作者:SinaMahmoodi
翻译&校对:IANLIU&阿剑
来源：以太坊爱好者
摘要：区块中每发生一次合约调用，无状态客户端都需要完整的合约代码作为区块见证的一部分，而传输合约代码占用无状态客户端带宽的比例，高居其带宽开销的第二位。
人们认为，代码默克尔化方法能够优化带宽开销。本文解释了如何将代码拆分为“块”，默克尔化这些chunk，并只在交易需要的情况下传递这些chunk。实验证明，基于目前的主网情况，我们能看到合约代码传输的开销节省了40%~60%。
巨大的无状态区块
代码默克尔化的概念已经被提出好一阵子了，一开始主要用于代码去重，但其他用途还未被很好地探索。现在它重新进入大众视线，却是因为另一个目的——用于降低无状态客户端所需要的带宽开销。如果你想知道无状态客户端为什么出现，我推荐这篇总结，或是AlexeyAkhunov的推文，里面还附上了他的实验数据。为求简短扼要，我不会深入整个无状态客户端模型的细节，仅提供相关细节的简要总结。
在无状态模式下，节点可以依赖其他节点来取得区块内容并使用相关默克尔证明加以验证，而不必自己存储所有区块状态——这会给网络带宽带来巨大的性能提升。AlexeyAkhunov和turbo-geth团队一直在研究，希望能确定已经产出的主网区块的区块见证大小。下图是对最近50000个区块的测量结果：红线追踪每个无状态区块需要发送的合约代码量。如果以太坊从当前的hexary字典树结构转为二进制trie，则见证数据所包含的哈希值数据大小约能减小3倍，这时候合约代码量就成为构成见证大小的第一大头了。
观点：比特币与科技股的紧密相关性弱化其“避险资产”叙事:金色财经报道，比特币与NDX/SPX比率之间的90天相关系数从0.81升至0.90，标志着这两种资产之间自2022年6月以来最强的正相关关系。截至发稿时，相关系数为0.89。正相关意味着在比率上升的日子里，比特币更有可能同步发展，反之亦然。
“比特币仍然像一种风险资产一样交易，”行业人士Noelle Acheson在谈到比特币与NDX/SPX比率之间的正相关时表示，“NDX/SPX比率的上升意味着科技股表现更好，这表明风险情绪很强烈。”（CoinDesk）[2023/4/6 13:48:29]
-图表显示最近50000个主网区块的无状态区块见证大小变化，经过窗口=128个区块的移动平均计算-
不要发送整段代码
我们假设，其实每笔交易只会调用部分的合约代码，所以我们的目标就是拆分这些代码块，每次交易只发送需要的chunk的区块见证。如果这种假设合理，而且每笔交易真的只用到一小部分字节码，那么区块见证的合约代码部分就能大大的减小。
观点：加密行业的信贷危机不会蔓延至其他金融市场:金色财经报道，据CoinDesk Research分析师表示，加密货币市场目前正在遭受苦难，这种加密行业的信贷危机蔓延很糟糕，但不太可能蔓延到其他金融市场。[2022/11/21 22:11:36]
为了更好地理解，想象我们正在部署一份新的合约，我们需要传递代码和并确定basicblock有两种特性：
-字节码的basicblocks-
Basicblock要么从索引0开始，要么从?JUMPDEST?开始——这么做能保证每个无状态客户端都能安全地进行JUMPDEST分析。
每个basicblock都无法更改控制流。因此，我们可以确定一旦开始执行代码，只会存在两种情况：正确执行结束，或是gas耗尽。虽然还没有和其他方案进行比较，我们先假设这么执行是相对更有效率的。
出于效率考量，我们合并相邻块，直到每个代码块都至少有128字节为止。接着以第一个字节作为key，将这些合并后的代码块插进Trie。最后，客户端将此Trie的根作为该合约账户的新记录存储下来。如下图所示，记录代码的Trie会成为状态树的子树。
观点：比特币波动性受抑制原因或是大量持有短期波动性期权的基金涌入市场:根据Skew提供的数据，BTC隐含波动率和实现波动率也出现了下沉，跌至2020年3月以来未曾见过的水平。7月10日，实际波动率降至3.2%，但隐含波动率保持在3.5%。
Blockhead Capital的执行合伙人Matt David Kaye表示，波动性受到抑制的原因可能是市场上大量持有短期波动性期权、寻求收益的基金涌入。对市场上的许多投资者来说，这些工具被宣传为低风险、产生收益的工具。
随着比特币价格的巩固，做市商正试图通过不断调整现货风险来对冲风险。这导致了一个更紧的价差的产生，并扩展了6月份可预测的价格区间，因为他们以低价买回了比特币，当比特币价格稍有上涨时就出售了比特币。因此，这些短线波动基金正在获利，Kaye补充说，比特币期权市场的风险被错误定价了。（AMBCrypto）[2020/7/11]
-代码默克尔化之后，会成为状态树的子树。为了简化，上图我用了二进制树，同时树的路径也不准确，不能完整表示真实的key-
观点：比特币是将贪婪和竞争转变为财务自由和隐私的机器:人权基金会首席战略官Alex Gladstein今日发推称，比特币是一台机器，它能将贪婪和竞争转化为更强的财务自由和每个人的隐私。政府、企业和亿万富翁越想掌控比特币，比特币就会变得越分散、越强大、越不可阻挡，成为对抗他们的工具。[2020/5/14]
为了测试部署的合约，我们试着发起一笔调用该合约的交易。矿工会执行这笔交易，并标记执行过程中触及的每个chunk。当要发布区块的时候，矿工会将合约状态的证明，以及触及哪些代码chunk的turboproof证明，一起打包在区块内。
