随着通信技术的快速发展,信息全球化成为全世界人类发展的迫切需求。由于地面通信设备的局限性,具有覆盖面积广、不受地域影响、灵活可靠的卫星通信网络在诸多领域得到了广泛应用,成为了当前天地一体化信息网络中的重要组成部分。随着星上集成电路技术的不断进步,由多颗LEO卫星组建的低轨卫星网络,采用星间链路的路由传输机制来实现卫星间的互联互通,可以与地面Internet组成卫星互联网,支持多种流媒体业务的宽带接入服务,顺应当前5G移动通信的发展潮流。但是,网络数据流量的爆炸式增长以及接入业务的日渐丰富,都使得卫星互联网的系统带宽与服务质量面临更高的要求,此外,低轨卫星动态变化的网络拓扑结构以及星上有限的存储与计算资源,也使得星间链路的路由传输面临严峻的挑战。而星载路由交换设备作为低轨卫星网络节点的核心,对整个卫星网络的时延、吞吐量等重要性能具有直接影响。本文依托实验室承接的“高速星载路由器的设计与实现”项目,重点研究星载交换的高性能队列管理技术与队列调度技术的设计与实现。本文首先介绍了低轨卫星互联网的研究背景与发展趋势。其次,通过分析项目需求,提出了基于共享存储器的高速星载路由器的设计方案,重点研究了数据交换单元的具体实现。第三,设计并实现了具有高速流水线性能的队列管理与总线控制方案的整体架构,重点阐述了出入队等关键子模块的功能、交互接口与详细设计方案。第四,通过分析典型的队列调度算法,设计并实现了针对端口与优先级队列的多级队列调度方案。最后利用仿真软件对所完成的关键模块进行了功能仿真测试,并在实际相关交换板上进行了板级测试验证,证明了设计的队列管理方案与队列调度方案设计合理,性能稳定,能够符合项目的设计需求。本文的创新点在于,第一针对原有队列管理方案进行流水线的深度划分,提出了一种具有高速流水线性能的队列管理方案,进一步提高了数据交换单元的处理速度与效率。第二,针对RR以及DWRR轮询算法进行改进,在RR轮询算法中引入了端口反馈机制,加强了队列调度结果的准确性与可靠性,在DWRR轮询算法中引入了严格优先级机制,使得DWRR算法能够很好支持时延敏感型的传输业务;第三,设计并实现了采用复合型调度算法的多级队列调度方案,通过引入令牌桶机制,实现了流量控制、多级调度以及带宽借用等具体功能。