全場(chǎng)景納秒級(jí)突破！解密新華三超低時(shí)延交換機(jī)極速交易方案

“在這里，一切都瞬息萬(wàn)變，人們?cè)敢庥靡磺衼?lái)交換一微秒！”

在財(cái)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(guò)驚心動(dòng)魄的故事講述了高頻交易背后一場(chǎng)足以刷新我們認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大對(duì)決。

為了將信號(hào)傳輸時(shí)延縮短3毫秒，不惜動(dòng)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(fèi)用高達(dá)30萬(wàn)美元，高頻交易機(jī)構(gòu)們也蜂擁而至。而當(dāng)傳輸線路的物理距離無(wú)法再縮短時(shí)，人們開始關(guān)注線纜兩端的服務(wù)器、交換機(jī)等設(shè)備，以贏得區(qū)區(qū)幾微秒的時(shí)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(jì)算機(jī)技術(shù)和金融科技不斷進(jìn)步，尤其是投資者機(jī)構(gòu)化發(fā)展步伐加快，推動(dòng)量化交易和高頻交易加速發(fā)展，這場(chǎng)速度的角逐已從毫秒級(jí)、微秒級(jí)升級(jí)至納秒級(jí)。那在“納秒必爭(zhēng)”激烈競(jìng)爭(zhēng)中，交易系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)如何持續(xù)演進(jìn)？

一場(chǎng)時(shí)延大對(duì)決

什么是量化高頻交易？在數(shù)字化、信息化時(shí)代，利用海量數(shù)據(jù)分析進(jìn)行實(shí)時(shí)決策已成為主流趨勢(shì)，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(shì)而生的時(shí)代產(chǎn)物，其依據(jù)龐大的歷史交易數(shù)據(jù)作回測(cè)分析，并通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定盈利。而高頻交易作為量化交易的一個(gè)重要分支，是指通過(guò)自動(dòng)交易系統(tǒng)從極為短暫的市場(chǎng)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(gè)步驟。在高頻交易中，要在瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)中把握先機(jī)，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(shí)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(shí)延？交易系統(tǒng)通常由行情柜臺(tái)、交易柜臺(tái)、策略服務(wù)器、交換機(jī)等設(shè)備組成，交易軟件、服務(wù)器、網(wǎng)卡、交換機(jī)等軟硬件設(shè)備的性能都會(huì)直接影響交易系統(tǒng)的整體延遲。其中，交換機(jī)作為整個(gè)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(jìng)賽”的關(guān)鍵設(shè)施。

如何降低交換機(jī)時(shí)延？

我們先來(lái)回顧一下以太網(wǎng)交換機(jī)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(yàn)序列FCS組成。從幀結(jié)構(gòu)很容易理解，交換機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)以太幀時(shí)通常采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)(Store&Forward) 模式，當(dāng)從某個(gè)端口收到一個(gè)以太幀數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)通過(guò)目的地址查找與之相對(duì)應(yīng)的目的端口，再通過(guò)FCS檢查該幀在傳輸過(guò)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(gè)過(guò)程中，從查找地址，到把整個(gè)以太幀放入緩存區(qū)并進(jìn)行FCS檢查，都會(huì)產(chǎn)生延遲。同時(shí)，對(duì)于組播報(bào)文，在根據(jù)VLAN和端口列表進(jìn)行組播復(fù)制過(guò)程中，也會(huì)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(jì)，傳統(tǒng)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延一般是800ns以上，有的設(shè)備甚至到1us，這顯然無(wú)法滿足高頻交易中對(duì)交易系統(tǒng)的極低時(shí)延要求。

如何破解？超低時(shí)延交換機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，超低時(shí)延交換機(jī)分為L(zhǎng)1、L1.5和L3三類。其中L1超低時(shí)延交換機(jī)繞開了OSI模型下對(duì)數(shù)據(jù)逐層封裝和剝離的傳遞過(guò)程，直接在最底層的物理層進(jìn)行比特級(jí)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(jī)可大幅縮短時(shí)延。通過(guò)交叉開關(guān)矩陣，L1交換機(jī)不僅支持任意兩個(gè)端口之間的數(shù)據(jù)流“快進(jìn)快出”，而且一個(gè)輸入端口支持連接多個(gè)輸出端口，可將數(shù)據(jù)流從一個(gè)端口同時(shí)發(fā)送給多個(gè)端口。

通過(guò)CDR（Clock Data Recovery，時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)）電路，對(duì)通過(guò)的信號(hào)進(jìn)行重整再生，可在不損失信號(hào)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(jī)通常連接多臺(tái)策略服務(wù)器，通過(guò)這些技術(shù)可將行情數(shù)據(jù)快速分發(fā)至各個(gè)客戶策略服務(wù)器。

