随着区块链的诞生与快速发展,诸多领域逐渐产生了基于区块链技术的应用,包括区块链技术在金融领域的跨境支付、物流和农业领域的追踪溯源、公共服务领域的公共管理、数字版权领域的确权管理等。区块链系统是一个去中心化的共享数据库,因此,确保区块链系统的一致性和安全性是至关重要的。共识机制是区块链系统的核心技术,它通过特殊节点的投票,在短时间内对交易进行验证和确认,解决了如何在一个缺乏信任、完全自由开放的网络中达成共识的问题,使分散的区块链系统达成一致。权益证明机制的提出,除了使系统达成共识外,减少了其他共识机制的能源消耗,例如工作量证明机制,在一定程度上维护了网络安全,具有广泛的应用。但是,在权益证明机制中,没有对系统中存在的恶意节点进行处理,并且在网络同步性较差环境下极易产生分叉现象,严重影响了区块链系统的安全性和一致性问题,因此,探索更为安全高效的改进权益证明机制具有重要的现实意义。针对这两个关键问题,以权益证明机制为基础,本文围绕基于节点状态的安全性改进方案和基于信用奖惩投票机制的改进共识机制方案展开了研究和分析,主要的创新点和研究成果如下:(1)针对传统权益证明机制中恶意节点带来的安全性问题,提出了一种基于节点状态的安全改进方案。设置节点状态序列,依据节点状态序列中表示的节点产生的无效区块数量和设定阈值的比较,从而对节点状态进行分类,以及对节点属性表中的节点状态进行及时更新,并通过投票的方式将投票率超过50%的恶意节点进行剔除,保证区块链系统不受恶意节点持续性地产生无效区块或其他恶意行为的影响,确保区块链系统的安全性。具体地,从理论方面对所提新方案进行分析,从实验方面对其提出的必要性和其高效性等性能进行验证。(2)针对权益证明机制安全性改进方案在网络同步性较差环境下仍存在易分叉的问题,提出了一种基于信用奖惩投票机制的改进共识机制方案。为每一个节点设置信誉度,根据新型的投票方式对同时产生的多个区块进行投票,并根据节点的投票表现情况对相应节点进行信用惩罚或信用奖励,依据区块产生者的信誉度等条件,最终投票选出一个区块上链,从而保证区块链系统的一致性和公平性。理论分析与仿真实验均表明该方案能够有效解决基于权益证明机制的区块链分叉现象,具有一致性和公平性等性能。