VDNABDS — криптографический протокол на основе ДНК для повышения безопасности облака

Summary

Цель протокола VDNABDS — повысить облачную безопасность с помощью методов шифрования на основе ДНК для быстрой и невзломной генерации ключей. Она направлена на защиту чувствительных данных от методов перебора и квантовых атак, обеспечивая при этом высокую производительность, масштабируемость и бесшовную интеграцию с современными облачными системами.

Abstract

Современные облачные системы хранения часто испытывают трудности с балансом между безопасностью, и эффективное шифрование замедляет операции, тогда как более быстрые решения могут поставить под угрозу безопасность данных. Для решения этой задачи мы разработали систему шифрования нового поколения — систему шифрования на основе вариационной ДНК (Variational DNA-Based Data Security, VDNABDS). Вместо того чтобы полагаться исключительно на традиционные математические алгоритмы, этот метод преобразует пользовательскую информацию в последовательности, похожие на ДНК, используя четыре нуклеотида (A, T, C, G), а затем применяет умные методы тасовки и трансформации для защиты файлов, хранящихся в облаке. Этот метод сочетает динамическую генерацию ключей с био-вдохновлёнными паттернами, обеспечивая быстрое шифрование без потери защиты. В ходе тестирования этот метод генерировал защищённые ключи всего за 5 мс, что в 15 раз быстрее, чем существующие модели, такие как Cloud Security with Dynamic Encryption Sequences (CSDES), и завершил полное шифрование за 4 секунды, даже при высокой нагрузке почти в 1000 одновременных пользователей. Предлагаемый метод также обеспечивает исключительную защиту от киберугроз, предлагая 1 x^{10 38} уникальных комбинаций ключей, делая грубую силу и квантовые атаки практически невозможными. Его адаптивная конструкция постоянно обновляет паттерны безопасности, делая его очень устойчивым к вторжениям. Важно, что он плавно интегрируется с существующими облачными платформами, обеспечивая быстрый доступ к данным при сохранении строгих мер защиты конфиденциальности. Реальные эксперименты показали, что VDNABDS стабильно превосходит традиционные модели шифрования как по скорости, так и по надёжности. Благодаря своей надёжной, масштабируемой и аппаратно-независимой архитектуре, эта система особенно подходит для таких отраслей, как здравоохранение, финансы и оборона, где чувствительность данных имеет первостепенное значение. Смотря в будущее, мы стремимся расширить эту биологическую модель шифрования на смартфоны и устройства Интернета вещей (IoT), открывая путь к новой эре быстрой, безопасной и квантово-устойчивой защиты данных.

Introduction

Облачные вычисления стали необходимыми для современных сервисов передачи данных, предлагая гибкость, масштабируемость и эффективность. Однако с этим широким распространением увеличивается риск киберугроз, особенно тех, кто направлен на конфиденциальность и целостность данных. Традиционные алгоритмы шифрования, такие как AES-256 и RSA, хотя и широко используемы, сталкиваются с растущими ограничениями. Эти методы требуют значительных вычислительных ресурсов и уязвимы к развивающимся технологиям, таким как квантовые^{вычисления 1}. Это создаёт острую потребность в новых системах шифрования, которые будут лёгкими, масштабируемыми и устойчивыми к будущему.

Криптография на основе ДНК стала перспективной альтернативой благодаря своей сложности, случайности и потенциалу параллельных^{вычислений 2}. Однако теоретическая привлекательность этих методов часто противоречит их практической реализации. Большинство существующих схем на базе ДНК испытывают трудности с реальной применимостью, так как часто зависят от аппаратного обеспечения, требуют специализированного лабораторного оборудования или не обладают необходимой производительностью и масштабируемостью для динамических облачных^{сред 3.} Эти ограничения создали значительный разрыв между теоретическим потенциалом био-вдохновлённой безопасности и её практической применимостью.

Для решения этой проблемы мы представляем Variational DNA-Based Data Security (VDNABDS) — программную структуру шифрования, которая преобразует пользовательские входные данные в динамические ключи, похожие на ДНК, с помощью операций SHA-256 и XOR. Этот метод позволяет генерировать ключи менее чем за 5 мс и шифрует большие объемы данных всего за 4 секунды, значительно превосходя более ранние модели, такие как CSDES и^{ZMCACM 4}. VDNABDS поддерживает более 1 x 10³⁸ уникальных комбинаций ключей, обеспечивая надёжную защиту от атак с помощью грубой силы и квантовых атак.

Хотя многие исследователи изучали решения облачной безопасности, они часто сосредотачиваются на конкретных, изолированных проблемах. Например, Wang и др^{. предложили} безопасную модель аутентификации для облачных вычислений, но она не обладает возможностями шифрования на уровне контента. Аналогично, Ахмед и ^др.6разработали DNACDS для сред IoE, однако схема страдает от ограниченной масштабируемости в тестировании в реальном времени. Другие проекты объединяют Blowfish с^{блокчейном 7}или применяют ДНК для контроля^{доступа 8, но} часто уступают по производительности или адаптивности. VDNABDS заполняет эти пробелы своей быстрой, аппаратно-независимой и сессионно-специфической стратегией шифрования, которая проверяется с помощью CloudSim с большим набором данных и одновременными пользователями.

