当今网络已经渗透到政治、经济、文化、社会、军事等各个领域,然而目前网络信息却面临着严重的安全隐患。基于量子力学的量子密钥分发技术(Quantum Key Distribution,QKD)可以在两个节点之间分发信息论安全的密钥。结合一次一密的加密方式,QKD可以确保加密通信的无条件安全,消除当前网络信息的安全隐患。为了实现QKD系统的广泛部署以及QKD技术的产业化应用,点到点的量子密钥分发系统逐渐扩展为面向多点互联的量子密钥分发网络。城域网是连接接入网和城际网的枢纽,占据了整个通信网总流量的75%,因此保证城域网范围内的安全保密通信更显意义重大。但是目前量子密钥分发速率较低,如何利用网络资源优化技术,构建高效的、可扩展的量子密钥分发城域网(QKD Metropolitan Area Network,QMAN)具有重大的科学价值和研究意义。本文以国家自然基金项目为依托,从网络架构、节点结构以及资源分配等方面对如何构建高效的QMAN进行了深入研究,设计了两种量子中继节点结构,并针对量子密钥分发城域网两种不同的场景提出了相应的密钥资源分配方案,提高了 QMAN多点互联场景下量子密钥的整体利用效率。主要完成的工作和创新点如下:第一,针对目前量子节点功能单一与多样化需求的矛盾,本文设计了一种支持旁路功能的量子节点,使得节点可以根据控制信息判断是否需要在该节点进行加解密操作,提高了节点的兼容性,为在城域网范围内构建无中继网络奠定了物质基础。此外,本文设计了一种拥有多中继功能的量子节点,该节点借助分束器等设备实现了对加密密钥的多点中继,为进行全局量子密钥分发、保证组播业务安全提供了新的思路。第二,针对QMAN中密钥资源供给不足的问题,本文借助支持旁路功能的量子节点,提出了两种基于旁路的路由与密钥资源分配算法。算法通过对路径中某些节点进行旁路的方式,减少密钥资源的消耗。仿真结果显示,与完全不进行旁路的路由资源分配算法相比,这两种算法都节约了超过20%以上的密钥资源,极大了提高了安全业务的密钥分发成功率。第三,针对安全组播场景下全局量子密钥分发资源利用效率低下的问题,本文借助支持多中继功能的量子节点,提出了基于密钥中继树的路由资源分配算法,对同一链路上的同一份数据只用一份密钥加密,提高了安全组播环境下的密钥资源利用效率。针对具体的量子密钥分发数据中心网络,本文又提出了基于分布式子密钥中继树的密钥资源分配算法,同时利用了多个数据中心分发密钥资源,实现了分布式密钥资源的分发。仿真结果表明,与不使用多中继的方案相比,基于密钥中继树的路由资源分配算法提升了 15%的业务安全概率。而在量子密钥分发数据中心场景下,相比单密钥树方案,基于分布式子密钥中继树的密钥资源分配算法的业务安全概率提升了 31.25%。