H3C低时延交换机技术白皮书

低时延交换机技术白皮书

资料版本：5W100-20221212

Copyright © 2022 新华三技术有限公司 版权所有，保留一切权利。

非经本公司书面许可，任何单位和个人不得擅自摘抄、复制本文档内容的部分或全部，并不得以任何形式传播。

除新华三技术有限公司的商标外，本手册中出现的其它公司的商标、产品标识及商品名称，由各自权利人拥有。

本文中的内容为通用性技术信息，某些信息可能不适用于您所购买的产品。

目  录

1 低时延交换机简介··· 1

1.1 产生背景·· 1

1.2 典型组网应用·· 1

2 低时延交换机关键技术介绍··· 2

2.1 L1以太网交换机·· 2

2.1.1 Patch panel 2

2.1.2 Fan-out 3

2.1.3 Tapping· 3

2.2 L1.5以太网交换机·· 4

2.2.1 FastMux· 4

2.2.2 SecurityMux· 5

2.2.3 增强SecurityMUX· 5

2.2.4 Tapping Aggregation· 5

2.2.5 开放扩展平台·· 5

2.3 L3低时延交换机·· 6

3 低时延交换机产品介绍··· 6

3.2 S6116系列L1和L1.5低时延交换机·· 6

3.3 S6826&S9826系列L3低时延交换机·· 7

随着计算机技术和金融科技的发展，高频交易在金融市场上的应用越来越广泛，并且已逐渐成为众多交易机构的主要盈利方式。在欧美市场，高频交易占总交易量的比例已经达到60%以上，在亚洲市场这一比例也将达到20%以上。随着国内金融监管政策的放松，高频交易在国内发展迅速，市场上已经涌现出一批成功的投资机构。在未来，高频交易会随着监管环境的逐渐宽松而得到更进一步的发展。

高频交易的特点是报单和撤单迅速、持仓时间短，交易过程对交易系统的时延有极高的要求。在瞬息万变的市场环境中，投资者更快地看到行情变化并且传递交易指令就会取得先人一步的优势。因此，低时延交易网络成为高频交易投资者的迫切需求。

新华三集团基于二十多年来在以太网交换机技术领域的深厚积累以及对金融证券公司低时延交易网络的深入理解，开发了S6116系列L1和L1.5超低时延以太网交换机和S6826、S9826 L3低时延交换机，可以为金融客户提供端到端的超低时延组网解决方案。

S6116系列交换机最低转发时延达到4ns，突破了传统以太网交换机500ns的时延瓶颈，为证券期货公司构建超低时延交易网络提供了可能。S6826和S9826 L3低时延交换机在提供低时延转发的同时，还提供了丰富的二、三层特性。

证券期货交易网络处于持续演进中。传统交易网络一般采用三层交换机，单跳转发时延高达1微秒，端到端时延高达几百微秒。将传统三层交换机改为低时延三层交换机可以较大的减少网络转发时延；如果能进一步更改网络架构、引入超低时延的L1和L1.5交换机，可以极大的减少网络时延，为客户提供最优的网络服务。

下面是两种低时延网络示意图，实际组网要更复杂：

·     机构网络和交易所通过L3交换机连接，行情分发采用L1交换机，报盘交易采用L2交换机，此方案可以兼顾低时延和三层特性。

·     机构网络和交易所通过L1.5交换机连接，行情分发采用L1交换机，报盘交易采用L1.5交换机，此方案可以获得极致的低时延体验。

图1 低时延交换机典型组网

传统的L2/L3以太网交换机需要查找MAC地址表和路由表寻找出端口，因此时延一般都在500ns以上。H3C S6116-48X L1以太网交换机工作在物理层，可以根据用户的配置对报文做快速转发和复制，最低时延达到4ns。S6116-48X以太网交换机支持信号再生和增强，支持对以太网报文的端口统计，既具有超低时延特性，同时具有普通以太网交换机的可维护性。

 S6116-48X以太网交换机支持的L1特性有：

·     Patch Panel：实现两端口之间流量互通。

·     Fan-out：实现流量的1：N复制。

·     Tapping：实现端口流量监控等功能。

L1交换机任意两端口之间通过配置Patch Panel可以实现流量双向互通，从某个端口收到的报文都会直接转发给另一个端口，反之亦然。如图2所示，在端口1和端口4之间配置Patch Panel，可以实现两端口流量互通。

图2 Patch panel示意图

在需要将同一个报文发送给多个接收者的情况下，例如将瞬息万变的行情数据同时发送给多个服务器，传统的交换机和路由器会在特定VLAN的多个端口上广播发送报文，或者通过组播发送到特定的端口子集，这两种方式至少需要耗时500ns。

L1以太网交换机通过Fan-out功能实现流量的1:N快速复制，把流量从一个端口同时发送给多个端口，最小时延达到4ns。L1以太网交换机可以支持物理层信号再生和时钟数据恢复，因此数据在多次复制后仍然保持完整性。如图3所示，在设备上配置Fan-out功能可将端口1的流量复制下发给端口2、3和4。

