Privacy-preserving blockchain-based emission trading with spatial and temporal credit attributes

Abstract

As propostas existentes de Sistemas de Comércio de Emissões (ETS) baseados em blockchain melhoram transparência e imutabilidade, mas o mapeamento sistemático de 33 estudos identificou lacunas em integração e padronização de múltiplos mercados, integração da Internet das Coisas (IoT) à blockchain, vínculo entre tecnologia e regulação, experimentos realistas e projeto de sistemas. Motivado por essas lacunas e pela Lei 15042/2024, este trabalho propõe, implementa e avalia GeoTrustBETS, um Sistema de Comércio de Emissões baseado em blockchain (BETS) com referências geográficas e temporais. O modelo é agnóstico ao país e organiza rede, fontes de dados, políticas, registro, leilão, queima de créditos e transações entre blockchains em módulos configuráveis. Um multiplicador pondera os créditos pela localização da empresa emissora, pela propriedade sequestradora e por fatores temporais, apoiando o casamento ecológico de lances. A privacidade financeira é tratada com identidades pseudônimas, coleções privadas e um serviço Microsoft Confidential Containers (MCC) que executa o leilão acoplado em um Ambiente de Execução Confiável (TEE). A proveniência de dados externos é demonstrada por um oráculo notarial com certificados fixados na cadeia e um mock do Sistema de Cadastro Ambiental Rural (SICAR). A interoperabilidade é implementada por um chaincode Interop inspirado no Cacti, com bloqueio de créditos e primitivas de Hash Time-Locked Contract (HTLC). O protótipo usa Hyperledger Fabric e um arcabouço replicável de experimentos em Kubernetes. A avaliação final no Azure Kubernetes Service (AKS), com três organizações, dois ordenadores e cargas concorrentes, alcançou 300,9 transações por segundo (TPS) e 206 127 transações bem-sucedidas em 10 minutos no estresse com 50 usuários por organização, com 81,4% de sucesso; com 20 usuários, alcançou 278,9 TPS e 95,7% de sucesso. Os resultados confirmam a operação ponta a ponta de cunhagem, lances, liquidação de leilão em TEE e fluxos de interoperabilidade baseados em HTLC, além de revelar limites ligados à contenção, ao crescimento do estado do leilão, ao endosso e ao escalonamento da carga. As contribuições são o modelo GeoTrustBETS modular, o esquema de visibilidade em três camadas, o multiplicador espacial-temporal, o leilão privado com atestação de hardware, o oráculo notarial, as primitivas de interoperabilidade e o arcabouço experimental em nuvem.

Abstract: Existing blockchain-based Emission Trading System (ETS) proposals improve transparency and immutability, but the systematic mapping of 33 studies identified gaps in multi-market integration and standards, Internet of Things (IoT) integration to blockchain, links between technology and regulation, realistic experiments, and system design. Motivated by these gaps and by Brazilian Law 15042/2024, this work proposes, implements, and evaluates GeoTrustBETS, a Blockchain-based ETS (BETS) with geographical and temporal references. The country-agnostic model organizes network, data sources, policies, registration, auction, credit burning, and cross-chain transactions into configurable modules. A multiplier weights credits according to the emitting company location, the sinker property location, and temporal factors, supporting ecologically grounded bid matching. Financial privacy is addressed through pseudonymous identities, private data collections, and a Microsoft Confidential Containers (MCC) service that executes the coupled auction inside a Trusted Execution Environment (TEE). External-data provenance is demonstrated through a notary oracle with on-chain certificate pinning and a mock of the Sistema de Cadastro Ambiental Rural (SICAR), the Brazilian rural land registry. Interoperability is implemented by a Cacti-inspired Interop chaincode with credit locking and Hash Time-Locked Contract (HTLC) primitives. The prototype uses Hyperledger Fabric and a replicable Kubernetes experiment framework. The final Azure Kubernetes Service (AKS) evaluation, with three organizations, two orderers, and concurrent workloads, reached 300,9 transactions per second (TPS) and 206 127 successful transactions in a 10-minute 50-user-per-organization stress run, with 81,4% success; with 20 users, it reached 278,9 TPS and 95,7% success. The results confirm end-to-end credit minting, bidding, TEE auction settlement, and HTLC-based interoperability, while exposing limits related to contention, auction-state growth, endorsement stability, and workload scaling. The contributions are the modular GeoTrustBETS model, the three-tier visibility scheme, the spatial-temporal multiplier, the hardware-attested private auction, the notary oracle, the interoperability primitives, and the replicable cloud experiment framework.