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你确定你的交易系统最快？
——谈交易系统中的时间问题

作者：柳峰盛立金融软件

除了稳定性外，衡量一个交易系统的重要指标——延迟和吞吐量都和时间有关。从提供服务的期货公司或者证券公司的角度来说，除了拼公司的服务外，交易速度也是吸引客户的重要手段。现在常用的比较交易速度的方法是在不同公司的交易环境里，比较同一个策略在同一个行情触发时下的单子的交易所单号的大小。这种方法可以看出些总体效果，但是一种比较粗糙的方法，无法知道交易环节里的各模块如行情、柜台、交换机和交易所的线路的具体延迟和性能到底如何。只有明确知道了各模块和竞争对手的具体差别，才能对症下药地做调整，取得事半功倍的效果。没有精准的数据，很大部分可能都是做无用功。带着这些问题，我们来讨论下交易系统中的时间问题。

要讨论交易系统中的时间问题，我们首先来谈一谈时间本身。网络设备的参考时间通常是指协调世界时间（Coordinated Universal Time，简称UTC），该时间以原子时秒长（铯原子基态的两个超精细能级间在海平面、零磁场下跃迁辐射9,192,631,770周所持续的时间）为基础，从1972年起，协调世界时被确定为全世界的官方时间和国际民用时间标准。中国现代时间标准是中国科学院国家授时中心（英文缩写为NTSC）建立并保持的原子时标准，中国科学院国家授时中心利用一组原子钟（目前为19台铯原子钟，4台氢原子钟），通过测量比对和算法设计，建立并保持着高精度中国原子时标准TA（NTSC）和中国协调世界时标准UTC（NTSC），并通过卫星与世界上主要时间实验室保持定期时间对比，国家授时中心保持中国协调世界时UTC（NTSC）与UTC之差已经控制在50纳秒以内。美国的类似机构包括美国海军天文台（USNO）和美国标准技术研究院（NIST），其中美国海军天文台维持的UTC (USNO) 与UTC之差在10纳秒以内，两个机构之间会定期比较各自维持的时间（通过大约10颗卫星进行），两者之差通常在20纳秒以内。全世界有约50个这样的机构（时间实验室），共有约200多台原子钟，他们会将各自的数据定期传送给设在法国巴黎的国际权度局（BIPM），并由其建立并保持国际原子时。

网络设备里的时间是通过与UTC同步来获取的的。而UTC是通过无线电信号的方式传播的，通常的方式有GPS和CDMA。GPS信号来自GPS卫星，信号强度较弱，但由于GPS卫星上配备原子钟，其提供的时间精度很高，能够达到与UTC相差小于40纳秒。CDMA信号比GPS强，但提供的时间精度不如GPS信号，与UTC相差只能达到10微秒级别。除了这两种方式之外，有一种相对较新的技术叫STL （Satellite Time and Location），它使用的信号比GPS强1000倍，可以穿透建筑物，同时信号也是加密的，能够提供几百纳秒级别的精度。

网络设备时间与参考时间同步，通常有两种方式，一种是通过网络时间协议（NTP），通过该协议，网络设备可以与局域网或者因特网里的时间服务器同步，该协议所提供的精度较低，在局域网（LAN）里能够达到小于1毫秒，在广域网（WAN）里能够达到几十毫秒，我们日常所用的计算机里的时间通常就是由NTP协议提供的。另外一种同步协议是精确时间协议（PTP），该协议用于在局域网中的多个系统之间进行时间同步，支持PTP的硬件设备（如网卡）通常能够达到100纳秒的精度（主从时钟的时间差），理想情况下，比如网卡直连或者通过特定交换机，精度能够达到10纳秒以内。

这里我们顺便提一下普通计算机里提供时钟源的设备，由于计算机芯片本身并不具备时钟信号源，因此必须由专门的时钟电路提供时钟信号，石英晶体振荡器(Quartz Crystal OSC，简称晶振)就是一种最常用的时钟信号振荡源，石英晶体振荡器的频率稳定度可达1E-9/日，甚至1E-11。例如10MHz的振荡器，频率在一日之内的变化一般不大于0.1Hz，这对普通计算机来说足够稳定，后面我们会谈到，原子钟可以提供更高的频率稳定度。

在前面的讨论中，我们提到“精度”，其实这里涉及到两个概念，一个是准确度（Accuracy），另外一个概念叫精确度（Precision），对于时间同步而言，准确度是指同步时钟与参考时钟的平均时间差，可以通过多个测量点的均值和标准差来体现，精确度是指同步时钟与参考时钟时间差的方差，仅仅有高精确度并不一定表示同步性能很好。比如，对于时间同步而言，如果同步时间设备的时钟频率稳定度高，其精确度就会相对高，但这并不表示同步时钟与参考时钟的平均时间差小，即准确度不一定高，准确度还会受其他因素影响，比如设备时钟的分辨率以及使用的算法等。

上面提到的UTC是一个绝对时间的概念，另外一个概念是相对时间，我们通常所说的延迟是指的相对时间，对于同一个局域网内的系统，即使在没有与UTC同步的情况下，如果待测数据包都接入同一个测量设备，并由该设备对每个数据包记录时间戳，由于这里只用到一个设备，只有一个参考时间，因此没有同步误差，能够得到高精度的延迟测量。典型的延迟测量环境如下图所示，这里待测数据包在进入待测设备前后分别被复制到测量设备，并由该测量设备记录时间戳，通过比较时间戳来计算待测设备的延迟。这里的测量设备可以是普通的计算机，通过软件记录日志的方式记录时间戳，也可以是带有硬件时间戳功能的网卡、带抓包和记录时间戳功能的交换机、基于FPGA的抓包设备等。

