基于DNA技术的加密方法研究

论文摘要

DNA计算是在计算科学和分子生物学的基础上发展起来的一个新颖而极具发展潜力的交叉学科。由于DNA计算高度并行可同时攻击计算问题的不同部分,这对传统的基于计算安全的密码体系提出了挑战。DNA密码就是近年来伴随着DNA计算出现的信息安全新领域,目前已成为国际密码学研究的前沿领域。在本论文中,首先介绍了DNA密码成为信息安全领域研究热点的背景知识,以及DNA计算原理和相关的生物学知识,综述了DNA计算在信息安全领域的国内外研究现状,在此基础上,设计了一种基于DNA技术的加密方法。首先对DNA计算和DNA密码中的核心问题——编码问题进行了研究。由于其受各种约束条件的制约,因此DNA编码可以归结为一个多目标优化问题,而粒子群优化算法从诞生以来以其规则简单易于编程实现等优点,成为处理多目标优化问题的重要工具。但是粒子的“趋同性”限制了粒子群的搜索范围,针对这一问题,文中给出了一种引入扰动策略的改进粒子群优化算法(DPSO),这种扰动策略会在设定条件下依概率r选择一定量的粒子并重置其速度,迫使粒子摆脱局部最优值从而改善了粒子群算法的全局收敛性。利用与DNA编码类似的平面图着色问题验证其有效性,仿真结果表明,改进的粒子群算法具有令人满意的性能。在对编码问题研究的基础上,文中利用DNA合成技术、PCR扩增技术以及DNA数字编码技术,结合传统密码学提出了一种基于DNA技术的加密方法。方法利用引物对于PCR扩增技术的特殊作用,提出以引物和编码方式为密钥,采用传统的加密方法对明文进行加密预处理,这可有效防止可能词作为PCR引物进行攻击。另外方法在设计上特意把这对引物分别由发送者和接受者共同设计完成,而不是由发送者全部设计完成后再传送给接受者,这从某种程度上来说进一步增强了系统的安全性。生物学困难问题和密码学计算困难问题为该方法提供了双重的安全保障,安全性分析表明该加密方法具有很强的保密强度。目前新生的DNA密码还处于探索阶段,在理论和实现上都还远未成熟,建立一套安全且容易实现的密码体系,并对其安全性和可行性进行分析,是一个目前迫切需要解决的问题,还需要继续做大量深入的研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.1.1 DNA 计算及其DNA 计算机的研究进展
• 1.1.2 DNA 计算原理及优势
• 1.2 研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容及创新之处
• 1.4 本文的内容安排
• 1.5 本章小结
• 第二章 DNA 计算和基本生物操作
• 2.1 DNA 计算
• 2.1.1 DNA 分子的结构
• 2.1.2 DNA 计算的机理
• 2.1.3 DNA 计算的模型
• 2.2 DNA 分子试验中的基本生物操作
• 2.2.1 DNA 链的变性（Denaturation）和复性（Renaturation）
• 2.2.2 凝胶电泳分离（Seperating）
• 2.2.3 DNA 链的连接（Ligation）
• 2.2.4 DNA 序列的测定
• 2.2.5 DNA 生物芯片技术
• 2.3 其他生物操作
• 2.4 本章小结
• 第三章 DNA 计算在信息安全领域的应用
• 3.1 基于DNA 计算的一次一密加密技术
• 3.1.1 一次一密加密算法
• 3.1.2 映射替代法实现的DNA 密码系统
• 3.1.3 DNA 异或运算实现一次一密密码系统
• 3.2 DNA 技术实现信息隐藏（DNA 隐写术）
• 3.3 DNA 计算破译数据加密标准（DES）
• 3.3.1 数据加密标准（DES）
• 3.3.2 将二元数串编码成DNA 链
• 3.3.3 构造DNA溶液DES（M）
• 3.3.4 破译DES 算法
• 3.4 DNA 密码发展的趋势
• 3.5 本章小结
• 第四章 DNA 数字编码技术和改进粒子群算法（DPSO）
• 4.1 DNA 数字编码的意义
• 4.2 DNA 数字编码的规则
• 4.3 改进粒子群算法（DPSO）
• 4.3.1 传统粒子群优化算法的模型
• 4.3.2 四进制粒子群算法的模型
• 4.3.3 粒子群协同优化算法及扰动策略
• 4.3.4 平面图着色问题的描述
• 4.3.5 平面图着色问题的粒子群算法
• 4.3.6 实验仿真结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 一种基于 DNA 技术的加密方法
• 5.1 引言
• 5.2 生物学困难问题
• 5.3 DNA 数字编码技术
• 5.4 加密流程
• 5.5 安全性分析
• 5.6 本章小结
• 结论与展望
• 1. 全文总结
• 2. 进一步研究方向
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录
• 附录2 攻读学位期间参加的科研课题
• 致谢