空间信息网络是构建未来全球数据通信业务的基础性平台,是天、空、地一体化的集成网络系统,能够为用户提供广域无缝的信息网络服务,在国防安全、航空航天、应急救援、智慧城市等多个领域都具有广阔的应用前景。与传统的信息网络相比,空间信息网络采用多星共轨、空地协同的网络架构来提升网络的传输、覆盖以及稳定性等能力。由于网络中节点种类多样、数量众多、功能各异,空间信息网络结构非常复杂,大大增加了网络体系结构设计的难度;另一方面,构成空间信息网络的各节点都处于高速运行的状态,节点的动态变化导致整个网络拓扑结构也会随之快速变化,为空间信息网络的拓扑控制带来了新的挑战。针对以上难题和挑战,论文着眼于未来空间信息网络的建设和发展,具体围绕网络结构优化设计和拓扑控制展开深入研究,取得的成果包括以下几个方面:针对空间信息网络空间段网络的优化部署问题,提出一种保障服务质量（Quality of Service,Qo S）和网络稳定性的低轨（Low Earth Orbit,LEO）卫星宽带网络星座优化设计方法。在宽带应用场景下,首先,建立LEO卫星网络的Qo S指标体系;并根据网络中相邻轨道卫星之间相对位置的变化关系,定义了LEO卫星网络的稳定性因子。然后,为实现一个具有高稳定以及最优效费比的LEO卫星宽带网络,建立了卫星网络部署的多目标优化模型,并且将Qo S指标作为优化模型的约束条件。最后,针对该非凸、非线性、不连续的优化模型,提出一种改进的非支配排序算法（Non-dominated Sorting Genetic Alogrithm,NSGA-Ⅱ）,该算法能够对包含约束条件的多目标优化模型进行高效求解。实验结果表明:提出的LEO卫星宽带网络星座设计方法可以有效的解决空间信息网络中LEO卫星网络的优化部署问题。针对空间信息网络底层拓扑的高动态性以及间歇连通的特点,提出了一种改善网络传输效率的拓扑控制方法。首先,根据空间信息网络中节点和链路的可预测性,建立了空间信息网络的空时图模型,该模型能够获取时变网络空间维和时间维的全部拓扑信息。其次,利用边介数中心性定义了空时图中的有效路径,有效路径可以绕过具有较高介数的边,防止某条边因过载而导致网络拥塞。最后,提出了一种基于有效路径的空间信息网络拓扑控制策略,该策略能够在最小化网络能耗代价的同时提高网络效率。与已有的动态网络拓扑控制方法相比,基于有效路径的拓扑控制策略生成的稀疏拓扑具有更高的网络效率,并且能够显著降低网络的能耗代价。针对空间信息网络空时跨度大、拓扑动态变化导致网络端到端时延增加的问题,提出了满足时延约束的拓扑控制方法。首先,建立空间信息网络的进化图模型,利用进化图模型的可达性来描述网络的时间连通性;将网络某一时刻起满足时延约束的时间连通区间定义为该时刻的传递闭包。其次,提出满足时延约束的最小代价拓扑控制算法,该算法利用递归的方式搜寻每个传递闭包中具有最小代价的路径,合并全部最小代价路径最终生成新的网络拓扑。最后,提出满足时延约束的高效费比拓扑控制算法,该算法能够在网络的每个传递闭包中构建支撑图,可确保生成网络具有一定的支撑性。实验结果表明:两种算法在满足时延约束条件下,既能够保持网络的时间连通性,同时也能够显著降低网络的能耗代价。针对实际部署的空间信息网络存在大量有损链路,导致网络数据传输可靠性降低的问题,提出了满足可靠性要求的拓扑控制方法。首先,建立了有损链路空间信息网络的概率进化图模型,模型中有向边的连接概率表示该边所连接两个节点之间数据传输的可靠性。其次,提出了满足时延约束的最可靠路径拓扑控制算法。该算法利用递归的方式搜寻网络中每个传递闭包任意节点之间的最可靠的路径。最后,提出了满足可靠性约束的最小代价拓扑控制算法。该算法利用容斥原则构建每个传递闭包任意节点之间满足可靠性门限且最小代价路径。实验结果表明:两种算法都能够以较低的能耗在稀疏化的网络中实现数据的可靠性传输。