内容分发网络(Content Delivery Network,CDN)一直是计算机领域中受学术界和产业界关注的技术,其核心在于将内容部署至距离用户更“近”,从而降低用户在获取内容时的延迟。内容分发网络可通过租赁或购买服务器自行构建,也可以通过内容分发网络服务商提供所需服务。为适应当前网络中数据类型、传输要求的变化,内容分发网络从架构、机制到算法等方面也一直在进行着改进和创新。随着云计算、软件定义网络等技术的推进,内容分发网络也通过结合新技术提升服务能力。本文主要结合内容分发网络和软件定义网络(Software Defined Network,SDN)的优势,利用软件定义网络控制与转发分离的三层平台架构以及动态编程等特征,构建软件定义内容分发网络(Software Defined Content Delivery Network,SDCDN)。通过整合网络资源、计算资源和存储资源,并结合底层网络信息和上层应用信息对资源进行处理,保证在大规模流量的应用场景下,提供支持低延迟、细粒度,和注重用户体验的服务。本文以软件定义内容分发网络为架构,首先,对软件定义内容分发网络系统的演化进行了描述,并设计了相关工作流程。其次,充分利用软件定义内容分发网络的优势,结合应用层状态和网络反馈信息进行策略的制定和执行,增强对资源的管理能力。从提升内容分发网络的性能角度,解决软件定义内容分发网络架构下的内容分发、请求路由等方面的问题。通过场景分析、模型构建和实验论证,围绕副本放置问题、定价问题和更新问题展开研究。论文主要贡献包括:⑴针对流量激增而引起的网络状态不稳定、延迟高等服务质量下降的问题,本文首先提出一种边缘网络间的合作模式,并设计了对应的原型系统Cloud Co-CDNs(C3)。同时,对C3的工作流进行分析和描述,以此构建随机模型。模型中考虑到C3完整的工作流程,以延迟为主要评价标准,结合底层和上层平台的工作过程,如传输过程、更新过程和复制过程,对这三种过程带来的延迟进行综合衡量,从而以启发式算法为基础,改进现有副本放置算法,提升了系统服务性能。⑵针对用户的移动性,并为第五代移动通讯网络、移动边缘计算、雾计算等提供支持,将软件定义内容分发网络向移动边缘化扩展。本文提出了可充分利用存储设备的灵活性的放置原型系统PMEC(Provision for Mobile Edge Computing),在PMEC中,为适应不同的需求,我们在二层结构的移动边缘网络下,构建了灵活的二层边缘覆盖网络去选择不同的存储设备放置副本,并以最小代价为目的设计相应策略。基于对问题的分析,我们从底层向上将边缘网络拓扑抽象为二层动态最小生成树,并分别给出两层的基础算法以及改进算法,降低了延迟时间。⑶针对服务质量和价格的不对等问题,本文考虑通过市场驱动去保证用户服务质量。首先,提出以市场驱动模型为基础的原型系统DPTE(Dynamic Pricing with Traffic Engineering),在DPTE中将用户对服务质量的需求考虑其中,构建了价格模型和流量模型。其次,通过前述两个模型的相互作用,即以性能状态决定价格模型,以价格规则作用用户选择、调整流量分布,从而改善系统性能。最后,利用网络效用函数定义目标函数,设计启发式算法,均衡了网络流量,增加了服务收益。⑷保证软件定义内容分发网络的系统服务质量,减少调整资源所产生的时间代价是软件定义内容分发网络面临的全新问题。本文提出了基于李雅普诺夫稳定性理论(Lyapunov`s Stability Theory)的更新策略,从而平滑调整用户比特率。在更新模型中,考虑到比特率的变化、路径的变化以及服务器选择的变化所带来的更新代价,在保证用户比特率的前提下,以最小更新代价的方案做调整。通过对整数规划问题模型的求解,调整应用层和底层资源的分配,降低了调整所带来的比特率变化的幅度,提升了用户服务质量。