高頻交易的外部網路連線技術
2017-03-07 量化投資小白菜

之前我們講到高頻交易中的網路連線和網路技術，主要介紹了交易所內部的網路連線——對於co-location的使用者來講，包括他們放在交易所撮合引擎伺服器所在的資料中心裡的伺服器之間的網路連線，以及這些伺服器與交易所撮合引擎之間的連線。今天，我們來講一下交易所之間，或者說資料中心之間的網路連線。
 
外部網路連線從地理上講，通常是比較長距離的網路連線，比如紐約和新澤西之間以及新澤西和芝加哥之間的網路連線，更遠一些的比如紐約到多倫多，倫敦，美國東岸到西岸，從美國西岸到新加坡，香港以及東京等。高頻交易公司在許多情況下，需要在多個市場交易多種證券，必須連線到多個交易所。比如不同交易所交易的同一個股票的套利，或者用相關聯的股票和期貨、期權之間的套利都需要時刻觀察這些產品在不同交易所交易的價格，及時發現套利機會，進行套利，但是這樣的套利機會一旦出現，只有第一個執行相關交易的公司才能獲得其產生的利潤。所以對於高頻交易公司來說，如何做到用最低的延遲連線其需要交易的交易所尤其重要，同時這種連線的頻寬和穩定性也非常重要。
 
對於這樣長距離的網路連線，最常用到的是光纖網路。光纖網路有高頻寬，低延遲，高穩定性的特點，非常符合金融交易這樣一種對穩定性要求極高的應用。我們以紐約到芝加哥的連線為例來看看各種外部網路連線型別。  受歷史原因影響，美國的股票交易都在紐約進行（確切說，現在在紐約附近的新澤西州的幾個資料中心內進行），期權和期貨在內的美國衍生品在距離紐約720英里以外的芝加哥進行，如芝加哥商品交易所（Chicago MercantileExchange）和芝加哥期權交易所（Chicago Board OptionsExchange）等交易所。連線紐約和芝加哥的網路，通常使用所謂的“暗光纜”（dark fiber，也就是預先埋設的，還沒有使用的光纖）來進行連線，這些暗光纜是網路服務提供商在鋪設光纖網路時，由於考慮成本原因預留的冗餘的光纖，通過租用的方式，被諸如高頻交易和其他應用所使用。但這樣的光纖網路在設計之初並沒有考慮到最低延遲的需求，基本是沿著鐵路線進行鋪設的，而且都是針對公共資料中心進行設計，這樣的光纖所帶來的延遲大致是14.5毫秒（millisecond）甚至更高。在這樣的前提下，一些公司開始想辦法用更短的路徑在紐約和芝加哥之間架設光纖網路，比如幾年前，有一家名為Spread Networks的公司開始穿越公共用地埋設光纜，使芝加哥商品交易所和納斯達克位於新澤西州Carteret的主資料中心之間距離縮短了140英里，使得同樣連線紐約和芝加哥，延遲最短可達13.1毫秒。對於高頻交易來說，一個多毫秒的延遲可以帶來的收益是巨大的，因此儘管價格不菲，Spread Networks提供的網路仍然吸引了大量的使用者。這種光纖網路還有另外一個特點，那就是使用者之間不共享頻寬，每個使用者通過使用不同波長的訊號傳遞各自的資訊，因此安全性和私密性也很高，同時，Spread Networks號稱其網路的可靠性可以達到99.999%。
 
然而，即使是通過最短的距離架設的光纜，也無法保證最低的延遲，因為由於物理原因，光訊號在光纖中傳播的速度並不能達到光速，據估計，通過光纜傳播的訊號速度約為每秒20萬千米，達不到每秒30萬千米的真空中光速。因此，人們很自然的會想到將訊號通過空氣傳播，這就我們通常所說的無線網路。無線網路的使用時間實際上已經很長了，但由於其頻寬較低，不夠可靠的特性，還沒有大量被金融交易這樣的應用所採用。然而由於高頻交易公司為了更低延遲通常願意支付昂貴的費用，一些公司也開始看到這個機會，並著手架設連線紐約和芝加哥的無線網路。比如，一家名為McKay Brothers的公司，架設了連線紐約和芝加哥的微波通訊網路，通過建設一系列微波接力訊號塔（通常在山頂或者高建築物的頂端），實現了訊號的視覺化傳播——即傳輸距離做到儘量短，這套系統能夠使紐約到芝加哥的交易往返延遲減小到不到9毫秒。但是這種微波技術也有其缺點，由於這種微波工作在11GHz頻段，而這個頻段的訊號容易受到暴風雨或者特定天氣狀況的影響，因此這種長距離微波傳輸並不是一項可靠的技術，McKay Brothers公司號稱其網路的可靠性可以達到99%，並且他們的網路目前提供的頻寬僅僅是1Mbps（1兆位元每秒）。但這並不意味著沒有使用者願意使用他們的網路，相反，對於許多高頻交易公司來說，為了更低的延遲，犧牲一些可靠性也是可以接受的。畢竟如果速度低於競爭對手，通常就意味著失去整個盈利的機會。
 
對於無線網路的建立，微波並不是唯一的技術，而且正因為上面所講到的微波的一個較大的缺點——頻寬小，人們開始採用另外一種無線網路技術，那就是“毫米波”（millimeter wave）。有一家名叫Anova的公司就已經開始利用毫米波建立紐約到芝加哥的無線網路了。跟微波不同的是，毫米波工作在30-300GHz的頻段，毫米波最大的優點是頻寬大——每一個通道可以提供高達1Gbps的頻寬，相對的，微波理論上只能提供150Mbps的頻寬。毫米波也有其自身的缺點，最大的缺點就是受天氣的影響較大，尤其是雨，雨點的大小正好可以吸收毫米波訊號的能量，造成的結果就是毫米波的可靠性只能達到90%左右，這對於金融交易來說是很難接受的。為了解決這個問題，Anova公司引入了鐳射（所謂的free-space optics，自由空間光學，也叫FSO）的技術，來與毫米波協同傳遞訊號，由於毫米波和鐳射有正好相反的衰減特性，所以影響其中一個訊號的天氣條件不會影響另外一種訊號，通過這樣的方式，毫米波就可以達到很高的可靠性水平了。不過，毫米波也有另外一個缺點，那就是相對於微波來講，其傳輸距離較短，這就意味著在同樣的距離上，毫米波需要更多的訊號中繼裝置，也就意味著更大的延遲。目前紐約到芝加哥的延遲資料還不得而知，我們也將拭目以待。
 
總而言之，當今金融市場，尤其是高頻交易對低延遲的要求越來越高，導致在長距離網路傳輸上的競爭也會越來越激烈。目前絕大多數的長距離網路還是光纖的天下，畢竟很多光纖線路已經建好多年了，許多網路提供商也正在致力於建立更短路徑的光纖網路，目前就有多家公司宣佈了建立橫穿北冰洋的歐洲到日本的光纜的計劃，也有公司已經開始建設更短的連線紐約到倫敦的光纜。對於無線網路技術來講，在這樣長距離的網路傳輸上似乎很難撼動光纖的地位，而且跨太平洋和大西洋建立無線網路，目前好像還很不現實——但誰知道呢？據稱，已經有人設想通過在海上使用駁船，甚至某種氣球或者浮球的方式，來建立跨大洋的無線網路鏈路。只要物理極限還允許，人們對低延遲的追求是不會停止的，因為低延遲就意味著金錢！（來源：CHINAQIR）