自2016年以来,以比特币为代表的数字加密货币的底层技术--区块链技术,悄然进入研究者的视线,这一新兴技术引起了人们的广泛关注。区块链(Blockchain)是一种由多方共同维护,使用密码学保证传输和访问安全,能够实现数据一致存储、难以篡改、防止抵赖的记账技术,也称为分布式账本技术(Distributed Ledger Technology)。但是区块链技术也存在一些问题,区块验证效率低,无法实现实时交易;算力很大程度集中在矿池之中,带来了51%的算力攻击风险;交易信息在链上公开透明的存储,这使得一些与用户相关的数据信息存在被泄露的安全风险。首先,本文提出的基于图形交叉验证的区块验证方法,以区块中交易的验证结构作为研究对象,发现区块交易在验证过程中存在不可压缩的验证延迟。本文放弃了比特币中“块链级”的区块验证方式,提出了一种基于图形交叉验证的区块验证方法。基于图形交叉的交易确认可以通过自动扩展来促进交易的快速响应,在理论上加以证明,并通过安全性验证。其次,针对矿池算力集中化的问题以及51%算力攻击问题,本文提出了基于比特币刮擦谜题的多层级奖励结构方案。分析了比特币系统中的Pow共识机制,研究了比特币系统的奖励结构,针对在谜题解决过中因奖励结构而形成的矿池问题,提出了基于刮擦谜题的多层级奖励结构方案,该方案能够鼓励矿工节点单独的去进行工作量证明,以达到弱化矿池的作用,并且证明了其安全性。再次,针对区块链中区块交易信息在链上公开透明的存储而存在的隐私安全问题,分析了比特币谜题方案的结构原理,提出了基于非交互式零知识证明结构下的谜题结构方案,该方案在比特币交易过程中能够很好地保护交易用户数据的隐私性。最后,通过分析比较,该分布式快速交易框架能够在交易验证过程中快速的收敛聚合以达到高效率的验证交易。同时本文中多层次的奖励结构能够很好地激励矿工去单独的进行算力贡献,而不是形成矿池,进而弱化了矿池的作用。同时能够在交易进行过程中很好的保护交易数据的隐私性,分析表明,该方案的安全性更高,实用性更强。