全場景納秒級突破！解密新華三超低時延交換機極速交易方案

“在這里，一切都瞬息萬變，人們愿意用一切來交換一微秒！”

在財經(jīng)暢銷書《高頻交易員：華爾街的速度游戲》中，作家邁克爾?劉易斯通過驚心動魄的故事講述了高頻交易背后一場足以刷新我們認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大對決。

為了將信號傳輸時延縮短3毫秒，不惜動用2000多名工人夜以繼日地鑿穿巖石，挖開河床，以讓鋪設(shè)的光纜線路盡可能走直線。為了這3毫秒，哪怕線路月租費用高達(dá)30萬美元，高頻交易機構(gòu)們也蜂擁而至。而當(dāng)傳輸線路的物理距離無法再縮短時，人們開始關(guān)注線纜兩端的服務(wù)器、交換機等設(shè)備，以贏得區(qū)區(qū)幾微秒的時間差......

天下武功，唯快不破。在高頻交易中，交易系統(tǒng)的處理速度是致命武器。如今，隨著計算機技術(shù)和金融科技不斷進(jìn)步，尤其是投資者機構(gòu)化發(fā)展步伐加快，推動量化交易和高頻交易加速發(fā)展，這場速度的角逐已從毫秒級、微秒級升級至納秒級。那在“納秒必爭”激烈競爭中，交易系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)如何持續(xù)演進(jìn)？

一場時延大對決

什么是量化高頻交易？在數(shù)字化、信息化時代，利用海量數(shù)據(jù)分析進(jìn)行實時決策已成為主流趨勢，在金融投資領(lǐng)域也不例外，量化交易正是順應(yīng)這一趨勢而生的時代產(chǎn)物，其依據(jù)龐大的歷史交易數(shù)據(jù)作回測分析，并通過計算機技術(shù)實現(xiàn)自動化決策和執(zhí)行交易，以幫助投資者避免情緒化交易及更好管理大規(guī)模資金，實現(xiàn)穩(wěn)定盈利。而高頻交易作為量化交易的一個重要分支，是指通過自動交易系統(tǒng)從極為短暫的市場變化中尋求獲利的一種交易方式。

具體而言，一次完整的交易流程主要分為接收行情信息、分析行情、發(fā)出訂單并成交三個步驟。在高頻交易中，要在瞬息萬變的市場中把握先機，要求有一套足夠快的交易系統(tǒng)，既能快速將行情信息從交易所傳遞至客戶策略服務(wù)器，也能快速將訂單發(fā)送至交易所。從接收交易所行情入口到下單至交易所之間產(chǎn)生的端到端時延，是衡量交易系統(tǒng)能力的重要依據(jù)，也是高頻交易能否成功的關(guān)鍵。

那到底有哪些因素影響交易系統(tǒng)的端到端時延？交易系統(tǒng)通常由行情柜臺、交易柜臺、策略服務(wù)器、交換機等設(shè)備組成，交易軟件、服務(wù)器、網(wǎng)卡、交換機等軟硬件設(shè)備的性能都會直接影響交易系統(tǒng)的整體延遲。其中，交換機作為整個系統(tǒng)連接的橋梁，是影響系統(tǒng)延遲的關(guān)鍵因素，已成為證券和期貨公司“軍備競賽”的關(guān)鍵設(shè)施。

如何降低交換機時延？

我們先來回顧一下以太網(wǎng)交換機的工作原理。眾所周知，以太幀由前導(dǎo)碼、目的地址、源地址、類型、數(shù)據(jù)和幀末尾的校驗序列FCS組成。從幀結(jié)構(gòu)很容易理解，交換機在轉(zhuǎn)發(fā)以太幀時通常采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)(Store&Forward) 模式，當(dāng)從某個端口收到一個以太幀數(shù)據(jù)包時，會通過目的地址查找與之相對應(yīng)的目的端口，再通過FCS檢查該幀在傳輸過程中是否出現(xiàn)損壞，如果沒有，然后將該幀復(fù)制到目的端口。

以太幀結(jié)構(gòu)