图3 Fan-out示意图

L1以太网交换机支持通过Tapping功能将从指定端口接收到的流量镜像到其他端口，使金融客户可以实时保存交易数据，进而可以利用监测设备分析这些镜像过来的数据，从而实现交易监管和后期追溯。

例如图4所示，在设备上配置Fan-out功能可将端口1的流量复制下发给端口2、3和4，同时配置Tapping功能，可以实现端口5对端口1流量的镜像。

图4 Tapping示意图

当多个服务器共享单个连接时，可以设置链路复用和解复用功能，将多个服务器发送和接收的流量统一由FPGA应用程序管理，实现该功能的FPGA应用程序又被称为多路复用器或Mux。

H3C S6116-48X-M L1.5以太网交换机支持L1以太网交换机的所有功能，包括Patch Panel、Fan-out、Tapping等，同时支持FPGA扣卡，可以加载多个FPGA应用程序，不同应用程序可以根据用户组网需要动态切换，从而实现不同的功能。

目前S6116-48X-M L1.5以太网交换机支持的FPGA应用程序有四个：

·     FastMux：支持四个Mux组，分别实现上行15:1、15:1、7:1、7:1复用功能，最低时延35ns。

N:1复用指一个Mux组里有N+1个端口，N个下行端口，1个上行端口。

·     SecurityMux：支持一个Mux分组且组内支持配置一个upstream接口，上行最多支持47:1复用功能，下行最多支持1:47解复用，并支持在出端口配置ACL控制报文转发，最低时延59ns。

·     增强Security MUX：支持一个Mux分组且组内支持配置两个upstream接口，上行最多支持46:2复用功能，下行最多支持2:46解复用，并支持在上行或下行流量的出端口配置ACL控制报文转发。

·     Tapping Aggregation：支持高精度时间戳，支持32G缓存，可以把交易数据镜像后打时间戳汇聚到出端口。镜像监控出口支持负载分担，可以配置4个镜像监控出口，对镜像流量进行负载分担。

FastMux是专为追求超低时延应用而设计的应用功能，下行流量由L1层Fan-out广播，不需要经过FPGA处理，上行流量由FPGA实现复用（最低时延35ns）。设备在FastMux模式下支持配置4组Mux，软件设计非常灵活，可根据需求动态调整端口所属的分组。

图5 S6116-48X-M FastMux分组逻辑示意图

图示表示15:1、15:1、7:1、7:1 Mux组

SecurityMux是为了数据的安全转发而设计的应用功能，上行流量基于FPGA实现最大47:1复用，由FPGA实现调度功能，下行流量基于FPGA实现解复用，并支持基于出端口的ACL过滤。

图6 S6116-48X-M SecurityMux数据转发逻辑示意图

表示Mux组端口，表示Demux组端口，Demux组端口可以配置ACL报文过滤

Demux可以通过ACL控制转发的具体数据流。ACL可以由源IP地址，源端口，目的IP地址，目的端口、TCP/UDP五元组灵活定义，一个接口上最多支持应用8条ACL规则（rule）。

增强SecurityMux实现原理与SecurityMux相同，是为了数据的安全转发而设计的应用功能。上行流量基于FPGA实现最大46:2复用，由FPGA实现调度功能，下行流量基于FPGA实现解复用。上行或下行流量的出端口支持配置ACL控制报文转发。

镜像汇聚（Tapping Aggregation）是为了支持数据镜像而设计的APP，该功能将1个或多个端口的报文数据镜像和打时间戳，并汇聚为最多4个监控口对数据流进行转发、备份。多个监控口之间支持负载分担。

H3C S6116-48X-M L1.5低时延交换机最多支持2个FPGA扣卡，并提供FPGA开发套件（FDK）。用户可以将自行开发的应用程序运行在第二块FPGA扣卡上，实现电子交易算法、交易策略、风控等功能。和服务器上的应用程序相比，直接运行在FPGA上的应用程序响应速度更快，时延更小。

L3低时延交换机在超低时延组网解决方案中扮演重要角色。H3C选择业界设计精简、时延较小的交换芯片，并在此基础上对软、硬件深入进行设计优化，开发出了S6826和S9826两款低时延三层交换机。S6826和S9826交换机在确保二三层功能的基础上，最大限度地降低了整机转发时延，使二三层转发时延降低到500ns以内。在券商、基金、交易所、期货等客户的高速交易场景下，L3低时延交换机可有效地提升用户的使用体验。

新华三紧跟时代步伐，构筑超低时延网络平台，提供较为完整的低时延网络整体解决方案。

表1 H3C低时延网络产品主要规格

项目

L1低时延交换机

L1.5低时延交换机

L3低时延交换机

设备型号

S6116-48X

S6116-48X-M

S9826-32C

S6826-48Y8C

支持特性

·     Patch panel

·     Fan-out 1:N

·     Tapping

·     Patch panel

·     Fan-out 1:N

·     Tapping

·     FastMux

·     SecurityMux

·     Tapping Aggregation

传统L3交换机特性

转发时延