IP over WDM的基本工作原理是光纤直接与光耦合器相连，耦合器把各波长分开或组合，输入和输出端都用简单的光纤连接器。在发送端，将不同波长的光信号组合（复用）送入一根光纤中传输；在接收端，又将组合光信号分开（解复用）并送入不同的终端。因此，IP over WDM是一个真正的链路层数据网，可以通过指定波长作旁路或直通连接，网络的业务工程可以只在IP层完成。由于使用了指定的波长，结构更灵活，并具有向光交换和全光选路结构转移的可能。

IP over WDM网络的主要部件除了激光器、光纤、光放大器和光耦合器外，还包括光再生器、光转发器、光分插复用器（OADM）、光交叉连接器（OXC）和高速路由交换机。G.655光纤因其色散的非线性效应小，最适合于WDM系统。高性能激光器是WDM系统中最昂贵的器件。光放大器主要采用EDFA，它能同时放大WDM所有波长，但对平坦增益的要求较高。光耦合器用于将各波长组合在一起或分解开来，起复用和解复用作用。长途WDM系统中有电再生中继器，再生分R1、R2和R3三类。光转发器用于变换来自路由器或其它设备的光信号，并产生要插入光耦合器的正确波长光信号。光分插复用器和光交叉连接设备在长途WDM系统中运用较广泛。光交换机可使ADM和交叉连接设备作动态配置。

在不纤上直接传输IP数据包需要选择帧格式（即分帧方法），目前主要使用的两种帧格式是SDH帧格式和以太网帧格式（即IP/SDH/WDM和IP/Ethernet/WDM）。IP over WDM的重叠模型和封装。采用SDH帧格式时，报头载有信令和足够的网络管理信息，便于网络管理。但在路由器接口上，针对SDH帧的拆装分害割（SAR）处理比较耗时，影响网络吞吐量和性能，且价格也较昂贵。采用吉比特以太网帧格式（即直接在光纤上运行吉比特以太网）是一种经济有效的方法。此种格式下，报头包含的网络状态信息并不多，但由于没有使用造价昂贵的再生设备，成本相对较低。由于使用了异步协议，对抖动和时延并不敏感。同时，由于与主机的帧结构相同，在路由器接口上无需对帧进行拆装分割操作和为了使数据帧同步的比特塞入操作。