随着云计算、大数据等互联网业务的高速发展,全球通信基础设施面临着流量爆炸和相互融合的事实,这为骨干光网络的资源提供和业务承载能力提出了进一步的要求,传统基于波分复用(WDM)技术的刚性光通道将难以满足未来业务多样化的挑战。随着灵活栅格交换、软件定义控制等灵活组网技术的提出,以及光正交频分复用、奈奎斯特WDM等超通道技术的发展,全光交换网逐渐向频谱灵活、带宽按需分配的方向演进,形成了具有精细频谱粒度、支持异构多域互联的灵活全光网。由于通道频宽可变、带宽可变、调制格式可变等特性,灵活全光网中出现了频谱连续性约束和频谱碎片,引入了频谱分割、光虚级联等多流技术,颠覆了波长平面独立交换和数据通道独立传输的特性,导致灵活全光网相比传统WDM网络在资源模型、组网机制和业务模式等方面存在显著不同。本文针对以上问题,结合全光网、IP网和数据中心融合组网趋势,主要研究灵活全光网的关键技术,在全光资源评估优化、异构协同组网机制、业务灵活提供策略等方面取得了一系列创新性研究成果。在此基础上,设计搭建了灵活全光网创新实验系统,进一步增强了业务灵活提供能力。本文的主要工作和创新性研究成果如下。(1)针对灵活全光网频谱资源的动态性能评估问题,研究了灵活栅格系统的动态特征,提出了一种能够精确描述灵活频谱分配过程随机特性的性能评估模型(EPA模型)。研究频谱分配系统状态的表示形式,证明了WDM系统建模中普遍采用的单维度随机变量不能体现频谱连续性约束的随机特性,定义了一种基于频率单元状态的多值多维度Markov随机变量,可以精确描述频谱分配系统状态。研究系统状态的转移模型,找出可达状态集规模评估方法,研究系统的各态历经性、可逆性和公约性。根据随机矩阵特征,提出适用于求解系统稳态分布的Power迭代方法和Gauss-Seidel迭代方法。根据系统状态表述和稳态分布,提出了能够有效评估网络性能与容量的指标表达式,包括阻塞率、资源利用率和碎片率。模型的解析结果与对应的95%置信区间蒙特卡洛仿真结果匹配度达到了96.4%以上。(2)针对灵活全光网拓扑资源的多层映射优化问题,研究了灵活栅格背景下全光网承载IP网的业务层、IP层、光层资源映射特性,基于灵活全光网中的频谱分割技术,提出了一种光层和IP层混合多流的整数线性规划(ILP)模型。该模型能够体现灵活全光网的频谱连续性约束条件和距离自适应调试格式等特性,并能够反映每条光通道分支的物理特征。基于此模型,提出了能够描述主要光器件和电器件能源消耗的能耗感知ILP优化模型(EE-VTD)。针对相同场景下高效业务映射问题,提出了能耗感知多流拓扑映射启发式优化算法(EE-MFH)。仿真结果表明,EE-VTD优化模型可以降低平均19.55%的能耗,而EE-MFH可以降低平均14.1%的能耗。此外,研究发现IP层平均消耗了80%的总能源,远高于光层消耗。(3)针对多域异构基础设施的协同组网机制问题,基于软件定义网络技术,研究了集中式控制架构下自治域间保持信息独立性的机制与策略问题,在控制平面之上引入协作平面,提出了一种协作式多域异构网络控制架构(CMD架构)。基于此架构,提出了三种控制器协作路由方案,分别是控制器驱动逐域路由方案(ConDRS)、协作器驱动并行路由方案和(ClDRS)和动态优化的ClDRS方案(ClDRS-DO)。针对灵活全光网电路交换和灵活栅格的特性,对OpenFlow协议进行了扩展,根据前文提出的性能评估模型设计了全光资源的协议表示形式,并设计了用于全光交换的流表项。实验结果表明,三种方案都可以高效实现多域协作控制,ConDRS的信令时延与域数量呈线性关系,ClDRS-DO的信令时延较长,但阻塞率最低。(4)针对全光网虚拟网络业务灵活提供问题,设计并搭建了面向虚拟化业务提供的灵活全光网创新实验系统,控制平面依托于所提出的CMD架构。研究了频谱资源的切片与共享问题,设计并部署了带有可编程控制板和数据处理区的新型可虚拟化全光交换节点结构。开展了虚拟全光子网提供和虚拟功能子网提供等实验,并支持200节点以上的大规模组网实验。实验结果表明,与异构网络分立虚拟化的方案相比,CMD架构能够降低平均20%的资源消耗和平均8%的阻塞率,且信令时延可以控制在100ms以内。