随着互联网的进一步普及,基于网络的新型应用不断涌现,如视频点播、视频会议,远程教育、网络多媒体交互协作平台、在线网络游戏等,这些新型应用要求通信网络提供高可靠性、高带宽、低时延的服务。然而,在互联网规模日益扩大的同时,Internet本身的僵化现象越来越明显。例如：链路故障恢复时间长以及路由膨胀等问题,严重影响端到端的传输性能；IP多播的部署难和可扩展性差等问题,限制了日益增长的一对多和多对多数据传输；缺乏对QoS的有效保障,无法满足某些业务的需求。此外,互联网的基础服务提供商(ISP)之间存在复杂的商业利益关系,这使得对现有技术的重大调整变得异常困难。覆盖网络(Overlay Network)的出现为现有互联网的改造和升级提供了新的思路。覆盖网络是建立在已有网络上的一种逻辑网络,利用隧道或封装机制将覆盖节点(Overlay Nodes)互连起来,形成覆盖网络拓扑来完成数据传输,而无需改变原有的互联网基础设施。覆盖网络除了能完成类似P2P (Peer-to-Peer)、CDN (Content Delivery Network)这样的内容分发与共享服务之外,随着终端节点性能(CPU带宽和存储能力)的不断提升,也可以提供路由和组播这些原本只能由路由器完成的基础性服务。另一方面,随着服务器虚拟化和存储虚拟化技术的日臻完善,网络虚拟化技术成为国际国内科学界研究的热点。覆盖网络技术作为网络虚拟化的一种有效的解决方案,为下一代互联网设计提供了一种可行的思路。虽然覆盖网络在提高路由质量、保障QoS、提供组播服务等方面能够对现有的互联网络基础设施起到很好的补充作用,但在构建覆盖网络时如何感知基础设施结构,达到上下层优势互补,还有许多关键问题亟待解决。例如,如何考虑物理网络中部分关键节点对覆盖网络拓扑构造、路由和数据分发的影响；如何解决两条或多条覆盖链路共享物理链路,造成性能下降的问题；如何建立具有节点邻近意识的覆盖网络,减少端到端的时延；在多播通信中如何降低节点状态的维护代价等。本文正是围绕这些问题展开研究,创新工作概括如下：(1)提出了基于超节点的覆盖网络拓扑构造算法。该算法着重于超节点的选取和覆盖链路的建立。超节点的选取不仅考虑节点自身的能力,更重要的是它在物理网路由路径中的重要性。选择那些频繁出现在最短路由路径中的节点作为超节点,与普通的覆盖节点一起构建k最小生成树(KMST)覆盖网拓扑,这样不仅可以降低数据转发的时延,而且提高了网络的可靠性。(2)基于创新点(1)的研究,提出了一跳源路由快速恢复算法,主要针对物理路径和覆盖网络备份路径共享物理链路的情况。当共享链路出现故障,引起IP层物理路径和覆盖网络备份路径同时失效时,如何快速恢复通信,减少丢包率,降低端到端的时延,是该算法研究的动机。选择超节点集为候选中继节点,通过探测的方式,选择时延最小的节点作为中继节点,构造一跳覆盖网路径,实现故障的快速恢复,提高了路由的可靠性。(3)提出了负载均衡的覆盖网多路径路由机制。该机制针对路由故障恢复慢,以及节点路由拥塞等情况,提出负载均衡的一跳覆盖网多路径路由算法LB-OOMR。我们将问题抽象成一个线性规划模型,且将该问题分解成为一跳覆盖网路由路径构建和多路径流量分配两个子问题。为降低算法的复杂度,设计了基于最小链路重叠的中继节点选择启发式算法。实验结果证明LB-OOMR较好地降低了网络拥塞率,提高了链路的恢复率。(4)提出了基于包内布隆过滤器(in-Packet Bloom Filters)的无状态覆盖网络多播机制。分析了越来越多的互联网多播需求,针对在现有互联网基础设施中大范围部署工P多播存在较大难度的问题,提出了基于包内布隆过滤器的覆盖网多播算法。该算法的独特之处在于：其一,构建具有节点邻近意识的覆盖网拓扑,为多播路由奠定基础。建立覆盖网拓扑时考虑节点的邻近意识是为了感知互联网基础设施的特性,更好地反映在物理网络中两节点间数据传输时所花费的时延开销。其二,设计了基于包内布隆过滤器的覆盖网多播机制。该机制利用包内布隆过滤器的特性,应用“逆向路径转发”思想将多播转发树的信息编码为布隆过滤器,且封装在数据包的首部,实现了多播数据的传输,而无需在转发节点中维护多播转发树的状态,减少了转发节点的开销,提高了多播效率。