区块链技术自诞生以来,因其去中心化、安全可信、不可篡改、可溯源等特性,受到社会各界的广泛关注,近年来已在金融服务、身份认证、医疗健康、物联网、资产证券等诸多领域崭露头角。共识算法作为底层区块链的核心技术,能够在缺乏中央控制的网络中,通过自组织、大规模协作的方式实现分布式账本的一致性,同时共识算法也是制约区块链技术商业落地的关键因素。然而目前,以工作量证明为代表的公有链算法面临着吞吐量低下、交易延迟过高等问题,难以在商业中应用;以拜占庭容错为代表的联盟链共识算法存在扩展性不足、难以抵抗自适应攻击等问题,实用性不强。并且上述共识算法均不能实现数字资产交易的分类、并发处理,无法满足社会生产多场景协作的应用需求。因此,本文对区块链技术的底层架构及共识算法展开研究,主要包括以下内容:(1)简要分析区块链技术的底层架构及其关键技术,主要包括点对点网络技术、密码学技术以及共识算法。(2)针对大部分拜占庭容错算法难以抵抗自适应攻击,并且存在可扩展性不足、鲁棒性较差等问题,提出一种契合联盟链应用场景的高效健壮拜占庭容错共识算法。首先,利用环签名构造排序选主算法,隐匿确定共识的提案者,进而有效抵抗自适应攻击。其次,通过在多轮投票中合成代表大多数投票者意愿的门限签名,保证在最小连通性的网络环境中实现低延迟、高鲁棒性的拜占庭容错共识算法。最后,通过设计视图转换协议主动更换失效的提案者,并在新视图处理中继续广播代表法定人数投票者意愿的门限签名,保证在跨视图转换时各副本状态保持一致。分析表明,系统在提升可扩展性,减少视图更换、签名验证等开销的同时,能够在提案之前、提案之后均能有效地保证系统活性,为高可用拜占庭系统提供支持。(3)针对现有区块链性能低下,难以支持多种场景下数字资产的分类并发处理、难以实现多链共识等问题,本文首先面向联盟链设计一种树形主从多链架构,其次针对树形主从多链架构,设计基于门限签名的拜占庭容错共识算法解决多样化数字资产分类并发处理带来的一致性问题。该主从多链架构基于树形结构将群组切分成相互隔离的通道,每个通道维护各自从链,所有通道共同维护主链,多条从链并行处理交易,解决现有区块链吞吐量低下和交易延迟过高等问题;主从链通过哈希值相互锁定,达到不可篡改和便于审计的目的。分析表明,本文提出的主从多链结构突破了单链的功能和性能束缚,具有良好的高并发交易性能,同时兼顾隐私数据的隔离保护,满足了企业多样化业务需求。