CN112073434B - 降低基于toe的高频交易终端接收通道传输延迟的方法 - Google Patents

降低基于toe的高频交易终端接收通道传输延迟的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种降低基于TOE的高频交易终端接收通道传输延迟的方法，该方法由TOE在尚未完成各级校验的情况下，以直通转发的模式将解析得到的应用层数据字段上传给高频交易终端，从而大幅度降低了应用层数据字段在高频交易终端接收通道中的延迟；同时，对于原始字节流中可能存在的业务信息上传的偶发性数据错误，在TOE接收通道中、高频交易终端中设计了在数据上传后补发确认信息的机制，以此将直通转发模式下的源数据偶发性错误带来的损害控制在较低的水平，使高频交易终端接收通道在具备极低传输延迟性能的同时具备了可用性。

Description

降低基于TOE的高频交易终端接收通道传输延迟的方法
技术领域
本发明涉及一种降低基于TOE的高频交易终端接收通道传输延迟的方法，属于数据传输技术领域。
背景技术
高频交易是金融科技领域的热门应用场景。高频交易的交易参与者使用高性能的通信、运算系统，实时获取交易所发布的最新行情信息，迅速对行情信息进行分析，迅速预判得到亚秒级时间范围内的行情变化趋势，进而针对这一时域微观趋势迅速形成微差价交易指令并迅速发往交易所，抢在趋势变化之前、抢在竞争对手之前锁定交易权，获得这一小块儿利润。如此高频操作，积少成多，汇聚而成较长时段内稳定的、可观的利润。
通信环节的低延迟性能是影响高频交易系统整体性能的关键因素之一。由于交易所采用“报价在要价之上者先到先得”的竞争机制，在其他条件相同的情况下，交易终端接收通道的延迟越低，高频交易终端获得交易所发布的行情信息的时刻就越早，其分析出市场变化规律、做出报价决策的时刻就越能提前，也就有越大的概率先于其报价者而锁定交易权。
TCP/IP协议是互联网系统的主流通信协议，也为各大交易所的交易系统所采用，是高频交易终端与交易所进行通信的基础协议。
实现TCP/IP协议的传统做法是用CPU运行软件，但实现TCP/IP协议的软件运行通常与执行高频交易相关算法的软件并行运行，两者抢占系统资源，从而降低传输数据的实时性，具体表现为端到端的延迟量较大、延迟量不可控变化的范围较大。
TOE把TCP/IP协议“卸载”到硬件中，即实现所谓TCP/IP Offload Engine（简称TOE，也叫“TCP/IP卸载引擎”），以腾出更多系统资源给应用层软件，同时提高TCP/IP协议实现的实时性，成为高频交易关注的重要研究方向。TOE技术对TCP/IP协议栈进行扩展，使部分TCP/IP协议从CPU转移到TOE硬件，减轻CPU的负担。
以应用层采用高频交易终端为例，TOE接收通道的常规实现方案如图1所示（TOE还包括ARP协议、ICMP协议等功能模块，但图1中未示出），以太网协议功能模块在接收以太网帧的过程中将其中携带的IP报文段缓存，当以太网帧CRC校验字段末尾字节接收完毕，以太网协议功能模块执行CRC校验运算的最后步骤，在确认缓存的IP数据报能通过CRC校验之后，开始向IP协议层上传这个IP数据报；在接收IP数据报的过程中，IP协议功能模块对其首部字段计算校验和，若校验通过，则开始向TCP协议层上传这个IP数据报携带的TCP报文段；在TCP协议功能模块接收TCP报文段的过程中，对其全部数据计算校验和并将解析得到的应用层数据字段存入缓冲区，若校验通过则读取缓冲区并向应用层上传这个TCP报文段携带的应用层数据。
这一过程中，应用层数据字段在TOE接收通道中（即高频交易应用层数据解析通道中）的传输延迟时间有减少的余地，如何减少应用层数据字段在TOE接收通道中的传输延迟，如何在实现这一目标的同时结合高频交易业务特征而确保上传数据在实操意义上的可用性，成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种可以大幅度降低应用层数据字段在高频交易终端接收通道中的延迟时间的方法。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种降低基于TOE的高频交易终端接收通道传输延迟的方法，所述高频交易终端通过TOE传输以太网数据流，所述以太网数据流的每一个以太网帧均包括携带应用层数据字段的TCP报文段，所述TOE在接收以太网帧过程中对其进行解析并进行TCP/IP协议的各级校验和验证；所述TOE在解析得到应用层数据字段的起始位置后，无需等到完成TCP/IP协议的各级TCP/IP协议的校验和验证，就将解析得到的应用层数据字段以直通转发的形式上传给高频交易终端；所述TOE获取以太网帧各级TCP/IP协议的校验和验证的结果，如果某个以太网帧未通过TCP/IP的至少一级校验和校验，则通知高频交易终端该以太网帧携带的应用层数据字段存在校验和验证错误。
