本文基于软件定义网络单一控制器到控制器集群的演变过程,从软件定义网络控制平面和数据平面两个方向着手,对软件定义网络的一致性、安全性和性能改善进行了研究。针对软件定义网络的流量拥塞和链路延迟、丢包率和带宽、服务质量要求等要素,系统地设计负载均衡机制,同时就解决集中式控制器故障容错和分布式控制器均衡的瓶颈问题提出了相应的系统模型,本文的主要贡献在如下两方面:第一,针对控制平面负载均衡同步调节机制存在均衡失效问题和流表安装时间延长问题,本文首先建立了分布式控制器负载均衡异步调节模型,采用连通表感知的交换机连通信息,定期统计流量,并监测网络负载状态。其次,提出了挖土填坑异步调节算法(DFPA,Digging and Filling Pit Algorithm),该算法兼顾最大的传输加速比和负载容量,引进收益函数度量空闲控制器的吞吐负载能力,控制器过载流量异步按需分配至收益最大的空闲控制器组,实时改善网络的负载不均衡性,快速恢复网络正常负载状态。通过引入多过载控制器适配模型,增强了网络的一致性,降低了系统整体开销。实验结果显示,负载均衡异步调节算法发挥了良好的负载均衡作用,适应不同流量的负载均衡动态调节。第二,针对数据平面上指定业务流量等级要求及控制平面负载不均的问题,本文首先提出了基于流量优先级的负载均衡模型,收集网络链路延迟、带宽等实时信息,流量等级识别模块判别流量优先级。其次,提出了寻找最小代价链路的算法。如果出现了拥塞链路,将其排除在外。路由决策模块采用拉格朗日松弛技术寻找最小代价链路。模拟实验表明,基于流量优先级的SDN分布式控制器负载均衡模型能够满足服务质量的要求,并发挥负载均衡作用。