董校生, 王 雷, 王 燕*, 薛志東**

(華中科技大學 a.軟件學院; b.生命學院, 湖北 武漢 430074)

計算機技術(shù)的快速發(fā)展為人們帶來便利的同時也帶來了一些新的問題，人們對于信息的保護意識日益增強，信息安全的重要性顯著提高.密碼技術(shù)，作為信息安全的核心技術(shù)之一，于公元前5世紀便以密碼器械“天書”的形式應(yīng)用于戰(zhàn)場.歷經(jīng)2 000多年的發(fā)展與應(yīng)用，密碼技術(shù)早已滲透到各個領(lǐng)域.數(shù)學難題的計算復雜度是傳統(tǒng)密碼學的安全性的保障，一旦攻擊者具備了破解數(shù)學難題的計算能力，就能破解傳統(tǒng)密碼學的密鑰.在計算資源更易獲得的今天，傳統(tǒng)密碼學的信息安全性受到了嚴峻的挑戰(zhàn)，密碼學也開始尋求新的發(fā)展.

1994年美國加州大學的Adelman首次利用DNA計算方法解決了一種NP完全問題，實現(xiàn)了DNA計算[1].利用Waston-Crick互補配對原則對信息進行編碼，DNA計算的目的是通過DNA鏈間的生化反應(yīng)實現(xiàn)困難數(shù)學問題的求解.DNA計算首先會建立一個運算對象與DNA鏈的映射，并利用各種特定的生物酶生成各種數(shù)據(jù)池，再通過DNA鏈的可控的生化反應(yīng)過程得到原始問題的全部可能解.最后，根據(jù)原始問題的約束條件設(shè)計過濾步驟(如凝膠電泳)得到可行解，并利用DNA探針等技術(shù)讀取運算結(jié)果[2].

DNA計算擁有獨特的數(shù)據(jù)存儲和計算機制，不僅可以解決傳統(tǒng)的困難數(shù)學問題，也可應(yīng)用于密碼學領(lǐng)域，DNA密碼學也就應(yīng)運而生.DNA密碼學利用DNA分子本身所具有的高并行性和高存儲密度等特點，借助現(xiàn)代分子生物技術(shù)，可實現(xiàn)加密、隱寫、簽名認證等功能[3].本文擬對基于DNA分子的加密、信息隱藏及應(yīng)用的研究進展予以綜述，并給出研究展望.本文涉及到的概念如圖1所示.

圖1 概念框架圖Fig.1 The conceptual framework

目前密碼學可以從加密的方式分為傳統(tǒng)密碼學、量子密碼學與DNA密碼學；又可以從加密的目的分為信息加密和信息隱藏.基于DNA分子的信息加密可以采用“一次一密”的方式以及結(jié)合DNA分子自組裝技術(shù)的方式實現(xiàn)，基于DNA分子的信息隱藏可以采用DNA微點、DNA重組和基于DNA序列等技術(shù)或方式實現(xiàn).

1 基于DNA分子的加密方法

自1994年Adleman[1]利用DNA計算解決NP完全問題之后，由DNA計算衍生出的DNA密碼學[4]無論是在理論上還是在實踐中都取得了飛速的發(fā)展.1999年，Gehani首次以DNA鏈為載體提出了兩種“一次一密”的加密方案，分別為替代法和異或法[5].2000年，Leier等[6]基于DNA二進制鏈設(shè)計了兩種加密方案，第一種加密方案實現(xiàn)了快速的加密和解密，第二種方案針對圖形進行設(shè)計.2003年，Chen[7]構(gòu)建了一種基于碳納米管的消息轉(zhuǎn)換和基于DNA鏈的密碼體系.2007年，Lu等[8]利用微陣列技術(shù)、DNA芯片技術(shù)以及DNA雜交技術(shù)設(shè)計了一種對稱密鑰DNA加密系統(tǒng)DNASC.2009年，崔光照等[9]進一步提出了一種采用PCR擴增技術(shù)的加密方案，該方案以PCR擴增的引物和DNA編碼方式作為密鑰，并對明文進行傳統(tǒng)加密方式的預(yù)處理以防止外部對引物的攻擊.2010年，Lai等[10]又在DNASC的基礎(chǔ)上進一步提出了一種非對稱DNA加密和簽名系統(tǒng)DNA-PKC.2013年，Legoff等[11]將DNA微粒子技術(shù)與熱縮片結(jié)合，構(gòu)建了一種微粒子陣列加密模型.2014年，王延峰等[12]總結(jié)了基于核酸的信息安全的研究現(xiàn)狀，并從長遠的角度出發(fā)，對我國今后在該領(lǐng)域的發(fā)展提出了全面的建設(shè)性的意見.2015年，梁超等[13]對DNA密碼學的研究現(xiàn)狀作了綜述，并分析了一些不足及提出了對DNA加密研究的展望.2020年，Grass等[14]通過讀取人類基因組和DNA合成技術(shù)設(shè)計了一種DNA加密存儲系統(tǒng)，使得有價值的信息能夠安全地存儲在合成DNA中，并受到個性化密鑰的保護.

