在移动互联网时代,各式各样的应用和服务呈爆发式增长,随之而来的应用对资源(包括计算、存储、I/O、频谱带宽等)的需求也在不断增长。传统的网络架构已经不能够满足日益增长的需求。软件定义网络SDN(Software Defined Network)的提出,在一定程度上缓解了传统网络的不足,SDN是由美国斯坦福大学clean slate研究小组提出的一种新型网络创新架构,其核心技术是通过将传统网络设备的控制平面与数据平面分离开来,采用集中式控制器对各种网络设备进行管理和配置,从而实现对整个网络通信的灵活控制,为核心网络的创新及应用的发展提供了良好的平台。SDN突破了应用程序与网络之间的隔阂,使得程序员能够根据应用需求,通过编程接口对网络进行自主控制,是未来网络的发展趋势。然而,软件定义网络在满足日益增长的应用需求和提升网络性能的同时,也带来了诸多值得研究的问题。现有对软件定义网络的研究工作主要分为两类:一类是研究数据层面数据转发问题,另一类是研究控制层面与数据层面的交互问题。一方面,现有的软件定义网络中有关数据层面的研究多集中于单路径路由,而单路径路由协议在有中等数量甚至大量的路由需要维护时,会造成大量开销;从而忽略了多路径路由可以提高数据层面的转发效率,以及网络的资源利用率的优点。另一方面,当网络需求发生变化时,路由规则也需要同步更新,但现有的工作忽略了路由规则更新后的目标网络的可变性,本文针对上述问题,建立数学模型对这两方面给出了较为完善的工作研究。而由于SDN的集中式控制,控制器需要定期收集数据层面的流状态信息,本文以减小收集流状态信息的开销为目标,研究多路径路由条件下的控制层面与数据层面的流状态信息收集问题。本文分三项研究内容。首先,第一项研究内容研究了软件定义网络中的路由规则放置优化问题。通过考虑流平衡和链路容量限制,以及流表TCAM(Ternary Content Addressable Memory)大小的约束,构建了一个满足整数线性规划(Integer Linear Programming,ILP)的平均最大吞吐量模型。为了解决ILP问题的计算复杂性,提出了一种具有多项式时间复杂性的启发式算法。通过大量的实验模拟,证明了算法的有效性。其次,第二项研究内容在第一项研究内容的基础上,探讨了数据层面的路由规则更新问题。借助网络功能虚拟化的环境,分析了不同虚拟网络功能(Virtual Network Function,VNF)的迁移策略对路由规则更新过程的影响,将路由规则更新问题抽象成两个子问题:VNF迁移问题和路由规则的更新问题。通过联合优化迁移开销以及更新时延,构建了最优的VNF迁移策略和路由规则更新模型,并将该问题建模成一个混合整数非线性规划(Mixed Integer Non-Linear Programming,MINLP)问题,针对其复杂性,对模型进行转化。最后提出相应的启发式算法,并通过大量的实验证明了算法的有效性。最后,第三项研究内容基于控制层面和数据层面的交互问题。在收集流状态信息时,选择不同的交换机集合进行流状态信息收集会产生不同的开销,其中控制信息的路由策略会直接影响交换机集合的选择。另外,在多路径路由情况下,收集过程中不可避免会产生一定的冗余信息,选择最优的交换机集合会减少一部分的开销。因此,本研究将最小化收集流状态信息过程中产生的总开销作为目标,合理的选择基于路由的交换机集合。构建了一个满足ILP的集合覆盖模型,最后提出一个两阶段的启发式算法,和传统的单路径路由条件下的收集算法进行实验对比,证明了算法在节能方面的有效性。本文的贡献在于:对软件定义网络当前的相关工作和研究进展做了较为全面的综述,包括从传统网络到软件定义网络的架构演进,软件定义网络在流量工程中的应用,以及对提高软件定义网络的网络性能研究等。第一项研究首次考虑了多路径路由在软件定义网络中的路由规则放置优化问题中的应用,并综合考虑了流平衡、链路容量限制和TCAM容量大小要求,将该问题建模成一个具有多个约束条件的ILP问题展开研究。第二项研究内容首次考虑了网络功能虚拟化环境下VNF迁移对路由规则更新过程的影响,并通过最小化VNF的迁移成本和路由规则的更新时延,有效解决了该问题。在研究内容三中,则考虑软件定义网络的控制层面与数据层面的交互开销问题,研究了多路径路由的条件下的流状态信息收集模型,提出了综合开销最低的收集策略,通过实验也验证了方案的可行性和有效性。