L1.5超低時(shí)延交換機(jī)通過(guò)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(jī)通常連接多臺(tái)策略服務(wù)器，并將來(lái)自多臺(tái)策略服務(wù)器的數(shù)據(jù)流匯聚傳輸至交易所，在這個(gè)過(guò)程中由于需對(duì)同時(shí)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(shí)延交換機(jī)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(shí)延交換機(jī)摒棄傳統(tǒng)交換機(jī)的存貯轉(zhuǎn)發(fā)模式，采用Cut-Through模式轉(zhuǎn)發(fā)，收到報(bào)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(shí)對(duì)報(bào)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(bào)文和報(bào)文處理所消耗的時(shí)延。

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

全場(chǎng)景覆蓋：新華三推出超低時(shí)延交換機(jī)極速交易方案

物理層交換技術(shù)降低了單個(gè)交換機(jī)的時(shí)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(bào)盤至交易所需經(jīng)過(guò)多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)的端到端時(shí)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(shí)延性能，還需覆蓋全鏈路、全場(chǎng)景的超低時(shí)延交換機(jī)解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)此，新華三基于在交換技術(shù)二十多年的深厚積累，以及對(duì)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(shí)延交換機(jī)，以業(yè)界領(lǐng)先的時(shí)延性能打造出覆蓋行情、交易、風(fēng)控等全業(yè)務(wù)場(chǎng)景的極速交易方案。

圖示：新華三超低時(shí)延交換機(jī)產(chǎn)品

L1（S6116-48X）超低時(shí)延交換機(jī)通過(guò)邏輯矩陣定制化設(shè)計(jì)及特殊設(shè)計(jì)的信號(hào)再生和增強(qiáng)技術(shù)，可提供最小1.5ns的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，完美契合行情廣播下發(fā)場(chǎng)景，且支持對(duì)以太網(wǎng)報(bào)文的端口統(tǒng)計(jì)，具有普通以太網(wǎng)交換機(jī)的可維護(hù)性。

該L1超低時(shí)延交換機(jī)主要支持Patch panel、Tapping、Fan-out三種典型應(yīng)用?？赏ㄟ^(guò)配置Patch Panel，實(shí)現(xiàn)任意兩端口之間的流量雙向快速流通；可通過(guò)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(shí)時(shí)保存交易數(shù)據(jù)，利用服務(wù)器分析這些鏡像過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)交易監(jiān)管和后期追溯；通過(guò)Fan-out功能實(shí)現(xiàn)流量的1:N快速?gòu)?fù)制，把流量從一個(gè)端口同時(shí)發(fā)送給多個(gè)端口，實(shí)現(xiàn)時(shí)延小于4ns的行情數(shù)據(jù)快速分發(fā)。

L1.5(S6116-48X-M)超低時(shí)延交換機(jī)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(shí)間戳處理等技術(shù)，主要在極速交易場(chǎng)景中完成策略機(jī)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(jī)至交易所的上行方向，L1.5超低時(shí)延交換機(jī)通過(guò)基于FPGA的鏈路復(fù)用技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)最小35ns的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。

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

同時(shí)，該L1.5超低時(shí)延交換機(jī)還支持鏡像匯聚功能，可通過(guò)FPGA在報(bào)文的入端口打時(shí)間戳，再送到內(nèi)部緩存，然后通過(guò)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(duì)于L3(S6826-48Y8C/S9826-32C)超低時(shí)延交換機(jī)，可提供最小450ns的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)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(chǎng)景低時(shí)延交換機(jī)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(chǎng)的主流。目前歐美金融市場(chǎng)量化交易和高頻交易的比例超過(guò)百分之七十，亞洲市場(chǎng)超過(guò)百分之二十。從國(guó)內(nèi)市場(chǎng)看，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，A股機(jī)構(gòu)投資者持股占比已超過(guò)37.8％，國(guó)內(nèi)量化私募總規(guī)模已超過(guò)萬(wàn)億，量化交易和高頻交易快速增長(zhǎng)已是大勢(shì)所趨。

在此趨勢(shì)下，新華三推出業(yè)界領(lǐng)先的全系列超低時(shí)延交換機(jī)，并將之落地應(yīng)用于實(shí)際業(yè)務(wù)中，無(wú)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(chǎng)的流動(dòng)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(shí)驗(yàn)室，繼續(xù)在極速交易領(lǐng)域深入探索，聚焦交易時(shí)延、可靠性、穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能指標(biāo)，研發(fā)更多場(chǎng)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(dòng)極速交易系統(tǒng)時(shí)延不斷向0秒逼近，為我國(guó)金融科技快速發(fā)展持續(xù)添磚加瓦。