在以互联网为核心的信息时代,网络已经成为消息传递、资源共享的主要渠道,对国家经济和社会生活有着重大影响。网络的普遍性和开放性促使接入互联网的设备越来越多,给人们提供了大量的信息和便捷的服务。然而,凡事有利必有弊,它的广泛应用也给信息安全带来了很多新的威胁。在一个存在敌手的网络环境中,保证会话参与方安全的通信成为了维护网络稳固发展的重要因素。认证和密钥交换协议是解决网络信息安全的一种重要机制,协议使得通信参与方相互认证身份并且生成共享密钥保护后续的通信内容。传统的认证和密钥交换协议通过用户口令来实现身份认证和共享密钥生成,常常遭受到来自网络攻击者的撞库攻击、密码猜测攻击、仿冒攻击、中间人攻击等。随后,为增强协议的鲁棒性,存储技术被应用到协议设计中,基于移动存储的认证和密钥交换协议由此形成。基于移动存储的认证和密钥交换协议利用设备的存储能力,通过注册手段获取额外的认证参数,大大提高了协议抵抗攻击的能力。本文对基于移动存储的认证和密钥交换协议进行了深入研究,并且基于三种不同的新兴场景,设计提出了高效安全的协议。其中,无线体域网场景下的协议通过异或运算和哈希散列函数方法实现;远程医疗场景下的协议通过椭圆曲线密码学方法实现;车载自组织网络场景下的协议通过迪菲-赫尔曼算法思想实现。在协议的安全分析中,本文一方面采用攻击者视角,模拟对协议的攻击来进行非正式化的安全分析;另一方面通过正式化的形式(BAN逻辑、协议自动化分析工具或者随机预言机模型)来证明协议能够达到预期目的。在协议的性能分析中,通过对比相关协议的安全特性和计算、存储方面的成本,可知本文设计的新协议综合表现较好。