[发明专利]一种基于基因杂交和基因突变的图像DNA加密存储方法

说明书

本发明公开了一种基于基因杂交和基因突变的图像DNA加密存储方法，技术方案基于基因杂交以及基因突变机制对图像数据进行DNA加密存储。考虑到DNA存储系统的易出错的特性，在基因突变这一加密步骤设计中，用于加密像素的基因序列满足GC含量50％左右，均聚物长度不超过2及相互之间汉明距离大于3等限制条件。同时基因杂交及基因突变具有多变性及混淆性，本方法能够抵抗常见的密码学攻击手段。在易发生错误的DNA存储系统中，密文DNA序列表现出较强的鲁棒性，即便存在较高碱基替换率及序列丢失率时，仍可成功解密。该加密方法实现简单，可以应用在任何DNA存储系统并解决其数据安全问题。

技术领域

本发明属于密码学及分子生物学技术领域，具体涉及一种基于基因杂交和基因突变的图像DNA加密存储方法。

背景技术

随着数据存储技术的不断发展，科学家们发现DNA分子具有较长的保质期，较高的数据容量以及低能耗等特点，是一种能够满足未来指数级数据增长需求的极具潜力的存储介质。同时DNA分子的计算并行性及高信息密度使DNA密码学成为了传统密码学的潜在替代途径。目前DNA合成，扩增以及测序等技术的发展使DNA存储及加密数据得以实现。

同时，与传统存储介质相比，DNA分子在存储数据方面有着自己的劣势。受限于DNA本身的生化特性及当前DNA合成、扩增、测序等技术存在的缺陷，存储过程中，携带数据的DNA序列会发生碱基插入，删除，替换甚至序列丢失等错误，这给数据的可靠存取带来了极大的挑战。近期的一些研究表明，设计DNA序列满足50％的GC含量以及较短的均聚物长度(连续相同的碱基)可增强DNA分子的稳定性，从而降低碱基错误率。然而目前大多数基于DNA的加密方法在序列设计中没有考虑上述两个限制条件，数据存储序列在DNA存储系统中鲁棒性较弱，DNA密文序列存在大量噪声及丢失问题，给解密带来巨大困难。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，提供了一种基于基因杂交和基因突变的图像DNA加密存储方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

S1：将待加密图像输入到哈希函数SHA3_256中，得到长度为256bit的哈希值H，通过哈希值H生成密钥；

S2：将待加密图像用所述密钥进行行置乱和列置乱，得到置乱图像；

S3：将置乱图像与密钥编码为DNA序列，通过碱基异或运算对两条DNA序列进行基因杂交操作，得到杂交DNA序列；将杂交DNA序列解码为二进制序列，把二进制序列排成图像，得到置换图像；

S4：对置换图像进行双重扩散，得到密文DNA序列；合成并存储所述密文DNA序列于DNA存储系统中。

优选的，生成密钥这一步骤，包括：通过公式(1)将所述哈希值H均分为32份；

H＝{h₁,h₂,h₃,……,h₃₂} (1)

通过公式(2)和公式(3)得到Rossler混沌系统三个初值x₀，y₀和z₀；

将所述初值x₀,y₀和z₀输入Rossler混沌系统，得到三条混沌序列x,y,z，其中d为中间变量；

通过公式(4)处理所述混沌序列x,y,z，得到三条整数序列x′,y′和z′；