保证通信信息的安全性一直是人们研究的重点,传统的通信加密方式因为量子算法和量子计算机的出现,呈现了不可避免的弊端,所有依靠于RSA、ECC等非对称加密算法的通信网络存在着巨大的安全隐患。在世界上第一个量子密钥分发（Quantum Key Distribution,QKD）协议——BB84协议提出之后,基于QKD的量子保密通信就进入了人们的视野。尽管对于QKD的研究已经发展了近四十年的时间,现有基于QKD的量子保密通信系统仍然存在很多亟待解决的问题。例如,没有考虑通信双方身份的合法性,没有考虑QKD系统在实际使用当中存在的不理想情况,如信道噪声、设备误差、探测误差等,需要在量子密钥分发协议中添加合适的方法来进行身份认证和误码的纠正。另外,QKD协议只支持短距离、直连式、点对点的密钥分发,在大规模的量子网络应用中,一方面需要设计一个高效的多用户群组密钥协商协议,另一方面需要综合考虑QKD网络中的多种因素,设计一种量子密钥路由算法,解决远距离、跨设备的密钥路由问题。本文依托于保密通信国防科技重点实验室项目,围绕现有QKD系统存在的以上问题,设计对应改进的量子密钥分发协议与量子密钥路由算法,主要创新工作如下:1.首先,本文定义了一个基于软件定义网络的量子密钥分发网络四层架构,用以确定本文协议和算法的工作层级和工作模式。然后面向短距离点对点式的密钥分发,针对现有研究没有考虑身份认证、不理想的现实环境、成钥率较低等多种问题,提出了一种基于Bell态的认证量子密钥分发（Based on Bell State with Authentication Quantum Key Distribution,BBS-AQKD）协议,该协议能够在密钥协商的阶段同时实现量子身份认证与量子密钥分发,并具有快速身份校验、误码估计、误码纠错等功能。通过安全性分析,证明了该协议中共享密钥和身份认证的安全性。2.针对大范围网络下的群组安全通信,基于BBS-AQKD协议的安全性保证,提出了一种划分密钥域的量子群组密钥协商（Partitioning Key Domain Quantum Group Key Agreement,PKD-QGKA）协议。与传统的组密钥协商协议相比,该协议采用分布式的思想,组密钥的生成是由所有组成员共同计算得到的,避免了单一节点造成的不可信问题;另外划分密钥域的方式可以在已有密钥资源的基础上,减少了密钥协商轮次,加快了组密钥的生成速率。3.面向远距离、可信中继式的密钥路由,针对现有研究度量方式不够全面、路由算法不够合理等问题,综合考虑了链路长度、链路跳数、信道噪声、可用密钥量以及服务质量等多种因素,设计了一个新的路由度量函数——链路贡献度,并基于链路贡献度提出了一种量子密钥路由算法（Based on Link Contribution Quantum Key Routing Algorithm,BLC-QKRA）。仿真实验表明,该算法在密钥分布率、平均密钥传递时延以及网络服务质量等方面均优于现有研究。4.针对本文所提出的协议和算法,搭建实现了量子密钥分发网络监管系统,分别实现了BBS-AQKD协议和BLC-QKRA路由算法。并利用协议的执行结果,实现了数据信息的加密传输以及完整性校验;利用密钥路由算法,实现了密钥路由路径的快速计算。