作为当前主流数字货币的底层实现技术,区块链技术最早被用来实现去中心化的数字支付系统。通过区块链技术,可以在不依赖于任何第三方可信机构的前提下,建立可信分布式系统。去中心化的特性使得区块链技术拥有广泛的应用前景。然而,目前区块链的可扩展性存在严重不足,其主要表现在两个方面:性能效率低下、功能难以扩展。首先,区块链系统的安全性和可靠性来源于系统内所有节点参与的分布式共识机制。高成本的分布式共识机制使得区块链的性能较实际的商业系统存在较大的差距。此外,为了确保单一区块链系统的安全性,不同区块链系统间的数据相对孤立,资产或数据难以交互。不同功能和特性的区块链系统无法共享数据,使得现有区块链系统很难满足复杂的实际应用场景。当前对区块链可扩展性的研究已经引起了广泛的关注,提升区块链性能的方案或者解决区块链互操作性的跨链技术层出不穷。然而,该领域的研究仍处于发展初期,相关技术和方案需进一步优化和完善。本文首先对区块链可扩展性研究现状进行了深入的分析,探索了现有技术与方案中存在的问题及进一步研究的方向。在此基础上,利用链下支付网络的思想,设计了多向支付通道网络协议,该协议可以有效提升区块链体系架构中支付通道的性能效率。这些工作将对区块链可扩展性机制的分析与设计起到促进作用。本文的主要贡献如下:1.当前对区块链可扩展性的研究主要从如下两个角度出发:提升区块链性能和实现区块链功能扩展机制。为此,本文深入分析了区块链性能提升方案:链下支付网络、Bitcoin-NG和分片机制,探究了解决区块链互操作性问题的四种跨链技术,对比不同方案的优势和缺点,并给出进一步的研究方向。2.提出支持多向通道的链下支付网络方案。不同于经典的链下支付网络方案,新方案允许多个节点同时在一条通道内完成链下支付。为了解决多向通道内的状态更新问题,我们引入了第三方,进行交易的排序和状态更新。同时,为了防止第三方作恶,我们设计了作恶检测合约,来自动监测通道内可能的攻击行为。3.对链下支付网络进行了形式化定义,分析相同网络规模和相同网络连接性下,多向支付通道网络和经典双向支付通道网络所需要的开销。理论分析和仿真实验证明本文的多向支付通道的效率更高,开销更少。