DNA密码学

密码学是处理信息编码以隐藏信息的科学分支。它在通信安全的基础设施中起着至关重要的作用。在 Leonard Max Adleman 在 1994 年展示了分子计算能力之后，Ashish Gehani 等人和 Amin 等人完成了这项开创性工作。这为 DNA 计算铺平了道路。 DNA密码学结合了密码学和现代生物技术。

为什么选择 DNA 密码学？

• DNA密码学是世界上发展迅速的技术之一。
• Adelman 向世界展示了它如何用于解决复杂问题，例如有向 Hamilton 路径问题和 NP 完全问题（例如旅行商问题）。因此，用户可以设计和实现更复杂的加密算法。
• 它为打破牢不可破的算法带来了新的希望。这是因为 DNA 计算提供了更高的速度、最小的存储和功率要求。
• DNA 以大约 1 位/nm3 的密度存储内存，而传统存储介质需要 1012 nm3/位。
• 在进行计算时，DNA 计算不需要电源。
• 令人惊讶的是，一克 DNA 包含 1021 个 DNA 碱基，相当于 108 TB 的数据。因此可以以几毫克的形式存储世界上所有的数据。
  

DNA密码学可以定义为根据DNA序列隐藏数据。就像 RSA 和 DES 算法一样，在 DNA 密码学中，用户拥有诸如“使用 DNA 作为密钥分发的单向函数的公钥系统”、“DNASC 密码系统”、DNA 隐写系统、三级 DNA 密码学、加密等 DNA 算法受 DNA 和混沌计算启发的算法。

那么，如何在主要由 4 个含氮碱基组成的 DNA 链中编码数据，即：

1. 腺嘌呤 (A)
2. 胸腺嘧啶 (T)
3. 胞嘧啶 (C)
4. 鸟嘌呤 (G)
   

最简单的编码方法是将这四个单元表示为四个数字：

A(0) –00
T(1) –01
C(2)–10
G(3)–11 

• 通过这些编码规则，有 4!=24 种可能的编码方法。基于一些原则，例如 A 和 G 成对，而 T 和 C 成对。
• 在这 24 种方法中，只有 8 种符合 DNA 配对规则，但最佳编码方案是 0123/CTAG。
  

所以现在理论上将我们的初始数字转换为 A、T、G 和 C 的序列。然后使用各种 DNA 合成技术（例如化学寡核苷酸合成和寡核苷酸合成平台（包括基于列的寡核苷酸合成、基于阵列的寡核苷酸合成、复杂链和基因合成以及纠错））在物理上实现这一点。

让我们以经典的 XOR One Time Pad 为例，看看它是如何使用 DNA 密码学实现的：

示例 –设 M 为消息，K 为键。通过找到 M xor K = C 获得密文。用户可以通过执行以下操作再次获得 Encoded 消息：C xor K = M xor K xor K= M。因此，得到我们的原始消息。实施它所涉及的步骤是：

1. 消息和 OTP 密钥被转换为 ASCII 位
2. 零填充被添加到消息和密钥中，以使其二进制代码的大小均匀
3. 消息和密钥被异或在一起
4. XOR 输出以 DNA 碱基格式表示。这是我们的加密文本。
   

解密过程涉及以下过程，因此也容易被窃听：

1. 所有的 DNA 碱基都转化为比特。
2. 然后将这些位与 OTP 密钥位进行异或运算，以重现原始纯文本。
3. 这个以二进制格式获得的文本随后被转换为 ASCII字符序列。
   

同样，用户可以实现其他加密算法，如 AES 甚至 DES。不是将数据存储为 0 和 1 的序列，而是将它们存储为含氮碱基的序列。以 DNA 的形式存储信息使我们能够在一个小区域内存储大量数据。