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高频交易的外部网络连接技术
2017-03-07 量化投资小白菜
之前我们讲到高频交易中的网络连接和网络技术，主要介绍了交易所内部的网络连接——对于co-location的用户来讲，包括他们放在交易所撮合引擎服务器所在的数据中心里的服务器之间的网络连接，以及这些服务器与交易所撮合引擎之间的连接。今天，我们来讲一下交易所之间，或者说数据中心之间的网络连接。
外部网络连接从地理上讲，通常是比较长距离的网络连接，比如纽约和新泽西之间以及新泽西和芝加哥之间的网络连接，更远一些的比如纽约到多伦多，伦敦，美国东岸到西岸，从美国西岸到新加坡，香港以及东京等。高频交易公司在许多情况下，需要在多个市场交易多种证券，必须连接到多个交易所。比如不同交易所交易的同一个股票的套利，或者用相关联的股票和期货、期权之间的套利都需要时刻观察这些产品在不同交易所交易的价格，及时发现套利机会，进行套利，但是这样的套利机会一旦出现，只有第一个执行相关交易的公司才能获得其产生的利润。所以对于高频交易公司来说，如何做到用最低的延迟连接其需要交易的交易所尤其重要，同时这种连接的带宽和稳定性也非常重要。
对于这样长距离的网络连接，最常用到的是光纤网络。光纤网络有高带宽，低延迟，高稳定性的特点，非常符合金融交易这样一种对稳定性要求极高的应用。我们以纽约到芝加哥的连接为例来看看各种外部网络连接类型。 受历史原因影响，美国的股票交易都在纽约进行（确切说，现在在纽约附近的新泽西州的几个数据中心内进行），期权和期货在内的美国衍生品在距离纽约720英里以外的芝加哥进行，如芝加哥商品交易所（Chicago MercantileExchange）和芝加哥期权交易所（Chicago Board OptionsExchange）等交易所。连接纽约和芝加哥的网络，通常使用所谓的“暗光缆”（dark fiber，也就是预先埋设的，还没有使用的光纤）来进行连接，这些暗光缆是网络服务提供商在铺设光纤网络时，由于考虑成本原因预留的冗余的光纤，通过租用的方式，被诸如高频交易和其他应用所使用。但这样的光纤网络在设计之初并没有考虑到最低延迟的需求，基本是沿着铁路线进行铺设的，而且都是针对公共数据中心进行设计，这样的光纤所带来的延迟大致是14.5毫秒（millisecond）甚至更高。在这样的前提下，一些公司开始想办法用更短的路径在纽约和芝加哥之间架设光纤网络，比如几年前，有一家名为Spread Networks的公司开始穿越公共用地埋设光缆，使芝加哥商品交易所和纳斯达克位于新泽西州Carteret的主数据中心之间距离缩短了140英里，使得同样连接纽约和芝加哥，延迟最短可达13.1毫秒。对于高频交易来说，一个多毫秒的延迟可以带来的收益是巨大的，因此尽管价格不菲，Spread Networks提供的网络仍然吸引了大量的用户。这种光纤网络还有另外一个特点，那就是用户之间不共享带宽，每个用户通过使用不同波长的信号传递各自的信息，因此安全性和私密性也很高，同时，Spread Networks号称其网络的可靠性可以达到99.999%。
然而，即使是通过最短的距离架设的光缆，也无法保证最低的延迟，因为由于物理原因，光信号在光纤中传播的速度并不能达到光速，据估计，通过光缆传播的信号速度约为每秒20万千米，达不到每秒30万千米的真空中光速。因此，人们很自然的会想到将信号通过空气传播，这就我们通常所说的无线网络。无线网络的使用时间实际上已经很长了，但由于其带宽较低，不够可靠的特性，还没有大量被金融交易这样的应用所采用。然而由于高频交易公司为了更低延迟通常愿意支付昂贵的费用，一些公司也开始看到这个机会，并着手架设连接纽约和芝加哥的无线网络。比如，一家名为McKay Brothers的公司，架设了连接纽约和芝加哥的微波通信网络，通过建设一系列微波接力信号塔（通常在山顶或者高建筑物的顶端），实现了信号的可视化传播——即传输距离做到尽量短，这套系统能够使纽约到芝加哥的交易往返延迟减小到不到9毫秒。但是这种微波技术也有其缺点，由于这种微波工作在11GHz频段，而这个频段的信号容易受到暴风雨或者特定天气状况的影响，因此这种长距离微波传输并不是一项可靠的技术，McKay Brothers公司号称其网络的可靠性可以达到99%，并且他们的网络目前提供的带宽仅仅是1Mbps（1兆比特每秒）。但这并不意味着没有用户愿意使用他们的网络，相反，对于许多高频交易公司来说，为了更低的延迟，牺牲一些可靠性也是可以接受的。毕竟如果速度低于竞争对手，通常就意味着失去整个盈利的机会。
对于无线网络的建立，微波并不是唯一的技术，而且正因为上面所讲到的微波的一个较大的缺点——带宽小，人们开始采用另外一种无线网络技术，那就是“毫米波”（millimeter wave）。有一家名叫Anova的公司就已经开始利用毫米波建立纽约到芝加哥的无线网络了。跟微波不同的是，毫米波工作在30-300GHz的频段，毫米波最大的优点是带宽大——每一个信道可以提供高达1Gbps的带宽，相对的，微波理论上只能提供150Mbps的带宽。毫米波也有其自身的缺点，最大的缺点就是受天气的影响较大，尤其是雨，雨点的大小正好可以吸收毫米波信号的能量，造成的结果就是毫米波的可靠性只能达到90%左右，这对于金融交易来说是很难接受的。为了解决这个问题，Anova公司引入了激光（所谓的free-space optics，自由空间光学，也叫FSO）的技术，来与毫米波协同传递信号，由于毫米波和激光有正好相反的衰减特性，所以影响其中一个信号的天气条件不会影响另外一种信号，通过这样的方式，毫米波就可以达到很高的可靠性水平了。不过，毫米波也有另外一个缺点，那就是相对于微波来讲，其传输距离较短，这就意味着在同样的距离上，毫米波需要更多的信号中继设备，也就意味着更大的延迟。目前纽约到芝加哥的延迟数据还不得而知，我们也将拭目以待。
总而言之，当今金融市场，尤其是高频交易对低延迟的要求越来越高，导致在长距离网络传输上的竞争也会越来越激烈。目前绝大多数的长距离网络还是光纤的天下，毕竟很多光纤线路已经建好多年了，许多网络提供商也正在致力于建立更短路径的光纤网络，目前就有多家公司宣布了建立横穿北冰洋的欧洲到日本的光缆的计划，也有公司已经开始建设更短的连接纽约到伦敦的光缆。对于无线网络技术来讲，在这样长距离的网络传输上似乎很难撼动光纤的地位，而且跨太平洋和大西洋建立无线网络，目前好像还很不现实——但谁知道呢？据称，已经有人设想通过在海上使用驳船，甚至某种气球或者浮球的方式，来建立跨大洋的无线网络链路。只要物理极限还允许，人们对低延迟的追求是不会停止的，因为低延迟就意味着金钱！（来源：CHINAQIR）
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