学术研究报告：Onyx——面向可扩展高性能云交易所的网络支持系统

一、作者与发表信息
本研究的核心作者团队来自多所顶尖高校：Muhammad Haseeb、Xiyu Hao、Ulysses Butler、Anirudh Sivaraman（纽约大学）；Jinkun Geng（斯坦福大学）；Daniel Duclos-Cavalcanti（慕尼黑工业大学）；Radhika Mittal（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）；Srinivas Narayana（罗格斯大学）。研究论文《Network Support for Scalable and High-Performance Cloud Exchanges》发表于ACM SIGCOMM 2025会议（葡萄牙科英布拉），并收录于会议论文集，全文22页，DOI: 10.¹¹⁴⁵⁄_3718958.3750530。

二、学术背景与研究目标
1. 科学领域：本研究属于云计算与金融科技交叉领域，聚焦于金融交易所低延迟网络架构设计，涉及网络协议（如多播树）、时钟同步、公平性调度算法等关键技术。
2. 研究动机：传统金融交易所依赖本地化基础设施（如低抖动交换机、等长电缆）保障确定性低延迟，但迁移至公有云时面临核心矛盾——云网络的“尽力而为”特性与交易所对公平性（所有参与者同时接收市场数据）和低延迟的严苛要求。现有方案（如AWS多播服务、Cloudex系统）仅支持少量参与者（约10-100个），且性能随规模扩大显著下降。
3. 研究目标：设计名为Onyx的系统，解决以下挑战：
- 出站公平性（Outbound Fairness）：向1000个参与者多播市场数据时，接收时间差异≤1微秒；
- 入站公平性（Inbound Fairness）：确保早生成的订单优先处理；
- 高吞吐量：支持突发流量（如市场剧烈波动时的订单洪峰）。

三、研究方法与工作流程
Onyx的核心创新在于双向覆盖树网络架构与多项优化技术，具体分为以下流程：

1. 出站通信优化（市场数据多播）

   • 覆盖多播树设计：
     
     • 结构：根节点为交易所虚拟机（VM），中间层为代理VM，叶节点为参与者VM。
       
     • 参数调优：通过启发式算法平衡树的扇出（Fan-out, *F*≈10）与深度（Depth, D=⌈log_F N⌉），权衡序列化延迟与传播延迟。
       
   • 三大延迟优化技术：
     
     • 轮播数据包喷射（RRPS）：每发送一条消息后动态调整父-子节点关联，利用云网络的完全拓扑特性分散突发流量，路径多样性提升15%-70%（AWS实测）。
       
     • 代理冗余（Proxy Hedging）：每个代理接收来自*H*个“叔节点”的冗余数据（H=2），选择最早到达的副本，降低单点延迟波动影响，使90%分位延迟差从350µs降至150µs。
       
     • 接收者冗余（Receiver Hedging）：每个交易者分配两个VM，通过哈希去重和状态同步（附录E）避免因VM性能波动导致的尾部延迟。
       

2. 入站通信优化（订单提交）

   • 全局时钟同步：基于Huygens算法[10]实现纳秒级同步，误差≤100ns。
     
   • 序列化器（Sequencer）：
     
     • 机制：为每个订单附加生成时间戳，通过优先级队列（按时间戳排序）确保交换服务器按全局FIFO处理订单。
       
     • 容错：通过“虚拟订单”防止因参与者失效导致的活锁。
       
   • 限价订单队列调度（LOQ）：
     
     • 策略：根据订单价格与中间价（Mid-price）的接近程度划分优先级，临界订单（价格在[𝑚−𝑤, 𝑚+𝑤]区间内）优先处理，使突发流量下的匹配率提升137%（实验数据）。
       

3. 树结构反向复用

   • 将多播树反向用于订单传输，降低交换服务器的扇入（Fan-in），缓解Incast问题（突发流量导致的丢包）。代理节点运行LOQ调度器，进一步减少队列堆积。
     

四、主要实验结果
1. 多播性能：
- 延迟：支持1000个参与者时，中位数多播延迟≤250µs，比AWS多播服务低50%；
- 公平性：92%分位的接收时间差≤1µs（接收者冗余可提升至99.9%分位）。
2. 订单处理：
- 吞吐量：突发流量下（20倍基准负载），Onyx的订单匹配率比Cloudex高一个数量级；
- LOQ效果：在价格重叠率𝑥/𝑦=1/11时，临界订单延迟降低70%。
3. 扩展性：
- 代理带宽为瓶颈时，支持175K条/秒的多播消息率（数据包大小466B）。

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 提出首个支持千级参与者的云交易所网络架构，通过覆盖树与冗余机制实现亚微秒级公平性；
- 理论贡献：证明在公有云不可控环境下，通过应用层设计可逼近专用硬件的确定性性能。
2. 应用价值：
- 为中小金融机构提供低成本、高弹性的云交易方案，无需依赖云厂商的私有集群支持；
- 技术可组合性：Onyx的模块（如LOQ、多播树）可独立集成至现有系统（如Cloudex、DBO）。

六、研究亮点
1. 方法创新：
- RRPS技术首次将云网络的完全拓扑特性转化为多播路径多样性优势；
- LOQ调度器结合金融语义（价格优先级）与公平性约束，突破传统FIFO的性能限制。
2. 工程贡献：
- 开源实现（Onyx代码库）为后续研究提供基准平台；
- 在AWS/GCP实测中验证方案的普适性，规避对特定硬件的依赖。

七、其他关键内容
- 局限性：相比本地化交易所的纳秒级公平性，Onyx仍存在微秒级误差；
- 未来方向：探索FPGA加速、动态负载准入控制以进一步降低订单延迟（当前突发场景下可达毫秒级）。

（注：文中技术术语首次出现时均标注英文原文，如“扇出（Fan-out）”“中间价（Mid-price）”。）