混沌与密码学之间存在本质联系,但仅依赖遍历性与初值敏感性混沌密码的安全性没有获得突破性的进展。因此新非线性动力学机制的探索是混沌密码研究的一种关键手段。具有短期不可预测性质的渐进确定性随机连接了混沌与随机过程,是对耗散及保守系统动力学理论的发展,在突破混沌密码安全性瓶颈方面具有重要作用。本文主要研究基于同步理论的时空确定性随机自同步流密码系统和神经密钥交换协议,主要工作包括:第一章简要介绍了传统密码体制以及基于同步技术的混沌保密通信与密钥交换技术研究现状。第二章研究了基于神经网络互学习的高效率密钥交换协议,在详细分析针对此协议几何及组合攻击方案的基础上,基于渐近确定性随机解释模型,提出一种同步与混淆分离的神经密钥交换协议,在必要的同步驱动基础上,利用不可逆非线性变换对感知器的输出实现充分混淆,统一了神经密钥交换协议可同步性和混淆性之间的矛盾。分析和实验结果表明,在不影响同步时间条件下,可将几何攻击的成功概率降为强力攻击的水平,而组合攻击的成功概率仍随权重取值范围的增大而指数衰减。进一步详细分析了所提方案在一种改进组合攻击下的安全性能。第三章对目前安全性最高的一类时空混沌自同步流密码进行了安全性分析,研究发现此类原型方案等价于近似渐近确定性随机系统,并存在重要安全与性能缺陷。即单级扩散和混淆能力弱,只有在很高耦合强度下才能实现并行加密,以及在特定条件下将退化为一维混沌系统并对微扰不敏感。在此基础上提出两种类差分选择密文攻击算法,在此攻击下数百步的迭代便可恢复密钥。第四章在渐近确定性随机解释模型基础上,提出了一类基于同步的时空渐近确定性随机自同步流密码。分析与实验结果表明:3级级联便可达到时空混沌自同步流密码280级级联的密钥敏感性;在宽耦合强度范围内所有格点输出统计不相关,可在一维结构下实现并行加密;所提方案对耗散及保守系统的扩展,在常数驱动下不存在时空混沌系统维数退化现象,可以抵抗提出的类差分攻击。