第三代交易系统 创新突破金融衍生品市场难题

作者:鲁继东 张备战 余 峰 李 雯 日期:2021-08-16 11:22:51

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  导读  

第三代交易系统通过创新性解决行业突出技术问题,解决了高速容错消息总线、超低延迟委托处理等重大技术难题。


  正文  

交易系统作为交易所业务开展的核心基础设施,是交易所核心竞争力的集中体现。中国金融期货交易所的第三代交易系统是充分借鉴国际先进交易所最佳实践,结合我国资本市场的运行特征,通过创新性解决行业突出技术问题,实现了交易领域建模关键技术的重大应用创新,突破了交易系统“三高”(高可用、高性能、高可扩展)核心技术,解决了高速容错消息总线、超低延迟委托处理、衍生品分品种撮合、逐笔旁路监控等重大技术难题。


  第三代交易系统的关键技术与创新应用  

第三代交易系统历经4年研发,是具有自主知识产权、安全可靠、自主可控的全新一代高可靠低延迟金融衍生品交易平台。采用基于高速容错消息总线为连接中间件,以撮合引擎为中心的总线架构。整个系统主要由高速容错通信总线、核心撮合层、外围服务层三部分组成。高速容错消息总线是整个交易系统的连接件,解决应用的容错和消息通信问题,分别提供了内外两层接口,内层为容错通信API,为撮合核心使用,外层为集群接入API,为前置、行情服务等使用。核心撮合层是交易系统的核心组件,是交易业务的核心实现,支持多品种、多市场、多交易模式、多交易指令。撮合高可用集群采用一主两热备一温备模式部署,实现了大业务量下软硬件单点故障情况的快速切换。外围服务层包括撮合后服务区、恢复服务区、灾备服务区和接入服务区。

高可用关键技术

高可用的核心是故障恢复与数据质量。第三代交易系统分别在通讯层、架构层、应用层确保系统的高可用。

在通讯层,系统研发了基于可靠多播协议的低延迟容错消息总线作为交易系统底层通讯核心,向上层应用提供消息可靠传输、消息解组包、流控等功能,并提供复制、去重、定序、回传等消息级高可用机制。

在架构层,创新性地引入基于虚同步(Virtual Synchrony)的分布式数据一致性技术,在确保低延迟前提下实现了高可用。系统采取了双中心“4+3”(主中心:1主2备1温,同城灾备中心:1主2备)的高可用部署策略,实现网络主机设备硬件导致的单点故障自动切换。

在应用层,系统创新性地引入“软容错(自动避障)”技术,当某个特定消息接连导致主备节点宕机,连续发生主备撮合切换时,第3个接管节点可以通过判断其前两次切换是否起始于同一消息序列号而决定是否自动丢弃导“致命消息”,避免主备切换后再次发生宕机,维持交易的连续性。

高性能关键技术

系统的高性能体现于低延时与高吞吐两方面。系统整体性能覆盖订单整体路径中的平台层、通讯信和应用层,同时也需要在性能调优方法论等方面进行系统性考虑。

在所有性能优化技术中,最简订单路径是低延迟的核心。系统通过合并定序服务和撮合服务,并引入“虚同步”机制,使得委托从前置进前置出的内部网络间通信由原系统的5跳缩减为2跳,订单门到门延时缩减至97微秒。

应用层自主研发的低延迟内存数据库去除了锁机制、并发访问等交易无关特性以简化设计,支持数据表与数据类型定义、带回滚点事务、触发器、多类型索引、外键、多级主键等功能。同时,采用用户态大容量内存管理技术、内存零拷贝技术、亲CPU缓存数据结构设计等方式,最大限度降低内存复制开销,提升CPU缓存命中率。内存数据库以带事务的插入、更新与哈希查找的处理延时在百纳秒级。

低延迟高性能的系统还需要在编码与调试实践中不断优化。第三代交易系统在调试过程中,创新性通过gperf工具采样运行时程序调用堆栈,并以火焰图的可视化方式展现统计结果,快速精准定位“平台型”形态的性能瓶颈点,进行针对性调整与优化。

高可扩展关键技术

在委托事务中,衍生品交易需同时完成会员级资金与合约级撮合两项不同维度的计算,无法以分布式并行的方式分别独立进行处理,在委托处理通路上存在一定瓶颈点。第三代交易系统在业务上将资金风险计算分解为主撮合模块“粗冻结”和辅撮合模块“精细返还”的两阶段,从而解耦了会员级资金与合约级撮合的计算,在确保资金风险可控的前提下实现可配置多撮合分区的分品种撮合效果,达到了近似水平扩展的能力。经测试,系统可以实现3撮合分区每秒20万笔/秒的撮合处理性能,订单日容量支持2亿笔。

领域模型创新

交易领域模型设计是适应业务变化的基础。在借鉴海外先进交易所的同时,创新运用面向对象设计原则与领域驱动建模方法,设计了能够体现我国资本市场特点的业务领域模型。设计过程遵循开闭原则,即对于扩展是开放的,对于修改是封闭的,实现对简单业务变更的配置化支持,对复杂业务变更的低影响扩展支持。

同时,第三代交易系统综合10家国际一流交易所产品模型的最佳实践,结合中国衍生品市场产品特性,采取高度抽象的产品树模型,既能统一各种衍生产品体系模型,又能充分考虑不同产品之间的复用性及灵活扩展性,可灵活支持在各层级子树节点上的业务参数设置,开发了支持继承关系或特殊值覆盖默认值等功能。该模型既能够简洁表达产品的共性参数,同时能够支持灵活地设置产品个性化参数,解决了原有产品合约体系表达零散且繁琐的痛点,极大降低了复杂模型的参数设置操作风险。

运维技术创新

为实现精细化监控度量、可视化指标展示和场景化应急处置,第三代交易系统运用开发运维一体化(DevOps)理念交付了一套交易系统运维监控系统。项目自主研发逐笔旁路微秒级交易监控平台,通过采用交换机SPAN镜像技术与内核旁路消息落地技术实现了对进出交易系统逐笔消息的微秒级度量,具有对系统无侵入、实时性强、精度高、易扩展等诸多优点。

相较原基于采样日志的监控机制,新的监控系统能从更细粒度的对服务质量进行度量,引入业务指令网络分段耗时、服务质量抖动概率密度、行情驱动抢单分析、前置分发时延差异等10多个细粒度监控指标。通过将所有监控数据导入splunk大数据分析平台,从系统、服务、环境、应急、日志5个维度,建立30多个监控面板200多个监控指标,结合运用大数据可视化技术进行直观展现。


  项目获得安全保障级二级认证  

从第三代交易系统与境外主流交易所交易系统的比较来看,在自主可控能力、安全可用性、功能完备性、委托延时、每秒委托吞吐、日处理委托容量等方面,境外交易所交易系统的设计以低延时为第一目标,第三代交易系统设计则以高可用为第一目标,在此前提下追求低延时、高吞吐和高容量。从系统综合性能来看,第三代交易系统在各项关键技术指标方面均达到世界领先水平,系统上线以来,各项性能指标表现优良,延续保持了10年的安全运行记录。

第三代交易系统的成功上线,一方面支持了更丰富的交易所创新业务,另一方面增强了基础设施的容灾、扩展及处理能力。随着“一带一路”等倡议的持续推进,交易所的国际化竞争和合作将不断深化,可以预见,第三代交易系统将在加速中国金融衍生品市场发展的进程中发挥越来越重要的作用。


(鲁继东为上海金融期货信息技术有限公司总经理,张备战为总架构师,余峰为总经理助理,李雯为交易系统部总经理助理)






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