互联网是当前最成功的计算机网络,其发展规模越来越大,承载业务应用种类也越来越多,IP网作为互联网体系结构的核心,在互联网发展过程中承担的任务也越来越重。在保证服务质量和考虑绿色节能的条件下,高速传输语音、图像、视频等多媒体数据成为对IP网基本要求,但是IP网的缺陷使得上述要求难以满足。例如,交换设备需要维护和查找大量的动态路由信息,限制了交换设备的快速交换转发能力,也导致交换设备结构复杂、能耗高；IP地址具有“身份”、“定位”和“转发”的多重功能,导致IP网的路由可扩展性差,也给实现显式路由等造成障碍；IP网的初始设计只提供尽力而为的传输服务,不能保证分组流的QoS需求。针对上述问题,未来互联网的研究已经得到广泛的关注。IP网在逻辑上可以分为两个功能面：控制面和数据面。本文重点研究数据面的快速交换转发技术和控制面的QoS路由协议：在数据面提出一种用于分组交换转发的地址编码,其实现分组转发的方式简单、快速、有效；在控制面提出适合新分组交换技术的QoS路由控制机制。本文的贡献和创新点包括以下几个方面：1.针对IP网络分组交换转发过程中查表操作复杂的问题,在网络层数据面提出一种基于节点端口(Port/Interface)的转发地址编码方法——向量地址(VA, Vector Address)及其交换转发分组的方式——向量交换(VS, Vector Switching,)。向量地址携带分组传送路径上所有节点的短小、变长的输出端口信息,使分组转发避免了路由表查询操作。VS面向连接,易于与显式路由等QoS控制协议模型配合；向量地址不受地址规划策略限制,且具有无限可扩展性；向量地址不可穷举,而且对于中间节点而言不可解读,能够隐藏分组源、目的控制面节点标识,具有安全性。2.基于VS,设计并实现了一种核心传输网络的改进架构——向量标签交换(VLS, Vector Label Switching)网络。本文提出了实现VLS网络的方案,控制面使用现有路由协议,完全由路由器通用CPU承担；在数据面,线卡不再需要转发表,省掉查表操作。针对数据面的理论分析及仿真实验评估结果表明VLS实现快速高效分组交换转发的同时,降低了数据面的实现复杂度和能耗。3.在控制面,针对域内QoS路由问题,提出一种基于向量标签交换网络的流量工程模型。该模型利用RSVP-TE(Resource ReSerVation Protocol-Traffic Engineering)协议在VLS网络中实现显式路由,是一种支持区分服务的流量工程模型(DS-TE, DiffServ-aware Traffic Engineering)。本文给出了实现该DS-TE的具体方案,包括VLS内支持DS-TE的路由器结构设计、RSVP-TE信令建立路径和分发端口号的过程、接纳控制算法、链路带宽约束模型和带宽抢占算法等等。仿真实验证明了DS-TE模型在VLS网络中能够充分利用整个网络资源,保证高服务级别流量的端到端延时、抖动和分组丢失率等QoS性能,同时提供了较高的网络流通量。VLS网络能够以较低的代价实现QoS传输服务。4.将VS应用于全光交换网络,提出一种新的光标签分组交换方式——光编码向量地址标签交换(OCVA-labeled Switching, Optical Code-based VA labeled Switching)。OCVA-labeled交换以光码标识节点端口,以VS方式转发分组。OCVA-labeled交换省略了中间交换节中的光编码器,降低了转发模块复杂度及硬件成本。另外,OCVA-labeled交换消除了网络扩展对大容量光码组的依赖,降低了码间干扰,提高了光标签识别率。性能分析结果表明,OCVA-labeled交换降低了分组头部处理延时,提高了光码标签识别率,降低了网络分组丢失率。