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：BTC交易者必须依赖数据，就像中央银行一样:金色财经报道，Kaiko研究人员在一份报告中写道，随着美联储准备加快缩减其9万亿美元的巨额资产负债表或在9月实施所谓的量化紧缩，波动性不太可能在未来几个月内消失。再加上利率上升和数据驱动的货币政策方法，这可能会给风险资产带来额外压力。
资产管理公司Arca的首席投资官Jeff Dorman称，我们现在就像美联储一样依赖数据，这意味着在未来几周内，交易员将评估企业收益报告以及就业和其他经济数据。比特币没有现金流，它没有起到对冲通胀的作用，也没有表现出不相关的作用，它没有做任何它本来要做的事情，所以在你获得比特币的新叙述之前，我认为它会继续落后于市场。[2022/9/1 13:01:23]
-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：知名空头预计标普500指数还会再跌700点:5月4日消息，根据Strategas Research Partners的技术和宏观研究团队，在标普500指数2022年已经走低13%之后，未来几个月有进一步下跌的危险。该机构以Chris Verrone为首的团队正在密切关注向3500-3700区域下跌的风险。该区间包含了标普500指数的200周移动均线，以及从2020年大流行病期间市场底部开始的整个涨幅的中点。摩根士丹利的Mike Wilson呼应了这种悲观情绪，他预计标普500指数将至少跌至3800点，最低有可能跌至3460点，比周一收盘低接近700点。 （金十）[2022/5/4 2:48:47]
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。
观点：在机构需求旺盛的时期，比特币ETF申请一旦通过将大有裨益:Quantum Economics创始人Mati Greenspan接受采访时，对于VanEck比特币ETF通过的几率表示：“一直以来，VanEck坚持要让美国SEC通过其比特币ETF申请，但Clayton一直阻挠。既然他已经走了，VanEck应该再试一次。”Greenspan继续说：“我们真的希望它（比特币ETF申请）这次能通过，因为在这个机构需求旺盛的时期，它会特别有帮助。”
bitFlyer首席运营官Joel Edgerton对Decrypt表示，“这是一个积极的迹象，但SEC提出的市场诚信这一根本问题并未在文件中得到完全解决。”Edgerton接着说道：“我们需要一个市场监督机制来阻止可能的价格操纵，VanEck建议的方法可能不足以让即将上任的监管者接受。”（Decrypt）[2021/1/1 16:13:01]
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：2020年美国总统选举将决定未来四年的加密政策:即使没有人真正提出具体加密的立场，但2020年的美国总统选举将决定未来四年的加密政策。加密货币及区块链倡导组织区块链协会执行董事Kristen Smith表示，2020年的美国总统选举很重要。我们有重大的监管问题和立法问题，而即将上任的官员将在这方面发挥巨大作用。（CoinDesk）[2020/10/26]
-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-
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。
观点：3月稳定币表现俱佳总值超过20亿美元 或将推动加密市场迅速回升:数据显示Binance交易所稳定币数量稳步增长，表明散户投资者正往交易所转入稳定币，原因可能是散户投资者打算将其手上的比特币等其他加密货币转为稳定币。而除此之外，CoinMetrics联合创始人Nic Carter表示，不仅是USDT，过去几周内，其他稳定币数量都出现了上涨。3月稳定币总值超过20亿美元。这也是迄今为止，稳定币表现最好的一个月。除USDT以外的稳定币价值也增加了5亿美元。整体而言，目前所有稳定币总价值已超过80亿美元，占整个加密市场市值的4.2%。而对此，有观点认为，市场即将到达一个临界点，即投资者想要抛售稳定币而去持有比特币，从而能推动加密货币市场迅速回升。（Bitcoinist ）[2020/4/15]
-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。
-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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