光纤通道(Fiber Channel,FC)交换机是存储区域网络和航空电子系统网络的核心设备,其关键技术包括:数据排队结构、交换结构和调度算法。存储区域网络中的数据流量十分庞大,传统的Internet协议无法满足快速传输大量数据的要求,而FC协议具有低延时、高速率、抗干扰能力强的特点,能够支持海量数据传输。航空电子系统网络对数据传输的实时性、带宽和可靠性要求非常高,FC协议可以满足航电网络的使用需求。FC交换机以FC协议为基础,FC交换机直接决定了存储区域网络和航空电子系统网络的性能,本文将围绕FC交换机的三个关键技术展开研究。本文以国内某研究所横向课题为背景,深入研究了数据排队结构、交换结构和调度算法对FC交换机的时延、吞吐率、公平性、带宽利用率等性能的影响。在理论研究的基础上,对现有的VOQ数据排队结构和iSLIP调度算法进行了改进,基于单片FPGA设计和实现了一种高性能、大容量的48口FC交换机。经过功能仿真和实验验证,该交换机功能正常,性能与常规交换机相比有一定提升,为后续实现交换机的专用集成电路(ASIC)提供了技术基础。论文的主要工作和创新点如下:(1)研究FC协议的分层结构、数据帧格式、流量控制策略、协议服务类型以及拓扑结构,为设计FC交换机提供理论基础。(2)研究FC交换机常用的交换结构,为本文交换机选择一种成熟稳定的交换结构,如Crossbar结构。(3)深入研究输入排队、输出排队、联合输入-输出排队和虚拟输出排队(VOQ)等目前常用数据排队结构的工作原理以及优缺点,针对使用最广泛的VOQ结构存在缓存利用低的问题,提出了一种基于共享缓存的VOQ结构。实验结果表明该结构可以显著提高交换机中的缓存利用率。(4)深入研究PIM调度算法、RRM调度算法和iSLIP调度算法的迭代匹配过程和每种算法的性能优劣,针对iSLIP算法因指针同步造成交换机带宽利用率降低的问题,提出了一种基于关联指针的iSLIP调度算法。实验结果表明,吞吐率大于93%时,本文算法的带宽利用率明显高于常规iSLIP算法。(5)基于本文提出的数据排队结构和调度算法设计一款48口交换机,并使用Modelsim软件进行功能仿真。功能仿真完成后使用FPGA和嵌入式处理器进行硬件平台搭建,并使用JDSU Xgig协议分析仪对本文的交换机系统进行功能测试和性能测试。仿真与试验结果表明,本文设计的48口FC交换机功能正常,在相同硬件成本的前提下,吞吐率、时延、带宽利用率等性能优于常规交换机。