云服务本质上是基于数据中心和通信网络等基础设施,为用户提供如同水、电一样可按需取用的灵活信息服务。近年来依托云服务的互联网业务保持高速增长,这对数据中心内、外的通信网络提出了越来越多的需求和挑战。在数据中心内,上万台服务器之间的互联网络需要更高的扩展性、更大的吞吐量以及更低的时延,而传统的树形电交换网络架构已经难以持续满足这些需求;在数据中心之间或数据中心与用户之间,数据业务承载网络也需要变得更加灵活动态、支持智能便捷的服务提供和故障恢复等。在此背景下,光互联网络技术,特别是多粒度的全光交换技术,凭借其天然的高带宽和低能耗等优势,被认为是未来面向云服务提供高质量数据传送的重要基础网络技术之一。本文正是针对云服务带来的数据中心内、外光互联网络的机遇和挑战,研究相关的网络架构设计、控制调度机制等关键问题。具体地,论文主要工作可以归纳如下:第一,提出一种面向云服务数据中心内部机架间互联的OpenScale光交换网络架构。具体包括,分析数据中心内光交换架构设计需求和思路,描述OpenScale具体构建方式,提出利用复杂网络理论中“小世界拓扑”原理,实现网络任意扩展性,同时保持较低的成本代价;通过仿真分析,对OpenScale网络吞吐量、时延以及扩展性等各方面性能进行评估。仿真结果表明,OpenScale网络能发挥光交换的动态重构优势,可显著提升网络吞吐量并降低端到端时延。第二,提出面向云服务的集中控制LOBS-over-WSON城域光网络架构。首先讨论城域光互联网络的发展趋势和挑战,然后针对集中控制的LOBS-over-WSON网络模型,详细描述其overlay的多粒度组网方式、基于集中控制的连接控制机制和突发冲突避免机制等。通过实验演示,成功验证了所提网络架构和运作机制的可行性和高效性。最后,针对环形拓扑这一典型网络情景,设计一种新型保护倒换机制,并基于仿真分析证明了其比传统环网倒换更有利于提高资源利用率。第三,研究面向云服务的光互联网络异构资源软定义统一控制机理。具体包括,针对数据中心内的计算、存储和网络资源协同控制需求,提出从应用到光层资源的软定义控制回路,并基于OpenScale系统原型平台做出实验验证;针对城域IP+Optical多层异构网络,提出基于OpenFlow的层级式控制架构和跨层协同统一调度算法,并通过仿真分析与实验演示,论证了所提方案的有效性。