数据中心作为基础服务的载体，近些年在大数据的推动下，建设规模日益扩大。但是在为用户提供高带宽需求的同时，巨大的能源消耗、成本问题和日益复杂的连线复杂度成为制约数据中心的重要瓶颈。许多研究机构纷纷采用光电路交换(optical circuit switching，OCS)以弥补传统电分组交换网络的不足。光交换网络以其固有的低能耗、大带宽、易布线等优点，成为数据中心内部光电混合网络的研究热点。不过，由于数据中心的带宽需求日益膨胀，很多研究机构虽然提出了一些节能化的解决方案，但是在无阻塞扩展、低能耗组网、简化布线等方面依旧存在欠缺，因此，数据中心混合交换光网络在结构设计方面仍然还有很大的空间。　　在众多的数据中心混合交换光网络方案中，ROADM环网因其具有多方面的优势而引起了学术界的广泛关注：1）在逻辑上等效于一个光开关，利用ROADM的上下路功能可灵活实现任意波长在任意节点的无阻塞切换；2）是一个集交换和传输于一体的结构，可简单通过拉伸环网扩大覆盖范围、实现分布式网络；3）易于布线特点，上千台服务器可以通过诸多短线连接到同一根ROADM环上，共享波长资源，在一定程度上减少长线数量、节省光纤成本。本文针对ROADM环网，主要研究基于环网的无阻塞扩展问题，具体完成了以下几个方面的工作：　　1.基于一级单向ROADM环网的三级Clos网络结构设计和性能研究　　首先，针对无阻塞扩展问题，我们阐述了经典的Clos结构，即三级MMM（MEMS-MEMS-MEMS）网络。所谓经典Clos网络，是一种将小规模开关无阻塞地扩展成大规模开关的常用方法，而业界常用的“胖树”结构只是其模块化的产物。我们对ROADM环网出现在三级Clos网络中的具体情况进行了详细的梳理和研究：指出波长约束出现某一级时，会对网络分别造成规则级、策略级、和器件级影响，开展的主要工作包括：　　1）针对MMM结构无阻塞、容量大，但长线数量多的问题，重点介绍了单级环网带来的主要约束条件，对ROADM环网出现在三级Clos网络中的输入级、中间级、输出级的具体情况进行了详细的梳理和研究。　　2）比较上述三种单级环网，将环网放在中间级的方式（即MRM方式）既满足了无阻塞、可扩展特性；其对称性又减少了长线数量；可以使用良好的路由策略而避免复杂选路问题所带来的时间成本，成为最佳的解决方案之一。　　2.基于双向环的无阻塞网络结构设计（MRM双向环网）　　针对上述单向ROADM环网络非一致路由的问题，重点介绍了双向MRM环网的主要挑战，讨论了各种业务情况下，波长对环容量、跳数对容量的影响，开展的主要工作包括：　　1）详细推导了基于一对双向 MRM环网络下，波长与双向环容量在 point-to-point和all-to-all两种业务模式下的函数关系，由此得出多级双向环MRM网络容量可以增加1.5倍的结论。　　2）通过设计一种逐点均衡的单向MRM环网络实验，采用Optisystem12得到了物理跳数与双向环容量的定量关系，由此得出多个站点共享一对 EDFA时，最多可以将干路EDFA数量降低50%，且不影响其BER特性。　　3）提出了一种新型双向环设计方案，通过改善上下路结构，以达到增大双向环容量的目的，并通过仿真对其阻塞率性能进行了验证，获得了良好的阻塞率效果，得出MRM分立环在不增加硬件设备的情况下，分组上下路的界限。　　3.基于两级或多级ROADM环网的无阻塞网络结构设计和性能研究　　针对MRM结构物理结构对称，逻辑结构不对称的问题，设计了一种RMR结构，同时满足了网络的无阻塞、可扩展、逻辑对称等特性；另外，针对MRM或RMR结构纵向可扩展，横向不可扩展的问题，研究了三级RRR(Ring-Ring-Ring)网络，研究了无阻塞、横向可扩展的三种解决方案；最后针对RRR网络的满配问题，提出了一种基于无阻塞的二层多级环结构，对多级无阻塞环网进行研究，同时满足了网络的大容量、无阻塞、可扩展、共享池等特性。开展的主要工作包括：　　1）对ROADM环网同时出现在输入级和输出级的RMR方案进行了研究，指出RMR结构必须采取相应的规则和策略，方可有效保证两级环网的无阻塞特性。RMR方式将环网放在中间级，既满足了无阻塞条件、可扩展特性；其对称性又减少了长线数量；其逻辑对称性弥补了MRM结构的不足，并将其简化为RWR结构，成为数据中心无阻塞网络的最佳解决方案之一。　　2）详细分析了三级网络全部使用环网（即 RRR方式）所面临的挑战，研究了RRR模式下的波长冲突及三种解决方案：考虑采用增加波长信道数、增加中间级环网数量、或引入波长转换器（即Tunable Wavelength Converter，TWC）为RRR模式下实现无阻塞、可扩展、易布线方式提供解决方案。　　3)针对 RRR网络的代价问题，提出了一种基于RWR模式下的二层多级环结构，该结构结合了上述的RWR结构和TWC解决方案的优点，研究了该网络的无阻塞条件和连线复杂度；然后指出该网络在满足大容量、无阻塞、少长线的同时，能够进一步增加网络容量，降低TWC配置数量，提供了另一种切实可行的解决方案。