量子密钥分发（Quantum Key Distribution,QKD）技术基于量子力学基本原理,可为远程通信方提供安全密钥分发服务。将该技术与一次一密等加密算法结合,可大幅提升网络空间中关键信息传递的安全性。然而单套QKD设备只支持两点之间的密钥分发、分发速率十分受限于光纤长度等等,这些特异性使得利用多套QKD设备组建高性能QKD网络变得非常困难。本文通过对QKD网络关键特性的刻画与模拟,以最大化通信需求满足度为目标,从静态拓扑设计和动态路由优化两个角度出发,研究了QKD网络的高性能构建方法,对于推进QKD技术在网络空间安全领域的大规模应用具有重要的理论意义和广泛的实用价值。本文的主要研究内容和创新性成果如下:（1）构建了一种基于网络流理论的静态混合QKD网络（Static Hybrid QKD Network,SHQN）数学模型,对协议种类多样性、密钥分发速率受限性、不可信中继选取必要性、密钥供需矛盾性和通信需求并发性等五项静态关键特性进行了数学刻画,并为后文奠定了理论基础。具体而言:通过设计基于光纤依赖性的协议分类机制,提出了一种包含边分类与流分类的拓扑图表示,实现了对协议种类多样性的数学刻画;将密钥分发速率设置为重要的边属性,实现了对密钥分发速率受限性的数学刻画;将平均通信需求、密钥消耗比例与可信性设置为重要的节点属性,实现了对通信需求并发性与不可信中继选取必要性的数学刻画;将整倍限制、容量限制与流量守恒设置为重要的流属性,实现了对密钥供需矛盾性的数学刻画。（2）基于SHQN数学模型,提出了一种静态拓扑评估方法及相应的最优混合拓扑设计方案,用以评估和提高QKD网络的平均通信需求满足度。在拓扑评估方面:通过综合考虑通信需求满足度与可信性管控成本之间的博弈关系,提出了一种包含ITS通信能力与网络构建成本的拓扑评估方法;面向QKD设备部署与中继节点选取两个典型的拓扑设计需求,验证了拓扑评估方法的有效性与必要性。在拓扑设计方面:以ITS通信能力最大化为优化目标,成本限制、可信性管控等为约束条件,提出了一种最优混合拓扑设计方案;基于真实NSFNET拓扑与虚拟随机拓扑,验证了拓扑设计方案的有效性与通用性。（3）构建了一种基于混合拓扑的动态混合QKD网络（Dynamic Hybrid QKD Network,DHQN）仿真模型,在SHQN数学模型的基础上,增加了对通信需求波动性这一动态关键特性的模拟刻画。具体而言:通过选用信息中继的应用模式、设计数密分离的两层架构,提出了一种以路由协议为核心的仿真框架,实现了对密钥供需矛盾性的模拟刻画;通过设计基于逻辑拓扑转换的密钥分发模块,实现了对协议种类多样性、密钥分发速率受限性与不可信中继选取必要性的模拟刻画;通过设计基于泊松随机过程的流量生成模块,实现了对通信需求并发性与通信需求波动性的模拟刻画。（4）基于DHQN仿真模型,提出了一种动态路由评估方法及两项路由优化方案,用以评估和提高QKD网络的实时通信需求满足度。在路由评估方面:以ITS通信能力为基准,通信需求满足度为标杆,提出了一种包含ITS通信效率、送达率、时延与路由代价的路由评估方法;考虑到无线自组网与QKD网络的相似性,通过三种典型无线自组网路由协议的性能对比,验证了路由评估方法的有效性。在路由优化方面:为了解决链路状态频繁更替与量子密钥利用率低的问题,分别提出了基于剩余密钥量的链路状态预判与基于密钥恢复能力的寻径策略改进两项优化方案;通过改进路由协议与两个现有路由协议的性能对比,验证了优化方案的性能优势。