软件定义网络(Software-Defined Networking,SDN)通过将网络的控制平面与转发平面进行分离,获得统一的集中控制逻辑,提高了网络管理效率,增强了网络可编程能力,使网络行为能够根据业务需求和网络状态作出更为及时和灵活的响应。控制平面作为软件定义网络的核心部分,主要承担有两方面任务:一是将应用平面的请求转化为数据平面的具体转发行为;二是为应用平面提供底层的网络拓扑和状态等信息。为了确保网络应用在SDN网络中得到及时可靠的服务,控制平面必须维持良好的性能并与交换机保持可靠的通信,确保交换机能够及时可靠的获得控制信息对数据分组进行转发。然而,SDN网络在实际运行过程中,存在各种不可靠因素影响控制平面的可靠性,使交换机无法及时可靠的获得控制信息,影响整个SDN网络的性能。本文依托国家高技术研究发展计划(“863”计划)课题“软件定义网络体系结构与关键技术”,从分析不同故障场景对SDN网络性能造成的影响出发,以提高控制平面可靠性为目标,从优化控制器部署和交换机迁移策略的角度,研究软件定义网络控制平面可靠性关键技术,主要研究工作及贡献如下:1.针对控制路径故障后交换机与控制平面重新建立通信的时延优化问题,提出一种基于时延约束的控制器容错部署策略,降低控制路径故障恢复后交换机与控制平面的通信时延。首先,本文采用域内控制路径备份的方式来对控制路径故障作出响应;其次,考虑到备份控制路径不能满足最低时延约束的情况,提出一种控制器容错部署策略,依据复杂网络统计特性设计贪婪算法,从所有部署组合中选择一条满足控制器性能、初始时延、负载均衡等多种约束,且链路故障对控制平面性能可靠性影响最低的部署方案,对链路故障恢复后控制器与交换机的通信时延作出优化。仿真结果表明,该算法平均减少31%的不可靠交换机节点,降低了约7%的交换机与控制器最大通信时延。2.针对控制器故障后失联交换机如何与控制平面重新建立通信的问题,提出一种面向控制器故障的应激式交换机迁移策略,提高故障恢复速度,降低控制器故障恢复后控制平面对流请求的响应时间。本文利用网络静态信息,运用排队理论合理地将控制器负载指标、控制器与交换机通信时延指标及丢包率指标转化为单一时延指标,设计遗传算法为失联交换机提前指定备份控制器,提高故障恢复速度,优化故障恢复后的流响应时间。仿真结果表明,该方法与最近迁移策略和利用率最低迁移策略相比,在整体网络负载较高的情况下,减少了21%~40%流响应时间。3.针对控制器过载后如何将过载域内交换机迁出的问题,提出一种面向控制器过载的多域间交换机迁移策略。考虑到现有交换机迁移方案负载均衡和时延优化上的不足,本文提出一种多域间迁移机制,综合考虑当前网络状态和历史统计信息,通过选择最优的迁移路径和待迁移交换机,实现了在相同的迁移时间内对控制器间负载均衡和交换机与控制器间通信时延更好的优化效果。仿真结果表明,与现有策略相比,在网络负载高峰期该迁移策略的平均流请求响应时间至少减少了12%,最大流请求响应时间至少减少11.7%。