传统IP网络在设计之初基于高可靠性的考虑,采用了控制面和数据面紧耦合、全分布式的架构设计。随着网络规模的扩大、应用场景的复杂化,以及业务类型的不断丰富,这样的设计如今在全局业务优化管理、功能定制、新协议部署等方面存在严重不足,制约了网络创新。面对这些问题,最近兴起的软件定义网络技术(Software-defined Networking,SDN)采用将网络控制面从数据转发设备中分离,并汇聚到逻辑中心控制器、构建网络操作系统的设计;借助网络操作系统开放的编程接口,管理者可以通过编写应用软件的方式,按需、灵活地定义网络。这些优点使SDN受到了广泛关注,并在企业网、广域网、数据中心等场景部署应用。作为新兴技术,SDN在应用中还存在问题。在实施转发规则配置和流调度上,目前的SDN面临三类显著问题,即:1)当前高速OpenFlow设备转发规则物理存储空间受限,制约SDN的使用;2)在SDN控制器进行全网转发规则重配置过程中,网络可能出现语义不一致和暂态链路拥塞;3)数据中心需要结合应用特点调度流,但简单的集中式调度控制器会成为性能瓶颈。本文以这三类问题为关注点展开具体研究,主要包含以下三部分工作。1.OpenFlow转发设备流表的高效聚合与增量更新针对目前高速SDN/OpenFlow设备流表空间受限,制约SDN使用的问题,本文根据流表规则内在特点,设计高效的规则快照式聚合方法FFTA,和对应的增量更新合并方法iFFTA。给定一组转发规则,FFTA能够分析它们包含的冗余信息,高效地将其聚合为更少的条目,减少转发规则对设备TCAM硬件容量的需求;当原始的规则发生更改时,iFFTA能够根据已聚合规则的结构信息,迅速将增量更新内容合并到已聚合的流表中,保证转发语义正确。这样的规则聚合方案不会更改转发规则表的语义,无需修改OpenFlow协议,能够直接在控制器上实现。测试结果表明,本文方案设计的算法比现有同类算法聚合效果更好,运算速度更快,能够有效缓解高速设备所面临的物理流表空间不足的问题。2.网络更新中转发规则的一致性保障和链路拥塞的避免针对控制器对网络进行规则更新过程中,不同设备新规则生效时间不可控可能导致规则混用,引发转发故障的问题,本文设计了通用的两阶段更新机制。该机制沿用了让数据包携带版本号避免规则混用的思路,在实现上借助转发规则的通配能力,避免规则产生冗余复制,规范了更新过程,使网络支持多更新并发执行。针对控制器进行业务迁移过程中,热点链路可能因为迁移执行不可控引发暂态过载的问题,本文设计了用户可定制的更新编排方案。该方案能够将网络管理者对更新的要求,转化为更新执行调度计算的约束和优化目标,并自动构建优化模型,找到符合用户要求的更新调度方案,避免链路过载。仿真测试表明,本文提出的一致性保障方案和拥塞避免方案均显著优于现有设计。3.数据中心应用需求驱动的分布式流调度针对数据中心集中式网络控制在实现应用协作流(又称Coflow)调度时面临性能瓶颈的问题,本文设计了高效的分布式协作流调度方案。在不同场景中,系统中的应用对Coflow传输调度会追求不同的优化目标。当前最普遍的两类目标是:1)在时延不敏感场景中,最小化系统中Coflow的平均完成时间,优化系统的整体效率;2)在时延敏感场景中,最小化错过完成时限要求的Coflow数目,优化系统整体收益。本文对Coflow的传输优化问题进行了建模分析,根据数据中心网络环境的特点,并借鉴并行多机任务调度研究中的发现,分别设计了对应的分布式调度方案D-CAS和D2-CAS。在设计思路上,它们均根据业务的特点,将不同目标下流调度的具体计算从集中控制器中解耦、简化,并分散到每个发送主机。此种设计既避免了控制器成为性能瓶颈,也提供了高可靠性。仿真结果表明,这两个分布式方案均显著优于同类设计,并且能够逼近甚至超过现有集中式调度方案的性能。