低時(shí)延的業(yè)務(wù)需求有哪些？

目前明確提出低時(shí)延需求的業(yè)務(wù)有四類：第一是金融和電子交易類用戶，特別是大家耳熟能詳?shù)膹氖缕谪浀?a target="_blank">產(chǎn)品高頻交易的電子交易類用戶；第二是基于TCP協(xié)議的高清視頻類業(yè)務(wù)，包括4K/8K高清視頻直播和點(diǎn)播業(yè)務(wù)、高清視頻會(huì)議、以及未來(lái)的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等實(shí)時(shí)性要求極高的大帶寬業(yè)務(wù)；第三是部分云業(yè)務(wù)，特別是虛機(jī)遷移、數(shù)據(jù)熱備份和實(shí)時(shí)性要求比較高的云桌面、云支付等業(yè)務(wù)；第四是5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的傳送承載業(yè)務(wù)，目前5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳送承載層預(yù)留的時(shí)延指標(biāo)非?？量蹋枰恍┑蜁r(shí)延傳輸新技術(shù)加以保障。

金融/交易類業(yè)務(wù)對(duì)低時(shí)延的極致需求

信息不對(duì)稱是交易盈利的不二法則，時(shí)延越低，意味著你的信息比別人快，你的訂單比別人先到達(dá)交易中心，你也就越容易盈利。在發(fā)達(dá)的金融和交易市場(chǎng)中（尤其是美國(guó)），高頻交易（HFT: High Frequency Trading）或稱為機(jī)器交易、算法交易已經(jīng)興起多年，交易品涵蓋了期貨、股票、外匯等多個(gè)領(lǐng)域。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2009年HFT交易量在美國(guó)全國(guó)總交易量中的比例達(dá)到61%，2012這個(gè)數(shù)據(jù)攀升到70%，而英國(guó)在2011年甚至達(dá)到過(guò)77%。

早在2008年，美國(guó)咨詢公司TABB Group給出的題為《The Value of a Millisecond: Finding the Optimal Speed of a Trading Infrastructure》的研究報(bào)告中就指出，對(duì)于一個(gè)在美國(guó)電子交易市場(chǎng)的交易公司而言，如果其交易系統(tǒng)處理時(shí)間（包括傳輸時(shí)延）比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手慢5毫秒（ms），它將損失1%的利潤(rùn)，如果慢10ms，則損失擴(kuò)大到10%。

圖1：紐約至芝加哥微波中繼電路時(shí)延性能示意圖

“時(shí)間就是金錢”這句諺語(yǔ)在高頻交易業(yè)務(wù)中充分顯示的其現(xiàn)實(shí)意義，早在 2007年，Information Week雜志在一篇題為《Wall Street‘s Quest To Process Data At The Speed Of Light 》的報(bào)道中，就宣稱在美國(guó)電子金融交易市場(chǎng)，1ms的時(shí)延優(yōu)勢(shì)的價(jià)值是1億美元。2014年美國(guó)一家名為Virtue Financial的HFT公司準(zhǔn)備上市前公開(kāi)披露的報(bào)告顯示其在過(guò)去5年共1278個(gè)交易日中，只有1個(gè)交易日是虧損的。

HFT的發(fā)展使得金融和電子交易公司對(duì)低時(shí)延的追求達(dá)到極致：一方面這些公司的服務(wù)器盡可能部署在交易機(jī)構(gòu)（NYSE紐約股票交易所、NASDAQ 納斯達(dá)克股票交易所、CME 芝加哥期貨交易所等）的服務(wù)器附近，最好是相同的機(jī)房；另一方面，這些公司對(duì)低時(shí)延傳輸電路的追求也達(dá)到了白熱化。

4K/8K/虛擬現(xiàn)實(shí)等業(yè)務(wù)的高吞吐量需求

TCP協(xié)議已經(jīng)成為Internet主流，TCP的確認(rèn)機(jī)制保證了可靠性，但也帶來(lái)了吞吐量受限的問(wèn)題，參見(jiàn)如下公式：TCP吞吐量受限于三個(gè)因素，帶寬BW、往返時(shí)延RTT和丟包率ρ 。假設(shè)帶寬足夠，且良好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量可以不考慮丟包率，則時(shí)延成為決定性因素。如果時(shí)延過(guò)大，客戶體驗(yàn)帶寬無(wú)法提升，此時(shí)僅提高帶寬無(wú)法解決問(wèn)題，形象的稱之為“帶寬黑洞”。

目前TCP協(xié)議包頭表征擁塞窗口（CWND）大小是16位，因此CWND最大值是64K字節(jié)（65536 Bytes）；MSS（Maximum Segment Size）是最大段長(zhǎng)度，一般是1460字節(jié)，傳輸網(wǎng)中一般可以假設(shè)丟包率為零，因此最后一項(xiàng)不需要考慮；假設(shè)帶寬（BW）為10Gbps，單向時(shí)延10ms（往返時(shí)延RTT為20ms）；根據(jù)上述公式，TCP協(xié)議的最大吞吐量只有26.3Mbps，遠(yuǎn)低于網(wǎng)絡(luò)帶寬。

考慮到網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況，業(yè)界通常認(rèn)為4K/8K高清視頻等實(shí)時(shí)大通量業(yè)務(wù)的吞吐量需要達(dá)到實(shí)際碼流速率的1.5倍，才能保證業(yè)務(wù)質(zhì)量。因此4K高清視頻的吞吐量需求為30~45Mbps，按照上述公式計(jì)算，所能容忍的最大往返時(shí)延RTT 為12~17ms。

