自上世纪80年代开始,混沌密码学作为一门新兴学科,走进了国内外研究人员的视野,并引起了众多关注。接下来的几十年里,在多媒体信息保护（图像、语音和视频等）、云计算和网络空间安全等领域应用并取得了一定的成果。但是与传统密码学相比而言,混沌密码学在理论研究、密码设计规则、衡量标准、安全性分析和软硬件实现技术等方面尚不成熟。随着人们对网络空间安全意识的提升,如何设计出能在实际信道中应用且安全高效的混沌密码系统已经成为了目前亟需解决的问题之一。因此,为了有效解决上述问题,本文主要研究了自同步混沌流密码的设计、分析与硬件实现,具体工作如下:1.给出了一种基于Virtex-7的视频混沌保密通信的FPGA设计与实现方案。在加密算法设计方面,提出了一种采用3个状态变量相乘结果的低8位对视频像素RGB三基色进行加密的7-D自同步混沌流密码,安全分析证明该算法能有效抵御遍历单个非0分量初始条件的分别征服攻击（DCA-TSNCIC）。在系统集成设计方面,设计了网络传输IP核（Intellectual Properpty）和混沌加解密IP核,从而实现系统的TCP/IP网络传输功能和混沌加解密功能。最后,通过IP核集成设计的方法实现了视频采集、显示、以太网传输和混沌加解密功能。安全性分析、FPGA时序仿真结果以及系统硬件实现结果证明了该方案的可行性。2.提出了一种基于H.264编解码的双工视频混沌保密通信及手机实现的设计方案。在加密算法设计方面,提出了一种采用正弦调制、乘法运算、取模运算和向下取整运算四者相结合的改进型3-D自同步混沌流密码算法（3-D SCSC-SMMR）。在安全性分析方面,提出了一种针对3-D SCSC-SMMR的改进型分别征服攻击方法,并且证明了3-DSCSC-SMMR能有效抵御该攻击方法。此外,还证明了在分别征服攻击失效的情况下,利用一些基本的密码分析方法无法进一步破译3-D SCSC-SMMR的原始密钥。在手机实现方面,实现了实时视频的H.264硬件编码和解码功能,以及H.264 bitstream的混沌加密和解密功能。安全性分析结果和手机实现结果证明了该方案的可行性。3.提出了一种将选择密文攻击和遍历多个非0分量初始条件的分别征服攻击（DCA-TMNCIC）相结合的方法,对一类采用2个混沌变量加密和3个混沌变量加密的n-D（n=3,4,5,6,7,8）自同步混沌流密码算法（n-D SCSC-2和n-D SCSC-3）进行了安全分析。以其中的3-D SCSC-2和4-D SCSC-2作为典型实例,给出了选择密文攻击和DCA-TMNCIC相结合的密码分析结果,该方法主要适用于n-D SCSC-2和n-D SCSC-3（n=3,4,5,6,7,8）。此外,还讨论了 DCA-TSNCIC 和 DCA-TMNCIC 的比较结果,证明了DCA-TMNCIC的攻击强度要高于DCA-TSNCIC。4.针对n-D SCSC（n=3,4,5,6,7,8）的安全漏洞,分别从标称系统和混沌加密序列的设计这两个角度出发,提出了若干种能有效抵御分别征服攻击方法的自同步混沌流密码的改进方案。首先,从标称系统的设计角度出发,设计了两种基于非线性标称矩阵的3-D自同步混沌流密码改进方案（3-D SCSC-NNS-A和3-D SCSC-NNS-B）;然后,从混沌加密序列的设计角度出发,设计了一类基于正弦函数调制的n-D自同步混沌流密码改进方案（n-D SCSC-SM（n=3,4,5,6,7,8））。最后,对这些改进方案进行了相应的安全分析,密码分析结果表明,与n-D SCSC-2和n-D SCSC-3（n=3,4,5,6,7,8）相比,这些改进方案能使得分别征服攻击完全失效,从而保证在选择密文攻击和DCA-TMNCIC的联合攻击下是安全的。此外,还进行了相应的硬件实现,以3-D SCSC-NNS-A为例,给出了其在FPGA平台上实现的时序仿真结果,以3-D SCSC-SM为例,给出了其在手机平台上的性能测试结果,验证了这些改进方案在硬件平台实现混沌保密通信的可行性。