空间信息网络具有广覆盖、大尺度、高扩展性等诸多优势,是实现未来天地一体、万物互联信息网络的必要基础设施,将与地面网络在深度融合的基础上,一同发挥不可替代的作用。同时,与地面网络相比,空间信息网络又有着大延时、高误码率、高动态性、资源受限等特点,不能直接利用地面网络已有的技术,而必须根据空间环境、航天器平台和网络应用特点开展针对性的研究。本文针对空间信息网络的特点,开展网络架构设计研究,形成了从总体设计到分学科设计的初步方案。首先,在分析空间信息网络系统方案的发展历程的基础上,对网络架构设计方面的研究进行了系统梳理,将架构设计分为总体设计和分学科设计两个方面,并凝练出其中的关键问题。针对空间信息网络的特点,提出基于SDN(Software Defined Network)的网络架构总体模型;按照网络层次,将架构设计划分为网络拓扑结构、网络接入和路由策略三个学科,分别阐述了各个学科的研究要点和重点,为具体设计提供依据。其次,针对空间信息网络的主要特点,从星座构型和星间链路两个方面入手,在深入分析星座覆盖性能及链路性能的基础上,开展网络拓扑结构的设计。考虑多约束、非线性、多目标的复杂情况,按照MDO(Multidisciplinary Design Optimization)方法,建立优化模型,利用遗传算法对网络拓扑进行优化,通过联合仿真平台得到优化结果。第三,针对网络接入段的设计需求,以多波束天线为切入点,进行空间信息网络接入设计。考虑星地信道模型,基于“等通量”覆盖原理设计了19阵元7波束的天线阵元的结构,并进行了波束赋形仿真。从多址技术出发,设计了适用于空间信息网络接入段的SOTDMA(Self-Organized Time Division Multiple Access)方案,对用户终端的接入过程进行了详细的阐述。第四,针对由空间信息网络拓扑动态性带来的路由困难的问题,在分析拓扑动态性屏蔽方法的基础上,通过覆盖域划分来设计网络移动管理策略,将网络地址与接入设备解绑而与地理位置信息绑定,解决了该问题。基于地理位置信息,在网络地址抽象的基础上,建立起星间转发路径评估准则,提出了负载均衡和QoS(Quality of Service)保证的路由策略。最后,利用STK与EXata软件搭建起了空间信息网络架构联合仿真平台,并设计了仿真算例验证了平台的可靠性,为进一步具体网络协议设计和进一步的半实物网络仿真提供支持。