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《网络生物安全：应对新兴威胁的新领域》汇集了网络生物安全领域的重要研究成果和深入分析，以期为这一新兴领域提供理论支撑和实践指导。《网络生物安全：应对新兴威胁的新领域》探讨了生物技术与网络安全融合的背景、现状及未来发展方向，覆盖了技术、伦理道德、法律和社会影响等多个层面。《网络生物安全：应对新兴威胁的新领域》共15章，内容涵盖网络生物安全的定义、起源、重要性，及其在生物经济、生物医学数据、DNA数据处理等关键领域的应用和挑战。《网络生物安全：应对新兴威胁的新领域》还讨论了网络生物安全与生物网络安全的区别，以及如何通过技术手段如CVSS评估系统来量化生物系统中的漏洞风险。此外，《网络生物安全：应对新兴威胁的新领域》通过案例分析，探讨了网络生物安全在应对生物犯罪、人工智能武器化、粮食安全等实际问题中的作用。
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目录第1章 生物技术与网络安全的融合：网络生物安全新领域导论 1参考文献 6第2章 引言：网络生物安全这一新兴领域的起源与宗旨 82.1 网络生物安全的起源、发展及其理论基础 82.2 网络生物安全的重要性 92.3 觉醒与行动：网络生物安全的新征程 92.4 *个网络生物安全项目启动 102.5 *个网络生物安全项目深受肯定 11参考文献 16第3章 生物经济中的网络与信息安全 183.1 引言 183.2 用定义/描述奠定基础 203.3 定义新兴术语 233.4 这些新兴领域意味着什么？ 243.5 增强网络和信息安全的关键领域 253.6 代表性示例 293.7 生物学与网络领域交叉的新兴技术 303.8 缩小生物经济领域中的网络和信息安全差距 31参考文献 32第4章 从网络生物安全和生物网络安全政策中识别任务的差异：预防、检测与消除 354.1 引言 354.2 2017～2020年网络生物安全和生物网络安全动态变化 384.3 网络生物安全与生物网络安全亟待财政优先支持 434.4 网络生物安全与生物网络安全的防御策略差异及其实施效果 444.5 网络生物时代的政策立法 484.6 结论 52附录：网络生物安全与生物网络安全相关论文 53参考文献 62第5章 重新审视数字生物安全的整体形势 715.1 引言 715.2 数字生物安全的整体形势：从数据到系统 725.3 网络安全和生物安全分别是什么？ 745.4 对手意欲何为：从理论两用性到实际网络生物安全攻击（直接/间接）的转化？ 745.5 结论 76参考文献 76第6章 生物医学数据全生命周期中的安全漏洞与对策 796.1 引言 796.2 数据集的创建、管理和存储 816.3 数据完整性 816.4 隐私权的忧虑：重点是关注所有权问题 826.5 数据分享 826.6 数据分析和产品开发 836.7 对抗攻击 836.8 隐私攻击 846.9 生物医学数据全生命周期中的安全解决方案 856.10 数据完整性和数据分享的区块链解决方案 856.11 隐私攻击的解决方案 866.12 对抗攻击的解决方案 876.13 数据清理技术 876.14 数据分析和数据分享的加密解决方案 886.15 结论 89参考文献 90第7章 跨越DNA-数字边界的网络安全：从DNA样本到基因组数据 967.1 引言 977.2 DNA作为恶意信息载体 987.3 网络物理安全与分子到数字的硬件接口 1067.4 DNA信息处理中的数据完整性 1087.5 结论 111参考文献 113第8章 将CVSS应用于网络生物系统中的漏洞评分 1148.1 引言 1148.2 CVSS背景 1168.3 相关工作 1188.4 CVSS的生物学视角 1198.5 网络生物安全威胁案例研究 1228.6 总结和结论 129参考文献 129第9章 生物犯罪、可摄入物联网和网络生物安全 1339.1 引言 1339.2 从犯罪科学的角度看问题 1359.3 对生物技术犯罪潜力的分析 1379.4 反犯罪设计和可摄入物联网 1389.5 通过设计筑牢网络生物安全屏障 139参考文献 140第10章 从网络生物安全的角度研究病原体的潜力，或者可以从COVID-19大流行中学到什么 14510.1 动机 14510.2 数字和生物/物理之间的差距可以通过多种方式加以利用 