本发明带来的有益效果是：本发明对TCP/IP协议的数据传输机制进行了改进，在尚未完成各级校验和验证的情况下，以直通转发的模式将解析得到的应用层数据字段上传给高频交易终端，从而大幅度降低了应用层数据字段在高频交易终端接收通道中的延迟。同时，本发明对于原始以太网数据流中可能存在的业务信息上传的偶发性数据错误，在高频交易终端中设计了在数据上传后补发确认信息的机制，在至少一级校验和存在验证不通过的情况时，执行相应的补救处理。以此将直通转发模式下的源数据偶发性错误带来的损害控制在较低的水平，使高频交易终端接收通道在具备极低传输延迟性能的同时具备了可用性。
同时，高频交易终端对于从直通转发上来的应用层数据字段中解析出来的各个业务数据，将其与历史数据进行对比，只有数值变化范围不超限的业务数据才被直接用于实现高频交易业务功能，对于没有历史数据可资比较的业务数据，则等待各级校验和验证通过；同时，即使是对于没有历史数据可资比较的业务数据，相关的应用层数据字段在直通转发模式下也可以先由高频交易终端进行解析并将携带的业务数据赋予相关的算法模块，一旦各级校验通过，就可以启动业务算法的执行。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是TOE接收通道的常规实现方案。
图2是本发明实施例中以太网帧的解析过程示意图。
具体实施方式
实施例
FPGA具备高速、并行、定时精确、功能灵活的特性，特别适合用于实现TOE。本实施例的方法能够充分发挥FPGA技术的这些特性，将链路层视为TOE的组成部分予以统一考虑，以降低接收通道应用层数据的传输延迟量。因此，本实施例优选采用FPGA实现TOE。
如图2所示为TCP连接建立之后在网线上传输的一个携带TCP报文段以及应用层数据字段的以太网帧，其中的各字节被TOE之前的功能模块解析出来以后，自左向右依次发送到TOE的输入端口。图2中上方为TOE从以太网帧中解析出应用层数据字段的过程，下方为高频交易终端接收应用层数据字段的过程。
严格来说，物理层与链路层之间交换的是比特流。然而，在具体的实现中，包含物理层功能的专用硬件功能模块通常已经实现了8*N比特与N字节（N是自然数）之间的双向变换功能，它与链路层之间交换的是N字节。所以，为简化表述，本实施例将各层之间交换的数据流称为N字节流，即宽度为N字节的数据流。需要说明的是，N可以是任何一个自然数，本实施例中各处出现的“N字节流”中的N值未必是同一个值。
本实施例的降低基于TOE的高频交易终端接收通道传输延迟的方法，所述高频交易终端通过TOE传输以太网数据流，所述以太网数据流的每一个以太网帧均包括携带着应用层数据字段的TCP报文段，所述TOE在传输以太网帧过程中对其进行解析并进行TCP/IP协议的各级校验和验证；所述TOE在解析得到应用层数据字段后，无需等到完成TCP/IP协议的各级校验和验证，就将解析得到的应用层数据字段以直通转发的形式上传给高频交易终端，由高频交易终端进行解析并将携带的业务数据赋予相关的算法模块；所述TOE获取以太网帧各级TCP/IP协议的校验和验证的结果，如果某个以太网帧未通过TCP/IP校验和校验，则通知高频交易终端该以太网帧携带的应用层数据字段存在校验和验证错误，由高频交易终端针对已经进行的、与这个应用层数据字段相关的操作进行补救处理。
作为优选方案，所述TOE依据TCP报文段首部结构解析得到相应的应用层数据字段的序号值，若确认该序号值与此前接收成功的应用层数据字段的末尾序号连续，则允许将应用层数据字段直通转发至高频交易终端，否则将应用层数据字段写入缓冲存储区，此后依据TCP协议按照TCP报文段丢失或乱序到达的情况进行处理。
本实施例结合图1和图2进行详细阐述（需要说明的是，TOE中还包括ARP协议、ICMP协议等辅助功能模块，但因辅助功能模块不影响本发明的创新点，故在图1中并未示出）。自T0时刻起，TOE中的以太网协议功能模块一边接收以太网帧组成的N字节流，并按照以太网帧结构对其进行解析、判断、处理，一边进行CRC校验和验证。
