序列密码的设计思想正在从线性序列变换到非线性序列,与此同时涌现了很多性质良好的非线性部件。进位反馈移位寄存器(FCSR)由于自带非线性,类似于LFSR的代数结构,具备优良的密码学性能,被认为是LFSR的一个较好的替代。在研究FCSR的结构和生成序列的同时,基于FCSR设计的各种新型序列密码开始出现,催生了各种针对FCSR类密码的分析技术与攻击手段,这反过来促进了FCSR理论与结构的进一步完善。本文主要研究了基于FCSR的序列密码的研究现状和理论成果,设计了两种基于Ring FCSR级联的序列密码,分析了其生成的伪随机密钥流的统计特性和密码结构安全性,具体研究内容主要分为如下两个方面的:一方面:通过分析基于伽罗瓦结构的LFSR和伽罗瓦结构的FCSR级联的序列密码,证明了其无法抵抗M.Hell等人提出的实时攻击。为进一步增强这种级联结构的安全性,在将伽罗瓦结构的FCSR替换为环结构FCSR,以及提出带多输入的Ring FCSR基础上,设计了一种基于LFSR和FCSR级联的可变结构序列密码;给出了可变结构的两种方案,论述了构造的原理、优势、初始化方法。分析了所生成序列的周期和复杂度,证明了所提出的新结构可以有效避免初态碰撞,抵抗实时攻击和侧信道攻击。给出了数字电路实现过程,并使用随机数检测标准对所生成的序列进行了伪随机性测试。另一方面:通过小尺寸的环结构FCSR获得大周期的性能良好的大尺寸的环结构FCSR的级联方法目前没有很好的解决方案。本文在研究Ring FCSR的矩阵表示的基础上,运用分块矩阵的原理,给出了一种基于Ring FCSR的级联反馈方式,列出了具体的设计结构和安全参数,分析了级联方式的优点和缺陷。并基于此设计了一种序列密码方案,详细分析了输出序列的统计特性:周期性、复杂度、均衡性、相关性等。通过对该密码结构的安全性分析发现其无法抵抗Qi等人提出的区分攻击,为此我们进一步给出了三种较为简洁的解决方案:进位加法、自缩与单比特搅拌,以理论分析与实验验证了三种方案的有效性。基于同样的原理,本文也给出了面向软件的环结构的FCSR级联理论与基本结构。最后,我们在数字电路上实现了面向硬件的序列密码,并使用SP800-22检测标准、GM/T0005-2012检测标准和AIS31标准检测进行伪随机性检测。本文设计的两种基于FCSR级联的序列密码结构简单,安全性较高,均可在专用集成电路和FPGA上进行实现,具备较好的实用价值。