混沌系统的许多基本特性,如:遍历性、混合性、确定性和对初始条件的极端敏感性,可以和密码学中的混淆和散布概念联系起来。因此,混沌理论能够直接用于设计密码算法。这类算法一般需借助数字电路或计算机软件实现,故称之为混沌密码算法。混沌密码算法发展至今,其面临的主要问题有:目前尚缺乏全面论证其安全性的理论;有限运算精度效应带来混沌系统的动力学特性退化。对于前者,混沌密码的测试显得尤为重要。对于后者,可通过采用多个混沌系统及扰动策略来改善。另一方面,常规密码的安全性具有完善的数学理论支撑,利用常规密码和混沌密码相结合的方式有望构成安全性好的密码算法。因此,本学位论文的研究主要围绕混沌序列的特性测试及复杂性度量、多个混沌系统构成的加密算法、常规密码与混沌密码相结合构成的加密算法这三个方面来展开。具体来说,本文的主要研究成果包括以下几个方面:1.对几类常用的混沌序列进行随机性检测。测试结果表明,对于混沌伪随机序列,需重点进行频数测试、分组频数测试、游程测试和近似熵测试。同时,得到了关于迭代次数、分划精度与混沌序列伪随机性之间关系的若干结论。2.提出分别反映混沌伪随机序列复杂度和序列局部随机性的新参数——原生系数IPP和原生子序列最大长度LHmax。此外,定义重量原生系数和重量原生子序列最大长度的概念,使用IPP和LHmax的绝对变化量?IPP,k和LH max,kΔ、相对变化量dIPP,k和四个指标来衡量混沌伪随机序列的稳定性,并用它们比较几类混沌序列复杂性的稳定度。数值分析表明此方法是可行的。d LHmax,k3.讨论有限精度效应对混沌系统特性的影响。在此基础上,提出了一种由混沌系统和最长线性反馈移位寄存器构成的扰动方案,其扰动间隔不固定,而是在一定范围内随机动态变化。基于此扰动方案,采用Logistic强混沌映射、4阶Chebyshev混沌映射和最长线性反馈移位寄存器构成伪随机流发生器(mLC-PRNG),其生成的伪随机序列通过了NIST测试。4.采用多个混沌系统构成一种信息加密算法。该算法采用离散混沌映射,不需要解微分方程,利用混沌映射级联和迭代次数的动态变化改善有限精度效应,提高了密文的复杂性和不可预测性。另外,当系统轨道落入不动点时,对其施加一个微小扰动量2-P(P表示运算精度)令其脱离,避免了不动点对算法安全性的影响。仿真测试表明,该加密算法对明文和密钥变化极为敏感,能够有效抵抗利用统计特性、差分特性和相空间重构进行的攻击。5.探讨并研究由多个混沌系统构成的图像加密算法。针对基于流密码结构的图像加密算法,为提高其安全性,提出一种基于顺序-逆序流密码结构的多混沌图像加密算法,该算法采用两个伪随机流发生器mLC-PRNG。另外,提出一种与小波变换相结合的多混沌图像加密算法。两种算法均具有密钥空间大和安全性高的优点。6.对文献中现有的两种多混沌图像加密算法分别进行了分析,指出其不安全的根本原因,给出了一些改进建议,如:引入密文反馈机制、使用两轮或两轮以上加密、采用更复杂的非线性变换等,以增强密文对明文变化和密钥变化的敏感性,提高算法的抗攻击能力。7.提出一种基于广义IDEA和时空混沌的变长分组密码算法——GCIDEA。该算法综合了常规密码和混沌密码的优点,其分组长度可变,密文不可预测性强。该算法密钥空间大,密文对明文和密钥的变化极为敏感,能够抵御利用密文统计特性、差分特性等实施的攻击。最后总结了本文的主要研究工作,并对未来的研究方向进行了展望。