В итоге эта работа содержит следующие ключевые вклады в область облачной безопасности и криптографии на основе ДНК. Мы представляем VDNABDS — новую криптографическую структуру, основанную только на программном обеспечении, которая преобразует пользовательскую информацию в динамические ключи шифрования, похожие на ДНК. Мы демонстрируем исключительную производительность и масштабируемость: VDNABDS генерирует ключи всего за 5 мс и шифрует набор данных объемом 3 ГБ за 4,1 секунды, превосходя существующие модели, такие как ZMCACM и AES-256. Мы подтверждаем постквантовую безопасность протокола, демонстрируя 1024-битный ключ, полученный из ДНК, и неалгебраические преобразования, которые обеспечивают уровень безопасности значительно выше порога NIST и противостоят как алгоритмам Шора, так и^{Гровера 9}. Мы предлагаем двухуровневую схему защиты ключей, объединяющую криптографию с эллиптической кривой (ECC) и RSA-OAEP для надёжной упаковки ключа ДНК, повышая его устойчивость к атакам с использованием перебора и повторов¹⁰.

Protocol

В этом исследовании не участвовали люди, животные или использование биологических образцов. Все тесты и оценки проводились с использованием искусственно сгенерированных данных, включая случайно созданные идентификаторы, такие как MAC-адреса, даты рождения и строки паролей. На каком этапе не собиралась ни одна личная или конфиденциальная информация, не сохранялась и не была изучена. В протоколе VDNABDS (рисунок 1) входные ключи ограничивались синтетическими, неотслеживаемыми значениями, служа лишь для иллюстрации производительности и функциональных результатов в контролируемых условиях. Каждый этап исследования проводился в соответствии с институциональными политиками в области экспериментов в области кибербезопасности и этического обращения с данными, обеспечивая соответствие международным стандартам защиты конфиденциальности и ответственных исследовательских практик.

1. Подготовка системы

1. Установка необходимых инструментов: Установите облачный набор инструментов симуляции в Java-среде с поддерживаемой версией JDK (например, версии 8 или выше). Используйте любую интегрированную среду разработки (IDE), совместимую с Java, для запуска проекта.
2. Настройте системную среду . Настройте среду на Python (версии 3.8 и выше) со стандартными библиотеками для хэширования, случайной генерации и бинарных операций. Создайте структуру каталогов с папками с названиями input_data, dna_keys и encrypted_output.
3. Определите соль и CRC-модули . Инициализация 128-битного системного значения соли и функции циклической проверки избыточности (CRC32). Они должны храниться в системной памяти надёжно.
4. Задайте криптографические параметры. Используйте стандартную эллиптическую кривую, например secp384r1, для асимметричного шифрования. Настройте RSA-OAEP с размером ключа 4096 бит для шифрования с открытым ключом.

2. Генерация умных ключей с помощью картирования ДНК

1. Собирайте индивидуальные данные пользователя. Соберите MAC-адрес пользователя, дату рождения (в формате DD-MM-YYYY) и надёжный пароль.
2. Concatenate и hash входы. Объедините пользовательские входы и примените хэш SHA-256. Урежьте хэш до 128 бит и преобразите его в двоичный файл.
   Пример ввода: MAC: 00-1B-44-11-3A-B7DOB: 15-08-2000Пароль: StrongP@ssword123SHA-256 Хэш (усечён до 128 бит): b7e23ec29af22b0b4e41da31e868d572
3. Разложите бинарную последовательность. XOR — 128-битный хэш (H) с 128-битной солью (S) для получения результата с XOR-обработкой (X). X=HS
   Пример соли: e3f3cd1a49d20a7c3b8abf243e7211e8
   Добавьте контрольную сумму CRC32 (C) и 864-битную случайную колодку (P), чтобы получить окончательную 1024-битную бинарную последовательность (R). R=X||C||P
4. Преобразовать бинарную последовательность в ДНК. Используйте бинарно-ДНК-картирование: 00 → A, 01 → T, 10 → C, 11 → G. Примените отображение, чтобы преобразовать все 1024 бита в последовательность ДНК.
   Последовательность ДНК (пример первых 20 оснований): ATGCCTTAGGTAGGCTATAC
5. Перемешайте последовательность ДНК. Используйте алгоритм тасовки Фишера-Йейтса с временными засевами для рандомизации последовательности ДНК. Засадите перемешивание с помощью SHA-256 хэша системной метки времени и идентификатора сессии.

3. Формирование ключей шифрования на основе ДНК

1. Сегментируйте и трансформируйте. Разделите перемешанную последовательность ДНК на четыре равных сегмента по 256 бит: S1, S2, S3, S4. Применим операцию DNA-XOR для создания двух ключевых сегментов — K1 и K2, определённых следующими соотношениями: K1=S1S2 K2=S3S4
2. Соберите окончательный ключ шифрования ДНК. Объедините выходы XOR для получения окончательного ключа шифрования ДНК (DNADK): DNADK=K1||K2

4. Двухуровневое шифрование ключей и защищённое хранение

1. Примените эллиптическое шифрование кривых. Зашифруйте DNADK с помощью криптографии эллиптической кривой с помощью приватного ключа владельца данных.
2. Примените шифрование RSA-OAEP. Зашифруйте результат, зашифрованный ECC, с помощью RSA-OAEP с помощью публичного ключа получателя.
3. Храните зашифрованный ДНК-ключ. Сохраните двойное шифрование DNADK в защищённой dna_keys директории.

