新的网络服务和应用的不断出现对网络能力提出了更高的需求。为满足这些需求,需要路由系统增加相应的控制功能。在现有网络体系结构和路由控制模式下,新的机制或功能只能以类似“补丁”的方式增量式地添加到现有路由系统。这种方式使得路由系统面临难以实现路由快速收敛、路由优化能力不足、网络控制和管理问题突出以及缺乏可定制化能力的困境。究其原因,根本上在于在现有网络体系结构下,路由控制功能以分布式方式实现,控制和转发之间是紧耦合的关系,使得协议功能的增量更新导致协议体系日臻庞大,网络控制和管理愈发困难。基于集中控制的网络是一种新型的网络体系结构,它将控制平面与数据平面分离,以集中的方式实现控制功能。在这种网络体系结构下,基于集中控制的路由控制体系能够解决当前路由系统在路由、管理、优化、策略等方面的问题,是提升路由系统能力的可行技术途径。本文在基于集中控制的路由控制体系下,围绕控制平面可靠性和可扩展性、域内路由优化、流量转发优化以及控制平面和数据平面间通信四个核心问题展开研究。重点研究了基于逻辑集中控制的路由优化框架,通过逻辑集中方式为网络提供可靠性和可扩展性保证;研究了链路状态协议的问题,并针对这些问题提出了基于集中控制的域内路由协议;研究了基于集中控制的流量工程优化机制,从域内和域间两个方面提高对流量传输的优化能力;研究了基于集中控制的网络中跨平面的可靠分发路径构建方法,支持在逻辑集中、物理分布的控制平面前提下构建可靠的分发路径。论文主要贡献和创新点包括以下五个方面:(1)提出了一种基于逻辑集中控制的路由优化框架。本文将大规模网络的路由优化需求作为研究的出发点,强调以逻辑集中的方式实现控制平面以保证可靠性和扩展性,并将灵活的集中策略作为设计原则之一。依据设计原则和目标,提出了一种基于逻辑集中控制的路由优化框架。该框架采用分离的控制网和转发网分别实现控制平面和数据平面,并根据逻辑集中的特征在转发网中引入了虚拟区域的概念。该优化框架具有逻辑集中物理分布的控制平面、控制任务负载均衡、基于单播的消息分发模式、路由控制易部署等几个显著特点。(2)提出了基于集中控制的链路状态路由协议。针对链路状态协议存在的问题,本文提出了基于集中控制的链路状态协议LSC2。该协议基于路由优化框架实现对链路状态报文的可控分发,消除了传统链路协议的洪泛机制和分布式控制对定时器的限制。LSC2实现了一个路由控制算法,通过计算转发网内各转发设备的路由更新行为,抑制冗余的路由计算。基于Quagga软件实现了LSC2协议的原型,并通过仿真平台构建真实网络拓扑对LSC2进行测试。实验结果说明相比于OSPF,LSC2能加快网络收敛,降低60%以上的报文开销。LSC2的路由控制算法能有效避免特定节点的路由计算,进一步降低网络计算和报文开销。通过向网络动态地添加控制单元可实现对路由控制任务的负载均衡,保证LSC2的可扩展性。(3)提出了基于链路度量配置的域内流量工程优化机制。针对传统IP网络中基于链路度量配置的流量工程存在人工误配置、瞬时收敛状态和不期望流量转发行为等问题,本文基于路由优化框架提出了一种基于链路度量配置的流量工程优化机制。通过在控制单元上部署路由管理系统RMS,将链路度量优化算法和链路度量配置过程进行有效集成。RMS可通过集中实现的控制平面获取一致的拓扑和流量信息,并根据流量工程目标计算优化的链路度量。RMS将优化链路度量在一次收敛过程中配置到数据平面,避免了多次收敛的瞬时网络状态以及相关的协议开销,同时极大降低了网络配置的人为参与度。(4)提出了基于流量迁移预测的域间出口选择算法。针对可调域间路由出口选择算法可能引起大幅流量迁移的问题,本文提出了基于流量迁移预测的出口选择算法TMP-TIE。该算法在TIE算法的基础上加入对流量迁移的预测和判定,避免出口变化引起的大幅流量迁移,降低对域间流量优化传输的影响。通过模拟实验比较了热土豆、TIE和TMP-TIE的性能,实验结果说明TMP-TIE具有最小的路由敏感性和流量敏感性,能降低故障条件下的网络代价和网络拥塞的概率,有利于实现域间流量工程。(5)提出了支撑逻辑集中控制的网络分发路径构建方法。基于路由优化框架,本文提出了分发路径构建方法 DPCM。该方法采用独特的路径构造报文Probe携带传输过程中经历的路径信息,发现网络拓扑和可用路径信息。DPCM可在分发路径构建过程中自动完成对控制域的划分。DPCM还提供对路径活性的验证机制,当分发路径发生故障后能快速进行路由重构,保证分发路径的可靠性。通过搭建真实网络环境对DPCM的原型系统进行测试,实验结果验证了DPCM功能的有效性、所构建路径的可靠性和轻量级开销的特点。