2008年,比特币的出现标志着区块链技术的诞生。区块链本质上是一种分布式账本,多方维护、去中心化、且不可篡改的特性,使得它在数字金融、供应链溯源、存证防伪数据服务等方面具有广阔的应用前景。然而,区块链在吞吐量和延迟方面表现出了糟糕的可扩展性,以比特币为例,它每秒最多只能处理7笔交易,且每笔交易需要数十分钟才能完成确认。可扩展性瓶颈严重阻碍了区块链技术的进一步发展,影响着相关应用的落地。针对区块链的可扩展性问题,基于DAG的分布式账本被提出,它从底层结构上对区块链进行了根本改进,极大程度地提升了系统在高并发条件下的性能表现,是最具前景的解决方案之一。然而,当前该领域系统性的研究工作仍比较匮乏,并且现有的DAG账本方案在安全性、共识效率以及功能支持等方面仍存在诸多缺陷。针对上述问题,本课题进行了系统而深入的研究。首先,我们提出了DAG账本的研究框架。根据账本形态及其共识机制的差异,我们将其划分为基于主干链的DAG账本、基于平行链的DAG账本和基于朴素DAG的账本;根据数据组织方式的不同,我们将其划分为以交易为基本单元的DAG账本和以区块为基本单元的DAG账本。其次,基于该研究框架,我们对不同类型的DAG账本进行了横向对比分析。从设计思路、安全分析、智能合约支持三个方面,我们对不同形态的DAG账本进行了对比研究;此外,从网络利用率、账本操作权限以及轻节点支持三个方面,我们对不同数据组织方式的DAG账本进行了横向对比。进而,我们提出了一种高效可扩展的DAG账本方案Guava。它采用双层架构,并结合了传统区块链中的工作量证明机制以及经典拜占庭共识协议,能够在高吞吐量的前提下实现即时交易确认。最后,我们对Guava协议的安全性进行了证明。基于当前成熟的区块链安全分析框架,我们得出Guava协议的算力安全界,并最终证明了Guava协议具有一致性和活性两大安全特性。