金融信息服務(wù)中行情報(bào)價(jià)的低延遲策略研究

文｜楊 猛

概述：近年來(lái)，隨著監(jiān)管體制改革、市場(chǎng)結(jié)構(gòu)演化以及技術(shù)的發(fā)展，全球金融交易市場(chǎng)逐步形成了新的特征，其中之一便是，交易速度已經(jīng)成為決定市場(chǎng)參與者能否取得成功的一個(gè)基本因素。對(duì)于市場(chǎng)參與者來(lái)說(shuō)，無(wú)論他是一個(gè)交易員、一個(gè)經(jīng)紀(jì)人或者一個(gè)普通投資者，若想在廣泛使用復(fù)雜算法和高頻交易（HFT）的新市場(chǎng)環(huán)境下勝出，就必須比他們的對(duì)手更快。隨著對(duì)時(shí)間速度要求的日益提高，目前競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手間的時(shí)間差已經(jīng)需要用微秒來(lái)衡量，將來(lái)甚至必須以納秒來(lái)衡量。

金融信息服務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理和交換速度直接影響到整個(gè)交易體系的效率和速度。最大限度的降低延遲，甚至消除延遲，是我們?cè)O(shè)計(jì)金融交易系統(tǒng)的目標(biāo)。

延遲來(lái)自于系統(tǒng)的各個(gè)不同部件，不同環(huán)節(jié)。包括硬件層次的芯片處理器、存儲(chǔ)器、IO處理，包括網(wǎng)絡(luò)層次的網(wǎng)卡、網(wǎng)線、光纜等的延遲，也包括軟件應(yīng)用系統(tǒng)中各個(gè)處理階段的邏輯處理延遲。以上各種延遲構(gòu)成了系統(tǒng)總體的延遲。

近年來(lái)，一系列技術(shù)改革開(kāi)始致力于建設(shè)極低延遲系統(tǒng)，以達(dá)到當(dāng)前金融市場(chǎng)的微秒級(jí)延遲性能要求。

本文，將總結(jié)當(dāng)前持續(xù)推動(dòng)低延遲技術(shù)發(fā)展的主要參與者對(duì)該領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，并尋求找出一個(gè)最尖端的組合技術(shù)以期獲得一個(gè)新的突破，并著重討論實(shí)時(shí)行情報(bào)價(jià)系統(tǒng)中適用的不同策略組合。

市場(chǎng)數(shù)據(jù)爆炸與延遲

金融市場(chǎng)的不斷細(xì)分、金融衍生品交易的不斷發(fā)展、算法交易及高頻交易的產(chǎn)生，直接促進(jìn)了市場(chǎng)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)幾何級(jí)爆炸性增長(zhǎng)。特別是當(dāng)市場(chǎng)開(kāi)盤(pán)收盤(pán)的時(shí)候出現(xiàn)的數(shù)據(jù)高峰期。例如，美國(guó)主要市場(chǎng)的歷史最高值發(fā)生在2011年10月7日，數(shù)據(jù)量達(dá)到665萬(wàn)條消息/秒。圖1為2013年2月28日美國(guó)主要市場(chǎng)數(shù)據(jù)量。

而且市場(chǎng)數(shù)據(jù)量還會(huì)不斷增長(zhǎng)下去，因素主要有：亞便士定價(jià)規(guī)則、新出現(xiàn)的交易所及品種、監(jiān)管壓力使交易公開(kāi)化、OTC衍生品的增多。最極端的情況是，在最小的時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)極大的數(shù)據(jù)高峰，我們稱為微爆現(xiàn)象。在微爆現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)候，由計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)因素帶來(lái)的延遲使交易系統(tǒng)不可持續(xù)。通信鏈上的各個(gè)點(diǎn)都有可能成為處理瓶頸。由于高頻交易高度依賴連續(xù)的市場(chǎng)數(shù)據(jù)，降低系統(tǒng)的這種抖動(dòng)至關(guān)重要。所以，構(gòu)造金融交易系統(tǒng)的IT架構(gòu)時(shí)首先要滿足低延時(shí)的挑戰(zhàn)，同時(shí)要保證系統(tǒng)對(duì)不同消息處理的吞吐量要求。

低延遲技術(shù)概述

近年來(lái)，在低延遲需求驅(qū)動(dòng)下，行業(yè)內(nèi)正在采取不同的技術(shù)以降低延遲，幾年前，我們做一筆交易要耗費(fèi)幾百毫秒來(lái)完成，而現(xiàn)在已經(jīng)可以降低到100微秒以內(nèi)。為獲得低延遲，系統(tǒng)需要優(yōu)化架構(gòu)涉及到的軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)等各個(gè)環(huán)節(jié)?！皼](méi)有最低，只有更低”。競(jìng)爭(zhēng)者們采取不同的方案、技術(shù)來(lái)完成這個(gè)目標(biāo)。這些技術(shù)包括：

