随着各国对空天网络不断地展开深入研究,空天网络技术获得了迅速发展,在人们的科学、文化和生产活动中占据着越来越重要的作用,成为了全球的研究热点。然而,和地面网络相比,空天网络存在着协议异构、拓扑时变、链路质量差和资源受限等问题,这都给网络的扩展性,兼容性和可靠性带来了研究压力。随着软件定义网络(SDN)技术的发展和其带来的优点,学术界和工业界越来越多的国内外学者展开了软件定义空天网络的研究和应用。本文基于空天网络特性和SDN技术改进设计了一个空天SDN网络架构,并基于该架构针对分布式控制器系统、空天多层网络路由算法以及空天SDN网络数据和控制平面的可靠性展开了研究。本文的主要工作和创新在于:借鉴SDN技术,本文改进设计了一个空天SDN网络架构模型,其中GEO作为控制平面,LEO和MEO作为数据平面,地面站则作为管理和应用平面。该模型增强了空天网络的控制和管理能力,提高了网络的可用性、可靠性和可扩展性。通过分析系统需求和功能逻辑,本文重点对空天SDN网络的分布式控制器系统进行了模块化的研究和设计。控制器通过Zookeeper实现分布式的注册管理能力,并由分布式数据库存储和维护全局网络信息视图。通过测试,本控制器分布式模块工作正常,在性能上和floodlight具有相当的处理能力。为适配空天网络,本文重点设计了控制器的路由计算模块,对基于最小时延的多层空天网络路由算法MLSR进行了改进,经过仿真验证,改进算法相对于MLSR的跨层通信端到端平均时延性能提高了约16%。针对空天网络高动态的特点,基于OpenFlow和OF-CONFIG标准协议内容,在保证活跃度,安全,串行化处理和较小迁移时延的条件下,本文进行了交换机迁移策略和控制器故障转移机制的研究和设计,实现高动态的环境下控制和数据平面能够无中断的实现可靠路由转发。