随着Internet基于多播技术的新业务的不断涌现和宽带通信技术的飞速发展，研究和设计高性能、高速度的交换、路由设备，以高的吞吐率和服务质量，来满足日益增长的网络转发任务量的需求，已经成为当前的热点研究课题。 本文是在参加、完成了国家“九五”重点科技攻关项目“用于局域网的ATM交换机的研究与开发”(97-769)所取得的经验基础上，以国家科技型中小企业技术创新基金项目“具有路由功能的宽带接入交换机的研制及其产业化”(01C26212110295)为背景，论述了JY-NET24三层交换机系统结构和系统软件的设计与实现，结合基于多播技术的新业务迅猛发展的现实，对多播在包括三层交换机在内的高速路由器中的调度进行了深入的研究，并取得了一些重要的研究成果。 本文首先介绍了三层及多层交换机的发展和研究现状，在回顾了高速路由器的发展历程后，对高速路由器中多播排队模型及调度策略和多播调度算法的研究现状进行了综述。对三层交换机系统结构发展进行了研究，重点研究了可扩展系统结构后，本文提出了可伸缩三层交换机系统结构设计方案，详细介绍了基于这种结构的JY-NET24三层交换机的硬件系统结构及其各模块的结构和功能。我们在历经了系统设计、硬件逻辑设计、背板/快速以太网交换模块/千兆以太网模块的PCB设计后，又对JY-NET24三层交换机系统硬件结构的功能和性能进行了严格的测试。测试结果表明，JY-NET24三层交换机硬件系统的性能达到了国外同类产品的水平。 在总结了ATM接入交换机通用的几种方案后，提出了适用于局域网的ATM接入三层交换机系统结构的建议方案。随着无线局域网和城域网的迅猛发展，我们看到了无线接入三层交换机的市场前景和研究的必要性，不失时机地提出了安全性高、方便网络管理、高性价比的WLAN三层交换机的系统结构。 针对JY-NET24三层交换机可伸缩的系统结构，我们提出了与之相适应的系统软件结构。为了追求高性能价格比，在充分比较了VxWorks、pSOSystem等商用实时性操作系统和Linux操作系统，尤其对比分析了它们各自的系统调度机制后，选择了高性价比的Linux作为JY-NET24三层交换机的操作系统。通过对Linux的实时化改造，使其成为符合三层交换调度等各方面要求并具有较好实时性的操作系统。为了使Linux内核支持单设备、多端口三层交换设备，我们创造性地提出并实现了一种驱动程序接口方案，使得三层交换设备驱动与Linux内核实现无缝连接。在此基础上，对系统软件中其它各主要模块：驱动程序、路由软件和网络管理等进行了设计实现。经过严格的测试和长时间的应用，JY-NET24三层交换机于2003年6月通过了由沈阳市科技局主持的科技成果鉴定，并得到了专家的一致好评。更重要的是，一项具有自主知识产权的产品诞生了。 为了满足应用需要、满足用户对基于多播的业务的需求，为进一步提高包括三层交换机在内的路由器的多播路由、调度处理能力，我们提出并采用了能够完全避免HOL阻塞的多播队列结构方案。为了更准确地研究多播排队的动态变化和调度机制，提出并建立了这种队列结构的通用数学模型。为了提高调度的效率并且简化硬件逻辑的结构，提出了以变长多播数据包作为调度对象的调度思想。在新提出的通用多播排队数学模型基础上，给出了稳定传输率系统中随机到达过程应满足的条件，并提出了保证稳定传输的调度策略。通过对已有多播调度算法的分析，特别是对采用扇出分割机制多播调度算法的分析，我们发现已有的算法存在饿死和效率较低等问题。为了解决这些问题，在调度策略的理论指导下，我们建立了高效实用的输入队列，创建了高吞吐率、低时延、适当实现复杂度的PGMF算法，并从公平性、吞吐率和延迟等角度，对所提出的算法进行了仿真研究。为了方便比较，我们选用了两类通用输入业务模式作为各种算法的输入条件，对多种代表性算法进行了仿真对比。结果表明，PGMF算法不但保证了公平性，而且有较低的延迟。同时，由于它采用了类似w兼容的调度策略，因此表现出了较高吞吐率。仿真还发现，PGMF算法不但适用于小规模路由器，而且更加适用于大规模高性能路由器。