软件定义网络(Software-Defined Networking,SDN)将传统网络设备的控制面和数据面分离,让网络设备只保留分组转发等数据面的功能,而将控制面的功能放到一个集中式的控制器中。这种分离使数据面和控制面可以独立地发展,有利于网络功能的创新。在SDN的架构中,管控网络的功能由控制器中安装的应用来实现,因此可以灵活地处理网络中发生的事件(如新流到来或链路故障等),还能在控制器运行时动态地更新控制策略。同时,对网络流量的处理结果(如禁止接入网络或路由规则等)以流表的形式部署到交换机中,SDN支持使用多种协议字段来设计流表的表项,因此可以精细地划分和控制网络流。然而,为了提供上述的能力,SDN的架构设计存在着扩展性的问题。具体表现为,随着网络规模的增加,控制器需要处理的网络事件增多,可能出现过载的情况,造成控制面的功能瘫痪。在数据面,使用更多的协议字段来精细地划分流,则每条表项需要更多的存储空间,且条目总数也会增多。但交换机中用于存储流表的TCAM(Ternary Addressable Content Memory)容量有限,因此可能无法存放完整的流表,造成控制面的处理结果无法部署到数据面中。SDN架构的扩展性问题会限制其管控网络的规模。如果这一问题得不到解决,那么SDN的适用范围将受限,难以被部署到大规模的实际网络中。本文针对SDN的扩展性问题展开研究,主要做了以下三方面的工作。1)研究了现有的控制器架构,针对单个控制器处理能力不足而分布式控制器负载不均衡的问题,提出了一个新的控制器架构,并基于随机优化模型设计了负载分发和调度的算法。既保证了一个可扩展的控制面,又能实时、细粒度地均衡控制器的负载。2)针对数据面的扩展性问题,分析了现有的多种解决思路。从提高TCAM存储空间分时复用效率的方向,设计了一个优化流表项超时值的方法。将TCAM建模为一个排队系统,推导出了定量分析超时值影响的表达式。在网络流结束后减少失效表项占用存储空间的时间,从而能在相同的TCAM中存储更多的表项。3)进一步研究了流表项的超时机制,并根据实际网络中的流量测量结果,发现了对所有网络流使用单个固定超时值的缺点。提出了综合考虑流的持续时间、流量类型以及TCAM当前使用率的超时值设置方案。能适应性地为每条流设置一个合适的超时值,更高效地使用TCAM来存储更多的表项。在这些工作中,通过理论分析和仿真,验证了所提方案的有效性。本文为解决SDN的扩展性问题贡献了一份力,将有助于推动SDN在大规模网络中的部署。