基于Hyperledger的排放权交易系统的设计与实现

原题:Design and Implementation on Hyperledger-Based Emission Trading System

作者:PU YUAN, XIONG XIONG, LEI LEI, KAN ZHENG

项目地址:https://github.com/xisiot/HyperETS

Abstract

为了缓解环境污染,同时又不能限制发展,政府机构通常会提出排放量交易的政策。制定排放总量,企业通过向政府申请来获取合法排放量。当然,申请得到的排放量也可以在企业之间进行交易,所以这种模式很适合区块链的架构。本文提出了一种基于区块链系统的排放交易系统(HyperETS),并着重于账本结构和智能合约的设计。

System Overview

应用场景

应用场景

整个应用场景包含了四个实体:Trader、Approver、Environmental Agency和Trading Center。Trader提交申请到Environmental Agency由Approver审核,审核结果提交到Trading Center进行存储。而审核通过的Traders的交易记录都保存在Trading Center。具体步骤如下:

  • 步骤1:注册Trader必须向环境机构提交公司申请,其中包含必要材料的清单(例如公司证书)。
  • 步骤2:环境机构的Approver检查这些材料的有效性。
  • 步骤3:一旦Approver接受了申请,Trader便可以基于该允许的公司身份提交项目申请。 项目申请书包括排放权交易的详细信息(例如,项目类型:购买/出售,交易排放许可的数量)。
  • 步骤4:Approver检查项目申请的有效性。
  • 步骤5:如果Approver接受了该项目,则可以在交易中心中看到它。
  • 步骤6:Trader根据那些经过验证的项目开始相互交易排放许可。

系统架构

系统架构

整个系统架构包含三个部分:区块链网络、HTTP服务器、客户端应用程序。客户端应用程序和HTTP服务器之间构成了C/S模式,而HTTP服务器与区块链网络构成了接口-存储层模式。

Implementation of HyperETS

区块链网络

分布式账本设计

Ledger设计

账本数据以状态划分每个记录。用户下分为两个索引:公司和项目,公司记录着每个申请的公司状态和信息,而项目则保存每个申请项目的状态和信息,而每个项目则索引着在该项目下的每一笔交易。显然,智能合约着重于项目和交易记录上的处理。而公司、项目和交易的字段设计如下表:

公司字段
项目字段
交易字段

智能合约设计

分两个部分:应用合约和交易合约。

应用合约(AC)有三个主要功能:创建、更新和查询。AC主要由Trader调用,来创建区块、查询记录和更新交易状态等。经过分析,查询操作的性能远比创建和更新低。

交易合约(TC)主要包含了排放交易的业务逻辑,主要包含了两个操作:购买和确认。购买即创建交易的过程,使用了算法1:

算法1

而确认则是修改项目记录的过程,采用了算法2:

算法2

系统结构

整个Fabric包含了:一个Order、一个Channel和两个组织节点。所有的节点都部署在Docker容器中。

客户端和HTTP服务器

采用了Express,一个轻量级Node.js应用来实现web应用和HTTP服务器,并提供了RESTful API。整个交互过程如下:

  • 步骤1:使用Fabric CA SDK来注册管理员身份。
  • 步骤2:启动HTTP服务器以侦听特定端口并接收来自应用程序的请求。
  • 步骤3:根据请求的不同参数,使用Fabric SDK调用目标SC进行一些查询或更新操作。
  • 步骤4:以JSON格式将数据返回到应用程序。

Experimental Results and Analysis

本文的实验环境在一个阿里云服务器上:

  • CPU:4核 2.5GHz Intel Xeon Platinum 8163
  • 内存:8GB
  • 操作系统:Ubuntu 16.04(64bit)

作者测试主要使用的每秒请求量(RPS)来表达吞吐量,测试了创建和查询操作。

查询操作的系统吞吐量

查询的吞吐量

创建操作的系统吞吐量

由于共识机制的存在,创建操作远比查询操作消耗的性能多。下表是作者实验时的一些参数:

参数表

表(a)显示了不同消息计数下的吞吐量曲线,可以看出,当消息计数到达5时,RPS达到了峰值200。

表(b)显示了不同块大小对吞吐量的影响。当块超过16K之后,吞吐量不再增加。

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