随着波分复用(WDM)技术的不断进步，WDM光网络得到了广泛应用，并且已经成为现代通信基础设施的重要基石。WDM光网络具有高速度大容量的特点，即使单个网络故障也会造成大量的信息丢失，因此确保网络的健壮性显得尤为重要。生存性技术，也就是保护和恢复方法，可以有效地增强网络抵御故障的能力，在高可用性WDM光网络设计中发挥着重要作用。 本文对WDM光网络的生存性技术进行了深入的理论研究，目的是提出新的保护恢复方案及其相关算法，以优化网络性能，提高网络的生存能力。主要研究内容包括动态共享通道保护方法性能分析、区分通道可用度保护方法、链路保护P圈优化配置以及故障独立通道保护P圈设计算法，并进行模拟仿真。 第一章介绍了相关的研究背景。 第二章分析自相似业务下共享通道保护WDM光网络性能。利用随机中点置换-分形高斯噪声方法合成自相似业务序列，通过分层图方法记录WDM光网络状态，提出了一种链路状态描述模型。通过对5×5 Mesh Torus网络进行仿真，研究泊松业务和自相似业务对共享通道保护算法的影响。仿真结果表明，在相同的平均到达速率下，泊松业务和自相似业务得到的阻塞率并不相同。对于自相似业务，当自相似系数H或方差V变大时，也就是说业务的突发程度变大时，阻塞率增大，网络的性能下降。增加单纤波长数W，可以降低阻塞率，提高网络性能。当波长数从8增加到24时，阻塞率从0.45减少到了0.009。 第三章提出了一种WDM光网络的区分通道可用度保护方法。每个连接由业务层分配一个最大不可用度指标，如果连接的工作通道不可用度大于其不可用度指标，则需要分配保护通道，否则，无需保护。提出了一种重用保护波长机制：无保护连接的工作通道可以重用有保护连接保护通道的波长，如果两个连接的工作通道不可用度之和不超过无保护连接的不可用度指标。根据区分通道可用度保护思想，WDM层可以向业务层透明地提供满足不同可用度要求的连接，这就简化了多层网络生存性设计的难度。利用区分通道可用度方法设计WDM环型光网络，给出了一种基于马尔可夫过程的多修复条件下环网通道可用度计算方法，提出了一种启发式路由和波长分配(Routing andWavelength Assignment，RWA)算法.最难重用优先算法。对12节点环网仿真发现：利用最难重用优先算法，可以在满足每个连接可用度要求的同时，减少环网所需的波长里程数。在均匀业务和非均匀业务下，随着连接的可用度要求降低，环网使用的波长里程数减少，重用的波长里程数增加，也就是节约的保护容量增多，可以节约大约24％的保护容量。 第四章研究无波长变换WDM多纤网络的链路保护P圈静态保护优化方法。提出了两种新的RWA算法：最短路径.负载均衡(Shortest Path-Load Balanced,SP-LB)和动态分层-负载均衡(DynamicLayered-Load Balanced，DL-LB)。首先利用保护工作容量包封(Protected Working Capacity Envelope，PWCE)方法计算波长层中各链路的预留工作容量上限；接着利用最短路径(SP)或动态分层(DL)方法确定网络中的工作波长，然后在各波长层中为连接请求分配工作通道，采用负载均衡(LB)的思想，将工作容量近似均匀分配在各条链路和各波长层中；最后求解整数线性规划(Integer LinearProgramming，ILP)模型进行P圈优化。对SmallNet和NSFNET两种网络进行了仿真，结果表明，与东南大学博士学位论文DL方法相比，DL-LB方法减少了工作容量，因此网络总容量(保护容量与工作容量之和)降低。与SP方法相比，SP-LB方法在各波长层均匀分配工作容量，可以在不大幅增加工作容量的前提下，降低网络冗余度(保护容量与工作容量之比)，因而可以减少网络总容量。在不同的网络拓扑、圈跳数上限以及光纤数条件下，SP-LB方法需要的网络总容量都是最少的。而且它们随着圈跳数上限的变大，网络总容量都逐渐降低。与有圈跳数上限相比，无圈跳数上限可以减少11％以上的网络总容量。 第五章提出了一种通道保护P圈启发式-ILP混合设计方法：故障独立通道保护-互不相关通道组(FIPP-Mutually Disjoint Path Group，FIPP-MDPG)。该方法首先利用Johnson方法列举网络中存在的简单圈；然后对于任意简单圈，将所有适合被该简单圈保护的通道分成若干个互不相关通道组(MDPG)，每个MDPG和该简单圈都组成一个通道保护P圈；最后求解基于MDPG的ILP模型。与已有的ILP方法相比，FIPP-MDPG的lLP模型无论是变量数还是约束条件数都大幅减少。在7n12s、Cost239、15节点网络家族中对FIPP-MDPG方法进行了仿真。仿真结果表明，FIPP-MDPG方法的结果接近于其它ILP方法，但是计算时间大幅减少，可以从ILP方法需要的2天减少到17秒。同时，FIPP-MDPG方法可以在相对较短的时间内得到接近于最优解的结果，对计算时间的敏感度不高。增加圈跳数上限，可以减少P圈的保护容量成本，但是计算时间大幅提高。通道保护P圈的保护通道成本小于链路保护P圈。 第六章研究通道保护P圈快速启发式算法。提出了两种新的纯启发式方法：故障独立通道保护-迭代式联合设计-最难共享优先(FIPP-Iterative Joint Design-Difficult Share First,FIPP-IJD-DSD)和故障独立通道保护-迭代式联合设计-完全保护(FIPP-IJD-Full Protection，FIPP-IJD-FP)。这两种方法都结合了迭代算法和联合设计的优点，基本步骤相同：首先利用Johnson方法列举网络中存在的简单圈：然后利用DSF方法或FP方法为每个简单圈寻找一个或多个不相关路由集合；接着迭代选择最优的P圈作为使用的P圈，并删除其保护的业务请求：迭代不断重复，直到所有业务请求都得到保护。在寻找不相关路由集合前，每个业务请求预选K条最短路径作为候选工作路径，并且每次迭代寻找最优P圈时，提出用标准保护效率作为评价度量，标准保护效率最高的P圈是最优的P圈。为了加快迭代速度，每次迭代使用多容量P圈，即P圈的容量不再是单位带宽，而是删除对应的业务请求后会引起P圈标准保护效率发生变化的下限带宽。在7n12s、Cost239、15节点网络家族以及USA网络中对FIPP-IJD-DSF和FIPP-IJD-FP进行了仿真。仿真结果表明，与已有的ILP设计方法需要的标准保护容量成本相比，FIPP-IJD-DSF和FIPP-IJD-FP方法最多只增长了不到12％的成本，在部分例子中，两种方法甚至减少了约10％的成本；与此同时，它们的计算时间却减少了2～3个数量级，可以从ILP方法需要的2天减少到1秒。在大多数例子中，FIPP-IJD-FP方法需要的成本略小于FIPP-IJD-DSF方法，但是计算时间却增大了若干倍。观察到了候选路由数对标准保护容量成本的伪阈值效应，即只需要较少的候选路由数就可以有效地降低成本，而更多的路由只能增长计算时间，对减少成本作用不大。总的来说，候选简单圈越多，也就是允许的简单圈越长，FIPP-IJD-DSF和FIPP-IJD-FP的结果越好，但是只使用部分简单圈而不是全部简单圈，不但有助于减少计算时间，同时又不过分影响求解的质量。 第七章为全文总结，概要介绍主要研究成果。