高性能计算在气象预报、航空航天等领域有着广阔的应用前景,MPI是当前高性能计算应用进程间消息传递事实上的标准,集合通信是影响高性能计算应用性能的重要因素之一。自由光通信技术具有高带宽、低延迟和天然广播等特性,因此具备提升集合通信性能的巨大潜质,具有重要的研究价值。本文重点针对基于自由光通信技术的MPI集合通信优化开展了深入研究,主要研究内容如下:第一,对MPI集合通信优化进行了深入研究,综述了当前围绕MPI集合通信优化所开展的工作,之后介绍了当前主流的高性能互连网络以及无线通信技术的发展现状。第二,基于自由光通信技术,设计了一种2D-Mesh拓扑的自由光广播通信专用网络,并基于该网络,分别设计了拓扑感知的广播算法TAB和散发算法TAS,TAB算法和TAS算法能够充分利用底层网络的拓扑特点,提高广播和散发操作的性能。第三,以MPICH平台为基础,提出了支持集合通信网络的软件架构MPICH-COLL,给出了MPI_Bcast和MPI_Scatter操作的设计与实现。最后,搭建了基于自由光广播网络的集群原型系统,在原型系统下对TAB算法和TAS算法进行了测试。测试结果表明:对于广播操作,TAB算法具有显著的优化效果,对于散发操作,TAS算法能一定程度上提高散发操作的性能。