软件定义网络(Software-Defined Networking,SDN),作为一种新型的网络体系架构,实现了数据平面和控制平面的完全解耦,很好地解决了基于TCP/IP体系的传统网络中存在的结构僵化、管理困难、配置复杂等问题,受到学术界以及产业界的密切关注。随着网络流量的不断增加和拓扑规模的逐步扩大,单个SDN控制器在管理网络时受到可扩展性和可靠性等诸多限制。因而,业界提出通过多控制器多域规划实现弹性SDN控制平面。对于多控制器SDN网络而言,由于网络流量的动态变化、多控制器的不合理部署以及交换机和控制器之间的静态连接关系,导致各个控制器间处理能力差异较大,容易产生过载或轻载控制器,形成负载失衡,严重降低了SDN网络性能。因此,在大规模SDN中,如何均衡多控制器负载逐渐成为近些年学者们研究的热点问题。就现阶段研究进展而言,在网络中主要通过以下三种方式实现多控制器负载均衡:在网络构建初始阶段均衡规划SDN多域、在网络构建过程中调整控制器部署、在网络构建完成后迁移交换机。但上述解决方案仍存在以下问题有待改善:(1)在多域规划层面,关于交换机与控制器之间的稳定连接和双向映射机制缺乏研究;(2)在控制器部署层面,传统的控制器部署方案难以同时兼顾控制节点可靠性和负载均衡性能;(3)在交换机迁移层面,迁移对象选取不合理和迁移机制设计复杂导致交换机迁移效能低下。依托国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目—“软件定义网络体系结构与关键技术”,设定多控制器负载均衡为本文的研究目标,对多域规划,控制器部署和交换机迁移三种不同层面的负载均衡方案进行分析和研究,提出相应的优化和改进策略,有效提升多控制器负载均衡性能。本文的研究工作及主要贡献如下:1.针对SDN网络构建初始阶段,现有多域规划方案存在SDN多域划分不合理和网络设备连接稳定性差的问题,提出了一种基于双向匹配的多域均衡规划方法。首先,探索网络中跳数、时延和流量信息对SDN多域规划的影响,进而构建交换机和控制器的双向匹配表。然后,按照优化排序原则从两个列表中选取交换机和控制器实施双向匹配,并通过模拟退火算法优化匹配关系,实现分布式网络中合理的SDN多域规划和稳定的设备连接。从数学分析的角度对匹配方法有效性进行论证,同时仿真结果表明,该方法能够合理地配属交换机和控制器之间的连接关系进而完成多域均衡划分,有效降低流请求排队时延,控制器负载均衡率至少提高了21.4%。2.针对SDN网络构建过程中,现有控制器部署方案存在控制平面可靠性和负载均衡难以同时兼顾的问题,提出了一种基于可靠性评估的多控制器均衡部署方法。首先,分析链路失效和节点失效所导致的网络故障场景,通过定义节点效能和路径质量对节点可靠性进行综合评估,并在网络中设定均衡因子,优化控制器部署位置;然后改进K-Center聚类方法,引入冗余函数,依据节点吸引度和控制器负载均衡率分配交换机给控制器,实现可靠且均衡的多控制器部署。仿真结果表明,与现有方法相比,所需控制器数量平均减少22.1%,控制平面弹性明显增强,控制器负载均衡性能得到较大提升。3.针对SDN网络构建完成后,现有交换机迁移方案存在目标控制器选取僵化和交换机迁移冲突的问题,设计了一种基于分布式决策的交换机动态迁移方法。通过对交换机迁移冲突现象进行深入分析,提出交换机分布式迁移,分为三个阶段进行实施:首先,收集网络信息并结合控制器负载状况构建分布式迁移决策域;然后在域中依据选取概率确定迁移交换机,综合权衡数据收集、交换机迁移和状态同步三种代价选择目标控制器;最后建立迁移时钟模型,执行交换机迁移和控制器角色转换。仿真结果表明,该方法能够有效降低交换机迁移带来的通信开销,流建立时间平均缩短了0.14s,控制器资源利用率提升了21.7%。