云计算技术风起云涌,大数据、移动互联网和物联网等新兴业务的快速发展,数据中心已成为支持云计算和大数据技术的重要基础设施,建设满足云计算与大数据等新业务需求的数据中心迫在眉睫。云计算任务通常伴随服务器间大量信息交互,并呈现出与传统网络流量不同的特性,如往返时延短、多对一或多对多通信模式等,这使得在传统网络中获得巨大成功的路由协议难以适应数据中心网络环境。作为云计算的一项核心业务,基础设施即服务(Infrastructure as a Service,IaaS)要求对数据中心网络资源进行统一管理,对地址空间和流表空间等资源提出虚拟化要求。上述独特属性及特殊业务需求给传统数据中心网络带来诸多挑战。软件定义网络(Software-Defined Networking,SDN)作为一种设计、搭建和管理网络的全新组网技术为数据中心网络体系架构建设需求提供了解决方案。SDN核心思想在于网络控制平面与数据平面分离、网络控制逻辑集中化及开放网络编程接口。利用SDN技术建设数据中心网络能够有效简化网络管理并优化网络性能,因此受到学术界和工业界的广泛关注。然而,数据中心不断增长的业务量向SDN技术提出大规模网络负载的严峻考验。首先绿色节能是新型数据中心设计目标,OpenFlow技术依据流表进行查表转发的特性在交换机流表存储容量、能耗及成本等方面存在限制因素;其次控制平面可扩展性是制约软件定义数据中心网络性能的主要因素。单一集中式控制器鉴于其有限的资源和处理能力难以对网络进行有效地管理,极易造成网络性能瓶颈;最后数据中心网络基础架构仅提供了基本容量保证,如何设计合理高效的路由机制以提升网络传输效率并实现负载均衡能力是目前研究的重点方向。本文针对新型数据中心网络中流表转发机制、控制平面可扩展性及多径路由策略等关键技术进行研究,取得以下成果:(1)设计基于向量地址的数据中心网络数据面模型。使用数据中心管理器实现整个多租户数据中心业务逻辑功能,用户能够依据自己定制的策略进行网络管理和调度。在OpenFlow研究成果基础上,提出以向量地址作为数据面分组交换标签,其定义了完整的通信路径,根据向量地址即可独立完成数据转发操作。此外,交换机无需引入三态内容存储器、片外存储器等硬件资源进行流表存储和查找操作,交换机设计复杂度和成本大幅降低;同时新数据流建立时,向量交换机不增加任何表项和查找代价,无需进行配置操作,简化了数据流建立过程,显著减少流表更新过程中所消耗的控制信令数量。(2)设计并实现层次化软件定义数据中心网络控制面架构。该架构在控制面以树状结构部署多台控制器,通过网络分区和拓扑聚合策略将大规模复杂网络抽象为层次小规模网络以限制每台控制器管理的网络规模,有效解决单一控制器处理能力和控制通道带宽受限问题。通过改造开源控制器Ryu实现支持层次化网络控制器的设计,增加向量地址收集、向量交换机管理等功能。在此基础上,设计实现数据中心网络拓扑管理、路由管理和北向组件三个功能模块。在路由管理模块中,针对域内多条路径的选取,设计了一种代价修正的多径路由方案。在Dijkstra算法基础上,依据等值线原理,通过对已选路径进行加权惩罚来解决多条路径间距离问题。实验结果表明,此网络架构设计能够显著减轻控制平面负载压力并提高数据中心网络可扩展性。(3)设计一种应用在新型数据中心网络中的多径路由方案。该方案采用节点不相交算法和反向路径收集机制提高获取路由效率和平均有效路由数量。通过综合考虑路径跳数和节点负载情况提高选取最优路径概率并增强路径稳定性。同时,邻居节点启用记录、询问和监听的路由同步机制以提高RREQ分组被应答的概率。实验结果表明,该路由方案可显著提高网络利用率,有效实现网络负载均衡和容错性。在分组投递率、平均时延和网络开销等性能参数方面均有改善。此多径路由算法为未来新型数据中心网络架构建设提供必要的借鉴和参考,有利于推动未来数据中心网络新协议、新业务和新功能的快速实现和部署。