1.1 基于“一次一密”機制的加密方法

“一次一密”機制的安全性主要基于密鑰的隨機生成和不重復使用，即每次加密所使用的密鑰通過隨機算法生成，且每次加密所使用的密鑰僅使用一次，隨機密鑰的長度需與明文長度一致[15].“一次一密”機制生成的密碼本一般非常龐大，而DNA分子相較傳統(tǒng)信息媒介的超高存儲密度特性使得其非常適合“一次一密”機制[16].

1999年，Gehani等設(shè)計了映射替代法和DNA芯片異或法兩種基于DNA分子的加密方案，實現(xiàn)了分子層面的“一次一密”的加密機制[5].

映射替代法首先定義一張明文——密文映射表，即“一次一密”密碼本，每一個固定長度的DNA明文序列單元都對應(yīng)一個DNA密文序列.“一次一密”密碼本DNA序列如圖2所示，其中密碼本的重復單元由映射表中一個明文序列集的序列Pi、Pi在映射表中對應(yīng)的密文序列Ci和作為“終止子”的聚合酶序列等三部分組成.加密時，把明文中所有字母的互補序列作為PCR擴增引物進行擴增得到后續(xù)的的互補序列，并且擴增會在終止子處終止，也就是說密文序列通過PCR擴增技術(shù)得到.

圖2 “一次一密”密碼本DNA序列Fig.2 DNA sequences of one-time-pad codebook

異或法的目的是從分子層面實現(xiàn)明文序列和密鑰序列的按位異或運算，往往會利用DNA分子技術(shù)、熒光標記技術(shù)等生物分子技術(shù)進行實現(xiàn).圖3為一種利用DNA瓦片進行異或運算的過程，DNA瓦片是DNA計算中用于DNA分子自組裝的最常用的一種DNA分子結(jié)構(gòu)，它是一簇具有分支結(jié)構(gòu)的DNA交叉分子，每個分子都具有粘性末端.

圖3 利用DNA瓦片進行異或運算示意圖Fig.3 XOR computation by the use of DNA tiles

2003年，Chen[7]提出了基于DNA計算的并行性的“一次一密”的加密系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用PCR擴增技術(shù)在分子層面實現(xiàn)了二進制數(shù)的模2加法運算，并結(jié)合“一次一密”密碼本對消息序列進行加密.DNA密碼學的研究也一直與DNA計算領(lǐng)域的發(fā)展聯(lián)系在一起，結(jié)合DNA計算中DNA分子自組裝技術(shù)的DNA加密系統(tǒng)的相關(guān)研究也是DNA密碼學領(lǐng)域的研究熱點.

1.2 結(jié)合DNA分子自組裝的增強加密方法

DNA自組裝技術(shù)是DNA分子在DNA分子間非共價鍵的作用下，自發(fā)組裝形成較復雜的有序DNA分子結(jié)構(gòu)的過程[17].在DNA自組裝模型計算過程中，設(shè)計滿足系統(tǒng)特定功能的DNA分子自組裝結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)設(shè)計中最重要的一步.

