云服务作为云环境中为租户应用提供IT资源的服务交付模型。为面向云服务的各类应用的云租户请求提供物理资源,在多租户、可靠性以及弹性资源共享与隔离等方面面临诸多难题。虚拟拓扑植入作为提供云服务的关键问题,面对大量的云租户请求,是否满足所有租户的请求以及如何为云租户请求的逻辑拓扑指派物理资源称为面向云服务的虚拟拓扑植入问题。不合理的资源指派不仅难以满足云租户需求,而且导致资源利用率低下。虚拟化技术将物理资源抽象为虚拟逻辑资源,使得资源的逻辑拓扑不再依赖于物理设备及其结构,是面向云服务的虚拟拓扑植入的支撑技术。在云数据中心采用虚拟化技术将物理互联设备拓扑抽象为虚拟资源拓扑,可以将多个云租户请求的虚拟拓扑植入到云数据中心的同一物理网络拓扑中,构建不同类型的虚拟拓扑共存于该物理网络拓扑。然而,如何将虚拟拓扑高效地植入到云数据中心的基础设施仍面临诸多挑战。学术界和工业界对现有的虚拟拓扑植入方法在虚拟资源分配的粒度、资源逻辑拓扑关系以及可存活性等问题已经进行了探索,并取得了一定的成果。但针对云服务特性的虚拟拓扑植入模型与方法,目前的研究仍面临拓扑多样性、虚拟拓扑植入的可存活性以及多目标优化等问题。在基于启发式思想的网络拓扑感知的植入方法、无备份资源的可存活虚拟拓扑植入以及面向弹性租户请求的虚拟拓扑植入的多目标优化存在局限性。考虑到已有方法中的不足,本文针对面向云服务的虚拟拓扑植入模型与方法,协同虚拟网络与软件定义网络来设计虚拟化的软件定义拓扑植入架构,围绕拓扑感知的植入、虚拟拓扑植入的可存活性、虚拟拓扑植入的多目标优化方法以及系统原型实现展开了深入研究。具体而言,本文的主要工作和贡献如下:(1)面向云服务的虚拟拓扑植入模型与优化方法研究云租户请求的拓扑结构具有多样性,现有的虚拟拓扑植入方法对于虚拟网络拓扑与路径多样性考量具有一定的局限性。基于虚拟拓扑植入模型并结合网络图拓扑信息与多路径机制,面向云服务提出了一种网络感知的多路径虚拟拓扑植入方法—NMVTE,以改善拓扑植入效率和租户体验并提高收益与开销比R/C。该方法基于虚拟拓扑植入模型分析拓扑结构信息,采用拓扑网络图中的degree与closeness作为虚拟拓扑节点植入因子和多路径的链路植入方法来提高虚拟拓扑植入效率和R/C。实验表明该方法在虚拟拓扑植入的运行时间、请求接受率和R/C方面优于其它类似方法。(2)面向关键业务的可存活虚拟拓扑植入技术研究关键业务影响云服务中核心应用系统的可靠性,针对关键业务在可存活性设计问题中存在的不足,提出了一种网络感知的可存活虚拟拓扑植入方法—SVTE。该方法基于组件失效概率模型,通过增强的虚拟控制节点植入策略来提高虚拟拓扑的可存活性,优化虚拟拓扑的节点与链路的位置选择而无需使用任何备份资源。并充分考虑网络延迟和控制节点与转发设备的非链接路径,采用可存活因子来尽可能减少控制路径丢失的概率。通过实验对可存活性和其它指标进行了测试,表明该方法在几乎不降低其它指标的情况下,增强了虚拟拓扑的可存活性。(3)面向弹性应用的虚拟拓扑植入多目标优化方法针对已有方法在云服务的弹性问题上缺乏对多种因素的综合考虑,提出一种资源协同优化虚拟拓扑植入方法—CoVTE。该方法综合考虑并调节植入因子权重,采用网络中心度、网络图相关关系属性和资源碎片优化策略以及多路径机制,优化实现云租户请求的不用类型的虚拟拓扑植入,从多个目标优化虚拟拓扑的植入效率与性能。通过大量实验对该方法在网络延迟、成功植入率、物理资源利用率和系统吞吐率进行了测试,表明该方法和其它类似方法相比具有一定优势。(4)面向云服务的虚拟网络集群系统原型实现基于胖树物理网络结构和虚拟拓扑植入模型与方法,在天河二号主机系统中采用先进的技术和方法构建了面向云服务的实验环境,通过对资源进行云化管理,设计并实现了一种云服务交付模型。解决云租户应用面临的虚拟拓扑多样性、应用部署的软件依赖性和弹性服务能力的问题,并采用云计算技术使得传统的高性能计算中心具有了云的特性,进而针对上述的方法研究在该系统原型上进行了初步探索。实验表明该系统原型以近似物理节点的性能,使得服务模式具备了云的按需使用的特性并具有较高的虚拟集群植入效率。