区块链技术具有去中心化、信息溯源和开放透明等优点,可用于教育、扶贫、医疗健康和商品溯源等领域。但区块链的吞吐量不高,交易确认时间较长使区块链推广应用受限。在此背景下,研究者通过向区块链中添加侧链、对网络中节点分片和优化共识协议来解决性能问题。其中,如何保证分片安全和降低共识协议复杂度是当下研究的难点。本文针对区块链性能问题,提出了树形区块链架构和基于分片安全的高性能区块链架构两种解决方案。最后为验证树形区块链架构的实用性,本文基于树形区块链架构开发了商品信息溯源系统。本文主要工作如下:针对区块链系统中存在交易吞吐量不高的问题,本文提出了一种基于树形的区块链架构。首先该架构把用工作量证明机制计算出nonce值的一部分节点作为中心委员会成员,其次中心委员会把其余节点根据其节点标识分配到对应主链或者侧链中。该架构把传统区块链中的一条链分为了主链和若干条侧链(树枝链和叶子链),当系统中有事务要处理时,中心委员会根据事务编号分配事务到对应链进行处理,处理事务的链把事务签名结果提交给中心委员会,最后中心委员会根据签名结果决定事务是否上链。通过理论分析,基于树形的区块链结构可以有效地提高主链地交易吞吐量。针对分片安全和共识协议复杂度过高的问题,本文提出了一种基于分片安全的高性能区块链协议。首先该协议把最先计算出nonce值的节点通过中心委员会根据其节点标识分配到对应分片网络中,并设置为分片领导节点,通过用分片领导并行处理事务的方式来提高分片交易的吞吐量;其次S-RP(Simple-Raft PBFT)协议结合Raft和PBFT协议,只对事务进行签名和响应操作,不再让每个节点广播事务,以达到降低共识协议时间复杂度的目的;最后根据节点标识分配节点的方法,提出了基于PBFT的分片安全机制,该机制使用PBFT中最大可容忍总节点的1/3个无效或作恶节点思想,计算出分片可以容忍的最大失败概率,保证分片安全。通过理论分析和实验证明,本文提出的方法可以有效地降低分片工作失败的机率,提高区块链系统交易的吞吐量。为克服传统的区块链吞吐量不高的问题,本文使用树形区块链架构设计并开发了一个商品信息溯源演示系统。消费者通过扫描商品的二维码标签查询对应商品从原材料到成品的整个流程信息。