
技术实现思路
本专利技术的目的是要建立一种基于虚拟基因组的新型密码系统，该系统利用了生 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。为了达到本专利技术的目的，“基于虚拟基因组的密码系统”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)。( 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”(VirtualDNA 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“占”(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)在密文中随机插入非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。这种可随意性的插入冗余DNA序列的特性，使得本密码系统具有无限的密匙空 间。(2)密匙可以自我更新，VGC密码系统成为一次一密的密码系统。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η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 删除并重新插入到第(i+j)个位置，重排后的虚拟基因从VDMC上的第m行、第η列位置 上删除并重新插入到第(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密码系统就成了一次一密的密码系统。本专利技术具有如下显著的特点1，本密码系统的密匙包括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，本密码系统的算法非常简单，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，密文可以随意插入非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”，而密文中也可随机插入冗余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系统造成有效攻击。5，密匙可以自我更新，成为一次一密的密码系统。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系统密匙的第 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。因此本密码系统可轻松实现信息的二次编码。7，本密码系统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，本密码系统可以实现真正的“手写式”数字签名与认证。由于本系统一次 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系统”(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)是与本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于虚拟基因组的密码系统（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。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：曾纪晴，张明永，
申请(专利权)人：中国科学院华南植物园，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]
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