随着基于互联网技术的创新应用的推陈出新,以及面向内容的新型业务的不断涌现,现有互联网逐渐显现出其原始设计的缺陷和不足。为了探究未来互联网的发展方向和变革方式,国内外的学者深入研究并提出了多种未来信息网络体系及其架构。命名数据网络以“内容”代替“IP”作为网络沙漏模型的“细腰”,这种以内容为中心的通信范式逐渐成为未来互联网体系结构中被广泛认可的、最主要的研究热点之一。然而命名数据网络原始设计中的泛洪转发策略和随处缓存策略,使得大量的冗余内容在网络中传输和缓存,不仅增加传输开销、降低传输效率,而且浪费有限的缓存资源、减少缓存命中。为此,本文针对命名数据网络的缓存冗余问题进行深入研究,以转发策略、缓存策略和路由机制作为切入点,提出兼顾效率和开销的缓存冗余优化机制。本文的主要工作和创新点如下：1)针对泛洪转发策略产生的冗余内容的传输和缓存问题,提出了一种基于分支路由器的转发策略。该转发策略新增了内容确认包及其产生和处理流程。结合命名数据网络的转发特点,利用内容确认包使其他路径上的内容路由器停止转发已收到的内容,从而减少冗余内容的传输。建立了基于树型结构的传输模型,分别针对单一分支路由器触发和全局分支路由器触发两种场景,分析了兴趣包、内容包及内容确认包的转发过程,并给出了三种转发策略传输开销的计算公式。此外,还探究了该转发策略在多内容请求者及丢包情况下的表现。仿真结果表明了该转发策略可有效减少冗余内容的传输及其传输开销,降低不必要的缓存,且在链路故障时具有较稳定的性能,也可满足可扩展性需求。2)针对无差别的随处缓存策略带来的重复缓存问题,提出了基于层次簇的缓存策略。该缓存策略设计了两层结构的层次簇架构,其中核心层的内容路由器形成一个无簇首的核心簇,且内容路由器无缓存功能,仅负责内容的路由;边缘层的内容路由器根据簇首选举算法产生簇首并形成相应的边缘簇。基于单个边缘簇,提出了内容路由器重要程度的计算方法、内容流行度的分级方式及缓存概率关联矩阵的映射方案。簇内内容路由器从簇首的通告中获得上述信息并各自独立地执行缓存决策,从而将内容按流行度的不同以相应的概率缓存到不同重要程度的内容路由器。而边缘簇中的非重要内容路由器无缓存功能,因此降低了缓存冗余。仿真结果表明了该缓存机制能够大幅减少请求时间、缓存命中距离、缓存内容数量和缓存替换量,并且显著提高内容路由器缓存命中。3)针对沿路径的缓存路由机制无法充分利用邻近缓存资源以及路径外的缓存路由机制面临的可扩展性问题,结合层次簇网络架构,提出了一种基于K-medoids算法的簇内Hash路由机制。该机制融合了沿路径的概率缓存放置策略与非协作路由、及路径外的缓存放置策略与隐式协作路由的优势,能够在精确定位缓存内容的同时减少冗余内容的缓存。该路由机制共设计了两个部分：基于K-medoids算法的内容路由器选取过程和基于内容流行度的簇内Hash路由过程。前者在每个边缘簇内选取出若干个中心点内容路由器。后者则根据内容流行度的不同,分别采用Hash路由机制定位到中心点内容路由器来获取所需内容；或采用最短路径路由机制向内容提供者发起请求。该机制保证了簇内高流行度内容的缓存唯一性,从而明显降低冗余内容的缓存。同时,内容流行度的更新范围被限制在单个边缘簇内,实现了缓存效率和缓存可扩展性之间的均衡。仿真结果表明了该路由机制具有最短的请求时间,最优的路由增益,较少的缓存内容数量,最低的缓存替换量。此外,该机制还以极小的通告代价换来最少的传输开销和较低的缓存开销。