2.1多核多處理器技術(shù)

提高計(jì)算機(jī)微處理器主頻，采用多核技術(shù)和并行計(jì)算技術(shù)使系統(tǒng)處理速度獲得更大的提高。目前8核的處理器已經(jīng)廣泛商用，C++JAVA等語(yǔ)言的編譯器也能自動(dòng)按照系統(tǒng)的要求生成可并行的應(yīng)用程序。Intel的80核處理器技術(shù)也將在不遠(yuǎn)的將來(lái)投入商用。

同時(shí)服務(wù)器技術(shù)已經(jīng)可以支持4顆CPU以上的插槽，按每顆CPU8核的配置，相當(dāng)于一臺(tái)服務(wù)器上可以有32個(gè)核。甚至有服務(wù)器開(kāi)始支持256插槽，相當(dāng)于2048核。

以上技術(shù)的發(fā)展，足以使一臺(tái)2U服務(wù)器來(lái)做一個(gè)完全的交易服務(wù)器，“盒子里的交易系統(tǒng)”成為現(xiàn)實(shí)。

2.2共享內(nèi)存通信

多核多處理器服務(wù)器上的應(yīng)用程序可以通過(guò)內(nèi)存共享來(lái)進(jìn)行通信?？赏ㄟ^(guò)LDMA（本地直接內(nèi)存訪問(wèn)技術(shù)）來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信IPC。因?yàn)檫M(jìn)程間交換數(shù)據(jù)甚至不需要拷貝，而是直接讀取共享內(nèi)存，這大大降低了系統(tǒng)延遲。

2.3遠(yuǎn)程內(nèi)存訪問(wèn)（RDMA）

數(shù)據(jù)中心間的數(shù)據(jù)交互涉及數(shù)據(jù)的容錯(cuò)、負(fù)載均衡等技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為此提供了可靠的低延時(shí)傳輸方案，甚至在網(wǎng)絡(luò)壓力較大的情況下，都能保證數(shù)據(jù)的低延時(shí)傳輸。10G以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)和Infiniband技術(shù)的采用，使網(wǎng)絡(luò)獲取極大的通信性能。兩種技術(shù)都提供RDMA技術(shù)的支持。在不需要處理器和操作系統(tǒng)支持的情況下，可以將內(nèi)存的數(shù)據(jù)從一臺(tái)服務(wù)器傳輸?shù)搅硪慌_(tái)服務(wù)器。RDMA是一種繞開(kāi)內(nèi)核的技術(shù)，提供了服務(wù)器之間的高效、低延遲、低抖動(dòng)傳輸方案。

2.4主機(jī)代管技術(shù)

多核多處理器技術(shù)、共享內(nèi)存及RDMA技術(shù)將系統(tǒng)的延遲控制在數(shù)十微秒之內(nèi)。那么最大可能的減少數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，包括市場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取與服務(wù)之間、交易系統(tǒng)和訂單匹配引擎之間的延遲變得尤為重要。托管服務(wù)技術(shù)可用來(lái)減少延遲。將這些系統(tǒng)托管至運(yùn)營(yíng)商主干網(wǎng)上，盡可能減少延遲。即使在同一個(gè)中心，也要盡可能的在物理上將這些系統(tǒng)放置在一起，以減少不必要的傳播延遲。

2.5光纖通信技術(shù)

對(duì)于不能將應(yīng)用放置在一起或者托管的情況，將不同數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)通過(guò)光纖技術(shù)連接，可將傳輸延遲降低到100微秒以內(nèi)。

2.6低延時(shí)消息中間件

消息中間件是不同服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用系統(tǒng)之間的膠水。將它們粘合在一起形成一個(gè)整體的系統(tǒng)，使相互之間有標(biāo)準(zhǔn)的通信接口。消息函數(shù)的延遲基本可以忽略不計(jì)。消息中間件的延遲主要來(lái)自服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)。商用消息中間件產(chǎn)品一般基于簡(jiǎn)單TCP協(xié)議和半可靠組播協(xié)議。并結(jié)合使用共享內(nèi)存及RDMA技術(shù)。如Tibco、29west、 Thomson Reuters Market Data System (RMDS)

