量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)技术基于海森堡不确定性原理、未知量子态不可克隆原理和量子态测量塌缩等量子力学基本原理,可以为通信双方提供绝对安全的密钥。在C.H.Bennett和G.Brassard提出第一个量子密钥分发协议BB84协议之后,量子密钥分发在理论和实验上都不断进步,成为最先获得实际应用的量子信息技术。点对点的特性使得量子密钥分发系统只能在节点与节点之间进行通信,从实际应用出发,量子密钥分发必须由点对点传输,发展成为量子密钥分发网络。量子密钥分发网络因为实现技术的限制被划分成两类,我们把需要中继节点的广域网称之为主干网,把不需要中继,利用经典光学器件实现的局域网/城域网称之为接入网。量子密钥分发主干网络主要实现远距离、多节点之间的安全密钥的转发功能,量子密钥分发接入网络主要是实现城域范围内多用户的动态接入功能。本文对于大规模量子密钥分发网从科研走向实际应用过程中遇到的困难进行分析,并提出了相应的解决方案。首先,为了解决主干网应用过程中遇到的问题,本文基于可信中继量子密钥分发网络架构,分析了现有QKD网络中网络层协议的局限性,结合经典计算机网络最新进展,提出了软件定义量子密钥分发网络(SDQKDN)的概念。文中讨论了SDQKDN的架构,重点设计了SDQKDN中拓扑管理和转发管理两大业务。我们还基于现有SDN技术,搭建了mininet+floodlight的实验环境用以仿真SDQKDN原型网络,通过floodlight的拓扑发现与静态流表制定功能来模拟SDQKDN中的拓扑管理和转发管理业务。其次,本文分析了多个接入网实现方案,在综合考虑成本、密钥生成速率、信道控制协议复杂度等因素之后,选择光开关网络作为接入网实现方案。本文对Q3P协议进行了扩展,研究了基于光开关网络的时分复用机制、用户动态接入机制,以求满足量子密钥分发接入网的功能需求。本文基于CORE平台,设计了一个实验网络,对扩展的Q3P协议进行了测试。最后,将关于主干网的设计和接入网的设计进行了集成,以一次通信过程为例,介绍主干网和接入网是如何协同工作的、软件定义量子密钥分发网和扩展的Q3P协议是如何协同工作的。