大规模的交换机一直以来都是通信网络中的核心设备之一。近年来,随着通信网络业务量的不断增加、光纤网络的广泛应用以及对云计算的探索的不断深入,对通信系统的转发延时和交换规模的需求也在急剧增长。通信网络中的核心交换机正承受着越来越巨大的压力,一方面,数据业务对核心交换节点的交换能力的要求不断的提高；另一方面,数据中心的规模正处在不断的增长中。在这种形势下,如何使得当前相对落后的交换机网络能够跟上日新月异的发展,超大规模低时延的交换机的设计成了业界研究的重点与热点。文章主要从交换机的交换速度与交换规模两个大方面对超大规模低时延交换机的设计进行了以下三点的探讨。首先研究了feedback-based switch的数据传输延时。由于feedback-based two-stage switch的联合交换结构配置是根据预设定的模式周期变换的,因此它适合用来构建大型交换网络。然而,它的最大问题在于整个系统负载比较低的时候,数据包的平均延时特性却不大理想。在本文中,我们在保证它对数据包的有序传输以及保证100%吞吐量的前提下对它的时延性能进行了提升。首先,我们证明了不同的联合交换配置会使得交换机的延时特性不同。然后,我们提出了一种配置策略,根据对当前的输入数据流特性而实时对联合交换配置进行调整。我们将最优联合配置的解法表示成了整数线性问题。仿真结果表明最优的配置可以将数据包的平均延时降低达50%。就算在随机均匀的输入数据流下,性能的提升也会接近14%。最后,我们设计了一种快速的次最优解法,使得这种策略更具有工程意义。然后研究了超大规模交换机的拓扑设计。交换网络的拓扑决定了一个交换网络的路由策略,容错机制,功耗,对于病态节点的抵御能力等等,在交换网络的性能与成本中均起到举足轻重的作用。本文对现代流行的fat-tree拓扑的基本特征以及优缺点进行了分析,提出了灵活多变的link-grouped fat-tree的拓扑,克服了标准fat-tree组网不灵活的缺点。文中对link-grouped fat-tree的基本特征以及full bisection bandwidth特性进行了证明,并且提出了设计拓扑的方案,使得对于任意数量节点的交换网络,都能在降低数据包平均延时的前提下,做到所使用的交换芯片的数量最少。最后文章还初步的探讨了超大规模交换机的端到端的数据包调度机制。不同的系统互联中一个很重要的不同点就在于采用的数据包调度机制不同,一个良好的机制能有效的减少数据包在交换网络中的时延。我们提出了一个属于基于特殊设计的交换芯片的分布式无丢包调度,这种流控方式基于预测与request-grant机制,使得数据包能够快速的通过交换模块。