过去几十年,互联网在TCP/IP协议模型体系的框架下取得了辉煌的成就,成为人们日常生活不可或缺的组成。它成功的关键法宝是以IP为核心的分组交换技术和基于IP的全分布路由控制技术。IP协议既能适配复杂繁多的底层协议,又能为多样化的上层应用提供支撑。分布式路由控制架构使得互联网的边缘接入和区域互联具备良好的扩展性和成长性,同时,这种架构的“分布自治”特性使得互联网具备柔性抗毁、快速自愈的属性,是构建Internet的基础网络架构。然而,分布式控制架构中数据流的路径计算策略僵化,流量调度缺乏灵活性,难以动态适用网络状态改变。尤其在网络流量增长速度远超网络基础设施更新换代的速度环境中,“分布式”控制难以充分利用网络有限资源来实现对网络性能的动态优化最大化。同时,上层网络业务与底层网络资源脱节,无法提供灵活的网络服务定制能力,难以适应复杂多变的网络环境。以SDN为代表的集中控制架构的兴起,将控制与转发彻底分离,构建由转发、控制、编排组成的网络模型,以任务驱动为目标编排网络,化简传统网络中繁琐的配置管理任务。但集中控制架构自身潜在不可避免的问题,如可靠性差、安全性差以及路由收敛速度慢等。本文围绕分布式路由系统和集中控制架构耦合的路由控制系统展开研究,主要贡献如下:第一,提出了分布与集中相结合的软件定义路由系统—SDRS。在分布式路由协议计算的路径基础上,将集中控制机理引入路由控制系统,从而实现传统网络自身动态变化自适应的闭环控制和面向业务需求动态变化的开环控制相结合。一方面,通过分布式路由协议的闭环路由控制实现自主路由模式,充分利用其柔性抗毁和快速自愈的特性为端到端通信建立可达的转发路径;另一方面,集中控制架构通过分布式路由协议感知到网络状态,并计算出使网络性能趋于最优目标的路由策略来实现协同路由模式,充分发挥集中控制架构的全局网络视图和路由编排能力,为用户提供更优的服务质量。最后,通过包含原则和替代原则解决自主路由和协同路由两种模式计算出路由策略一致性问题。SDRS构建了分布与集中相结合的路由控制模型,使得网络控制更加高效、灵活、精确。第二,将多路径路由思想引入到SDRS路由系统,提出了基于最大多路径覆盖树的路由机制—SDRS-MMOT。在分布式路由协议计算的分布路径基础上,通过最大多路径覆盖树算法计算出无环的集中路径集,根据编排的策略选择性地将集中路径部署到网络,达到分布与集中路径同时并行传输数据流的效果;并通过基于Hash桶的转发路径选择策略解决报文乱序问题,确保达到同一目的终端的数据流沿着同一路径传输。同时,通过扩展分布式路由协议实现对集中控制器所建立的集中路径的撤销任务,避免集中控制架构的引入导致路由系统的柔性抗毁能力降低。实验结果表明,在网络拥塞或单点故障时SDRS-MMOT性能明显优于单播路由协议的性能,如分布式路由协议的丢包率为20%时,SDRS-MMOT系统的丢包率仅为2.94%。第三,将流量调度思想引入到SDRS路由系统,提出了一种轻量级在线流量工程机制—SDRS-LOTE。在分布式路由协议建立的主路径基础上,通过实时感知网络流量分布情况,利用最低代价流量均衡算法为拥塞链路承载的数据流建立辅路径,使得数据流的传输从主路径切换到辅路径,有效地解决链路拥塞的问题。同时,SDRS-LOTE通过增强IP头部功能方式来确保主路径和辅路径传输数据流互不干扰,利用一套路由协议实现流量动态调度和路径维护,具有良好的“亲IP性”,避免传统流量工程维护两套路由协议的复杂性。与SDRS-MMOT中路径维护类似,通过扩展分布式路由协议实现对集中控制器所建立的辅路径的撤销任务,避免集中控制架构的引入导致路由系统的柔性抗毁能力降低。实验结果表明,当网络出现拥塞时,SDRS-LOTE性能明显优于分布式路由协议的性能,如分布式路由协议系统的丢包率为48.7%时,SDRS-LOTE路由系统的丢包率仅为2.2%。第四,为了满足SDRS路由系统对数据平面功能重构需求,通过借鉴网络功能化技术和模块化思想基础上将流交换平面引入到数据平面架构,提出了两阶段的转发实例映射机制,将转发实例中逻辑功能块按需部署到设备集群中。在系统初始化阶段,静态映射机制基于数据平面资源模型计算逻辑功能块与物理设备映射关系,并部署到相应的物理设备以及配置服务链来确定数据流在逻辑功能块间传递关系。在系统运行阶段,动态迁移机制根据资源评估模型动态迁移逻辑功能块的部署位置来优化系统资源利用。实验结果表明,1)最佳匹配映射算法性能要优于其他四种典型映射算法;2)逻辑功能块迁移时间范围位于[2.3s,55.6s]。其中,无策略逻辑功能块迁移时间仅花费约为2.3秒启动时间,在策略表项60万条时,有策略逻辑功能块迁移还需花费约53.25秒同步策略。最后,通过开源软件Click模块路由器和Quagga路由套件等搭建了SDRS原型系统,从功能平面和系统交互协议两个方面描述了功能及实现技术。SDRS原型系统的性能测量包括:1)通过DPDK优化技术实现64B报文转发速率可达到7.1Gbps;2)在网络直径为8时,可在24秒内完成的路由收敛;3)维护路径时间开销仅约为集中控制架构的0.5倍;4)在网络节点数量为36时,在约0.35秒实现链路网络拓扑的感知。