21世纪是互联网时代,大数据、云计算以及网络视频服务带来了巨大的网络流量需求,给网络运营商带来了极大的压力。因此,为提高资源利用率,网络优化设计具有十分重要的意义。本文主要围绕节点、光通道和网络三个层面对光网络展开优化设计。主要的研究内容和创新性成果如下:首先,从节点层面,提出了光通道阻塞率分析模型,评估了无色、无向、无阻塞特性对波分复用光传送网络性能的影响。另外,为提高频谱资源利用率,也提出三种自适应的光通道路由和上下路端口分配策略。仿真结果表明,提出的分析模型可以有效地评估在不同上下路端口约束条件下的光网络性能。另外,无色特征在改善光通道阻塞性能方面起到了至关重要的作用。仿真结果还表明,在无色上下路端口约束条件下,当每个节点维度上下路端口的数量达到某一阈值时,存在一个饱和现象,即进一步增加上下路端口数,网络的性能改善不大。最后,比较三种自适应光通道路由和上下路端口分配策略,结果表明,在选择路由时考虑上下路端口状态信息可以显著提高光通道阻塞性能。其次,从光通道层面,提出了自适应前向纠错编码(FEC)分配策略。当前,光网络一般为所有光通道分配相同类型的FEC,而具有较高光信噪比(OSNR)的光通道可以被分配具有较低编码开销的FEC,不必需要分配高开销的FEC。为降低FEC的开销,提高网络的资源利用率,本文提出了一种基于光通道OSNR的自适应FEC分配策略。为验证该策略的有效性,本文首先为波分复用(WDM)光网络的路由和波长分配(RWA)问题,构建了整数线性规划(ILP)模型,并基于多次业务打乱策略,提出了基于波平面的启发式算法。仿真结果表明,与非自适应情况相比,提出的自适应FEC分配策略可以显著地降低FEC编码开销。此外,我们也发现,提出的启发式算法十分高效,可实现与ILP模型相近的结果。其次,基于自适应FEC分配策略,本文也为弹性光网的路由和频谱分配(RSA)问题,构建了ILP模型,并基于频谱窗平面提出了相应的启发式算法。研究结果表明,自适应FEC分配策略在最大化网络有效传输容量和最小化每个光通道所需的FEC开销方面,远远优于非自适应(固定)FEC分配策略,并且所提出的启发式算法也十分高效,其FEC分配性能接近于ILP模型结果。最后,从网络层面,提出了一种负载均衡的固定路由算法。传统的固定最短路由算法由于其网络控制简单,被用作常用的网络路由算法。但是,由于每个节点对之间的光通道均采用相同的固定最短路由,会导致网络业务负载不均衡,形成网络拥塞。本文提出一种负载均衡的固定路由(LBFR)算法。该算法继承了传统固定路由算法的操作简单性,同时能有效地提高业务负载的均衡性,能有效地避免网络拥塞。为评估LBFR算法的性能,也提出了支持多路由的理论分析模型。结果表明,与传统固定最短路由算法相比,LBFR算法能有效地降低光通道的阻塞率,提高网络性能,且随着网络连接度的增加,LBFR算法的性能优势更为显著。