Internet的网络流量、网络规模和上层应用的快速发展对新一代高性能路由器的性能、规模、功能、可扩展性、可用性和可管理性等方面提出了更高的要求。目前路由器体系结构可扩展性和可用性差，难以满足互联网发展对新一代高性能路由器的需求。集群路由器是由多个可独立运行的路由节点通过某种互连方式组合构成的规模可扩展的单映像路由器，是实现新一代高性能路由器的有效途径，具有广阔的发展空间。 目前集群路由器由可扩展交换网络连接的大量路由转发单元组成，其中交换网络的结构和性能对集群路由器的各方面特性影响很大。本文在比较多种可扩展交换网络的基础上，提出3D Torus结构比较适用于集群路由器的设计，并针对3DTorus网络中现有路由算法的不足，提出一种基于维序的多路径路由算法DMR(Dimension-order-based Multi-path Routing)。 以可扩展多级交换网络为核心的集群路由器需要专用的路由转发节点，扩展的灵活性差。针对这一不足，本文提出了异构型集群路由器HCR(Heterogeneous Cluster-based Router)模型，在HCR中，规模不同、性能不同甚至是实现结构也不同的路由器均可通过标准的接口和协议互连成为规模可伸缩、具有单一管理映象的路由系统。本文详细阐述了HCR体系结构模型及实现可行性，并对该模型中的若干关键技术及其研究思路进行了探讨，特别是对HCR转发平面中多交换网络聚合技术进行了深入研究，提出了KILB交换调度思想及加权KILB算法。 受国家973重点基础研究发展计划项目“新一代互联网路由与交换理论”(No.2003CB314802)和国家自然科学基金项目“新一代网络体系结构模型与超高速网络交换路由研究”(No.90104001)资助，论文重点对可扩展交换网络、基于3D Torus交换网络的路由算法、新型集群路由器体系结构模型以及多个交换实体聚合等问题进行了深入研究，获得了很好的进展，主要研究成果及创新包括以下几个方面： 1．对可扩展交换网络结构及路由算法进行了研究。以性能、规模、可扩展性、容错能力和实现复杂度等指标作为衡量标准，通过分析比较，建立了3D Torus交换网络的模型，在分析链路负载特性的基础上，提出一种支持多路径负载均衡和报文保序的，基于维序的多路径路由算法DMR(Dimension-order-based Multi-path Routing)。模拟表明，DMR算法可在获得良好性能的同时保持同一流中报文的顺序。 2．提出基于标准化互连接口以及集群协议的异构型集群路由器模型HCR(Heterogeneous Cluster-based Router)。通过对模型的实现可行性分析，提出了异构交换单元聚合，路由计算／控制单元聚合和单映象保持等关键问题。 3．提出HCR中异构路由器间标准的互连接口及协议框架，使得HCR内部路由器间数据和控制信息能够得到正确而高效交换。