控制層是SDN的大腦，負責對底層轉發設備的集中統一控制，同時向上層業務提供網絡能力調用的接口，在SDN架構中具有舉足輕重的作用，SDN控制器也是SDN關注的焦點。從技術實現上看，控制器除了南向的網絡控制和北向的業務支撐外，還需要關注東西的擴展，以避免SDN集中控制導致的性能和安全瓶頸問題，SDN控制器也在南向、北向、東西向上引入了相應的核心技術，有效解決與各層通信以及控制集群橫向擴展的難題。

當前，業界有很多基于OpenFlow控制協議的開源的控制器實現，例如NOX、Onix、Floodlight等，它們都有各自的特色設計，能夠實現鏈路發現、拓撲管理、策略制定、表項下發等支持SDN網絡運行的基本操作。雖然不同的控制器在功能和性能上仍舊存在差異，但是從中已經可以總結出SDN控制器應當具備的技術特征，從這些開源系統的研發與實踐中得到的經驗和教訓將有助于推動SDN控制器的規范化發展。

另外，用于網絡集中化控制的控制器作為SDN網絡的核心，其性能和安全性非常重要，其可能存在的負載過大、單點失效等問題一直是SDN領域中亟待解決的問題。當前，業界對此也有了很多探討，從部署架構、技術措施等多個方面提出了很多有創見的方法。

SDN控制器對網絡的控制主要是通過南向接口協議實現,包括鏈路發現、拓撲管理、策略制定、表項下發等，其中鏈路發現和拓撲管理主要是控制其利用南向接口的上行通道對底層交換設備上報信息進行統一監控和統計;而策略制定和表項下發則是控制器利用南向接口的下行通道對網絡設備進行統一控制。

SDN北向接口是通過控制器向上層業務應用開放的接口，其目標是使得業務應用能夠便利地調用底層的網絡資源和能力。通過北向接口，網絡業務的開發者能以軟件編程的形式調用各種網絡資源;同時上層的網絡資源管理系統可以通過控制器的北向接口全局把控整個網網絡的資源狀態，并對資源進行統一調度。因為北向接口是直接為業務應用服務的，因此其設計需要密切聯系業務應用需求，具有多樣化的特征。同時，北向接口的設計是否合理、便捷，以便能被業務應用廣泛調用，會直接影響到SDN控制器廠商的市場前景。

與南向接口方面已有OpenFlow等國際標準不同，北向接口方面還缺少業界公認的標準，因此，北向接口的協議制定成為當前SDN領域競爭的焦點，不同的參與者或者從用戶角度出發，或者從運營角度出發，或者從產品能力角度出發提出了很多方案。據悉,目前至少有20種控制器,每種控制器會對外提供北向接口用于上層應用開發和資源編排。雖然北向接口標準當前還很難達成共識，但是充分的開放性、便捷性、靈活性將是衡量接口優劣的重要標準，例如REST API就是上層業務應用的開發者比較喜歡的接口形式。部分傳統的網絡設備廠商在其現有設備上提供了編程接口供業務應用直接調用，也可被視作是北向接口之一，其目的是在不改變其現有設備架構的條件下提升配置管理靈活性，應對開放協議的競爭。

控制器負責整個SDN網絡的集中化控制，對于把握全網置資源視圖、改善網絡資源交付都具有非常重要的作用。但控制能力的集中化，也意味著控制器局的安全性和性能成為全網的瓶頸;另外，單一的控制器也無法應對跨多個地域的SND網絡問題，需要多個SDN控制器組成的分布式集群，以避免單一的控制器節點在可靠性、擴展性、性能方面的問題。目前，用于多個控制器之間溝通和聯系的東西向接口還沒定義標準，但專家表示，一些非常成熟的集群技術可以被運用到SDN網絡中來解決上述難題。