当前,软件定义网络(Software-Defined Networking,SDN)因简化网络管理和强化网络创新而已成为最重要的网络架构之一。近年来,SDN逐渐被部署应用于数据中心互联和广域网中以降低网络复杂性和运维成本,提高网络灵活性和自动化水平。软件定义数据中心互联(SD-DCI)和软件定义广域网(SD-WAN)是当下SDN热点领域。新的应用趋势对SDN提出了新的要求,即,作为其核心组件——控制器需要具备管理大规模网络需要的容量和安全性要求。目前,研究人员已对SDN控制器的扩展性和安全性进行了大量研究,如控制平面与数据平面的动态映射提高控制平面的弹性服务能力,部署多控制器提升健壮性和安全性。但是,当前现有研究具有以下问题:(1)在扩展性方面,控制平面的负载不均衡不仅体现在不同控制器实例之间,每个控制器实例内不同类型资源也可能出现负载不均衡;(2)在安全性方面,简单的部署多控制器无法抵抗攻击,攻击的可重复利用特性并未消除。本课题聚焦于控制平面的扩展性和安全性,研究细粒度的弹性控制平面和异构的安全控制平面。首先,本文将控制器建模为多维度资源的实体,鉴于不同事件请求对控制器的资源需求不同,构建资源利用最大化问题模型,提出基于博弈的算法求解。其次,将控制平面策略建模为形式化的知识库,构建基于专家推理的策略冲突解析系统,并对无法解析的冲突,建立博弈模型,由其指导策略的选择。接着,针对当前控制平面的同质化导致的脆弱性问题,提出异构的控制平面;最后,针对单个控制器缺乏攻击容忍能力的问题,提出了控制平面的并行决策框架,避免攻击手段的可重复利用性。具体地,本文主要研究成果如下:1.针对分布式控制平面中单个控制器实例内不同类型资源的负载不均衡问题,本文提出面向资源利用负载均衡的细粒度弹性控制平面,并为动态迁移交换机提供了一种博弈决策机制。首先,在多个资源维度约束下,将交换机迁移决策建模为一个集中式资源利用率最大化问题。第二,受博弈论在非中心化模式下多博弈者决策方法的启发,从博弈论的角度对该问题进行建模,为该问题设计非中心化算法以获取近似最优解决方案。最后,数值结果表明,本文方案可以充分利用在控制平面的可用资源。2.针对SDN控制平面策略冲突的自动化解析需求,聚焦于策略配置或组合过程中的冲突问题,本文提出了基于推理系统的OpenFlow网络策略冲突解析方法。首先,本文将策略形式化描述并建立事实知识库,并设计由header field、flow pattern和flow space等多粒度的推理规则。其次,将策略冲突分为无损和有损两种方式来解决策略冲突:在无损方式中,推理引擎可以解决并存策略引起的冲突;在有损方式中,将完全非并存的策略建模为博弈参与者,并利用博弈实现策略的最优选择。最后,数值仿真验证了有效性。3.针对当前SDN分布式控制平面的同构性易导致瀑布式攻击问题,从生物多样性出发,本文提出了面向安全弹性的多样性控制平面布局方法。首先,基于同构控制器实例具有相似漏洞的假设,提出了攻击者的概率模型;其次,将异构性布局问题形式化为整数线性规划问题,鉴于最优解和运行时间的折中,在控制网络规模较小时,采用最优求解算法,而对于控制网络规模较大时,设计了贪婪算法获得近似解。最后,基于生成的大量网络拓扑,比较了最优布局、贪婪布局和随机布局的性能,验证了异构平面的抗攻击性和贪婪算法的性能。4.针对单个控制节点缺乏抗攻击能力的现状,提出一种基于异构冗余机制的SDN控制平面并行决策框架。首先,构建异构冗余控制节点,为每台交换机设备配置多个异构控制器实例,并将多控制器的输出汇聚到判决器决策输出,控制器实例之间相互独立,有效避免针对控制器实例的拜占庭攻击。其次,本文将上述架构建模为并行分布式融合模型。判决器作为其核心组件,在控制器实例确定的情况下,判决规则决定了整个架构的攻击容忍性能,为此,本文提出了零和博弈模型,将攻击者和判决器建模为该架构下攻击者与判决器之间的博弈模型,利用纳什均衡解指导最优判决规则的设计。最后,基于数值实验验证了本文提出的基于博弈的最优判决规则在应对攻击的防御能力显著优于大数判决规则。