下一代互联网是以IPv6协议为核心,规模更大,具有更高性能、更强可扩展性和应用支撑能力的新型网络。路由器是支持网络体系多维扩展和IPv6等新型协议部署的核心设备。随着互联网的发展,Internet网络流量、网络规模对互联网核心路由器体系结构设计带来了许多难以克服的问题,而且IPv6的128位地址长度在解决IPv4地址枯竭问题的同时,又加重了路由器的路由查找压力。网络处理器是当前核心路由器的重要组成部件,主要完成路由器数据平面的处理,对到达的报文进行缓冲、查表、调度、转发等操作。但是,网络处理器中的处理单元PE(Processing Element)本身适合计算处理,而对分组处理需要大量的外部存储器访问操作,造成了外部存储器访问延时与网络处理性能难以匹配的问题,而且IPv6需要数倍IPv4的访存次数,因此如何隐藏访存延时是网络处理器设计中面临的主要问题。目前网络处理器设计采用多种并行处理技术隐藏访存延时,但由于设计复杂性和功耗等问题,大规模并行技术难以在40Gbps以上的网络处理中继续应用。本文从路由器体系结构入手,深入研究网络处理器设计中的存储瓶颈问题,对基于FIS(Forwarding in Switching)机制的新型路由器体系结构MPFS(Massive Parallel Forwarding and Switching)中的关键技术进行分析与研究,并在MPFS原型试验系统上对关键技术进行设计与实现。本文的主要工作和创新点包括三方面。(1)从容量、带宽和延时三方面深入分析网络处理器中分组转发处理对存储器的要求,并指出现有解决方法存在的存储瓶颈问题。(2)对MPFS的可扩展性及设计复杂性进行分析,并对MPFS中的关键技术,如FIB(Forwarding Information Base)转发表分解、子树到FSN(Forwarding and Switching Node)节点的映射和基于子树分割的路由查找算法进行研究。(3)在MPFS原型试验系统上对关键技术进行研究与实现。主要包括:分解基于CERNET2真实IPv6 FIB前缀分布构造的大容量FIB表、将分解的FIB表映射到三级FSN节点、数据结构设计、路由查找流程设计、FPGA逻辑设计和实现。本文对核心路由器和网络处理器设计中面临的关键问题进行了深入分析,对一种有效地解决方案中的关键技术进行了研究,并在其原型试验系统上进行了实现与验证,因此对面向IPv6的下一代互联网中路由器与网络处理器的设计具有一定的理论意义和应用价值。