随着计算机网络技术的飞速发展，传统网络体系结构的缺陷日益凸显。在这样的背景下，软件定义网络（Software-Defined Networking，SDN）应运而生。它简化了网络管理和配置操作，增强了对网络新技术、新协议的支持能力，缩短了网络功能创新的周期，因而越来越受到业界的重视。然而，在SDN发展的过程中，仍然存在着诸多需要解决的关键技术问题。本文重点关注SDN控制平面所存在的问题。在总结已有方法和研究成果的基础上，围绕控制平面请求选择、信息交互和路径决策三个主体展开研究工作，最终实现请求时延的最小化、信息交互的标准化和路径决策的最优化这三个目标。具体的研究内容如下:
　　针对SDN控制平面遇到的控制器交换机静态绑定，导致单个控制器负载过大的问题，本文首先分析了现有解决方案，总结出了交换机迁移负载均衡(SFLB)方案和集中控制负载均衡(CCLB)方案。在分析了SFLB和CCLB的优缺点后，本文提出主动选择控制器的负载均衡(ASLB)方案，交换机主动选择适当的控制器来处理请求，以缩短控制器响应时间并更好地利用控制器的处理能力。在系统实现方面，本文根据ASLB方案，并基于开源软件OpenVirtex实现了Coordinator。在SDN多控制器架构下，Coordinator会代理交换机向更为合适的控制器发送请求。理论分析证明，当交换机数目大于3时，Coordinator对请求时延的改进效果就超过了Coordinator自身带来的时延;而且随着网络中交换机数目的增加，Coordinator的改进效果更加明显。在算法设计方面，为了解决羊群效应和尾延迟问题，本文提出了主动选择控制器算法(ACS)。ACS使用批量填充(Batch-Filling)和对控制器打分的机制对双选算法进行了改进。为了验证ASLB的性能，本文在真实网络测试床上进行了实验评估。实验结果表明，主动选择控制器的机制在最小化延迟、带宽利用率和吞吐量方面都优于现有机制。
　　针对SDN控制平面遇到的控制器通信接口多样化的问题，本文提出对现有SDN体系结构进行重新分层，将原有的控制层功能进行了拆解，把三层的SDN体系结构，改进为四层体系结构WECAN(West-East Communication And North API)。原有的控制层在去掉个性化功能后，在传播发现层中承担着链路发现和流表下发等基本功能。在传播发现层之上，本文设计了一个决策层，来实现信息交互的标准化。决策层有三个核心模块:异构控制器管理(HCM)模块、域关系管理模块(DRM)和控制器选择模块(CSM)。HCM从控制器收集网络信息，生成域范围的网络视图，并支持不同种类的SDN控制器之间通信。DRM从HCM收集网络信息以生成全局范围的网络视图，同时DRM按域对SDN网络进行划分和管理，为此本文还提出了一个SDN域划分的模型。CSM采用了主动的选择控制器机制，让交换机发出的请求能交给负载更低、执行效率更高的控制器来处理。在实验部分，本文开发了一个原型系统来完成WECAN的测试。实验结果表明，WECAN不但可以支持不同种类的SDN控制器互相通信，并且在吞吐量和响应时间方面也都要优于当前的分布式控制器和单控制器。
　　针对当前SDN中存在的长流短流共享瓶颈链路的问题，本文提出具有长短流敏感性的路径决策机制。以具有胖树拓扑结构的数据中心网络为例，本文提出了动态流决策机制FC-DLB，以利用SDN控制器提供的全局网络视图和流量特征来优化流的决策。FC-DLB可以根据流的长短动态控制数据中心中的流，调整流的转发策略和优化路径方案。FC-DLB使用两种不同的算法分别决策短期流和长期流。FC-DLB使用DLB算法作为默认决策算法来控制短期流的路由，并针对长期流动态更改其路由路径，将长期流从链路利用率高的路径转移到链路利用率低的路径。实验表明，与ECMP和DLB算法相比，本文的路径决策机制可以有效的解决长流短流共享瓶颈链路的问题，同时显著提高链路利用率并充分利用带宽。