-交易所触及的所有chunk和验证codeRoot所需的哈希值，都会以turboproof证明的形式发送出去-
收到这个区块后，无状态客户端就能验证合约是否属于区块状态的一部分，也能验证合约的余额、nonce、状态根、codeRoot等其他参数。这些信息足以让客户端从chunk中重构部分字节码，同时清空其他不需要的chunk。因为chunk算法的设计，所以客户端知道所有的chunk都是从?JUMPDEST?开始，因此能够安全地进行jump操作。
声音 | 江卓尔：BCH分叉导致币价下跌的观点是典型的认知错误:江卓尔在微博上发布文章《高峰对话之矿机&矿池》。在该文章中，对记者提出的“BCH是否破坏了人们对于区块链共识的幻想”问题，江卓尔称，区块链不存在共识，或者说“不存在不分裂的共识”，区块链只有需求，然后通过去中心化在满足需求的同时，避免被杀死。一个去中心化的东西，怎么可能产生全员一致的共识呢？而对于“BCH分叉导致了近期币价大跌”，他回答，比特币熊市是因为牛市涨太多了，泡沫太大了。每一次泡沫都破于60日累计涨幅太大，然后币价会一直跌到泡沫破完为止。并且可以观察到，随着比特币体量的增加，币价的波动率在持续下降。这么认为的，就是典型的韭菜，不去研究牛熊背后的规律，而把牛熊归于某一些具体的事件，这是典型的认知错误。[2018/12/21]
-我们可以通过turboproof重构字节码；对于交易不需要的chunk则设为0-
实验
为了验证，我们编写了一份测试原型，该原型可以从Geth客户端的RPC端口获取主网的区块和过去的状态，然后模拟执行交易。每当执行过程中遇到新的合约，就将合约拆分为多个chunk，并标记执行交易时触及的chunk。当区块中的交易全部执行完毕后，会为所触及的chunk生成证明——turboproof。
接着重置状态，用turboproof重构出来的代码，替换掉原本的合约代码，然后再次执行刚才的交易。为了检查执行的正确性，我们比较前后两次消耗的gas量和区块的bloom过滤器。
对最近的50个区块执行此过程，我们可以看到合约代码量减少了40％~60％。
提醒：上图的数据结果似乎令人充满希望，但请记住，我们还需要成千上万个区块中的数据，才能得出令人信服的实验结论；目前原型处于早期阶段，一切结论都还为时尚早！
后续发展
你应该还记得，每个代码块的最小长度是可设置的参数，修改这个参数会在截然不同的两个方面影响见证的大小。假设我们将参数设为32字节，则chunk的粒度变得更小，要传递的代码量也就变得更少。但是这样一来，Trie的深度就必须增加；换句话说，为了生成chunks的证明，我们需要进行更多次哈希运算。
所以下一步，我们将会深入分析——究竟要将区块最小长度设为多少，才能获得最优解。当然不论如何，只要将hexary字典树结构二进制Trie，我们就能减少3/4的哈希运算，从而降低见证数据的大小。
在测试原型中，我们将合约代码拆分为basicblock；而可选的代码拆分算法当然有很多，有的简单有的复杂。最简单的一种就是拆分为固定大小的chunk，从目前来看，这种方法只会有push和jumpdest分析的问题。
更进一步地说，如果我们任意设置字节码的最小值，则客户端在收到chunk之后，可能会因为?PUSH?操作或任何多字节码的操作，而碰上?JUMPDEST(0x5b)?报错的情况。如下图所示，有完整代码的客户端会发现这里的jump操作是非法的，因为?0x5b?属于?PUSH1?的操作数，执行到这里应该终止。但如果客户端只收到chunks#6和#8，而没有收到#7，则他会跳到位置41继续执行，就产生了对同一份合约代码的不同解释。后面我们会扼要地说明怎么在任意设置字节码的情况下，避免这种错误。
为了解决这个问题，MartinHolstSwende建议向每个chunk添加一个元数据，该元数据记录了有多少个chunk的首字节是push操作；然后，验证者就能在jumpdest分析过程中跳过那些字节。Alexey正在探索的另一种方法是“不允许在EVM中进行动态跳转操作”，这使我们只需在部署合约时做一次静态的跳转分析，而不需要在每次执行代码时进行。AlexBeregszaszi建议使用合约控制流程图，以更好地规范默克尔化流程；与之类似，ChristianReitweissner提出了一种执行证明方法，从合约的控制流程图创建默克尔DAG。我不会在本文中评价这些想法，希望之后能披露更多信息。
最终结果可能表明，不同的chunk拆分算法之间的效率提升可以忽略不计，这么一来选择的算法就越简单越好。而好消息是，基于早期数据实验，我们至少有一种算法可以显著减少无状态区块中需要传输的代码量。
本文着重讨论如何默克尔化EVM字节码，但总体思路并不局限于EVM。实际上，Ewasm团队的其他成员也在尝试默克尔化Wasm代码，也遇到了相应的挑战。这些挑战主要是因为Wasm代码由多个部分组成，并且在执行之前需要经过严格的验证——这意味着重构的字节码也必须通过验证。
敬请期待后续更多信息！
原文链接:?https://medium.com/ewasm/evm-bytecode-merklization-2a8366ab0c90
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