2014年，Yang等[18]提出一種基于DNA自組裝技術(shù)的“一次一密”加密系統(tǒng)，系統(tǒng)流程如圖4所示.該系統(tǒng)首先設(shè)計了一種可以從分子層面實現(xiàn)異或運算的DNA自組裝結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)異或運算的操作是DNA鏈的替換，然后通過這個DNA自組裝結(jié)構(gòu)對二進制的明文序列與隨機生成的密鑰序列進行逐位異或運算得到二進制的密文序列，隨機密鑰序列長度與明文序列一致.密文序列通過安全信道發(fā)送至接收方，接收方使用與加密過程中相同的DNA自組裝結(jié)構(gòu)并結(jié)合隨機密鑰序列進行解密，解密同樣通過異或運算也就是通過是DNA鏈的替換實現(xiàn).系統(tǒng)設(shè)計的DNA自組裝結(jié)構(gòu)中利用了熒光淬滅技術(shù)，使得加密得到的密文序列實際是一組熒光信號，根據(jù)熒光信號的強度高低劃分‘0’和‘1’，系統(tǒng)通過熒光檢測的方式驗證了該加密系統(tǒng)的可行性.

圖4 “一次一密”加密系統(tǒng)的熒光檢測流程圖Fig.4 Fluorescence detection flowchart of one-time-pad encryption system

DNA折紙術(shù)是Rothemund[19]于2006年首次提出的一種全新的DNA自組裝方法.DNA折紙術(shù)，顧名思義，就是將DNA鏈折疊形成一個預(yù)期的圖案，實際是利用DNA分子的自組裝特性和堿基互補配對規(guī)則，將天然DNA長鏈(骨架鏈)按照一定方式進行折疊，并用短鏈(釘子鏈)加以固定，構(gòu)造出預(yù)期圖案的DNA鏈結(jié)構(gòu)[19].DNA折紙術(shù)的前期設(shè)計階段可以通過計算機全自動組裝得到若干短鏈，實驗階段是將長鏈和短鏈在一定條件下進行反應(yīng)，二者就會自發(fā)地結(jié)合形成預(yù)先設(shè)計的圖案結(jié)構(gòu).

2019年，樊春海院士的團隊[20]設(shè)計了一種基于DNA折紙術(shù)的分子加密系統(tǒng).在針對文本信息的加密系統(tǒng)中，加密過程并未涉及到DNA折紙術(shù)的具體過程，首先將文本信息按一定規(guī)則編碼成3×3的點陣排列，并根據(jù)點陣排列的各斑點位置信息合成對應(yīng)數(shù)量的短鏈，短鏈進行生物素化標記，生物素化后外部不可見，然后將骨架鏈與生物素化后的短鏈雜交得到最終的密文鏈.解密過程首先就要利用DNA折紙術(shù)得到預(yù)期形狀，通過骨架鏈折疊方式生成所需的釘子鏈，然后與骨架鏈進行物理折疊形成與點陣排列相同的形狀，其中生物素化位點的位置與加密過程中的點陣排列斑點位置一致，通過鏈霉親和素識別出各圖案所代表的文本信息，最終解密得到原始文本信息.

該加密系統(tǒng)中通過生物素——親和素作用機制實現(xiàn)了信息隱寫，整個加密系統(tǒng)是加密和隱寫的結(jié)合.系統(tǒng)的算法復雜度主要來自于骨架鏈的折疊過程，系統(tǒng)所采用的骨架鏈為7 249個核苷酸的M13病毒，通過計算理論密鑰長度可達702位，遠超經(jīng)典AES算法的256位.系統(tǒng)可通過設(shè)計不同的DNA折紙形狀實現(xiàn)對不同的加密信息類型的加密.