5. Шифрование данных и загрузка в облачное хранилище

1. Преобразовать открытый текст в двоичный. Разделите исходный файл на двоичные блоки одинаковой длины.
2. Кодировать бинарные блоки в формат ДНК. Примените преобразование бинарного в ДНК, описанное на шаге 2.4, к бинарным блокам.
3. Перемешивайте и применяйте DNA-XOR. Перемешивание и трансформация каждого блока, закодированного ДНК, с помощью логики DNA-XOR, определённой на шаге 3.
4. Примените исправление ошибок и завершите шифрование. Добавьте коды исправления ошибок Рида-Соломона к данным, закодированным ДНК. Сохраните финальный зашифрованный результат в каталоге encrypted_output.
5. Загрузите зашифрованные данные в облако. Передайте зашифрованные ДНК-кодированные файлы назначенному облачному провайдеру и зарегистрируйте загрузку с соответствующими метаданными.

6. Доступ к данным и безопасная расшифровка

1. Аутентификация пользователя. Используйте многофакторные механизмы аутентификации для проверки доступа пользователя.
2. Достань зашифрованный ДНК-ключ. Получите доступ к зашифрованному DNADK из защищённого каталога ключей.
3. Выполните расшифровку ключей. Используйте приватный RSA-ключ получателя, а затем ECC-приватный ключ владельца данных, чтобы расшифровать исходный DNADK.
4. Восстановить исходные данные. Примените обратное отображение ДНК, декодирование DNA-XOR и декодирование с исправлением ошибок для восстановления исходных открытых данных.

7. Оптимизированная обработка идентификаторов пользователя

1. Классифицировать идентификаторы пользователей по длине и распределять их по назначенным индексным группам.
2. Ускоряйте поиск, используя индексированные хэш-таблицы вместе со стратегиями кэширования.
3. Аутентифицировать пользователей, проверяя их идентификаторы по заранее вычисленным криптографическим хэшам до разрешения доступа.

8. Меры безопасности, охраны и соблюдения требований

1. Защита ключей, полученных из ДНК: храните DNADK исключительно в зашифрованных местах с строгими правами доступа.
2. Безопасная очистка временных данных: удалять промежуточные файлы и буферы с помощью сертифицированных методов безопасного удаления.
3. Сессионное ключение: Создайте отдельный DNADK для каждой сессии, чтобы сохранить прямую секретность.

9. Тестирование и валидация (рисунок 2)

1. Настройка симуляции: Реализация протокола в среде CloudSim 3.0.3, настроенной на поддержку до 1000 пользователей одновременно и набор данных объемом 3 ГБ.
2. Показатели производительности: отслеживайте такие значения, как задержка генерации ключа, время шифрования/расшифровки, требования к памяти, уровни энтропии и масштабируемость при различных нагрузках.
3. Сравнительные эксперименты: Оценивать VDNABDS вместе с AES-256 + RSA-OAEP, ZMCACM, CSDES и RDIS при аналогичных условиях.
4. Исследование масштабируемости: Постепенно увеличивайте количество одновременных пользователей (100, 500, 1 000) при записи производительности шифрования и расшифровки.
5. Оценка безопасности: оценка устойчивости к перебору с помощью эффективного пространства ключа и энтропии; также рассмотрите теоретическую устойчивость по сравнению с квантовыми алгоритмами Шора и Гровера.
6. Испытания с ограниченными ресурсами: Запустите лёгкие варианты на Raspberry Pi 4 (1,5 ГГц четырёхъядерный процессор, 2 ГБ оперативной памяти) для проверки применимости к сценариям типа IoT.
7. Документация и воспроизводимость: сохраняйте результаты экспериментов, журналы и отчёты о производительности для поддержки независимой валидации и репликации.

Results

Предлагаемый протокол VDNABDS был оценён с помощью серии экспериментов в симулированных облачных условиях для оценки его эффективности по сравнению с традиционными и другими криптографическими методами на основе ДНК. Метрики оценки включали время генерации ключа, скорость шифрования и расшифровки, энтропию ключа и масштабируемость при различных нагрузках^{пользователей 11}.

...

Discussion

Появление шифрования на основе ДНК открыло новую границу в постквантовой криптографии. Однако внедрение в реальном мире замедлилось из-за ограничений в воспроизводимости, масштабируемости и зависимости от аппаратного обеспечения. Методы, предложенные Ахмедом и др. и Шармой и др., решали определённые облачные уязвимости с помощью моделей ДНК и блокчейна, но не имели динамической обработки ключей и демонстрировали ограниченную устойчивость к условиям высокой^{параллелности ...}

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
JAVA	Оракул
CloudSim	Github
Python	Основы программного обеспечения Python