区块链本身是作为一种分布式数字账本技术被提出来的,最初用来记录比特币系统中用户数字资产的来源和去向。区块链系统本质上是一种对等网络系统,在保证去中心化的同时保证系统的安全性是区块链系统本身的设计难点。区块链的安全性是通过大量安全性技术和组件的协同工作来完成的,其用来保证安全性的技术和组件主要包括:Merkle树、公钥密码学、密码散列技术以及一致性算法。在附录A中,我们介绍了这些维系区块链安全性所需要的组件以及各种组件在区块链安全中起到的作用,作为研究区块链安全所需的预备知识。伴随着各类区块链系统的提出和实际应用,针对区块链安全性的研究也成了当前区块链研究的一个热点。目前针对区块链安全性的研究大多是针对原始比特币区块链协议进行的。尽管众多的区块链安全性研究工作从理论上证明了区块链确实可以在特定条件下满足某种安全特性,但在实际应用过程中多次遭受攻击造成了巨额的经济损失的现状来看,仅仅通过分析原始区块链协议整体上具有某些安全特性来对区块链安全进行研究是不够的。一方面在于实际应用过程中的区块链系统通常是经过扩展了的分化的区块链系统,另一面在于投入实际应用的区块链系统会面临着许多具体的安全威胁,这些安全威胁才是造成区块链经济损失的直接原因。因此本文通过研究实际应用过程中扩容后的区块链系统以及其可能面临的安全威胁,来防止可能发生的攻击事件,从而减少攻击可能造成的损失。本文的主要贡献有:分析了区块链可扩展性问题的成因,以及可扩展性对区块链安全的影响,并比较了现有各种可扩展性方案的特点与应用场景;分析和比较了区块链系统在不同层次上可能面临的安全威胁及攻击手段,阐明了各类攻击需要的条件、攻击主体以及防御措施;对于数字货币区块链系统,本文分析了比特币扩容方案Bitcoin-NG(bitcoin next generation)与原始区块链协议相比所面临的主要安全威胁——Finney攻击和Race攻击,并给出了在用户采取不同措施时,发生攻击可能性的数学模型;对于以太坊扩容方案GHOST(Greedy Heaviest Observed Subtree),我们发现在出块速度不断提高的情况下,区块链链层面安全性受到极大的挑战,Nakamoto安全性不再适用,我们给出了GHOST协议下发生双花攻击可能性的数学模型。实验证明,在更高的出块速度下,我们的双花攻击模型具有更高的准确性。