2.7優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

優(yōu)化軟件架構(gòu)，減少中轉(zhuǎn)流程。采用并行代碼設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的并行處理能力。采用二進(jìn)制數(shù)據(jù)處理，采用通用傳輸協(xié)議，如FIX等。采用高性能的語(yǔ)言如C++、實(shí)時(shí)JAVA等優(yōu)化軟件的處理速度。

實(shí)時(shí)行情服務(wù)中的低延遲策略選擇

實(shí)時(shí)行情服務(wù)主要功能是將不同交易所的數(shù)據(jù)以最快的速度提供給用戶，保證用戶拿到最快的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，以輔助交易決策。實(shí)時(shí)行情服務(wù)應(yīng)在三個(gè)主要環(huán)節(jié)減少延遲。包括：獲取交易所數(shù)據(jù)階段、系統(tǒng)內(nèi)部處理階段、數(shù)據(jù)發(fā)布階段。其中獲取數(shù)據(jù)和發(fā)布數(shù)據(jù)階段都可以通過(guò)服務(wù)器托管機(jī)制、專線服務(wù)機(jī)制來(lái)降低傳輸延遲，而系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理階段則可采用不同的復(fù)合策略。

3.1 數(shù)據(jù)處理扁平化

充分利用計(jì)算機(jī)多核架構(gòu)，以多進(jìn)程的方式充分利用多核處理器，并基于共享內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理。以4顆CPU，每顆CPU8個(gè)內(nèi)核服務(wù)器為例，設(shè)定內(nèi)存為32G，如圖2所示。

充分利用多核處理器的并行計(jì)算能力，將多市場(chǎng)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)的中轉(zhuǎn)控制在一臺(tái)服務(wù)器上，以減少中轉(zhuǎn)延遲。以多進(jìn)程的方式分別進(jìn)行數(shù)據(jù)接入、處理、統(tǒng)計(jì)計(jì)算、發(fā)布等。建立共享內(nèi)存區(qū)為各市場(chǎng)數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一內(nèi)存存儲(chǔ)，發(fā)布進(jìn)程通過(guò)共享內(nèi)存區(qū)獲取各市場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)由系統(tǒng)增加的延遲只決定于處理器的處理速度和內(nèi)存讀寫(xiě)速度，可以降到極低。并且，通過(guò)單一服務(wù)器完成多路數(shù)據(jù)應(yīng)用，可以節(jié)省硬件資源，以上述配置服務(wù)器為例，32個(gè)核心處理器至少可以同時(shí)完成12路以上的數(shù)據(jù)接入、處理及發(fā)布。

3.2 高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和內(nèi)存共享機(jī)制

Infiniband發(fā)展的初衷是把服務(wù)器中的總線給網(wǎng)絡(luò)化。所以Infiniband除了具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)性能以外還直接繼承了總線的高帶寬和低時(shí)延。大家熟知的在總線技術(shù)中采用的DMA(Direct Memory Access)技術(shù)在Infiniband中以RDMA(Remote Direct Memory Access)的形式得到了繼承。這也使Infiniband在與CPU、內(nèi)存及存儲(chǔ)設(shè)備的交流方面天然地優(yōu)于萬(wàn)兆以太網(wǎng)以及光纖網(wǎng)絡(luò)?？梢韵胂笤谟肐nfiniband構(gòu)筑的服務(wù)器和存儲(chǔ)器網(wǎng)絡(luò)中任意一個(gè)服務(wù)器上的CPU可以輕松地通過(guò)RDMA去高速搬動(dòng)其他服務(wù)器中的內(nèi)存或存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)塊，而這是光纖網(wǎng)絡(luò)和萬(wàn)兆以太網(wǎng)所不可能做到的。

3.3 消息總線

通過(guò)消息總線將網(wǎng)絡(luò)間的不同系統(tǒng)進(jìn)行連接，保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部數(shù)據(jù)的低延時(shí)傳輸。如圖3所示。以標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)形式將不同的數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)，通過(guò)消息總線實(shí)現(xiàn)發(fā)布與訂閱，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)的質(zhì)量保證。

圖2 市場(chǎng)數(shù)據(jù)多核處理架構(gòu)

圖3 消息總線設(shè)計(jì)

結(jié)論

低延遲是金融信息服務(wù)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題。涵蓋系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間信息流轉(zhuǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。本文討論了通信領(lǐng)域、處理器領(lǐng)域、軟件領(lǐng)域等業(yè)內(nèi)廣泛采用和發(fā)展的低延遲技術(shù)。并根據(jù)金融信息服務(wù)的實(shí)際需求提出了可行的應(yīng)用策略選擇。