分组交换网是网络发展的一个重要趋势，而高速交换系统是网络中最关键的组成部分，担负着转发分组的任务。在当前以IP为主导的分组交换网络中，按交换系统对其分组交换的层次看，可包含二层交换，三层交换以及路由器等具体设备。从功能上划分，交换系统由数据平面，控制平面和管理平面构成，而其中用于转发分组的数据平面构成系统行使交换功能的核心，称为交换结构。研究围绕交换结构展开，对不同层次的具体交换系统和对IPv4/v6的支持具有通用性。交换结构当前主要可分为Crossbar和共享存储，其中使用共享存储的交换结构(芯片)是单板或前端交换中的主流技术之一，受到学术界和产业界的深入而广泛研究。最近五年BroadCom公司高端交换芯片的交换容量以25％的年均增速进入市场，其他公司如Marvell，LightStorm 也纷纷提出了差异化的产品与BroadCom 竞争。而遗憾的是，国内在此领域的商用产品尚无一席之地。为了紧跟国际交换芯片的研究，2003-2005 年，武汉邮科院烽火网络公司承担国家863 项目“万兆以太网核心交换芯片”，开发了一款完全自主知识产权的1G*12+10G*1的交换芯片，为我国初涉10G 级高速交换结构的研究积累了宝贵的基础。研究以此为背景，分别从组播调度，缓存门限管理，优化运营收入值，以及共享存储交换结构的多级互联四个方面展开研究。 共享存储交换结构的调度目标是进行高效而公平的转发。受组播业务的驱动，交换结构需要支持高带宽的单播-组播的混合数据流，传统的处理组播分组的方法包括信元地址拷贝、专门组播队列等，这些方法对共享存储器的利用率尚不充分，同时组播信元的拷贝在各个目的端口转发同步性有待提高。提出一种使用滑动窗口的方法，在滑动窗口内对组播-单播的混合数据流进行优化。已有的研究证明，对组播流量的转发进行全局优化是一个NP 难问题。提出的方法旨在进行窗口范围内的局部优化，算法的计算复杂性可以被现有硬件计算能力接受。性能分析和实验仿真说明，适度的窗口宽度能将公共存储区的利用率提高12％-18％，而将组播在各个端口转发的时差降低40％。这个成果已申请国家发明专利。 共享存储的门限旨在为各个端口的输出队列进行合理的存储空间划分。传统的共享缓存交换结构的门限控制算法通常以系统当前各个队列长度为依据，缺乏对全局流量场景的考虑以及对组播的支持。提出使用有效业务量作为控制各个端口队列门限的主要依据。这个算法旨在让各个端口承担相同的流量压力，从而使系统保持均衡状态。 在经典的有效带宽的基础上，结合输入的流量速率和分配的缓冲区大小一起来定义输出端口的有效业务量，是对流量压力的准确度量。双门限的使用使得公共存储空间既能够保持在平均意义下的平衡，又能实现突发时段的调剂。进一步，对组播的信元的转发也可以纳入这个工作框架。模拟结果显示，在不同的流量模式下，这个算法比传统动态门限算法在取典型值α=1和组播浓度为30％时，对芯片的使用效率和端口的公平性分别提高15％和25％以上。这个成果已申请国家发明专利。 对网络资源的分配从交换结构的角度来考虑实际上是各个队列调度机会的分配问题。由于下一代网络业务种类众多，为各类纷繁的业务提供复杂的QoS 保障计算复杂度过高而难于实施，因此有必要从更抽象的资源入手来分析这个问题。首先得到带宽、时延、丢包率等QoS 参数的相互关系，将其划归为单一的带宽参数。将各种不同的业务流视作对带宽的竞争，由于不同的业务占用不同的带宽资源，能够给用户带来不同的效用并给运营商带来不同的收入，因此将这些业务模型化为非合作博弈的参与者。通过分析这些业务流效用和支付之间的关系，得到业务流经过达到Nash均衡时的表现。在此基础上，提出了共享存储交换结构为各种不同优先级队列分配带宽(调度机会)的算法，这种算法能够实现运营商的收入最大化，通过该算法得到的优化带宽提供的收入值比典型的默认带宽提高14％，有效避免对带宽的恶性竞争并提高了网络运行的收益。 交换系统的可扩展性和健壮性是核心网络交换设备必须考虑的问题，通过交换结构的多阶段互联来实现上述目标是最通行的做法，而以何种拓扑进行互联，互联后如何协同各个交换元素之间的调度以便构筑分布式交换系统是一个热点的研究问题。 基于共享存储结构的Clos 网络是一种极具应用价值的多阶段互联拓扑，传统的调度算法CRRD 在实施中由于采用两阶段匹配，需要两个阶段都成功才能完成一次匹配。 提出了CRRD的改进方案，采用贯序式的匹配方式，将两阶段匹配简约为单阶段匹配，不仅降低了空间复杂性，而且能提高匹配命中率，尤其是在不均匀的流量场景下能有效增加系统吞吐率。从理论上证明了这种贯序式匹配算法的死锁概率为任意小，保证了该算法即使在极端的扭曲流量场景下都能稳定工作。仿真实验说明贯序式匹配算法在突发流量的场景下，吞吐率与CRRD 相比略有提高，而转发时延却可减少10％-15％。这个成果已申请国家发明专利。