应用DNA密码进行数据加密

DNA计算的高度并行性和DNA的密集的储存信息的能力，使得DNA在密码学上的应用主要包括一次一密加密体制和基于DNA计算的密码分析、认证和防伪等方面。

1.DNA一次一密加密体制

DNA的高容量存储特性，使得DNA非常适合用做存储一次一密乱码本。DNA一次一密加密体制具有潜在的应用价值。但是，分离并读取出数据的大规模DNA一次一密乱码本非常困难，复杂的生物学实验增加了加密和解密的成本。因此，DNA一次一密加密体制的广泛应用受到了一定的限制。

2.基于DNA计算的密码分析

使用DNA计算能对现代密码系统进行分析，破译DES、RSA、背包密码、NTRU密码系统等。Richard Lipton和Dan Boneh最早在这一领域进行了研究。

1996年他们给出了使用分子计算机破译数据加密标准的方法，所采用的是比较直接而朴素的方法——明文密文对破译法。在此基础上，阿德尔曼等人又给出了使用sticker模型破译数据加密标准的方法，这种模型主要使用DNA分子记忆链和粘贴来进行计算。

张文龙（Weng-Long Chang）和郭敏意（Min-Yi Guo）等人利用DNA计算设计了整数因子分解的方法，从而破解了RSA算法。

背包问题是一个NP困难问题，石晓龙尝试利用DNA分子计算方法求解整数背包问题，随后，M.Darehmiraki和M.H.Nehi利用DNA计算的高度并行性在试管中求解背包问题。他们都通过结合生物芯片技术，实现了可行解的提取和最优解的选择。

NTRU公钥密码体制以速度快、安全性强等优点被广泛应用于数据加密、数字签名等领域。Pelletier借助自组装的思想，利用暴力破解的方法，对所有可能的密钥进行卷积计算，根据NTRU的特点找到密钥并详细分析系统复杂度。(www.xing528.com)

在现有的DNA计算模型下，把时间复杂度转换成了空间复杂度，计算量越多，需要的DNA分子就越多。一旦问题复杂到突破了生化技术所能操作的DNA片段的物理极限时，DNA计算仍然鞭长莫及。所以，按照现有的DNA计算模式，DNA计算机虽然极大地提高了人们破译密码的能力，但并不能对密码系统的安全性构成真正的威胁。

3.DNA认证和防伪

与现代密码学相比，DNA密码无法通过现有的电子计算机网络进行传输，所以DNA密码在使用现有的电子计算机加密和使用因特网传输方面都不如数学密码方便。在现阶段，DNA密码应该是现有的数学密码的有益补充，适合特殊领域的特殊应用，如认证、防伪等。DNA运用于认证防伪领域具有以下三大优势。

1）无法复制。应用于认证防伪的DNA序列是随机组合而成的，具有唯一性，如需复制必须使用专一的引子进行反应，故仿冒者无法复制。

2）应用广泛。DNA可与许多媒介相结合，如油墨、颜料、胶水、塑胶、化妆品、饮料等，几乎可应用于各行业的认证防伪。

3）安全可靠。DNA分子无毒，对人体不会有任何伤害，可应用于各类食品、药品及保健品的生产。

DNA密码具有一些潜在的、独特的优良特性。这些潜在的优良特性包括：DNA密码的加密和解密过程有可能利用DNA计算所体现出的超大规模并行性，实现快速加密和解密；DNA密码可以利用DNA的生物化学特性，实现前所未有的高密度数据存储；DNA密码的安全性不依赖于困难数学问题，对量子计算机这样的超级计算机的攻击免疫。如果今后量子计算机强大到足以攻击数学的密码系统，DNA密码对量子攻击免疫的能力就显得尤其重要。由于DNA密码具有上述优良特性，DNA密码在未来很可能就会成为新一代密码系统，与数学密码以及量子密码配合使用。

但限于目前的科学水平，现有的DNA密码技术还存在两个问题：一是缺乏相关的理论支持。DNA密码还没有建立起相应的理论，DNA密码的实现模型是什么，其安全性依据在哪里，具体应该如何实现，等等，这些问题都还没有解决。二是实现困难，应用代价高昂。已有的DNA密码技术，在加密和解密阶段往往需要人工合成消息DNA序列等生物学实验。现有的生物技术水平使得DNA密码在实际应用中很不方便，无法与现在使用的密码系统竞争。今后，人们希望能找到新型的、真正适合DNA特性的计算模式，使DNA密码充分发挥自身优势，从而应用于更广泛的领域。