14710.3 建议 15810.4 结论 160参考文献 161第11章 如何保护生物技术和生物安全免受对抗性人工智能攻击--从全球治理的角度来看 16611.1 引言 16711.2 技术考量 16811.3 全球治理与法律探讨 171参考文献 174第12章 守护守护者：筑牢生物经济安全网，破解技术发展公平性难题 17812.1 引言 17812.2 概念框架 18012.3 掠夺性商品及服务诱发内部威胁 18212.4 在数字化、成瘾性与压力交织的世界中 18512.5 权力集中与内生性威胁：数字化阴影下的系统性危机 19112.6 人性坍缩的代价：自主权、结果和过程的不平等 19312.7 讨论：在生物经济的裂痕中寻找救赎 19512.8 结论 197参考文献 197第13章 人工智能在供水系统中的网络生物安全研究 20613.1 引言 20713.2 研究概览 21113.3 网络生物安全中的AI保障 21313.4 开源供水试验台的AI保障 21513.5 AI保障支柱 21813.6 讨论 22813.7 结论 236参考文献 237第14章 人工智能和遗传数据的武器化 25614.1 引言和背景 25714.2 可识别性 25814.3 医疗信息的暴露 26014.4 利用基因数据的生物武器 26214.5 结论 263参考文献 264第15章 湿性实验室自动化的潜在风险点 27015.1 引言 27015.2 湿性实验室自动化生态系统分析 27215.3 生物实验室机器人概述 27815.4 攻击面分析 28515.5 滥用案例分析 28815.6 总结与结论 290参考文献 291
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第1章生物技术与网络安全的融合：网络生物安全新领域导论 多夫？格林鲍姆（Dov Greenbaum） 耶鲁大学分子生物物理与生物化学系，美国康涅狄格州纽黑文市 莱克曼大学兹维？迈塔尔研究所新兴技术与法律课题组，以色列赫兹利亚市莱克曼大学哈里？拉兹内尔法学院，以色列赫兹利亚市 e-mail：dov.greenbaum@yale.edu 摘要 本书汇集了网络生物安全这一新兴领域的最新研究成果和深入分析，旨在对该领域进行初探并提供理论支撑，从而协助我们更精确地对其进行描述和定义。书中收录的论文覆盖了与网络生物安全相关的广泛议题，不仅包括技术层面的探讨，还涉及伦理道德、法律和相关技术诸多应用所带来的社会影响。 关键词 生物融合；网络神经安全；生物经济；数字孪生；医疗设备物联网；网络生物安全 网络生物安全是一个新兴的领域，其许多方面仍在不断发展和演变之中。举例来说，关于如何对这个领域进行命名、其研究范畴的确切界定，以及如何将它与网络安全和生物安全等类似但有所区别的学术及实践领域进行区分，至今仍存在争议。 在网络生物安全领域特征尚未被明确界定的当下，本书汇集了众多该领域内主要研究人员和利益相关者的观点，体现了他们对网络生物安全研究和分析重要性日益增长的普遍认同。本书还强调了持续发展工具和方法论的重要性，以应对生物经济领域（生物学、生物制药、健康科学、生物技术和农业等领域的经济活动）面临的日益严峻的威胁。 在某种程度上，网络生物安全领域是生物融合这一新兴理念的一个例证。简而言之，生物融合是指生物经济的进一步拓展。更具体地说，它是指在生物科学与其他技术领域（特别是以前与生物科学完全*立的高科技领域）之间的跨领域合作或整合。这种合作或整合带来了许多盈利潜力和创新机会。这些领域包括人工智能（AI）、大数据和网络安全。 这种协同效应为生物科学，尤其是生物医学科学中的新增长点、新发现和科技创新提供了重要机遇。这些新增长点不仅包括诊断、药物输送和新药研发等，还涉及工程方法论在生物学中的融合，这在过去几十年已经推动了合成生物学领域的发展[1，2]，尽管这也带来了一系列伦理、法律和社会问题[2，3]。 另一个生物融合相关的新兴领域与数字孪生的概念有关。这一概念*初由美国国家航空航天局（National Aeronautics Space Administration，NASA）等组织为机械和电气工程研究而开发，用于开发高功率火箭发动机，并在计算机中快速迭代测试。许多学者提出，创建生物系统数字孪生，可以作为在不伤害人类患者的情况下快速推进生物医学研究的新工具[4]。 