区块链技术在2008年出现，在近10年的发展应用过程中，区块链技术在数字货币、医疗、保险、数据存证领域应用广泛。在去中心化的、无信任的网络中，可靠的传递价值与信任是区块链带来的新技术变革，区块链技术将会成为“价值”互联网的技术基石。但是，区块链技术仍然面临一些基本的问题，制约着区块链技术向更广泛的实时互联网应用领域拓展。基于此，本文的主要研究内容包括:　　1.区块链共识协议的研究与改进　　目前，区块链共识层的共识协议在“去中心化、安全性、能耗”三个方面存在矛盾，无法同步优化。本文研究并实现了一种基于一致性哈希算法的共识协议，在注册型公有链技术体系中，解决了区块链技术的“去中心化、安全性、能耗”的三角矛盾问题。该共识协议仍然通过哈希算力的不可伪造性来保障历史区块的数据安全，任何恶意节点进行“双花”攻击或新区块创建攻击时，需要耗费海量的哈希算力，但是，诚实节点竞争产生新区块或对新区块进行验证时不用耗费额外算力。本文方法与POW共识协议基于同样的密码学安全性假设，保持了原POW共识协议的去中心化和安全性优势，同时，解决了POW共识协议的资源浪费问题。本文详细分析了可能存在的攻击行为和过程，给出了完善但可调整的共识协议验证策略，针对极端的攻击风险，本文提出了两阶段哈希算力证明的改进共识协议。此外，本文分析了共识协议的公平性、安全性、效率方面的优势，以及可控的隐私泄露问题。　　2.区块链技术扩展性问题的研究与改进　　区块链技术发展至今，数据层和网络层一直伴随着扩展性问题，区块链全网共享统一的共识过程和区块链数据全网复制存储机制是区块链技术所面临的扩展性问题根源。本文提出了依据区块链网络内的交易热度信息或地域特征信息划分区块链网络的方法，将全网共识过程递进的划分为多个子网相对独立的共识过程，使得海量交易数据的负载在子网内水平分片，全局区块链账本数据水平分片到多个子网的区块链数据中，同时，利用子网间共享一致的区块链数据根，实现了子网间的跨网共识过程，解决了跨子网移动或跨子网交易的问题。此方法解决了区块链系统在数据层和网络层面临的扩展性瓶颈，使得区块链网络节点数量可以线性扩展，全网交易容量的上限也随之线性提高。该方法基于交易类型区块链的密码学安全假设，没有引入额外的安全问题。本文从理论上分析了网络分区前后的算力负载变化和存储负载变化，证明了该方法在区块链网络扩展性问题上的有效性。目前，该方法暂时不能支持需要全局共识的“造币”类交易的应用。　　3.区块链技术在实现线上公平合约交换协议中的研究　　去中心化的、确定性的、线上公平合约交换协议依然是待解问题，在无中心的场景下，线上公平合约交换过程直接关系到各方权益的保障。本文研究并实现了去中心化场景下的线上公平合约交换协议，在多方在线的合约交换过程和合约数据存证建立过程中，利用区块链的共识过程，给出了去中心化的、确定性的多方公平合约交换方法。本文实现的协议改变了区块链技术中的单向信任关系，结合公平合约内容，实现了双方或多方合约交换主体的多向信任关系。本文研究实现的区块链公平合约交换协议避免了任何一方在合约交换过程中、合约交换完成之后的舞弊行为，保证了合约交换过程中及交换完毕后，各方之间始终处于均势地位。同时，本文方法利用区块链对数据在时间轴上的连续状态变化记录，通过多交易单链接实现了合约内容的在线追加、更新和删除。　　综上所述，本文研究了区块链技术的共识协议和扩展性问题，研究了区块链技术在公平合约交换协议中的应用。本文解决了区块链技术发展过程中面临的一些基本问题。