2 基于DNA分子的信息隱藏方法

信息隱藏的過程是將秘密信息隱藏在載體信息中得到載密信息，載密信息允許在公開的信道中進行傳輸，其目的是保證秘密信息不被第三方所發(fā)現(xiàn)或讀取.近年來，人們對個人隱私、知識產(chǎn)權(quán)信息的保護和身份信息的認證等方面有了更高的需求，信息隱藏技術(shù)也得到了人們更多的關(guān)注.基于DNA分子的信息隱藏技術(shù)也被稱為DNA隱寫術(shù)，與傳統(tǒng)的以多媒體為載體的信息隱藏方法相比，DNA隱寫術(shù)不僅能夠隱藏秘密信息，還能對生物學領(lǐng)域的知識產(chǎn)權(quán)實施保護.對基于DNA分子的信息隱藏方法研究較多的，最早有Clelland等[2]于1999年提出的基于DNA微點技術(shù)的信息隱藏方法.2000年，Leier等[6]提出了一種基于DNA二進制鏈的信息隱藏方法，該方法不需要附加的映射關(guān)系編碼表，無需DNA測序，解密更加迅速.2007年，崔光照等[16]以質(zhì)粒為載體提出了一種基于重組技術(shù)的信息隱藏方法.2010年，Shiu等[21]提出了插入法、互補配對法和替代法這3種基于DNA序列的可逆信息隱藏方法，有效提升了算法的魯棒性和容量.2012年，Guo等[22]通過建立一個兩個秘密信息位和互補規(guī)則之間的映射關(guān)系表，有效地將兩個秘密信息位替換為一個字符，在很大程度上提高了隱寫方案的信息嵌入率.2013年，Mitras等[23]提出了一種在DNA序列中隱藏秘密信息的方法，使用RSA算法對秘密消息進行加密后，該秘密消息隱藏在使用互補字符已知的DNA序列中，DNA參考序列可以從不同的DNA數(shù)據(jù)庫(如EBI、NCBI)中選擇.2018年，Mohammed等[24]提出了一種結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基于DNA分子的隱寫方法，將所有密碼子最后一個堿基的最低有效位LSB列表作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入，訓練得到加密信息.

2.1 基于DNA微點技術(shù)

DNA微點技術(shù)是將包含大量DNA鏈的溶液噴到信紙上制成DNA微點，每個微點都包含所有的DNA鏈.基于DNA微點技術(shù)的信息隱藏的思路就是把明文DNA鏈和大量無關(guān)DNA鏈混合制成DNA微點進行傳輸，從而實現(xiàn)隱藏明文DNA鏈的目的[12].

1999年，Clelland等[2]采用DNA微點技術(shù)將一段文本信息“June 6 Invasion: Normandy”進行了DNA隱寫，并成功從微點中恢復出原始文本信息.這一實驗也開創(chuàng)了基于DNA分子的信息隱藏技術(shù)的先河.實驗第一步是定義一種字符——堿基的映射關(guān)系表，例如，堿基“CGA”就對應(yīng)字符“A”、“CCA”對應(yīng)字符“B”，然后把明文信息根據(jù)該映射關(guān)系表轉(zhuǎn)換成明文DNA序列，并在明文DNA鏈的尾部加上一段引物序列進行標記.第二步選取一條與明文DNA鏈無關(guān)的人類DNA鏈，利用超聲波技術(shù)對其進行破碎得到大量與明文DNA鏈物理結(jié)構(gòu)相似的冗余DNA鏈，將這些冗余DNA鏈與明文DNA鏈混合并噴到信紙上形成無色的DNA微點，然后將含有無色的DNA微點的信紙通過可公開的方式發(fā)送到接收方.這兩步的操作成功實現(xiàn)了基于DNA微點技術(shù)實現(xiàn)信息隱寫的實驗?zāi)康?第三步是接收方的解密操作，首先從信件中提取出DNA混合溶液，利用第一步中的引物序列采取PCR擴增技術(shù)放大得到明文DNA鏈，然后利用第一步中定義的字符——堿基映射關(guān)系表對提取出的明文DNA鏈解碼得到原始明文信息.

該信息隱藏方案的安全性基于三個方面:第一，DNA微點具有無色無味的特點；第二，明文DNA鏈與數(shù)以萬計的物理結(jié)構(gòu)相似的冗余DNA鏈混合在一起，若沒有引物序列而直接提取明文DNA鏈無異于大海撈針；第三，即使攻擊者成功提取出了明文DNA鏈，下一步要把DNA鏈解碼成字符的形式，還需要方案所定義的字符——堿基映射關(guān)系表.