然而，构建并完善生物过程和生物系统，乃至全人类的数字孪生，需要通过先进的人工智能技术来处理大量高度私密的医疗和基因组数据。因此，数据的保护以及对人工智能运用的管控正面临网络安全的严峻挑战。在这样的背景下，网络生物安全领域将在不久的将来扮演至关重要的角色。随着生物科学领域引入尖端的数字孪生技术，无论是科研实验室还是跨国制药巨头，都将依赖这项技术进行虚拟药物开发，甚至可能将其应用于新药物的临床试验阶段。 生物融合的理念不仅推动了生物科学领域的跨学科研究，而且从某种程度上讲，网络生物安全领域所推崇的一些方法和工具正是这一融合趋势的直接产物。然而，随着研究的深入，跨学科研究为生物科学带来的不仅有积极的成果，同时也伴随着网络相关威胁的日益增加，这无疑为网络生物安全的职责范围提出了新的挑战。 值得注意的是，生物融合虽然是一个相对较新的概念，但生物科学界长期以来一直致力于将来自计算密集型学科的研究方法纳入其中。随着生物科学日益转向数据驱动的研究模式，这种跨学科的融合和创新已成为一种持续的趋势。 在生物科学领域向数据密集型研究转型的早期，人类基因组计划的圆满完成及其初步注释是一个里程碑式的事件，紧接着，一系列衍生的组学研究项目也相继启动[5]。这一转变促使生物学家开始寻求更强大的计算能力和更庞大的数字存储空间，以构建庞大的数据库来应对各类实验数据的涌入。为了挖掘这些数据，以及开发并应用先进的生物系统模拟和建模工具，同样需要强大的计算能力。这种向数据驱动型生物学的转变，孕育了众多方法论和理念，最终汇聚成现今已确立的生物信息学[6]和计算生物学领域。 生物信息学领域的突破性成就，加之生物学研究从传统的、基于假设的方法向探索性研究转变，极大地推动了生物科学的数字化进程，为更多科学发现铺平了道路。 生物信息学的发展和生物知识的数字化无疑极大地推动了科学研究的进步，但随着我们对复杂计算能力的依赖日益加深，生物科学中的许多领域也面临着越来越多的网络安全风险。这些风险不仅包含企图针对科研实验室、商业基础设施等生物经济基础设施进行的各类黑客攻击，还涉及全球实验室微生物功能增益研究可能导致的新发突发传染病大流行等安全问题[7]。 生物经济网络的各个环节均可能面临来自专业或业余黑客的潜在攻击。鉴于生物技术在经济中不断上升的重要性，以及计算机模拟生物研究的飞速发展，无论哪种类型的恶意攻击，都可能给相关研究带来复杂且极具破坏性的威胁，因此每一个潜在攻击都值得我们广泛关注。由于实验室，尤其是用于科研的生物科学实验室，普遍缺乏安全系统，因此这些威胁可能造成的潜在损害更加严重。例如，科研工作者依赖的未加密医学研究数据库可能遭受黑客攻击，导致数据破坏或丢失。 学术基础设施并非是唯一面临风险的领域。本书将探讨另一种可能性——科研和临床实验室所依赖的外部生物工程及生物制造基础设施（组织外部的设施和系统，如合作伙伴的实验室、共享的研究平台、云服务、供应链网络等）可能遭受数字破坏，这可能导致学术和临床研究结果不可靠，甚至出现误诊等威胁患者健康的情况，后果可能更为严重[6]。除了这种破坏，无论是内部（组织内部使用的设施和系统，如实验室设备、研究数据库、内部网络、计算资源等）还是外部的生物制造基础设施，都可能成为企业间谍活动的目标，旨在窃取知识产权和技术秘密，同时可能伴随因数据泄露而导致具有商业价值的专有信息和涉及个人隐私的私人信息曝光，或者发生出于恶作剧或牟利目的对生物经济内部基础设施发起的各种其他攻击。 网络生物安全领域日益关注的一个问题是，随着医疗设备物联网（Medical Device Internet of Things，MDIoT）领域内植入物（植入人体内的医疗设备，如心脏起搏器、人工关节、脑起搏器等）和工具数量的不断增加[8]，这些设备（如传感器和诊断工具）常常依赖于未加密的互联网进行连接。其中，一些设备采用了复杂的边缘计算技术，另一些设备则仅将数据简单地传回云端。然而，正因后者数字结构相对简单，它们常成为黑客攻击医院和养老院这类关键设施网络系统的突破口[9]。 随着医疗保健领域MDIoT软硬件的不断发展，MDIoT中的每一个设备都可能面临不同程度的网络生物安全威胁。以神经技术领域①为例，无论是植入式还是外部设备，由于加密和安全标准不够严格，这些设备可能会遭到破坏，不仅危及患者的健康和权益，甚至可能威胁到整个医疗机构的安全[10]。事实上，这种情况已经催生了网络生物安全领域内的一个新兴子领域——网络神经安全[11]。 本书中讨论的诸多问题可能看起来仅与生物实验室及生物科学和生物制药领域内的特定机构有关。