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互联网的快速发展带来了巨大经济社会效益,同时也面临着许多重大的技术挑战,互联网在可扩展性、移动性、服务质量、安全性等方面遇到越来越多的问题。在此背景下,一种新型改进方案——软件定义网络(SDN)被提出,该技术试图通过重新设计网络体系结构,从根本上解决现有互联网面临的各种问题。作为SDN代表技术,Open Flow协议数控分离、集中控制的机制提高了网络的可编程性和灵活性,然而Open Flow流表简单的“匹配+转发”的处理范式对于支持复杂的网络功能也带来了较大的局限性。Open Flow交换机只能提供对报文的匹配处理功能,不能支持对状态信息的处理,其数据平面表达能力不足,可编程性不强。针对Open Flow协议的局限性,本文在在国际上首次提出了一种SDN数据平面带状态转发技术,设计了数据平面带状态转发抽象架构SDPA,基于SDPA架构开发了软件原型系统、动态可配置硬件系统及多种应用,设计并实现了一种基于SDPA硬件和NFV结合支持网络功能的架构Hi PPA,进一步增强了网络的可编程性、灵活性和处理性能。本文的主要研究内容和贡献如下:1.基于形式化方法提出了一种SDN数据平面转发抽象模型,首次提出“匹配+状态+动作”的数据平面带状态转发处理范式SFA。通过对SDN本质属性进行抽象和描述,进一步指出SDN网络的本质特征。2.首次提出了一种SDN数据平面带状态转发抽象构架SDPA,并开发SDPA软件交换机及多种应用。通过在数据平面增加协处理器FP和状态表ST,支持在数据平面处理和维护网络、流和报文的状态信息;通过定义数据平面指令集,进一步增强数据平面的表达能力和可编程性;最后开发了SDPA软件交换机和多个应用。3.基于SDPA架构设计实现了一种动态可配置的硬件平台。该平台基于SFA数据平面抽象和API,支持多种网络功能动态和重复配置,支持在同一个平台上配置多个网络功能,形成硬件业务链,其通用性、可编程性和可扩展性更强。4.首次提出并实现了一种基于SDPA硬件和NFV结合支持网络功能的网络架构Hi PPA。通过统一的数据平面抽象、南向/北向API和集中控制,实现对数据平面资源、状态的动态感知和数据平面业务链的编排,实现网络功能高性能和灵活性的统一。