论文总字数：72481字

摘 要

大多数的碳排放权交易系统都依靠集中式的系统来管理交易任务，并且容易受到安全威胁的影响。本文依据区块链的六层框架提出了碳排放权的交易模型，以提高系统的交易效率和安全性。该模型定义并在交易机制中引入了碳排放企业信誉值，设计了完整的碳排放权交易机制。本文在案例分析中对比了传统的交易机制，阐明了在促进碳减排方面的重要意义，然后在超级账本中部署智能合约并完成转账操作以验证可操作性。接着本文设计了相应的共识机制-信誉授权证明共识机制，将企业信誉值与轻节点的投票权重相关联，使得恶意节点的信誉值下降更快，有效地增大了系统发现恶意节点的概率。最后用Matlab软件进行共识机制的仿真，对比参考文献的加强型权益授权证明共识机制，体现了共识的安全性。

关键词：区块链；碳排放；信誉值；共识机制；Matlab

Abstract

Most current Carbon Emission Trading Systems in the world are centralized systems. Single center in the centralized system manages heavy tasks, and is vulnerable to many security threats. To avoid the dependency, this paper establishes the carbon emission trading model based on six-layer architecture of blockchain in order to improve the security and efficiency of the system. The model defines reputation value of emission enterprise and introduces it into trading scheme which is designed comprehensively. The comparison of traditional scheme and the scheme in this paper demonstrates the significance of carbon emission reduction. The deployment of the smart contract and transfer operation in Hyperledger Fabric validate the operability. Then, the reputation values of emission enterprises are introduced into accordingly Delegated Proof of Reputation (DPoR) consensus mechanism, which could reduce the reputation values of malicious miners faster and effectively increase the probability of finding the malicious miners.. Finally, the simulation in Matlab, which compares DPoR and enhanced DPoS, illustrates better security in consensus mechanism.

Key Words：blockchain；carbon emission；reputation value；consensus mechanism

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景 1

1.2 研究的现状 1

1.3 研究的内容及意义 2

1.4 章节安排 3

第2章 碳排放权交易系统模型 4

2.1 碳排放权交易系统模型 4

2.1.1 信息交互 5

2.1.2 碳排放权交易 5

2.1.3 矿工选举 5

2.1.4 区块验证 6

2.2 碳排放权交易系统框架 6

第3章 碳排放权交易机制 8

第4章 信誉授权证明共识机制 11

4.1 共识机制模型 11

4.1.1 投票权的计算 11

4.1.2 矿工信誉值的计算 11

4.1.3 区块的打包与传播 13

4.1.4 区块的验证与上链 13

4.2 信誉授权证明共识机制的分析与比较 14

第5章 案例分析 15

第6章 共识机制的仿真 20

第7章 总结 23

参考文献 24

附录A 27

附录B 46

致谢 76

第1章 绪论

1.1 研究的背景

在过去几十年里，人口的快速增长和温室气体的大量排放不仅促进了全球变暖，而且造成了空气的污染^[1-2]。为了应对这一全球性的问题，欧洲国家成立了欧盟碳排放权交易机制^[3-5]。确定排放总量基准后，在一级市场，欧盟碳排放权交易系统会将碳排放权（CEP）分配给各个碳排放企业，前期主要是免费配额，后期逐渐扩大拍卖的比例^[6]。在二级市场中，随着时间推移，企业实际需求可能会变化，拥有富余碳排放权的企业可以将其交易给其他需要的企业。企业通过在二级市场的碳排放权买卖，来达到核销碳排放的目的^[7-9]]。

传统的碳排放权交易系统是一个包含中央节点的集中式系统，它给管理、监督带来方便，但是同样也面临来自通信效率和数据存储的挑战^[10]。首先，中心节点必须处理每一笔交易，因此中心化的系统的效率会下降；其次，CEP交易的数据及企业用户的相关重要生产数据都会被存储在单中心中，针对单点的攻击会使得这些信息的安全受到威胁。此外，CEP分配机制的复杂和不透明等因素导致一些企业参与度较低。基于上述原因，许多碳排放权交易系统正在向分布式转型。虽然分布式系统在隐私和共识等方面存在一定的问题，但是其可以避免单点攻击造成的危害^[11]。

