随着云计算、大数据、人工智能、虚拟现实等技术的飞速发展,短视频、直播、信息流等新互联网业务的不断升级更新,全球通信网络的容量需求呈爆发式增长。作为现代通信网络的重要支柱,下一代光纤通信网络面临更高带宽、更高速率和更大容量的需求。灵活光网络（Flexible Optical Networks,FON）以其带宽分配灵活、调制方式多样、距离自适应等优势有较大的通信容量和通信速率,并具有高效的频谱资源率,成为下一代光网络技术的重要演进方向之一。保护技术和资源优化一直是光网络生存性技术的重要研究方向,对下一代大容量FON实行业务保护的意义也就更加重大。目前实验室中单根光纤容量可达Tbps量级,一旦发生光网络链路故障会引起巨大的业务中断,而灾难故障更是会造成大范围通信瘫痪,特别是对近年来不断发展的弹性数据中心网络（Elastic Optical Datacenter Networks,EODN）而言,将会带来难以估量的损失。因此,针对光网络的故障,研究面向下一代FON的保护技术和资源优化,为大容量的光纤通信网络提供生存性解决方案势在必行。本论文研究下一代FON中单链路故障和灾难故障的保护技术和资源优化。对速率灵活的混合速率（Mixed-Line-Rate,MLR）波分复用（Wavelength-Division Multiplexing,WDM）光网络和频谱灵活的弹性光网络（Elastic Optical Networks,EON）设计了预置圈保护和专用/共享路径保护机制,建立整数/混合整数线性规划（Integer Linear Programming/Mixed Integer Linear Programming,ILP/MILP）模型、启发式算法和精确算法,解决了100%业务容量保护、光纤频谱资源分配和距离自适应的速率/调制方式选择等资源优化问题。并且,本论文在保证保护机制所用空闲容量（Spare Capacity,SC）最优的前提下,利用下一代FON中光设备和频谱资源的灵活性提供了最小化网络成本、能耗和频谱的生存性解决方案,设计了数学模型和算法策略。主要开展了以下工作:1.研究了速率灵活的MLR-WDM光网络中单链路故障的预置圈保护技术和资源优化。首次提出了MLR-WDM光网络中免枚举的、距离自适应速率选择的预置圈保护技术,克服了传统预置圈保护技术中先枚举后选择的局限性。考虑到MLR-WDM光网络使用不同速率光收发器的成本差异,设计了低保护资本性支出（Capital Expenditure,CAPEX）的资源优化方法来联合优化光收发器的成本、光纤链路成本和保护SC。考虑速率选择对预置圈的保护容量有很大影响,进而会影响保护成本,提出了保护路径距离限制的预置圈保护技术,能够根据实际保护路径距离选择合适的速率。建立了MILP模型得到使用CAPEX最少的预置圈,设计了均分图算法和圈数估计算法满足大规模求解需求。仿真表明同时使用这两个算法会大大降低求解时间,并且还能保证较好的求解性能。与传统的单速率（Single-LineRate,SLR）-WDM免枚举预置圈保护和MLR-WDM带枚举的预置圈保护技术相比,所提出的MLR-WDM中免枚举预置圈降低的CAPEX成本高达40%,主要是降低了光收发器的成本。分析不同方案中光收发器的使用发现所提出的MLR-WDM中免枚举预置圈使用的光收发器数量仅为传统保护方案的一半不到。结果表明通过使用免枚举预置圈技术和资源优化配置能够有效地降低网络保护成本,为MLR-WDM保护中低光收发器成本使用提供了解决方案。2.针对频谱灵活的EON中带宽非对称业务研究了单链路故障下的有向预置圈保护技术和资源优化。越来越多的数据中心光网络使用的任意播业务会引入带宽非对称业务,但传统预置圈保护并不区分不同方向上的工作容量,而是对同一链路两个方向提供相同的保护容量,这样在保护带宽非对称业务时造成保护容量的浪费。首次提出了EON中针对带宽非对称业务的有向预置圈保护技术,能够根据不同方向的工作容量分配合适的保护容量。考虑EON中带宽灵活光设备的能耗问题,研究了有向预置圈保护中的频谱资源分配、距离自适应调制方式选择,来联合优化光设备的功耗、频谱资源和保护SC。建立了MILP模型得到能耗和SC最少的有向预置圈,将MILP模型分解成圈枚举方法和一个简化的ILP模型来降低求解复杂度。与传统的无向预置圈保护相比,随着带宽非对称度从0%增加到100%,有向预置圈保护节省的能耗从0%提高到超过40%。并且,在使用数据中心任意播服务时,有向预置圈保护节省的能耗增加到35%以上。结果表明对于带宽非对称业务需要使用有向预置圈保护来降低网络保护能耗,为EON保护中低能耗的带宽灵活光设备使用提供了解决方案。3.为了进一步提高EON中灵活频谱的使用效率,研究了频谱共享预置圈（Spectrum Shared Pre-configured Cycle,SS-p-cycle）的保护技术和资源优化。对于公用链路的预置圈,传统预置圈保护不能为它们分配相同的频谱,但本文研究发现这些预置圈可以共享频谱资源,只要他们的保护路径在发生链路故障时没有公用链路即可。为此,首次提出了SS-pcycle保护技术,通过判断保护路径是否公用链路来最大限度允许不同预置圈共享频谱,从理论上证明了SS-p-cycle预置圈频谱共享原理。在有无频谱变换器两种条件下,设计了SSp-cycle的ILP模型来联合优化链路保护SC和网络使用的频隙数,还针对无频谱变换器时模型的复杂度问题设计了启发式算法。仿真发现有无频谱变换器下的频谱共享预置圈中网络使用的频隙数并无太大差异,主要的区别是有变换器下链路保护SC要小很多。与传统不共享频谱的预置圈保护相比,频谱共享预置圈使用的链路保护SC和网络使用的频隙数的减少量分别高达28%和57%。结果表明,采用频谱共享预置圈可以显著地降低频谱使用,为EON保护中频谱的高效使用提供了解决方案。4.针对频谱和内容灵活的EODN研究了灾难故障下的专用的内容保护路径（Dedicated End-to-content Backup Path Protection,DEBPP）和共享的内容保护路径（Shared End-to-content Backup Path Protection,SEBPP）以及资源优化。EODN可将相同的业务内容在不同的DC中备份,从而在发生灾难故障时将原DC业务通过备份DC进行发送,保证业务内容分发不受故障影响。DEBPP对公用链路的保护路径使用不同的保护资源,而SEBPP允许公用链路的保护路径共享保护资源,只要在任何灾难故障下其保护路径不会有公用链路即可。建立了DEBPP和SEBPP的ILP模型来优化链路保护SC和网络使用的频隙数,综合考虑DC节点选择、业务内容放置、路径和内容保护和频谱分配。该问题的ILP模型过于复杂,提出了列生成（Column Generation,CG）优化算法将原问题分解成一个主问题和子问题来循环求解。主问题选择最小化频谱资源下的路径和频谱分配配置,子问题根据主问题的求解情况更新路径和频谱分配配置。仿真说明该CG优化算法可以有效地解决大规模问题下求解复杂度过高的问题,CG优化算法使用更少的求解时间,并且可以知道所得解与最优解之间的差距。仿真发现采用链路频谱共享的SEBPP相比于频谱专用的DEBPP节省的频谱资源约为15%。在增加网络中DC节点数和内容备份数时,路径保护所节省的频谱数并不是一直增加,而是超过一定值后就不再增加,这一结论表明应当选取合适的DC节点数目和内容备份数就可以有效使用保护频谱。