混沌系统具有对初始条件敏感性、遍历性、拉伸折叠变换特性、正的李氏指数、奇异吸引子等特性,这些特性与现代密码学中的扩散和混淆等特征密切相关,因此其在密码学方面有着巨大的应用价值。近年来,混沌保密通信受到了人们的广泛关注。然而虽然有大量的混沌密码设计与分析的研究成果被发表,但基于混沌的密码算法仍需要经过相当长的时间才能被大规模的实际应用。混沌密码体制的安全问题主要分为两大类:加密算法的结构和混沌系统本身。其中对于混沌系统自身问题主要是由于在计算机等有限精度的设备上实现混沌系统时,混沌系统将会出现动力学性能退化现象,这将极大地破坏基于混沌系统的密码体制的安全性,从而阻碍其在实际应用领域的发展。首先,为了克服数字混沌系统在有限精度下的动力学性能退化现象,不同于其它使用m序列或某些数字混沌系统作为扰动源的方法,本文使用连续混沌系统Chen作为扰动源,并使用Chen混沌系统的输出分别扰动数字混沌映射Chebyshev的参数以及输入,利用Chen系统的轨迹对数字Chebyshev系统进行补偿。基于此种改善方案,设计了一种具有非常良好随机性能的伪随机数生成器。最后,对改善后的系统模型以及伪随机数生成器进行仿真测试。其次,使用无迹卡尔曼滤波器(UKF)算法和扰动反馈技术混合操作来改善混沌系统的动力学性能退化。其中UKF算法用于预测和估计近似理想的数字混沌序列。然后,采用扰动方案对预测值进行扰动反馈,使得最终的输出获得更高的随机性及安全性,从而能够抵御如相空间重构技术等的攻击。使用一维和三维混沌系统分别来验证此改善方案,仿真结果表明了该方法的有效性、优越性和鲁棒性。同时,设计出对应的伪随机数生成器,并通过测试表明其具有优越的性能。最后,利用混沌映射Chebyshev多项式的半群特性以及相应的数学计算难题设计出适用于无线传感器网络的数字签名技术;同时使用第一个研究课题所设计的混沌退化改善方案所生成的混沌系统设计一个新的哈希函数,将改善后的混沌方案进行整数化操作,并将其作为哈希函数的压缩迭代函数,以使得所设计的哈希函数适用于节点资源有限的无线传感器网络。结合此数字签名方案与哈希函数方案,最终构成基于混沌的无线传感器网络广播身份认证方案。将此协议在硬件平台CC2530上实现,并给出各种性能测试与功耗分析。