随着计算机产业和互联网的发展,数据中心作为信息服务的运行环境,在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。特别是近年来云计算技术的飞速发展使得作为信息化基础设施的数据中心变得愈加重要,虚拟数据中心也随之产生并成为未来数据中心的发展趋势。虚拟数据中心是指通过虚拟化技术,包括软件、操作系统、存储、和管理的虚拟化,把数据中心内部主机上的物理资源集中在一起形成一个共享虚拟资源池,从而更加灵活和低成本地使用资源。在拓扑构建方面,基于传统树状网络拓扑构建方式的数据中心能耗、成本高并且效率低下,已经难以满足新形势下的可扩展性及构建性价比需求；在虚拟化的应用方面,目前数据中心的虚拟化主要考虑的是从主机角度出发的CPU、内存、硬盘的虚拟化,从交换机角度出发的网络资源虚拟化的研究成果不多。虚拟数据中心内部存在数量巨大的隶属于不同用户的虚拟主机,这些虚拟主机的控制管理和它们对于物理网络带宽的竞争问题是迫切需要解决的重点问题。因此,需要设计新的虚拟数据中心非树状拓扑结构以及其上的虚拟机管理及带宽优化分配机制,在降低数据中心构建成本、提高资源利用率、快速交付应用、满足业务需求、降低运营管理复杂度等方面为云计算环境下的新型数据中心建设提供足够技术保障和支持。本论文介绍了新型非树状数据中心网络拓扑和网络虚拟化方面的相关研究工作,深入分析了虚拟数据中心内部仍待解决的关键问题。在此基础上,从非树状拓扑,数据中心虚拟化网络体系结构和虚拟网络带宽分配算法这三个在逻辑上紧密相连的关键点进行了研究探索,并取得了如下创新性成果：(1)针对“集装箱”式数据中心对于高灵活性和可扩展性的需求,提出了一种基于超立方体结构的数据中心模块化拓扑构建方案—MCube,采用低端交换机作为网络设备以降低造价,并给出了相应的地址命名规则和以服务器为中心的源路由算法。MCube具有良好的可扩展性,扩展时仅需进行增量部署,无需改动原有的网络设备。在网络内的任意服务器之间存在多条最短路径,因此MCube具有更高网络容量和容错性。(2)针对新的非树状拓扑对于现有应用兼容性较差的问题,提出了镜像胖树网络结构并给出了相应的网络地址命名规则和以发送服务器为分流起点的多路径转发机制,在保证良好兼容性的同时兼顾了构建性价比和网络容量。在镜像胖树网络中,服务器在网络满载的情况下仍然能够以网路端口硬件所允许的最大带宽进行通讯,配合多路径路由机制能够比传统的多路径技术更早一步进行数据流的分发,在增强容错性的同时对于数据中心的典型通讯模式也能提供加速作用。(3)当前虚拟数据中心中,云计算的多租赁机制导致了网络中存在大量难以控制管理的虚拟机。为此提出了一种基于可编程交换机的数据中心网络虚拟化体系结构,通过把底层硬件提供商和上层的应用服务进行逻辑分离,将不同用户的虚拟主机划分到不同虚拟网络上来解决虚拟机的控制管理问题。同时也给出了支持虚拟机迁移再寻址的主动定位机制,解决了目前通过DNS进行寻址恢复的方法响应时间过慢的问题。(4)在设计的网络虚拟化体系结构之上,从优化各虚拟网络拥塞角度考虑,分别提出了基于优化分解和粒子群智能算法的两种动态虚拟网络带宽分配算法。解决了虚拟数据中心内部同一物理主机上的虚拟机间对于物理网络带宽的竞争问题。实验结果显示,本文提出基于网络拥塞度的虚拟带宽分配算法收敛良好并实现了动态、高效的网络带宽资源分配。(5)从云计算环境下的市场运营模式角度考虑,设计了两种基于博弈的虚拟网络资源分配模型。其中第一种模型基于单层的非合作博弈,由数据中心硬件拥有者制定价格,以驱动所有虚拟网络达到博弈平衡,从而实现虚拟网络租赁收益的最大化；第二种模型基于双层的领导者-参与者的Stackelberg博弈模型,提供了更加灵活的动态定价并实现了数据中心硬件拥有者和虚拟网络租赁者各自的最优收益。理论证明和实验结果显示这两种机制存在最优解并能够实现公平、高效的网络资源分配。上述成果的取得,对于构建低成本、高性能和高可扩展性的虚拟数据中心,解决虚拟数据中心内部隶属于不同用户的大量虚拟机的管理和控制难题具有重要意义。为研究新型虚拟数据中心解决方案提供了有效的技术手段。