公有区块链通过引入去中心化架构避免了对中心实体的信任需求,从而重构了现有货币体系和支付模型,成为物联网支付和去中心化金融等领域的重要技术依托。然而,主流公有区块链所面临的低吞吐量与高交易费问题成为限制公有区块链发展的重要瓶颈,使公有区块链无法支持上述应用场景下高频和小额的交易需求。为解决这一问题,研究者提出了通过链下交易的方式提高区块链吞吐量的支付通道技术。然而,现有支付通道技术存在参与者数量限制、跨通道交易寻路过程不可靠、跨区块链通道切换研究缺失等问题。针对目前支付通道存在的以上问题,本论文通过引入可信硬件与适配器签名等前沿软硬件及密码学技术,设计具有多参与者、高吞吐量、高跨通道交易可靠性、支持跨链通道切换等优秀特性的新型支付通道架构,填补支付通道领域研究的不足与空白,使公有区块链可以更好地支持如大规模物联网支付和去中心化金融等复杂高频支付场景的交易需求。本论文的研究工作可以按照其研究范围分为单链单通道、单链多通道、多链多通道三个部分,从简单场景逐步演进至复杂场景,直至构建满足公有区块链支付需求的完整支付通道架构。本论文的主要研究成果如下:1、针对支付通道在单链单通道场景存在的参与者数量限制问题,本论文首先设计了可以容纳多个乃至海量参与者的支付通道框架,将维护支付通道的任务外包于一组运行可信硬件的无信任假设第三方服务节点。为确保容纳海量参与者的支付通道仍能提供满足用户需求的链下交易处理速度,本论文设计了基于可信单调计数器技术的改进RAFT共识算法,在确保通道安全性的前提下大幅提高支付通道交易吞吐量。进一步地,本论文设计了基于可信硬件与智能合约的用户安全性保证方案,使用户在服务节点正常工作时能够进行高效结算,而在服务节点失效时具备独立结算的权利。2、针对单链多通道场景存在的跨通道交易寻路过程不可靠问题,本论文首先设计了基于两阶段协议的原子性跨通道交易方案,使跨通道交易可以在高可靠的前提下在输入和输出通道间高效同步。针对两阶段协议引入的跨通道资金转移开销过大问题,本论文设计了基于净额结算策略的跨通道合作结算策略,通过基于可信硬件的净额结算大幅降低跨通道资金转移的链上开销。进一步地,由于跨通道合作结算存在服务节点不合作时无法完成的问题,本论文提出了基于交易链的单通道独立结算策略,并设计了相应的安全性保证方案确保跨通道交易的安全性。3、针对多链多通道场景存在的跨区块链通道切换研究缺失问题,本论文首先设计了基于通道切换的跨币种支付通道架构,使有跨链需求的用户可以通过数字资产交换的方式完成资金跨币种转移。进一步地,针对当前主流数字资产交换技术存在的隐私泄露问题,本论文设计了基于适配器签名的隐私保护通道切换算法,保证通道切换过程的隐私性。在此基础上,本论文设计了针对主流区块链签名的适配器签名算法,使本论文所提出的通道切换技术可以应用至当前绝大部分区块链中。