这里提到时间戳的概念，在交易系统中通常使用的是Unix时间戳（Unix time, POSIX time或Unix timestamp等），是指从1970年的1月1号00:00:00（世界标准时间，UTC）开始所经过的秒数（不考虑闰秒），根据表示的精确度的不同，Unix时间戳有10位（秒级）、13位（毫秒级）、19位（纳秒级）等。

在测量网络延迟性能时，延迟测量精度取决于时间戳的精度。具体来说，这里的时间戳指的是当某一事件发生时（比如某个数据包达到时，这里数据包到达时间可以是数据包的开始时刻，也可以是一个数据包完整接收的时刻），系统记录下的时间，准确的说并不是事件本身发生的时间，因为系统得知事件发生、获取当前系统时间、对时间进行记录（比如将时间信息写入日志文件或者写入扩展包头部分），这一系列动作也需要时间，记录下的时间戳与真实事件发生时间之间会有误差。这个问题在用计算机软件系统记录的时间戳尤其明显。虽然计算机主时钟频率很高，但由于操作系统延迟的不确定性等原因，这种类型时间戳的精度通常较低，大致在毫秒或百微秒级别。要获取更高精度，需要特殊的硬件设备来记录时间戳，由于硬件系统的确定性特定（不依赖于操作系统），可以在得知事件发生之后的下一个时钟周期及时触发记录时间动作，并且这种设备支持高分辨率的时钟，因此可以获得高分辨率的时间戳（个位数纳秒级别）。上面提到的带有硬件时间戳功能的网卡、带抓包和记录时间戳功能的交换机、基于FPGA的抓包设备等都是这种硬件设备的例子。以FPGA板卡为例，如果FPGA的主时钟频率可以达到250MHz以上，其时钟的精度能达到4纳秒，因此时间戳的分辨率也能够达到4纳秒。这里顺便提一句，在谈相对时间的时候，一定要确定是从哪里到哪里。很多时侯，大家用的是同一个名词，但其实谈的是不一样的东西。一些基于软件的系统，特别喜欢用含糊的“内部处理时间”这个名词。这个名词其实很有误导性，必须细究下到底指的是内部哪个模块的处理时间，以及这个时间的测量方法。相比来说，基于硬件的可确定性，硬件的系统会好很多。计算机的问题首先在于本身的时间精度不高，另外它时间记录的过程也稳定性不高，导致在微秒级别差异的时候，很难得出准确结果。在平常的工作中，尤其是行情系统的快慢比较时，很多时候差别是微秒级的，如果要做到在软件上的正确比较，对程序的设计，数据接收保存的方法，如何减少操作系统切换的影响，都是需要精心设计的，才能得到基本数量级正确的值。

前面说的是同一个地理位置的情况，但很多时候我们需要比较两个或两个以上不同地方的时间。由于不同地理位置的网络中的测量设备使用的参考时间不一样，延迟测量精度还会受同步误差的影响，因此测量精度取决于各个网络中的参考时间与UTC同步的精度。要得到最高的精度，需要使用上面提到的GPS信号。每一个网络中需要有一个主时钟（Master Clock）与UTC同步，然后延迟测量设备需要与主时钟同步，并用其提供的时钟作为参考时钟，这里可以使用PTP协议的方式同步，对于某些特定的设备，也可以通过秒脉冲（1PPS）信号与主时钟同步，后者的精度通常更高，同步之后的测量设备给网络数据包打上高分辨率的时间戳，然后通过比较数据包的时间戳来判断系统延迟性能。这里由于不同地理位置的网络需要各自与UTC同步，同步误差无法排除，而由于GPS信号能够提供的时间精度所限，延迟测量精度只能到达几十纳秒级别。

在某些情况下，交易系统所在的数据中心或者机房内可能没有GPS信号，或者GPS信号不稳定，不能保证随时都能接收到，因此网络里的主时钟设备可能丢失与UTC的同步，在这种情况下，主时钟设备可能选择使用原子钟作为参考时钟。原子钟是一种时钟，它以原子共振频率标准来计算及保持时间的准确，原子钟是世界上已知最准确的时间测量和频率标准，最好的铯原子钟精度可以达到每500万年相差1秒，目前的商用原子钟（比如铷原子钟）可以输出稳定的10MHz脉冲或秒脉冲（由铷振荡器频率信号分频得到），并且在与GPS信号锁定时同步于GPS输出的UTC时间（对于不同的产品，同步过程需要几分钟到几十小时不等），在GPS信号丢失时自动切换到原子钟提供的稳定脉冲（铷原子钟的月频率漂移约为1E-11到4E-11），维持参考时钟的精度。在完全没有GPS信号的情况下，可以通过CDMA或者STL信号来获取参考时间。举例来说，如果要测试两家公司的行情时间，而且两家没有GPS信号，可以先在外面用GPS或者同一网络进行同步，再切换成机器上的原子钟信号，这样就能保证两个在不同机房的机器基本同步，可以保证在6个小时内保持在一个微秒内的差别。这中间当然有保持电源等细节需要关注.这种办法经过测试，可行性挺高。

随着网络带宽的不断提高，比如40G和100G以太网，时间同步和高精度时间戳变得越来越重要，许多对数据的分析都依赖于高精度的时间，要获取最高的精度，需要使用GPS来获取时间，并且使用专门的硬件设备记录时间戳，其他只需要足够精度的应用，可以选择使用NTP或者CDMA的方式。总之，合适的时间同步方案，以及用何种方式记录时间，应该取决于应用的需求，以上讨论可以作为参考。

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