從以上分析可以發(fā)現(xiàn)，該信息隱藏方案的密鑰是第一步中定義的字符——堿基映射關(guān)系表以及引物序列.引物序列的安全性就顯得尤為重要，一旦引物序列被攻擊者獲悉，那么，方案中實現(xiàn)DNA隱寫的前兩步DNA分子生物操作就基本失去了意義，但論文中并未對這一點提出進一步的分析和改進.2006年，盧明欣等[25]針對論文中的這一安全性問題進行了分析，并設(shè)計出一種改進的信息隱藏方案.該方案提出了一種保密增強的算法，該算法以引物和編碼方式為密鑰或者用傳統(tǒng)加密技術(shù)對要隱藏的信息預(yù)先進行加密，以防止利用關(guān)鍵詞作為引物序列進行攻擊.該論文的方案同樣采用的是DNA微點技術(shù)，但以目前的DNA微點技術(shù)水平很難保證信息的安全傳遞，信息的傳輸安全性還需要結(jié)合其它方法保障，這一點也還需要進一步的研究.

2.2 基于DNA重組技術(shù)

DNA重組技術(shù)是一種人為改變生物性狀表達的DNA體外操作技術(shù)，在體外將供體的基因與載體進行拼接重組，然后轉(zhuǎn)入到受體體內(nèi)，就可以人為使受體表達出轉(zhuǎn)入基因的性狀.由于DNA重組技術(shù)自身具有天然的加密和解密過程，有一些密碼學學者開始利用DNA重組技術(shù)設(shè)計加密系統(tǒng).

2007年，崔光照等[16]就基于DNA重組技術(shù)提出了一種新型的信息隱藏方案.首先，系統(tǒng)設(shè)計了明文信息(字符)——堿基的映射關(guān)系表，根據(jù)該映射關(guān)系表把明文編碼成明文DNA序列后將明文DNA序列嵌入到參考DNA序列中得到假DNA序列，這一步就實現(xiàn)了對明文DNA序列的隱藏；然后將假DNA序列重組到作為載體的質(zhì)粒中并轉(zhuǎn)入到作為受體的細菌中，這一步就是DNA重組的過程；最后將受體細菌與大量無關(guān)細菌混合后發(fā)送到接收方，這一步是為了對明文序列進行進一步隱藏.該信息隱藏方案的密鑰為選擇性標記、生物酶以及參考序列等.該信息隱藏方案的過程及實驗流程如圖5所示.

圖5 基于DNA重組技術(shù)的信息隱藏方法流程及實驗流程Fig.5 Information hiding method process and experimental process based on DNA recombination technology

實驗結(jié)果表明，這種基于DNA重組技術(shù)的加密方法隱藏和提取明文信息的效率很高，并且該方法魯棒性較高，抵御外部攻擊的能力較強.

3 DNA密碼學的應(yīng)用

3.1 結(jié)合圖像加密的混合加密

前文中提到的DNA密碼學方法都是基于文本信息設(shè)計的加密系統(tǒng)，對圖像信息的加密效率較低.近年來，將DNA加密的方法結(jié)合已有的圖像加密算法實現(xiàn)更高效、安全的圖像加密系統(tǒng)，成為圖像加密領(lǐng)域新的研究方向.

2013年，周士華[26]以DNA序列和DNA自組裝為手段設(shè)計出新型的圖像加密系統(tǒng)，系統(tǒng)利用DNA瓦片構(gòu)建自組裝模型，實現(xiàn)了基于DNA自組裝技術(shù)的“一次一密”圖像加密系統(tǒng).混沌映射是圖像加密領(lǐng)域中生成密鑰空間最為常用的一種方法.早期基于混沌的圖像加密算法都是基于一維的混沌映射，但一維的混沌映射生成的密鑰空間較小，算法安全強度不夠高.為增強基于混沌的圖像加密算法的強度，學者開始結(jié)合DNA密碼學的方法進行加密系統(tǒng)設(shè)計.比如，2012年，Babaei[27]利用DNA計算和混沌理論設(shè)計并驗證了一種在文本與圖像上加密效果優(yōu)于AES算法的加密算法；2015年，張健等[28]采用DNA互補編碼和混沌索引相結(jié)合的方法，提出一種數(shù)字圖像加密技術(shù)；2019年，胡春杰等[29]提出一種基于多混沌映射與DNA編碼規(guī)則的彩色圖像加密算法.2020年，Akkasaligar等[30]提出了一種采用DNA密碼學和雙重超混沌映射技術(shù)來為數(shù)字醫(yī)學圖像提供更高的安全性的圖像加密系統(tǒng).

