路由交换技术的进步推动了互联网的飞速发展;与此同时,互联网的快速发展也对路由交换技术的研究提出了新的要求和挑战。概况起来,主要包括以下几点:第一,路由交换设备应当能够不断支持更高的端口速率和更大的交换容量,以便于能够适应网络规模的不断扩大和网络业务量的不断增加;第二,路由交换设备应当能够提供良好的服务质量保障能力,以便于能够适应网络应用的丰富化、多样化、和多元化趋势;第三,路由交换设备必须能够提供良好的组播支持功能,以便于能够适应蓬勃发展的多媒体业务的需求。由于光纤传输技术的成熟和广泛应用,网络链路传输速率出现了突飞猛进的发展。在这种情况下,网络传输的瓶颈就从链路移到了路由交换节点上。受存储器速率发展和硬件芯片制造工艺发展的限制以及调度算法复杂度的限制,路由交换设备的工作速率提高缓慢。现有的流行方案是采用多个低速设备构建高速并行交换系统;而并行分组交换技术的提出,正是与这一方案相吻合。为此论文结合国家973计划项目《一体化可信网络与普适服务体系基础研究》子课题2《一体化网络体系结构模型及交换路由理论与技术》,重点研究了基于并行分组交换结构及调度算法的高速率大容量、服务质量保障、和组播支持问题。概括起来,本课题主要包括以下几个方面的工作:提出了一种解复用器和复用器不带缓存的分布式并行分组交换BDMPPS(Bufferless Demultiplexor and Multiplexor Parallel Packet Switch)。BDMPPS通过引入虚拟输入链路VIL(Virtual Input Link)和虚拟输出链路VOL(Virtual Output Link),从而保证在不违反输入链路约束和输出链路约束的前提下,实现了每条业务流在中间层平面的负载均衡以及在输出端的保序输出。仿真结果表明,BDMPPS的平均时延性能优于目前主流的分布式PPS,接近于使用集中式调度算法的集中式PPS,但在算法复杂度、通信开销等方面都优于集中式PPS。以CIOQ结构作为中间层平面,提出一种可行的分布式并行分组交换PDPPS(Pratical Distributed Parallel Packet Switch)。由于使用CIOQ作为中间层平面会使业务流内分组在抵达复用器时产生严重的乱序,借助于BDMPPS的研究成果,PDPPS在中间层平面CIOQ的输出端引入虚拟输入队列VIQ(Virtual Input Queue),在复用器和中间层平面之间引入VOL;这样相当于将原来所需的缓存空间从高速的复用器移到了低速的中间层平面输出端,极大地降低了复用器所需要的高速缓存数量,从而提高了方案的可行性。PDPPS的仿真结果表明,其时延性能优于主流的分布式PPS;并且由于使用CIOQ作为中间层平面,提高了方案在高速链路环境中的可扩展性。考虑到现有网络对业务服务质量要求的提高,以及CIOQ所固有的集中式调度方式,提出一种基于CICQ结构的支持区分服务的分布式并行分组交换CDPPS(CICQ based DiffServ supporting Parallel Packet Switch)。CDPPS使用CICQ作为中间层平面,可以更好地提高中间层平面调度机制的可扩展性。CDPPS对DiffServ模型的支持和实现,可以更好地在网络规模日益扩大和网络应用日益丰富的趋势下,为各类业务提供服务质量保障。理论分析和实验仿真都表明,CDPPS具有良好的公平性和时延性能,可以在高速环境下为各类业务提供满意的服务质量。传统的并行分组交换结构,使用了同种类型的单芯片结构作为中间层平面。然而单芯片结构在使用不同的调度算法、不同的内部加速、或不同的缓存设置的情况下,会获得不同的吞吐率、时延、或丢包性能。基于此,提出了一种支持粗粒度服务质量保障的异构并行交换HPSA(Heterogeneous Parallel Switch Architecture)。不同类型的业务通过HPSA的不同类型平面被交换,从而实现对各类业务的服务质量保障支持。仿真结果表明,HPSA中各种类型业务的服务质量性能,都要好于它们在传统的单芯片交换结构和并行分组交换结构中的性能。提出了一种支持单组播集成调度的并行分组交换UMSPPS(Uni- and Multicast Supported Parallel Packet Switch)。通过动态地调整交换单播业务和交换组播业务的平面数,使得UMSPPS在任意比例的单组播混合业务情况下都能获得理想的吞吐率和时延性能。仿真结果表明,在各种比例的单组播业务情况下,UMSPPS的时延总是优于传统的混合单组播调度机制。分析了《一体化可信网络与普适服务体系基础研究》对具有高速大容量和普适服务承载能力交换系统的具体需求;在综合上述研究成果的基础上,基于并行分组交换结构提出了一种一体化网络交换系统USS(Universal Switch System)。USS能够同时支持高速大容量交换、粗粒度服务质量保障交换、和可变比例单组播混合交换;为一体化网络的构建提供了一种可行的交换系统解决方案。本文主要创新点如下:在并行分组交换结构中引入VIL和VOL,以及在中间层平面输出端引入VIQ;基于此提出了一种高性能分布式并行分组交换BDMPPS和一种可行的分布式并行分组交换PDPPS。基于使用CICQ结构作为中间层平面的并行分组交换结构和DiffServ模型,提出了一种能够为不同类型业务提供区分服务的CDPPS交换机制。提出了异构并行交换的创新思想,并基于该思想提出一种支持粗粒度服务质量保障的交换机制HPSA。基于并行分组交换提出使用不同平面组分别交换单组播业务的思想,并基于该思想提出了能够支持可变比例单组播混合业务的交换机制UMSPPS。