近年来,随着云计算、大数据、流媒体等业务的高速发展,互联网流量显著增长,实时、大量的数据传输使得数据中心面临带宽与能耗的双重挑战。当前的数据中心网络通常采用基于电交换机的胖树架构,但其面临成本高、扩展性差、能耗高与带宽受限等一系列问题,难以满足未来数据中心的需求。相比之下,光交换具有高带宽、低功耗、透明传输等优势,是一种极具前景的解决方案。在光交换架构的设计中,如何解决分组竞争是一个重要的研究方向。现有架构通常采用电缓存解决分组竞争问题,但大量光-电-光（O/E/O）转换的使用引入了高功耗与高延迟。针对此问题,本文围绕光分组交换中的架构设计、竞争解决与调度算法展开研究,主要研究内容如下:首先,本文提出了一种无缓存的Ring-Clos架构。在Clos架构中,因光信号难以缓存,目前的光交换网络采用了在入口线卡处设置电缓存的方式解决竞争,但O/E/O转换与有限的虚拟输出队列（Virtual Output Queue,VOQ）将带来较高的延迟,为避免此问题,RingClos架构将阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating Router,AWGR）作为中间级,结合CDRC（Concurrent Dispatching for Ring-Clos Switch）调度算法为光分组分配路径,且光分组可通过波长域在相邻中间级路由,解决了部分输入级或中间级输出端口冲突问题。与Clos架构相比,Ring-Clos架构将丢包率降低至48.81%。其次,本文提出了一种基于AWGR的大容量波长交换架构WROS（Wavelength Routing Optical Switch）,其利用空间域和波长域提供高吞吐量,并利用分布式控制实现快速配置与低延迟。因无缓存的光交换结构可能发生分组冲突,引入基于光纤延迟线（Fiber Delay Line,FDL）的前馈式光缓存以解决竞争。同时,详细描述了适用于单波长场景与多波长场景的两种实现方案,对WROS架构在不同规模、流量模式与缓存容量下的性能进行分析对比。仿真结果表明,在单波长场景下,相比经典光分组交换架构,WROS架构能有效地提高吞吐量与降低时延;在多波长场景下,WROS架构提供32768个节点的互连,且吞吐量仍可达87%。最后,本文提出了一种基于混合式竞争解决的H-WROS架构。在WROS架构中,大量FDL的使用带来了较高的复杂度,针对此问题,H-WROS利用混合式光缓存代替前馈式光缓存,并利用分布式调度算法为光分组分配路径,在降低复杂度的同时,进一步提高了光交换网络的整体性能。在单波长场景下,H-WROS支持近100%的吞吐量,且时延在不同负载下基本保持稳定;在多波长场景下,H-WROS的吞吐量可达95%,且时延相比WROS进一步降低。