可以發(fā)現(xiàn)，近年的相關(guān)文獻[31]開始減少DNA加密方法中的生物操作，有脫離生物技術(shù)僅采用DNA編碼規(guī)則設(shè)計加密方法的趨勢，這種脫離了生物技術(shù)的DNA加密算法也被稱為偽DNA加密[32].例如，Popli[33-34]在2018年和2019年先后提出的結(jié)合自然啟發(fā)式算法如花粉算法和遺傳算法的DNA加密算法，這種方式從算法復雜度上提高了加密算法的安全性，但無法從生物層面提供安全性.這種趨勢的原因可能是基于DNA分子生物技術(shù)的加密方法的研究受生物技術(shù)發(fā)展限制而發(fā)展相對緩慢.

3.2 簽名認證技術(shù)的新發(fā)展

由于DNA分子本身具有的高存儲密度、高并行性以及物理存在形式等特點，使得DNA密碼學在簽名認證技術(shù)上具有傳統(tǒng)密碼學無法比擬的優(yōu)勢.DNA認證技術(shù)的原理是生物體DNA序列的特殊性以及較近親緣關(guān)系個體之間DNA序列存在相似性[15].

2000年的悉尼奧運會，加拿大的DNA Technology公司將Clelland等[2]于1999年所提出的基于DNA微點技術(shù)的信息隱藏方法成功應(yīng)用于商標認證中.該公司利用該方法實現(xiàn)了采用含有特定DNA信息的墨水對奧運會中所有的商品進行標記的目的，鑒定商標真?zhèn)沃恍栌脪呙鑳x識別商標中的DNA信息即可[35].這種DNA商標的制作成本相較于普通商標甚至更低，同時它被攻擊者復制的難度也更高.DNA水印技術(shù)作為一種DNA加密技術(shù)與數(shù)字水印技術(shù)的集成技術(shù)[36]，具有難以被定位或篡改，不易受到環(huán)境影響的特點，為簽名認證技術(shù)帶來了新的發(fā)展方向.2007年，Heider等[37]提出一種可以植入活體的DNA水印，并解決了DNA水印植入活體后可能發(fā)生的突變問題，從而可以通過識別DNA水印來認證用戶身份或版權(quán)信息.2015年，美國紐約州立大學奧爾巴尼分校研發(fā)了一種合成DNA簽名認證技術(shù)，人們可以利用該技術(shù)為自己的作品添加DNA標記，保護自己的知識版權(quán).

3.3 數(shù)據(jù)傳輸、存儲的應(yīng)用

DNA密碼學作為一種新的加密方式，在數(shù)據(jù)的安全傳輸和存儲領(lǐng)域也有相應(yīng)發(fā)展[38].2010年，Singh等[39]提出了一種基于DNA密碼學保證移動網(wǎng)絡(luò)中的信息安全傳輸?shù)姆椒?2014年，Sasikumar等[40]設(shè)計了一種基于DNA加密技術(shù)和量子加密技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸加密系統(tǒng)，量子加密的核心是量子密鑰交換，并通過實驗驗證了該系統(tǒng)為數(shù)據(jù)傳輸提供了更高的安全性.2018年，鄒紅霞等[41]設(shè)計了一種基于聯(lián)盟鏈和DNA編碼的局域網(wǎng)加密方法，加密結(jié)構(gòu)采用基于多中心的聯(lián)盟鏈拓撲結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了基于混沌映射和DNA編碼的加密方法，提高了局域網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄院屯暾?DNA加密技術(shù)在近年來發(fā)展火熱的云計算領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用[42]，為云環(huán)境中的數(shù)據(jù)存儲提供新的安全保障.2018年，Sukumaran等[43]提出了一種用于保護云環(huán)境中數(shù)據(jù)存儲安全的基于DNA的加密算法，該算法通過使用索引和DNA隱寫術(shù)技術(shù)以及二進制編碼規(guī)則來實現(xiàn)成本效益和安全性.

4 與傳統(tǒng)密碼學、量子密碼學的對比

目前密碼學的三大分支為傳統(tǒng)密碼學、量子密碼學以及DNA密碼學[44].這三大分支的各方面的對比如表1所示.

