安全协议是保障电子商务交易的重要手段之一，其公平性是要研究的关键问题。安全协议的公平性通常通过可信第三方实现，然而对有些应用场景，引入可信第三方所增加的代价会减弱协议实用性，因此从博弈的角度研究无可信第三方理性公平交换协议具有重要的学术和应用价值。针对理性协议中参与者的自利性行为，本文基于机制设计、扩展式博弈模型、占优策略均衡等方法，设计了一个满足正确性和公平性的两方理性交换协议；进一步通过完备性和可靠性的证明完善了理性交替时序认知逻辑推理系统，并将其运用于所设计的两方理性交换协议公平性的形式化分析。本论文主要研究工作如下：　　（1）基于占优策略均衡给出了交换协议的理性公平性形式化定义，利用机制设计理论实现了一个满足激励相容的公平交换机制；在有限理性假设下，基于理性公平性定义和交换机制设计了一个能满足公平性的两方交换协议。　　（2）基于扩展式博弈给出了理性交换协议的形式化描述和博弈树模型；运用逆向归纳法对所设计的理性交换协议进行了形式化分析，分析表明所设计的理性交换协议满足正确性和理性公平性。　　（3）在完善理性交替时序认知逻辑推理系统的基础上，进一步给出了其完备性和可靠性证明；采用理性并行认知博弈结构对理性公平性进行了形式化描述，在此基础上，基于理性交替时序认知逻辑推理系统形式化分析了所设计的理性交换协议的公平性。该方法扩展和完善了理性协议的形式化分析手段和理论技术体系。　　（4）在分析传统安全协议实现电子合同签署的基础上，利用所设计的理性交换协议提出了一种理性电子合同签署方案，该方案为去除可信第三方以实现电子合同签署的公平性提供了一种思路。