当前互联网已经成为世界上应用最广泛的基础设施之一,伴随着云计算、物联网、移动互联网等新兴业务的不断涌现,互联网的规模也在快速增长,而传统基于TCP/IP的网络体系由于其先天设计不足存在灵活性差、管控复杂,导致利用率低下等问题,已经无法满足互联网高速发展的需求,各个国家的企业与研究机构都已经开始着手新一代互联网的研究。在这种背景下软件定义网络(SDN)应运而生,作为一种新型网络部署架构,其最主要特点是将网络中的控制面与数据面分离,由SDN的控制面掌控全局网络资源,网络的拓扑收集、路由计算、流量管理等功能在控制器中完成,而数据面中的交换机只保留转发功能,控制器与交换机之间通过OpenFlow协议通信,实现对整个网络的控制。目前SDN多以单一集中式控制器为主,这种方式虽然简单易部署,但是在大规模网络环境中,控制器有限的资源与处理能力将造成网络的可扩展性问题,因此本文的研究工作重点在于设计实现能够改进SDN可扩展性的控制面架构。本文首先阐述了SDN的体系架构与特征,对OpenFlow技术相关的控制器、交换机以及OpenFlow协议做了深入了解,之后对业界主要的三类针对SDN可扩展性问题的解决方案进行了举例说明分析,理解了它们的技术特征与优缺点。然后以此为基础结合拓扑聚合的思想,提出了一种层次化控制面架构,该架构在控制面中以树状结构部署多控制器,通过分区与聚合将大规模复杂网络抽象成分层的小规模网络,限制每个控制器管理网络的规模,降低了控制面的决策代价,从而改进了SDN网络的可扩展性。最后改造了开源控制器Ryu使其支持层次化控制面架构,并利用Mininet网络仿真平台进行了层次化控制面架构的相关实验,验证了架构设计的可行性与合理性。