大规模卫星网络具有吞吐量高、覆盖范围广、鲁棒性强等优势,现已成为应对未来海量数据通信和全球覆盖需求的关键解决方案。目前常用低轨卫星来构建大规模卫星网络,其相比于中轨卫星和地球同步轨道卫星距离地球更近,拥有更低的发射成本和更短的通信时延。然而,由于低轨卫星网络拓扑变化频繁且计算资源有限,大规模低轨卫星网络需要在数据路由、互联网快速接入、用户数据卸载以及网络安全等方面提出更有效的解决方案,以满足未来构建融合地面和卫星的一体化信息网络的需求。因此,如何利用有限的卫星载荷存储计算资源和星间链路带宽,解决卫星网络面临的路由和高速数据传输问题,就成为了一项非常有价值的基础研究。目前针对上述问题尚处在初步的研究阶段,本文以大规模低轨卫星网络路由问题为出发点,分别从星间动态路由算法、数据协同卸载、以及路由安全这三个方面开展相关研究。本文的主要研究内容和贡献如下:1.针对空间段网络规模大导致的路由计算收敛慢以及卫星可靠性差导致的网络丢包率高的问题,本文提出了一种星间路由算法。该算法首先建立了星间跳数理论模型,并通过匹配策略完成落地卫星的选择,最后对信令周期进行优化,在不增加信令开销前提下增强算法动态感知能力。相比于经典OSPF路由算法,本文所提出的算法可以在中度网络负载情况下降低25%平均端到端时延,并在网络出现故障节点时至少减少15%网络丢包率。2.针对馈电链路带宽不均衡带来的数据卸载拥塞问题,提出了一种基于星间链路的协同数据卸载算法,使数据通过带宽资源更充足的馈电链路卸载到地面站。该算法首先建立了卫星网络拓扑和馈电链路模型,之后将数据卸载建模为最大流量最小代价路由问题,最后用两个线性规划对其进行求解。仿真结果表明,协同路由方案相比于现有的单资源范围调度方法可以至少提升5%的系统吞吐量并至少降低0.28s的平均端到端时延。3.针对开放的星地信道导致的卫星网络易受地面终端攻击的问题,提出了一种基于区块链的低轨卫星网络安全路由算法。该算法提出了一种适用于大规模区块链系统的共识算法,并依据卫星信任值对网络中的恶意节点进行检测和隔离。仿真结果表明,相比于OPSPF路由算法,安全路由协议可以有效抵御恶意节点对数据传输的影响,平均增加约27%的包达到率。4.空间路由器作为卫星网络的重要组成部分,为了支持对算法的实物验证,开发了空间路由器硬件平台,并对平台控制层和数据层的各个功能模块进行了系统性的设计。由于空间路由器存储资源受限,本文对满足星间链路丢包率的前提下的出端口缓存队列长度进行了仿真分析并得到了不同数据流背景下的最小队列长度。同时,本文设计了协议报文在路由器中的转发流程并构建了的视频流传输验证平台,通过该平台验证了所开发的空间路由器对数据的可靠传输功能。最后,本文在空间路由器上部署了第三章所提出的星间路由算法,验证了该算法在硬件平台上的路由计算结果的正确性,在链路负载为70%时部署该星间路由算法的空间路由器仍可以保持100%的包达到率。