云服务的快速发展对数据中心提出了很高的性能要求。当前基于电交换器、传统多级交换网络、集中放置与管理的数据中心架构,无法满足未来云服务对高性能数据中心在低时延、低成本、可扩展性、可生存性、高可用性与设计灵活性等方面的要求。本文基于全光交换和光连接骨干网络,分别针对数据中心的网络架构和服务规划进行了设计。针对数据中心的网络架构设计,采用把数据中心分割成多组组件,分布式地嵌入到骨干网络中的方法,利用骨干网络现有的光路来支持数据中心内部组件之间的全光连接与交换。相比于集中式放置而言,它缓解了对网络的集中供电和制冷压力。另外,采用大容量的全光交换器来减少数据中心内部交换器的数目,并通过骨干网络的光波分复用(WDM,Wavelength Division Multiplexing)来简化数据中心网络的内部连接,最终实现了数据中心网络架构较强的可扩展性。除此之外,光交换器的分布式放置为外部业务的接入提供了更加灵活的服务访问接口,从而降低了外部业务的传输代价。鉴于所提出的设计会给数据中心网络内部的交换引入传输和时延代价,本文研究在给定外部业务请求量和内部机架之间交换量的情况下,数据中心网络中组件的放置问题。针对数据中心的可扩展性、内部代价以及外部传输代价等多项要素进行折中,给出ILP(Integer Linear Program)和启发式算法两种设计方法,在满足所有服务需求的同时实现系统总代价的最小化,最终完成数据中心网络架构的可扩展性和最优化设计。针对数据中心的服务规划设计,在给定骨干网络拓扑结构及各个节点业务需求的前提下,合理布置多个数据中心,并设计服务路由。通过在邻近的数据中心进行适量的服务备份,并在网络中预设保护路径的方法,来实现针对单个服务器或单个链路损坏情况下的快速保护。本文以网络可生存性和最小化网络代价为目标,针对数据中心的放置、服务路由及保护进行联合优化设计。首先通过设计ILP来获取最优解。该ILP集成了p-cycle(preconfigured protection cycle)、服务量备份以及快速重路由等思想,分别针对单个链路或单个服务器损坏进行快速保护。为了使设计具有更强的可扩展性,能适用于大规模网络,本文进一步给出一种启发式算法,该算法包含数据中心的放置及服务路由和快速保护两大步骤。ILP和启发式两种方法最终都通过广泛的仿真实验进行验证。