自T1时刻起，以太网协议功能模块依据以太网帧结构解析结果，判断即将接收IP数据报，从而开始将后续接收到的N字节流发往IP协议功能模块，并开始按照IP协议校验和算法执行对IP数据报首部的校验和验证；同时，以寻找TCP报文段起始位置为目的而继续解析IP数据报，并继续对接收到的N字节流执行CRC校验和验证。
至T2时刻，以太网协议功能模块完成对IP数据报之前的字节的解析、判断、处理，如果这一过程中检测到会损害所携带IP数据报的可用性的情况，就向IP协议功能模块发出指示信号并结束对当前以太网帧的接收、处理，IP协议功能模块将依据指示信号而丢弃自T1时刻开始接收的IP数据报以及对其执行解析、判断、处理得到的结果。
自T1时刻起，IP协议功能模块接收IP数据报的N字节流并按照IP数据报的首部结构对其进行解析、判断、处理。
自T3时刻起，IP协议功能模块依据IP数据报首部结构解析结果，判断即将接收TCP报文段，因而开始将后续接收到的N字节流发往TCP协议功能模块，并开始依据TCP协议校验和算法执行对TCP报文段的校验和验证；同时，以太网协议功能模块继续对接收到的N字节流执行CRC校验和验证，TCP协议功能模块开始依据TCP报文段首部结构解析收到的N字节流，此间若确认其中的序号字段值与此前接收成功的应用层数据的末尾序号连续，则将允许直通转发的标记信号值置为有效，否则置这个标记信号的值为无效。
至T4时刻，IP协议功能模块完成对IP数据报首部的解析、判断、处理。如果这一过程中检测到会损害所携带TCP报文段的可用性的情况，就向TCP协议功能模块发出指示信号并结束对当前IP数据报的接收、处理，TCP协议功能模块将依据这个指示信号而丢弃自T3时刻开始接收的TCP报文段，并且丢弃对TCP报文段执行解析、判断、处理得到的结果。
至T5时刻（与T4之间没有时间约束关系），IP协议功能模块完成对IP数据报首部的校验和验证，如果验证不能通过，就向TCP协议功能模块发出指示信号并结束对当前IP数据报的接收、处理，TCP协议功能模块将依据这个指示信号而丢弃自T3时刻开始接收的TCP报文段以及对其执行解析、判断、处理得到的结果。
自T6时刻起，TCP协议功能模块依据TCP报文段首部结构解析结果，判断即将接收应用层数据字段，若此前直通转发标记信号被置为无效，则按照常规方式将接收到的N字节流写入用于存储应用层数据字段的缓冲存储区，此后应按照TCP报文段丢失或乱序到达的情况进行处理，此为现有技术（即常规的TCP处理程序），不再赘述；若直通转发标记信号被置为有效，则将接收到的N字节流携带的应用层数据字段转发给高频交易终端。
至T7时刻（与T8、T9之间没有时间约束关系），TCP协议功能模块完成对TCP报文段首部的解析、判断、处理，如果这一过程中检测到会损害所携带应用层数据字段的可用性的情况（报文段首部结构错误或某一级/多级校验和验证出错），如果此前直通转发标记信号被置为有效，则发信息通知高频交易终端：这个上传的应用层数据字段无效。
至T8时刻（与T9之间没有时间约束关系），TCP协议功能模块完成对TCP报文段的校验和验证，如果验证不能通过，且此前直通转发标记信号被置为有效，则发信息通知高频交易终端：这个上传的应用层数据字段无效。
至T9时刻，以太网协议功能模块完成对以太网帧的CRC校验和验证，如果验证不能通过，且此前直通转发标记信号被置为有效，则发信息通知高频交易终端：这个上传的应用层数据字段无效。
至T7、T8、T9时刻中的最末到达的一个，如果此前各协议层功能模块的校验和都能通过验证，且图1中各层包含的解析、判断、处理过程都没有检测到会损害各层所携带字段的可用性的情况，且此前直通转发标记信号被置为有效，则发信息通知高频交易终端：这个上传的应用层数据字段有效。
自T10（与T7、T8、T9之间没有时间约束关系）时刻起，高频交易数终端开始收到应用层数据字段，一边接收一边从中解析出所用到的交易信息数据集，直到T11（与T7、T8、T9、T12之间没有时间约束关系）时刻完成解析。
如果应用层数据字段在某个位置携带了校验和字段，则到T12（与T7、T8、T9之间没有时间约束关系）时刻完成对校验和验证的执行。如果验证校验不能通过，则将这个应用层数据字段标记为无效，如果校验能通过，且来自以太网协议功能模块的、在T9时刻上传的信息表明这个应用层数据字段有效，则将此字段标记为有效，否则将其标记为无效。
在上述过程中，作为补救措施之一，如果某个以太网帧未通过以太网帧CRC校验或TCP/IP校验和校验，则由TOE按照TCP/IP协议通知发送端进行重传操作。
