随着互联网融入人们生活的程度越来越深,各种应用与服务层出不穷,使得网络流量呈现爆发式的增长,对网络节点造成巨大压力。交换结构作为互联网节点处交换机的“物理”核心,直接决定着交换机的性能,因此研究高吞吐量、低时延、可扩展性强的交换结构及其调度算法等高性能交换技术对提升交换机的性能、解决网络的瓶颈问题具有十分重要的意义。本文以片上网络(Network on chip,NoC)Mesh型拓扑结构为基础,设计了一种应用于高速率、大容量、可扩展性强、可靠性高的单级交换结构,以实现高性能的网络交换。论文的主要研究内容包括:1.针对现有的单级交换结构可扩展性差、调度算法复杂、实现成本高等问题展开研究,利用NoC良好的扩展性与并行传输通信的特点,提出了一种基于NoC架构的交换结构,称之为环绕式单向NoC交换结构(Wraparound UDN Switch Fabric,WUDN)。WUDN交换结构中的路由器,采用输出队列的排队方式以及轮询调度算法。在WUDN交换结构中,采用简单灵活的模XY算法实现路由路径最短与网络流量均衡,数据包以存储、转发的方式传输。基本工作流程是,输入数据首先储存在输入端口的FIFO队列中,通过网络接口(Network Interface,NI)被封装成固定长度的信元进入交换结构的网络,在模XY路由算法的作用下,定长信元经过多次存储转发传输至输出端口,由输出端口路由器中的NI实现对信元的重新组合。实验仿真证明,在负载注入率大于0.8时,该结构的平均时延较传统单级交换结构有所降低,并且随着负载的增加,平均时延的变化幅度较小;对于非均衡流量的情况,在路由内部加速比设置为2时,可以保证网络中流量的平衡,获得良好负载均衡的能力。2.针对WUDN交换结构中存在链路故障、节点失效的情况,提出了一种应用于WUDN结构的改进式PFNF容错路由算法。该算法属于基于本地信息的路由算法,利用感知相邻节点信息构成凸型故障区域,数据包以最短路径绕过凸型故障区域,从而保证交换结构的性能。可以证明,该算法是无死锁和无活锁的。实验仿真证明,在饱和负载流量下,该算法能够实现数据包的传输,保证交换结构的连通性,增强了WUDN交换结构的健壮性。3.针对现有的多级交换结构存在调度算法复杂且时延高,实际应用受限的难题,利用WUDN结构作为Clos网络中间级的基本模块,提出了多级Clos-WUDN交换结构及其分布式调度算法,有效降低了多级交换结构的时延和调度算法的复杂度。仿真实验证明,多级Clos-WUDN交换结构在时延和算法复杂度上具有良好的性能,并且,在路由器内部采取2倍的加速比可以获得超过4次迭代CRRD调度算法的性能。