然而，网络生物安全问题实际上与每个公民都息息相关，不论他们在科学产业中扮演何种角色，甚至未参与其中。例如，在医疗领域，患者的数据可能会遭到篡改或不当使用。除此之外，网络生物安全还涉及日益重要的粮食安全领域的网络问题，网络安全、生物安全和网络物理安全在此领域内协同发挥作用，从而共同保护基础数据、知识产权以及农业科技基础设施。 新型冠状病毒感染大流行从一定程度上导致了全球供应链的中断，这促使世界各国领导人重新审视其国家食品安全政策。随着农业技术的不断发展，我们在户外自然环境和实验室环境中均广泛引入了更加复杂的系统、自动化程序和人工智能，因此安全问题也随之日益增多。这些安全漏洞一旦触发，可能波及广泛的相关技术基础设施，包括全球定位系统和数据管理等方面。例如，黑客可能通过破坏数据或数据收集设备[如与食品分销路径上各个节点相关的众多物联网（Internet of Things，IoT）传感器]，对这些系统发起大规模攻击，从而引发严重的食品安全和供应保障问题。 网络生物安全在强化食品安全相关的各项流程，以及进行食品供应链压力测试、识别风险并提出解决方案等方面发挥着重要作用。 本书均由网络生物安全领域内的专家撰写，作者对该领域的各个方面进行了深入评估与分析。各章主要内容介绍如下。 兰德尔？默奇（Randall Murch）介绍了这一新兴领域的发展历程及其*初的使命，提供了一个深入且富有个人见解的早期发展叙述。 亚历山大？提图斯（Alexander Titus）及其合著者提出了国家安全可能在网络生物安全发展过程中受到的影响，并强调了网络生物安全（cyberbiosecurity）与网络安全（cybersecurity）和生物安全（biosecurity）的区别。他们认为，该领域的名称应明确为“网络生物安全”，而非生物网络安全（biocybersecurity）。 相比之下，卢卡斯？波特（Lucas Potter）和泽维尔-刘易斯？帕尔默（Xavier-Lewis Palmer）则明确区分了“生物网络安全”和“网络生物安全”这两个术语的概念，并指出了这两个经常被混淆的术语在理论意义和实际应用上的区别。 黛安？迪尤利斯（Diane DiEuliis）在其撰写的章节中介绍了如何利用网络生物安全技术来确保生物科学和生物经济领域日益增多的数字工具的安全，以防止它们被滥用于有害目的。 埃里克？尼（Eric Ni）、加姆泽？古尔索伊（Gamze Gursoy）和马克？格斯坦（Mark Gerstein）认为，从样本采集到检测和数据入库，再到最终的数据分析，网络生物安全风险暗藏于生物科学领域人类数据获取与研究过程中的每一个*立步骤，并讨论得出了保护这些数据的关键方法。 彼得？奈（Peter Ney）等同样剖析了数据工作流程（数据从生成、收集、处理、存储到分析和使用的一系列步骤及活动），并强调了可能存在的重大安全隐患，包括软件安全实践不佳（在软件开发、部署和维护过程中，未能遵循最佳安全实践和标准，从而导致软件存在安全漏洞或弱点，容易被攻击者利用）、硬件安全系数低，以及基因数据库中普遍缺乏数据完整性检查等问题。 拉米？普齐斯（Rami Puzis）和伊萨娜？韦克斯-卢尔林斯基（Isana Veksler-Lublinsky）致力于开发一个评分系统，以系统性地量化生物传感器、合成基因等生物系统中的不足和漏洞可能带来的风险。他们提出，经过适当的调整，他们开发的用于评估网络生物安全攻击的通用漏洞评分系统（common vulnerability scoring system，CVSS），可用来量化网络生物安全的风险。 玛丽亚姆？埃尔加布里（Mariam Elgabry）在其撰写的章节中试图识别与网络生物安全相关的其他类型的风险，特别是那些由合成生物学或生物技术促成的犯罪活动。该章节通过采用德尔菲研究法，展示了一个用于开发从设计上就可抵御网络生物安全威胁的技术框架。 新冠疫情为生物经济的诸多方面提供了学习经验，尤其是对新兴的网络生物安全领域。西古娜？穆勒（Siguna Mueller）以COVID-19大流行为视角，对特定的网络生物安全威胁进行了评估，包括使用网络工具将病原体武器化等。该章中提出，研究人员可以利用这一工具来分析并发现生物经济发展过程中可能被恶意利用的漏洞。 埃莱奥诺？波威尔斯（Eleonore Pa
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