表1 三大密碼學對比表Table 1 Comparison of three major cryptography

從發(fā)展歷史來看，傳統(tǒng)密碼學可以追溯到2000年前甚至更早的凱撒密碼，目前所有實用密碼如DES、RSA算法都視為傳統(tǒng)密碼學的范疇.量子密碼學在二十世紀七十年代應(yīng)運而生，其理論基礎(chǔ)充足完善，但難以實施，目前還無法普及.DNA密碼學只有二十多年的歷史，作為一門生物學與密碼學的交叉學科，其衍生自DNA計算，但DNA計算的研究成果并不能直接應(yīng)用在DNA密碼學，DNA計算目前也未形成完備的理論體系，一種DNA計算模型只適用某一類問題，不具有通用性.因此，目前DNA密碼學缺乏完善的理論體系支撐，且其應(yīng)用耗資較高，尚處于起步階段.

從安全性來看，傳統(tǒng)密碼學只能實現(xiàn)計算安全性，也就是說，理論上具有無限計算能力的對手可以破解傳統(tǒng)的加密算法.量子密碼學基于量子不可克隆原理與海森堡不確定性原理，在量子加密通信過程中，若有攻擊者想要破解密鑰，他的任何攻擊行為都會改變密鑰，也就是說從理論上量子密碼學是無法被破解的.DNA密碼學的安全依據(jù)，是一些人類暫時不明白的機理，但可以使用的生物學難題的高破解難度，即DNA密碼學可以同時提供生物安全性和計算安全性.

從應(yīng)用方向來看，傳統(tǒng)密碼學通過有線、無線信道或光纖傳輸數(shù)據(jù)，通過磁性介質(zhì)儲存數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)傳輸和存儲上較為方便，可以實現(xiàn)公鑰、私鑰加密以及數(shù)字簽名、身份認證等功能.量子密碼學必須在量子通道上實現(xiàn)，且存儲也很不方便，有較大局限性，比如無法實現(xiàn)公鑰加密和數(shù)字簽名功能，它的主要優(yōu)勢是在實時通信上的應(yīng)用，即量子通信.由于DNA分子本身的高并行性和高存儲密度，并且DNA密碼學對實時性要求不高，DNA密碼學在安全數(shù)據(jù)存儲、身份驗證、數(shù)字簽名和隱寫術(shù)等加密功能中具有特殊優(yōu)勢.

5 結(jié)論及展望

DNA密碼學衍生自DNA計算，但DNA計算目前也未形成完備的理論體系，因此，目前DNA密碼學同樣也缺乏完善的知識、方法和理論體系支撐，且其實現(xiàn)基于DNA分子生物技術(shù)，其發(fā)展自然會受到DNA分子生物技術(shù)的制約，以目前的生物技術(shù)水平來看，其實現(xiàn)難度相較傳統(tǒng)密碼學較大，且應(yīng)用耗資較高，因此，DNA密碼學的研究尚處于起步階段.

近年來DNA密碼學領(lǐng)域的研究進展相對緩慢，基于DNA分子生物技術(shù)的加密方法研究較為少見，更多的是關(guān)于DNA密碼學在圖像加密、數(shù)據(jù)傳輸安全上應(yīng)用的研究，但這些研究實際上脫離了DNA分子生物技術(shù)，僅是在研究中結(jié)合了DNA編碼的方式，也就不具備生物安全性.這樣的發(fā)展形勢也是現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展速度相對信息技術(shù)的發(fā)展速度較為緩慢這一現(xiàn)狀的體現(xiàn).

但DNA密碼學作為生命科學與密碼學的交叉學科，本身就是對基于數(shù)學難題的傳統(tǒng)密碼學的有益補充，其所具有的生物安全性是任何傳統(tǒng)密碼學系統(tǒng)都不具備的.DNA分子具有超高存儲密度、超低能量消耗以及超高并行運算能力等特性，其超高的開發(fā)潛力在等待著科研人員的探索.這個探索過程需要生命科學、密碼學和信息科學等多領(lǐng)域的科研人員的精誠合作與共同努力.相信隨著科研人員的進一步研究，生物技術(shù)的進一步發(fā)展，DNA密碼學一定能在信息安全領(lǐng)域展示出自己巨大的潛力和能量.