本实施例还可以作以下改进：1）所述高频交易终端在接收某应用层数据字段并进行解析的过程中，所述高频交易终端从该应用层数据字段中解析出某个业务数据，如果在此前一定时段内该业务数据此前已经被成功接收过，则计算这个业务数据的当前值与它在上一次成功接收到的值之间的偏差，如果偏差量小于预设阈值，就认为传输过程是正确的，不再等待该应用层数据字段的以太网帧的各级校验和验证结果；否则认为该业务数据在传输过程中受到了损伤，必须将其丢弃并等待重传的携带该应用层数据字段的以太网帧各级校验和通过验证；如果这个业务数据在此前一定时段内未曾被成功接收过，则必须等待携带该业务数据的以太网帧的各级校验和通过验证。通过上述改进，可以进一步降低接收通道的传输延迟。
2）所述高频交易终端在收到某应用层数据字段是错误的通知后就将其丢弃，由高频交易终端针对已经进行的、与这个应用层数据字段相关的操作进行补救处理，具体方法为：回溯所有涉及该应用层数据字段的高频交易业务计算，对于尚未完成的计算予以停止，对于已经完成的计算丢弃其结果；对于涉及无效应用层数据字段的交易指令，已经形成但尚未发出的指令予以丢弃，已经发出的指令予以撤回，然后必须等待重传的携带该应用层数据字段的以太网帧各级校验和通过验证。通过上述补救措施，可以在整体上降低接收通道传输延迟的情况下，保证高频交易终端使用完全可靠的应用层数据字段。
本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种降低基于TOE的高频交易终端接收通道传输延迟的方法，所述高频交易终端通过TOE传输以太网数据流，所述以太网数据流的每一个以太网帧均包括携带着应用层数据字段的TCP报文段，所述TOE在接收以太网帧过程中对其进行解析并进行TCP/IP协议的各级校验和验证；其特征在于：所述TOE在解析得到应用层数据字段的起始位置后，无需等到完成TCP/IP协议的各级校验和验证，将解析得到的应用层数据字段以直通转发的形式上传给高频交易终端；所述TOE获取以太网帧TCP/IP协议的各级校验和验证的结果，如果某个以太网帧至少一级TCP/IP校验和未通过校验，则通知高频交易终端该以太网帧携带的应用层数据字段存在校验和验证错误。
2.根据权利要求1所述的降低基于TOE的高频交易终端接收通道传输延迟的方法，其特征在于：所述TOE依据TCP报文段首部结构解析得到相应的应用层数据字段的序号值，若确认该序号值与此前接收成功的应用层数据字段的末尾序号连续，则允许将应用层数据字段直通转发至高频交易终端，否则将应用层数据字段写入缓冲存储区，此后依据TCP协议按照TCP报文段丢失或乱序到达的情况进行处理。
3.根据权利要求1或2所述的降低基于TOE的高频交易终端接收通道传输延迟的方法，其特征在于：如果某个以太网帧未通过TCP/IP协议的各级校验和校验，则由TOE要求TCP连接对端的网络设备按照TCP/IP协议对该以太网帧进行重传操作。
4.根据权利要求1或2所述的降低基于TOE的高频交易终端接收通道传输延迟的方法，其特征在于：所述高频交易终端在接收某应用层数据字段并进行解析的过程中，所述高频交易终端从该应用层数据字段中解析出某个业务数据，如果在此前一定时段内该业务数据已经被成功接收过，则计算这个业务数据的当前值与它上一次成功接收到的值之间的偏差，如果偏差量小于预设阈值，就认为传输过程是正确的，不再等待该应用层数据字段的以太网帧的各级校验和验证结果；否则认为该业务数据在传输过程中受到了损伤，必须将其丢弃并等待重传的携带该应用层数据字段的以太网帧各级校验和通过验证；如果这个业务数据在此前一定时段内未曾被成功接收过，则必须等待携带该业务数据的以太网帧的各级校验和通过验证。
5.根据权利要求1所述的降低基于TOE的高频交易终端接收通道传输延迟的方法，其特征在于：所述高频交易终端在收到某应用层数据字段是错误的通知后就将其丢弃，由高频交易终端针对已经进行的、与这个应用层数据字段相关的操作进行补救处理，具体方法为：回溯所有涉及该应用层数据字段的高频交易业务计算，对于尚未完成的计算予以停止，对于已经完成的计算丢弃其结果；对于涉及无效应用层数据字段的交易指令，已经形成但尚未发出的指令予以丢弃，已经发出的指令予以撤回，然后等待重传的携带该应用层数据字段的以太网帧各级校验和通过验证。
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