区块链作为一种国家战略性前沿技术,是分布式去信任环境下信任建立、数据交互、价值传递的核心。行业级联盟链是我国重点发展的区块链服务平台和应用方案,被广泛应用于数字金融、能源市场、电子政务、供应链等重点行业。现有联盟链系统部署拜占庭容错类共识协议只能实现少量分布式节点下的状态一致性,利用哈希函数和时间戳技术实现时序链式区块存储,并利用异构的底层技术（例如共识协议和加密算法）实现系统内部强安全保障和系统间隔离,这些特点导致联盟链系统难以满足多样化应用对大规模节点接入、高性能交易处理和可靠跨链交互的需求。这些难点归纳为联盟链系统可扩展性优化问题,分别对应网络可扩展性优化、性能可扩展性优化和系统横向可扩展性优化问题。针对联盟链系统可扩展性优化问题,国内外研究者们已经提出了一些优化方案,然而现有优化方案还存在以下局限性:（1）在网络可扩展性优化方面,现有拜占庭容错类共识协议独立优化联盟链系统网络可扩展性或共识容错性,忽略了两者之间的关联关系和协同优化问题。大量可能执行拜占庭行为的节点的接入对联盟链系统共识协议容错性提出更高的要求。（2）在性能可扩展性优化方面,区块链分片协议是最有希望能够实现高性能而不降低去中心化程度的优化方案,但这类现有协议都是面向公有链提出的,简单移植到联盟链系统中会产生高昂的算力和时间成本。（3）在系统横向可扩展性优化方面,现有基于公证人/中继的跨链交互协议解决了交易原子性问题,但半中心化的交互方式既破坏了联盟链分布式特征也导致数据真实性受到质疑。另外,现有跨链交互协议都不支持一对多跨链交互模式并忽略了该模式下大规模跨链交易激励公平性保障。为解决现有联盟链系统可扩展性优化方案存在的局限性,分别研究了联盟链系统网络可扩展性优化（网络容量扩容）、性能可扩展性优化（交易吞吐量提升）和系统横向可扩展性优化（一对多大规模跨链交互）问题,面向联盟链系统架构提出了多层联动的协同优化机制,分析和验证了该机制的可扩展性、容错性、公平性、安全性等性能指标。主要贡献如下:（1）针对大规模节点接入及现有共识容错率低的问题,面向联盟链系统共识层提出可信拜占庭共识协议并设计节点混合信誉计算模型,通过选取混合信誉值高的节点作为共识参与者执行实用拜占庭容错共识协议的方式同时实现网络容量扩容和共识协议容错性提升。仿真实验结果证明:所提出的共识协议能够允许大规模节点接入联盟链系统并具有高共识容错性;在由10,000个节点组成的理想联盟链系统中,共识容错率能够达到98%,高于实用拜占庭容错共识协议1/3的共识容错率。（2）针对海量交易串行处理导致的交易吞吐量低的问题,面向联盟链系统网络层提出分层分片协议,根据联盟链节点身份属性特征将整个联盟链系统划分为多个联盟链子系统（普通分片）和一个由高混合信誉值节点组成的主分片,通过普通分片独立并行地执行片内交易共识生成子区块和主分片执行最终子区块共识以提高系统整体交易吞吐量。联盟链系统性能分析与实验证明:在少量分片数量下,所提出的协议能够线性地提高交易吞吐量;与经典分片协议Elastico相比,该协议具有相似的交易吞吐量优化效果和显著较低的分片建立算力和时间成本（算力成本为相较于Elastico的可忽略不计,时间成本近似为Elastico的1/10）。（3）针对一对多横向跨链交易及其激励公平性保障问题,面向联盟链系统智能合约层提出多预言机跨链交互协议并构建包含多个预言机的联盟链交互平台,通过在预言机节点部署和运行智能合约实现大规模跨链交易汇聚与交互;设计公平跨链数据交互机制,在两种交互模式下基于智能合约实现根据数据质量的激励与惩罚以促使理性利益相关者遵守协议,并且理论证明该机制的交易激励公平性。联盟链系统跨链分析与实验证明:所提出的跨链交互协议能够实现一对多跨联盟链交互,并且跨链交易吞吐量明显高于国内主流开源联盟链平台WeCross和BitXHub,最多分别是其1.5倍和3倍。相关成果围绕联盟链系统架构纵向分层的可扩展性优化问题展开,以可扩展性、容错性、公平性、安全性等作为性能指标,理论分析结合仿真实验评估联盟链可信拜占庭共识协议,并基于Hyperledger Fabric、FISCO BCOS、Truora等主流联盟链/预言机平台搭建测试网络,通过大量实验评估联盟链分层分片协议和多预言机跨链联盟交互协议,为数字中国等国家级建设目标中的联盟链系统安全部署与高效应用提供了理论基础和技术支持。