传统封闭式的网络设备阻碍了网络创新技术的发展,增加了网络优化的难度。软件定义网络（Software Defined Network,SDN）是一种控制与转发相分离的网络架构,控制平面通过集中式的方式提供开放统一的接口,实现灵活的可编程能力,简化了网络的管理,提升了网络的灵活性。由于SDN具有细粒度流管控、控制平面与数据平面分离、逻辑集中控制的特征,使其应用于大规模网络时面临着可扩展性问题。如何利用SDN在简化网络管理方面的优点,同时避免网络瓶颈,提高网络的可扩展性,成为近几年研究者们关注的焦点。控制平面是整个SDN网络的核心所在,对网络性能有至关重要的影响。本文基于控制平面从单控制器和多控制器两个方面对SDN网络的可扩展性问题进行研究。首先,基于单控制器,从控制器的设计、流表资源的优化、减少控制器处理事件的数量、路由方案的优化四个方面分析控制平面的可扩展性问题;基于多控制器,从多控制器的设计、部署和协同三个方面分析多控制器平面的可扩展性问题。进而,本文分别从减少控制器处理事件的数量和路由方案的优化研究单控制器的可扩展性问题;分别从扁平化和层次化架构的多控制器部署研究多控制器的可扩展性问题。研究重点集中在四个方面。1.数据中心网络流量管控机制的研究相对于分布式控制方式,SDN集中式的控制方式有更大的控制开销和反应时延。特别是在大规模的数据中心网络中,网络流的数目巨大。如果频繁地请求控制器,会增加控制器的负载和数据流的等待时延。为此,本部分提出一种针对相同属性特征的大流进行聚合的概念,然后对聚合的流量通过数学模型分析,提出一种统一路径分配算法,从而减少请求控制器的次数,降低控制器的负载,优化整个网络的负载均衡。对未聚合的流,从链路的剩余带宽、路径的长度以及路径的可用带宽等方面综合评估路径质量,选出质量最好的一条路径进行路由。最后通过不同流量概率模型的仿真验证,本部分提出的算法,在负载均衡、吞吐量以及链路利用率方面取得了更优的性能。2.基于分段路由的路由优化算法的研究随着网络规模的扩大,SDN进行细粒度的流管控时,控制平面的计算复杂度呈线性增长,路由规则空间膨胀,可能导致大量流表规则无法安装在交换机。本部分研究如何减少路由规则并结合用户业务偏好提高路由模块的性能从而提升控制平面的管控可扩展性。为此,本部分基于分段路由提出一种将网络性能与用户业务相结合的路由算法。首先,提出一种改进的多目标粒子群算法的链路权值优化方法。然后,考虑到用户偏好,以网络应用业务为导向,建立一种评价层次结构,选出评估值最大的路径进行路由。实验仿真结果表明,该路由算法模型提升了网络的负载均衡程度、减少了链路消耗,而且结合用户业务偏好,对业务性能进行有效评估,实现了网络的分区服务。3.扁平化控制平面的部署方案研究针对单控制器无法满足大规模广域网的管理,导致SDN规模可扩展性问题,本部分基于扁平化控制平面研究多控制器的部署问题。控制器不同的部署位置影响控制平面对网络事件的反应和处理能力。本部分针对扁平化的多控制器部署提出了两种基于密度聚类的控制器部署算法。算法1通过寻找决策图拐点的方法提出了一种计算控制器数量的方法。算法2通过核密度估计的方法计算控制器数量。在选择控制器的位置和对交换机分区时,分别采用不同的方法优化传输时延和通信消耗。实验仿真结果表明,提出的两种算法在域内和域间的最大时延、平均时延、最大消耗、平均消耗等方面取得了较优的性能。4.层次化控制平面的部署方案研究扁平化架构中所有控制器之间需要一致性同步的方法维护全局信息,增加了网络开销。层次化架构逻辑相对简单,将控制平面分为多个层次,顶层的控制器拥有全局视图,负责做全局决策,底层的控制器只负责局部网络的控制。为了提高控制平面的规模可扩展性,针对层次化控制架构,本部分设计了一种高性能的分层分域控制系统。对该系统从底层交换机的分域到上层控制器的分层进行详细的设计。为了减少交换机的请求时延和控制平面的通信开销,提出一种基于改进的Louvain算法的交换机分区算法。然后提出一种提升网络可靠性的控制器部署算法。实验仿真结果证明,本部分提出的方案在平均请求时延、负载均衡和可靠性等方面取得了较优的性能。