随着比特币区块链系统的发展和成功，区块链技术引起了学者的广泛关注^[12]。区块链是一种记录数据的数据结构，它有以下几种特性：1）去中心化（多中心化）。在区块链系统中，没有一个权威机构作为中心，不必将信任托付与其他第三方，由此带来了去中心化的效果^[13-14]。2）透明性。区块链中的每个节点都可以访问区块中的信息^[15]。全节点存储区块上的所有信息；而轻节点则只需要存储区块头，不用存储所有的交易信息列表，他们通过发起Merkle证明来核对区块的验证结果，查看自己的交易是否存在于区块中。3）不可篡改性。区块体中的每个信息组（每一个交易）先对自身进行两次哈希运算，然后相互之间通过哈希运算形成区块头的Merkle根，进而和区块头的其他数据进行哈希运算形成这个区块的哈希值。每个区块的区块头都包含上一个区块的哈希值。如果有恶意节点想要更改区块体中的数据，那么很容易通过哈希值检查出来^[16-18]。4）匿名性。区块链中的每一个节点都有一个公共的加密的地址，它可以隐藏真实世界的身份，对于需要把碳排放交易信息这些和生产高度相关的信息上传的企业来说，是非常有价值的^[19]。由于这些原因，将区块链技术应用于碳排放权交易系统的构建引起了学者的关注^[20]。

1.2 研究的现状

Khaqqi等学者提出了一种面向工业4.0的新型碳排放权交易系统，他们将信誉值引入的交易系统中，通过内在的惩罚机制来促进碳减排工作^[21]。但是信誉值的共识并没有被定义，系统的节点分布形式没有被说明，且缺少相应的共识机制来完成对CEP交易信息的确认。Kawasmi等学者提出了BD-CETI模型，引入工作量证明机制来进行交易信息的确认和上链，加强了系统的安全性^[22-23]。但是该共识机制存在着耗费大量电能和计算资源的缺点，因此，很难应用相同的共识机制来对碳排放权交易系统的信息进行共识。在权益证明和权益授权证明共识机制中，高权益的节点之间的串通会增大系统面临的风险^[24-26]。为了克服这种风险，Jiawen Kang等学者在基于区块链的车联网中提出了加强型权益授权证明共识机制^[27]。该机制运用主观逻辑模型，并对矿工信誉值进行多属性的加权计算，增强了共识机制的安全性^[28]。但是恶意节点和普通节点的投票权是相等的，在共识过程中不需要时间和利益的付出，足够的恶意节点相互共谋可以在共识阶段发起攻击，使得恶意候选矿工成为矿工节点，产生错误的区块从而破坏系统。

1.3 研究的内容及意义

针对以上研究的不足之处，本文设计了一种新的基于区块链技术的碳排放权交易系统。在该系统中，首先用公式定义了碳排放企业的信誉值，设计了碳排放权交易机制，运用智能合约实现交易的自动执行；此外，本文提出了一种信誉授权证明共识机制来使得可信任节点对交易结果和其他信息保持一致性，碳排放企业根据与矿工的过往的交互来对矿工们进行信誉投票。碳排放企业的投票权的大小由企业信誉值决定，信誉值越大，投票权越大。

为了验证交易机制的可行性，我们设计了阐述交易机制流程的案例，用Go语言编写交易智能合约，将其部署在超级账本中，并完成案例中的转账操作。为了对比信誉授权证和加强型股份授权证明共识机制的安全性，本文在最后进行了Matlab数值仿真，讨论了信誉授权证明共识机制的合理性。

本文的工作有理论和实践两个方面的意义。在理论意义方面，现阶段区块链的共识机制还是以工作量证明和权益证明为主，例如比特币区块链和以太坊。它们核心基础是：恶意节点攻击区块链所获得的收益比付出的代价小。但是，这些共识机制存在的缺陷也很明显：工作量证明共识机制在计算随机数串阶段耗费大量电能；权益证明让币龄长的节点拥有更多的记账机会，导致越来越中心化。所以，避开这些缺陷，探索新的共识机制，不仅可以将区块链技术很好地融入在碳排放权交易系统中，还能在这个应用外也能给其他应用提供很好地参考。通过Matlab的共识算法仿真，和其他共识算法作比较，能从理论阶段证明新共识机制的安全性。在实践意义方面，本文用Go语言将碳排放权的交易机制编写成智能合约并部署在超级账本上，然后，完成一次简单的转账操作，以验证理论部分的合理性和可行性。同时，中国和其他国家的碳排放权交易中心正在逐步向分布式转化，区块链也是国家正在推行的新型技术。将区块链技术与碳排放权交易相结合，符合国家积极推动区块链技术发展的政策。

1.4 章节安排

本文内容的设置如下。第2章构建了基于区块链六层架构的碳排放权交易系统的模型，并定义了碳排放企业的信誉值。第3章设计了引入碳排放企业信誉值的交易机制，并提出了基于企业信誉值的交易费机制。第4章阐述了信誉授权证明共识机制的模型和相关算法。第5章设计了一个交易案例来详细阐述CEP交易流程，并用部署在超级账本的智能合约完成案例中的转账操作。第6章用Matlab软件对共识机制进行了仿真。第七章总结本设计的工作结果和意义。

第2章 碳排放权交易系统模型

2.1 碳排放权交易系统模型

本文所设计的碳排放权交易系统的模型包含四个部分，分别是信息交互、碳排放权交易、矿工选举和区块验证。模型如图2.1。

图2.1 碳排放权交易系统模型

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