随着通用多协议标签交换(Generalized Multi-Protocol Label Switching, GMPLS)技术和自动交换光网络(Automatic Switching Optical Network, ASON)的发展,IP网和光网已实现无缝融合,形成IP over WDM (Wavelength-Division-Multiplexing)光网络。作为核心骨干网之一,网络运营商在降低网络能耗和设备成本方面将承受巨大压力。更重要的是,绿色、多播、多域、实时、异构自主重配置、网络虚拟化以及高可靠等新需求催生了IP over WDM光网络的新特征以及多样的新兴应用。随着网络业务量的增加,过度耗能已成为网络发展的主要阻碍之一。因此,IP over WDM光网络中面向资源高效利用、高能效、低端口成本的设计受到了学术界和工业界的广泛关注。此外,如何高效地将上述优化设计应用到未来实时、异构自主重配置、甚至是面向云计算的IP over WDM光网络中,将成为一个非常具有学术和应用前景的研究热点。目前,IP over WDM光网络中的节能算法多采用流量疏导技术,但未考虑网络能效问题,即构建光路能耗开销与采用光旁路所节省能耗之间的性能折中。此外,当前的流量疏导机制不能很好地与波带交换技术形成优势互补,无法有效地对网络能效与端口成本进行联合优化。更重要的是,实时网络业务量信息的不可预知性愈加明显、业务应用更趋向于多播甚至是多对多会话,网络结构逐渐呈现多域等新特征。显然,目前的流量疏导机制无法直接应用于具有上述新特点的IP over WDM光网络中。此外,异构自主重配置及面向云计算的IP over WDM光网络亟需更加灵活的疏导机制与资源优化算法,从而解决粒度多样性问题以及进一步提高底层基础设施的利用率。因此,对IP over WDM光网络中的绿色疏导机制与优化算法研究具有重要学术意义和应用价值。本文的主要内容和创新点可概述如下：(1)第2章研究IP over WDM光网络中的绿色单播流量疏导机制。首先,研究了IP over WDM光网络的能效优化问题,详细分析了构建光路所需能耗以及采用流量疏导节约的路由器端口能耗,并推导出单域网络能效量化模型。接着,提出了基于光旁路重配置的绿色单播流量疏导机制,该机制在旁路节点处对光路进行分割,提高业务疏导入已建光路的机率,从而得到更好的节能效果。最后,将非合作博弈理论应用到绿色单播流量疏导机制设计中,通过路径链路上用户与网络运营商的博弈,在高能效的IP over WDM光网络中实现二者利益的双赢。(2)第3章研究IP over WDM光网络中多播多粒度的绿色流量疏导机制。首先,提出了不同多播流量疏导方案组合下的绿色多播流量疏导机制,通过仿真分析寻求最佳组合方案,为网络设计者提供开放性建议。接着,针对新兴的多对多会话应用,基于“大规模会话拆分”思想,提出了多对多会话绿色路由与聚合算法。最后,基于混合多层光交叉连接器结构,在节点端口层面实现了对全光传输端口成本及光电光矩阵端口能耗进行联合优化的线性规划方案,提出了支持波带交换的绿色流量疏导机制。(3)第4章研究IP over WDM光网络中的绿色混合疏导机制。首先,考虑了流量疏导与波带交换技术优势的结合,通过流量疏导实现业务聚合,从而提高光路利用率和网络能效,再利用波带交换将高载荷光路融合进波带通道,从而降低端口成本。接着,针对多播业务应用,实现了多播流量疏导与波带交换技术优势的结合,并设计了新的多播用户阻塞率统计方法以及不同阻塞率优化目标下的启发式算法。最后,在多域IP over WDM光网络中研究了域内以及全网能效优化问题,考虑了链路代价调整对能效的影响,推导出能效量化模型,且有效结合了波带交换技术优势。(4)第5章研究实时IP over WDM光网络中的绿色鲁棒疏导机制。首先,基于给定的、模拟实时网络有限信息的数学模型,结合网络能效,即光路构建所需能耗与采用流量疏导节约能耗之比,推导出具有鲁棒特征的实时网络功率比,并以此为优化参数设计了绿色鲁棒疏导机制。接着,提出了软管模型分割方法,计算出不同粒度等级业务的功率比,并以此为优化参数、以“粒度等级较高优先”原则构建光路虚拓扑。最后,根据多域实时网络峰值业务倾向分布于边界节点的特征,将软管模型进行分割,提出网络能效的新定义,并通过数学推导计算出多域实时网络能效。(5)第6章研究异构自主重配置IP over WDM光网络中的疏导与优化算法。首先,借鉴软件定义光传输技术,在软件层面实现不同疏导方式的自主切换,对不同粒度等级业务实现区别处理,从而提出了新的业务划分疏导机制,有效解决了实时网络中的粒度多样性问题。接着,将业务划分疏导机制扩展到多域光网络,并引入业务迁移技术,可将先前阻塞的业务转移到不同粒度等级平面上的已建通道中继续进行传输,从而降低业务阻塞率。最后,采用“虚级联”技术设计了弹性频谱碎片整理算法,不仅缓解了由频谱搬移所导致的在线服务短时中断,且可对碎片进行整合,从而降低阻塞率。(6)第7章研究面向云计算的IP over WDM光网络中的资源优化算法。一方面,提出了云数据中心中基于预测的先应式碎片整理算法,通过对未来到达的虚拟机请求数量比例分布推算出最大收益,并将其作为触发与终止碎片整理进程的依据,从而缓解碎片整理进程中由虚拟机过度迁移所产生的开销,并缩短整理延迟。另一方面,提出了面向云计算的IP over WDM光网络中的资源联合虚拟化算法,将流量疏导、服务器整合、任意播路由以及资源平衡有效结合,显著提高了云服务提供商收益。为验证和评估本文所提各种算法的性能,开发了IP over WDM光网络中的绿色疏导机制与优化算法仿真平台。仿真结果表明,这些机制和算法分别在多播、多域、实时、异构自主重配置以及面向云计算的IP over WDM光网络中实现了网络能效和端口成本的联合优化、资源的高效利用以及收益的最大化。本文的研究成果对未来光网络的发展和建设提供了丰富的理论基础和技术保障。