软件定义网络(Software defined network,SDN)是近年来提出的一种新型的网络体系结构,它巧妙地将转发平面和控制平面进行解耦。在转发平面中,由交换机等网络设备负责数据包的转发和处理;在控制平面中,存在着一个逻辑集中的控制器,通过统一的协议(如OpenFlow协议)与交换机进行交互,以下发流表项的形式来指导数据包的转发和处理。SDN的迅猛发展,给网络管理带来各种好处的同时,也引入了很多问题和挑战,例如可扩展性问题、网络故障诊断问题等,均亟待解决和优化。本文在转发平面可扩展性问题上,重点研究了流表项超时问题,并提出了动态优化的方案;在网络故障诊断问题上,重点研究了网络流路径追踪问题,并提出了基于多流表的实现方案。本文的主要贡献如下:(1)OpenFlow协议使用超时机制来管理流表项的生命周期,如果在指定的时间内没有匹配的流经过,则这条流表项会被删除。然而太大的超时设定,会延长流表项存在时间,导致不必要的流表资源消耗,太小的超时设定,会频繁地触发请求信息,加重控制器的压力。实际应用中,流表资源十分珍贵,同时控制器的处理能力也是有限的,因此固定的超时机制不可避免地带来很多弊端。为此,本文从实际的网络流量出发,提出了不同于前人的动态超时算法,该算法既不违背OpenFlow协议规范,也不需要采集那些实际中难以获得的数据,但却能够针对不同的流设置各自适合的超时时间。最后,基于真实的网络流量,本文进行了一系列实验。实验结果表明,本文提出的动态超时算法,在没有明显增加控制器压力的情况下,能大幅度降低流表资源的消耗。(2)SDN的出现使得人们对网络的调控变得更加细粒度。SDN允许网络的操作者通过控制器将高层的抽象策略很好地转化为底层的具体功能,以流表项的形式下发到对应的交换机。因此,网络的操作者非常有必要确认,底层的功能是否与高层的策略一致,尤其是在网络配置错误或者发生故障的时候,急需新的工具来探测和定位。以往的很多研究工作是通过获取流表的具体信息来定位网络中的故障,但这种做法过于理想化,因为网络中实际运行的情况可能与所设想的流表规则是不同的。针对这些问题,本文提出了基于多流表的路径追踪方案。该方案,将探针包与正常的业务流进行标记位的区分,利用多流表的特性,在不改变原有业务流转发的情况下,通过发送探针包的方式来准确地获得业务流的真实轨迹,从而快速定位网络的故障所在。