整個過程中，從查找地址，到把整個以太幀放入緩存區(qū)并進(jìn)行FCS檢查，都會產(chǎn)生延遲。同時，對于組播報文，在根據(jù)VLAN和端口列表進(jìn)行組播復(fù)制過程中，也會產(chǎn)生延遲，端口數(shù)量越多，組播復(fù)制延遲越大。據(jù)統(tǒng)計，傳統(tǒng)交換機轉(zhuǎn)發(fā)時延一般是800ns以上，有的設(shè)備甚至到1us，這顯然無法滿足高頻交易中對交易系統(tǒng)的極低時延要求。

如何破解？超低時延交換機應(yīng)運而生，超低時延交換機分為L1、L1.5和L3三類。其中L1超低時延交換機繞開了OSI模型下對數(shù)據(jù)逐層封裝和剝離的傳遞過程，直接在最底層的物理層進(jìn)行比特級數(shù)據(jù)傳輸，就好比讓"0"、"1" 比特流在一條光纖上直通傳輸一樣，從而相比二層或三層交換機可大幅縮短時延。通過交叉開關(guān)矩陣，L1交換機不僅支持任意兩個端口之間的數(shù)據(jù)流“快進(jìn)快出”，而且一個輸入端口支持連接多個輸出端口，可將數(shù)據(jù)流從一個端口同時發(fā)送給多個端口。

通過CDR（Clock Data Recovery，時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)）電路，對通過的信號進(jìn)行重整再生，可在不損失信號完整性的前提下，按需多次復(fù)制數(shù)據(jù)流。在極速交易系統(tǒng)組網(wǎng)中，交換機通常連接多臺策略服務(wù)器，通過這些技術(shù)可將行情數(shù)據(jù)快速分發(fā)至各個客戶策略服務(wù)器。

L1.5超低時延交換機通過交叉矩陣結(jié)構(gòu)、CDR電路、FPGA應(yīng)用等技術(shù)，還能構(gòu)建出效果大于L1的能力，更好匹配高頻交易需求。在極速交易系統(tǒng)組網(wǎng)中，交換機通常連接多臺策略服務(wù)器，并將來自多臺策略服務(wù)器的數(shù)據(jù)流匯聚傳輸至交易所，在這個過程中由于需對同時到達(dá)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行緩存處理，從而導(dǎo)致傳輸延遲較高。而L1.5超低時延交換機采用基于FPGA的多路復(fù)用技術(shù)可大幅降低該延遲，利于將訂單快速發(fā)送至交易所。

L3超低時延交換機摒棄傳統(tǒng)交換機的存貯轉(zhuǎn)發(fā)模式，采用Cut-Through模式轉(zhuǎn)發(fā)，收到報文頭后根據(jù)目的MAC或者目的IP確定出端口，然后直接轉(zhuǎn)發(fā)到出端口，同時對報文的處理做了流程上的優(yōu)化，省去了傳統(tǒng)模式下接收完整報文和報文處理所消耗的時延。

通過以上技術(shù)，一般可以將L1交換機的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時延做到幾納秒，將L1.5交換機多路復(fù)用時延做到幾十納秒，L3交換機的轉(zhuǎn)發(fā)時延做到幾百納秒。

全場景覆蓋：新華三推出超低時延交換機極速交易方案

物理層交換技術(shù)降低了單個交換機的時延，為構(gòu)建極速交易系統(tǒng)打下了良好的基礎(chǔ)，但如上所述，在高頻交易中，從接收行情信息到報盤至交易所需經(jīng)過多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，整個系統(tǒng)的端到端時延才是最終決定高頻交易能否成功的關(guān)鍵，因此，要系統(tǒng)性提升時延性能，還需覆蓋全鏈路、全場景的超低時延交換機解決方案來實現(xiàn)。

對此，新華三基于在交換技術(shù)二十多年的深厚積累，以及對極速交易系統(tǒng)的深入理解，投入核心研發(fā)力量開發(fā)并最新推出了L1（S6116-48X）、L1.5(S6116-48X-M)、L3(S6826-48Y8C/S9826-32C)全系列超低時延交換機，以業(yè)界領(lǐng)先的時延性能打造出覆蓋行情、交易、風(fēng)控等全業(yè)務(wù)場景的極速交易方案。

圖示：新華三超低時延交換機產(chǎn)品

L1（S6116-48X）超低時延交換機通過邏輯矩陣定制化設(shè)計及特殊設(shè)計的信號再生和增強技術(shù)，可提供最小1.5ns的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時延，完美契合行情廣播下發(fā)場景，且支持對以太網(wǎng)報文的端口統(tǒng)計，具有普通以太網(wǎng)交換機的可維護(hù)性。