雖然業(yè)界也提出了一些新技術(shù)來(lái)解決TCP協(xié)議的滑動(dòng)窗口受限問(wèn)題，例如 RFC7323 將滑動(dòng)窗口的總大小擴(kuò)展為30bit（230=1073725440Bytes），應(yīng)用層軟件采用UDP傳輸或者多TCP線程也可以改善滑動(dòng)窗口帶來(lái)的吞吐量限制；但是這些解決方案需要網(wǎng)絡(luò)整體的升級(jí)改造，短期內(nèi)難以全面部署?；诂F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，降低時(shí)延是解決TCP協(xié)議滑動(dòng)窗口受限問(wèn)題的最直接和最有效的手段。IDC和CDN的部署需要考慮到4K/8K高清視頻等高吞吐量業(yè)務(wù)的時(shí)延需求，合理部署。

實(shí)時(shí)性云業(yè)務(wù)的低時(shí)延需求

云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等發(fā)展趨勢(shì)使得越來(lái)越多的業(yè)務(wù)運(yùn)行在云上，云已經(jīng)成為通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)法回避的趨勢(shì)，而作為云的物理載體——數(shù)據(jù)中心逐漸成為網(wǎng)絡(luò)流量的核心，數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部以及數(shù)據(jù)中心之間(DCI)的遷移越來(lái)越頻繁，我們稱之為云通信業(yè)務(wù)。部分云通信業(yè)務(wù)有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性要求，此類業(yè)務(wù)也提出了低時(shí)延需求。

最典型的實(shí)時(shí)性云通信業(yè)務(wù)是虛擬機(jī)遷移，例如熱遷移通常要求時(shí)延低于 10ms。此外，云數(shù)據(jù)熱備份、云災(zāi)備、高通量協(xié)同計(jì)算等云通信業(yè)務(wù)也有著嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性要求。

隨著越來(lái)越多的上層業(yè)務(wù)遷移到云上，為了滿足用戶體驗(yàn)，同樣也會(huì)對(duì)云承載網(wǎng)絡(luò)提出嚴(yán)格的時(shí)延需求，例如云支付業(yè)務(wù)的最佳體驗(yàn)需要時(shí)延低于10ms、云桌面業(yè)務(wù)的最佳體驗(yàn)需要時(shí)延低于20ms，等等。

5G移動(dòng)通信的低時(shí)延承載需求

5G目前處于起步階段，提出了非常遠(yuǎn)大的愿景。ITU已將5G標(biāo)準(zhǔn)正式命名為 IMT-2020，我國(guó)IMT-2020(5G)推進(jìn)組在2014年發(fā)布的題為《5G愿景與需求》白皮書中提出了5G的關(guān)鍵技術(shù)能力，包括：0.1~1Gbps的用戶體驗(yàn)速率、每平方公里一百萬(wàn)的連接數(shù)密度、毫秒（ms）級(jí)的端到端時(shí)延、每平方公里數(shù)十Tbps的流量密度、每小時(shí)500公里（km）以上的移動(dòng)性和數(shù)十 Gbps以上的峰值速率，參考圖2。該白皮書明確了用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度和時(shí)延等5G網(wǎng)絡(luò)的三大基本性能指標(biāo)。

圖2：ITU-R M. 2083定義的IMT-2020(5G)關(guān)鍵能力指標(biāo)

5G相對(duì)于4G/LTE，對(duì)時(shí)延的要求更加苛刻。在5G后續(xù)發(fā)展中，需要無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和承載網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)專家深入合作，制定更加明確和合理的時(shí)延指標(biāo)，更好支撐5G的發(fā)展。

綜上所述，隨著電子交易、高清視頻、云計(jì)算和未來(lái)5G等業(yè)務(wù)的發(fā)展，時(shí)延已經(jīng)成為通信網(wǎng)絡(luò)的重要性能指標(biāo)，低時(shí)延也將成為未來(lái)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)能力競(jìng)爭(zhēng)的重要手段。在發(fā)達(dá)國(guó)家和國(guó)際市場(chǎng)的專線市場(chǎng)中，低時(shí)延電路已經(jīng)是一個(gè)專門的產(chǎn)品門類，時(shí)延已成為各大運(yùn)營(yíng)商專線業(yè)務(wù)的重要SLA和差異化指標(biāo)。

例如隸屬澳大利亞電信（Telstra）的海纜公司PACNET就將其兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的傳輸海纜專項(xiàng)按照時(shí)延性能分成低時(shí)延（Low Latency）、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)延（Standard Latency）和盡力而為（Best Effort）三個(gè)等級(jí)，并提供差異化定價(jià)。塔塔電信（TATA Communications）于2012年宣布建成全球低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)，重點(diǎn)服務(wù)于全球的金融公司和高頻交易公司。Verizon也專門成立了服務(wù)于金融公司的部門（VFN:Verizon Financial Network），并與2012年推出了紐約、新澤西、芝加哥六大金融和交易數(shù)據(jù)中心之間的專用低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)，其中最具有代表意義的CME芝加哥Cermak 路數(shù)據(jù)中心和新澤西Carteret 數(shù)據(jù)中心之間的傳輸專線雙向時(shí)延是14.5ms，比普通電路減少了40%。

審核編輯黃昊宇