該L1超低時延交換機主要支持Patch panel、Tapping、Fan-out三種典型應(yīng)用?？赏ㄟ^配置Patch Panel，實現(xiàn)任意兩端口之間的流量雙向快速流通；可通過Tapping功能將從指定端口接收到的流量鏡像到其他端口，使金融客戶可以實時保存交易數(shù)據(jù)，利用服務(wù)器分析這些鏡像過來的數(shù)據(jù)實現(xiàn)交易監(jiān)管和后期追溯；通過Fan-out功能實現(xiàn)流量的1:N快速復(fù)制，把流量從一個端口同時發(fā)送給多個端口，實現(xiàn)時延小于4ns的行情數(shù)據(jù)快速分發(fā)。

L1.5(S6116-48X-M)超低時延交換機進(jìn)一步引入了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的FPGA鏈路復(fù)用、精準(zhǔn)時間戳處理等技術(shù)，主要在極速交易場景中完成策略機上行數(shù)據(jù)的多路復(fù)用，及行情數(shù)據(jù)及回程數(shù)據(jù)的鏈路解復(fù)用。

在策略機至交易所的上行方向，L1.5超低時延交換機通過基于FPGA的鏈路復(fù)用技術(shù)，可實現(xiàn)最小35ns的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時延。

在交易所至策略機的下行方向，L1.5超低時延交換機采用鏈路解復(fù)用和Fan-out兩種技術(shù)，來保證行情數(shù)據(jù)快速、安全傳輸。對于追求極致低時延和對安全要求不高的場景，F(xiàn)an-out功能通過交叉矩陣以低于4ns的時延將行情數(shù)據(jù)極速分發(fā)至多個策略機。對于有一定安全要求的場景，F(xiàn)PGA鏈路解復(fù)用技術(shù)將收到的報文廣播復(fù)制到同一個MUX組的所有端口，并通過在下行口配置ACL，實現(xiàn)不同用戶的策略機隔離，避免出現(xiàn)金融安全的問題。

同時，該L1.5超低時延交換機還支持鏡像匯聚功能，可通過FPGA在報文的入端口打時間戳，再送到內(nèi)部緩存，然后通過FPGA鏡像引擎轉(zhuǎn)發(fā)到鏡像出端口，從而能更好幫助客戶進(jìn)行交易數(shù)據(jù)收集、分析、監(jiān)管和回溯等。

對于L3(S6826-48Y8C/S9826-32C)超低時延交換機，可提供最小450ns的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時延，支持豐富的二、三層特性，支持與交易所構(gòu)建穩(wěn)定的BGP鄰居路由以及行情組播分發(fā)特性，能顯著提升極速交易網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

目前，新華三全場景低時延交換機已得到多家高頻交易系統(tǒng)、期貨、證券等客戶的廣泛應(yīng)用和高度認(rèn)可。

后記

到今天，隨著科技不斷進(jìn)步，量化交易和高頻交易已逐漸成為市場的主流。目前歐美金融市場量化交易和高頻交易的比例超過百分之七十，亞洲市場超過百分之二十。從國內(nèi)市場看，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，A股機構(gòu)投資者持股占比已超過37.8％，國內(nèi)量化私募總規(guī)模已超過萬億，量化交易和高頻交易快速增長已是大勢所趨。

在此趨勢下，新華三推出業(yè)界領(lǐng)先的全系列超低時延交換機，并將之落地應(yīng)用于實際業(yè)務(wù)中，無疑將助推極速交易在證券期貨行業(yè)的快速發(fā)展，進(jìn)而助力提升市場的流動性和效率。

值得一提的是，新華三還聯(lián)合生態(tài)伙伴成立了量化金融實驗室，繼續(xù)在極速交易領(lǐng)域深入探索，聚焦交易時延、可靠性、穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能指標(biāo)，研發(fā)更多場景化的量化解決方案和前沿技術(shù)。相信以后將進(jìn)一步推動極速交易系統(tǒng)時延不斷向0秒逼近，為我國金融科技快速發(fā)展持續(xù)添磚加瓦。