基于Java的数字货币交易系统的架构设计与开发

前言

无论是股票交易系统，还是数字货币交易系统，都离不开撮合交易引擎，这是交易平台的心脏。同时，一个优秀的架构设计也会让交易平台的运维和持续开发更加容易。本文基于对开源项目的深入研究，总结了数字货币交易系统的架构设计。

本文参考了开源项目：https://gitee.com/cexchange/CoinExchange

关于撮合交易系统

撮合技术主要是从数据库撮合技术向内存撮合技术发展，这是因为数据库撮合技术越来越无法满足金融交易对于高可靠性、高性能、强安全性、可扩展性以及易维护性的需求。金融（币币）交易撮合系统中包括以下几个核心模块:

• 用户：终端用户委托报价与数量,生成订单发送至交易平台。
• 网关：负责收集用户订单,并将其派发给撮合引擎。
• 撮合引擎：交易系统中的核心部分,用于接收订单并根据业务逻辑实现订单 撮合同时生成交易记录,随后给予用户交易结果反馈。
• 数据库：用来存放交易过程中的订单和交易记录,实现数据持久化。
• 消息队列：一般用于订单消息的传输

关于技术选型

一个交易所平台的技术架构主要考虑安全性、分布式、易扩展、容错性、低延时、高并发等特性，以及熔断机制、服务注册和发现、消息服务、服务网关、安全认证、内存数据库、关系型数据库等各种选项，最终形成了如下技术选型：

1. 分布式基础进行架构SpringCloud与Dubbo之间二选一，由于SpringCloud更加知名，SpringCloud的程序员更好招聘，有利于系统的长期运维升级，而且SpringCloud是基于SpringBoot开发，比较有亲切感，所以选择了SpringCloud, 其实由于阿里系的强大影响，国内Dubbo使用更加广泛，不同的团队可以根据自己的情况选择。
2. 引入Hystrix断路器作为容错保护模块，防止单个服务的故障，耗尽整个撮合系统容器的线程资源，避免分布式环境里大量级联失败。对通过第三方客户端访问依赖服务出现失败、拒绝、超时或短路时执行回退逻辑。
3. 采用Eureka作为服务注册与发现中心，实现中间层服务，以达到负载均衡和中间层服务故障转移的目的。
4. 服务网关Spring Cloud Gateway 与 Zuul 的选型，选择了Zuul，因为名字短一些。
5. 引入SpringCloud Security安全认证模块用于构建安全的应用程序和服务，SpringCloud Security在Spring Boot和Spring Security OAuth2的基础上，可以快速创建和实现常见的安全认证方式，如单点登录，令牌中继和令牌交换等。
6. 引入Redis作为内存数据库，兼做系统数据缓存和内存计算。
7. 使用MySQL作为关系数据库，性能测试非常过关，而且对熟悉MYSQL的程序员非常友好。
8. 消息队列中间件MQ采用了Kafka, 具有超高性能体现。

关于交易所架构设计

基于SpringCloud开发基于微服务架构的交易平台，首先需要对SpringCloud的基础架构有所了解，我们熟知的SpringCloud微服务架构如下图所示：

由于篇幅关系，本文就不对SpringCloud的技术架构进行详细解读了。

在SpringCloud这个优秀的微服务框架基础之上，如何构建一个交易系统呢？开源项目CoinExchange对交易所的架构做了如下架构设计：

将撮合交易引擎、API等拆分作为单独的服务，基于SpringCloud构建了一个精简的交易所架构。

部署图如下：

关于撮合交易引擎

采用内存撮合的方式进行，以Kafka做撮合订单信息传输，MongoDB持久化订单成交明细，MySQL记录订单总体成交。其中行情模块主要负责订单成交持久化、行情生成、行情推送等服务，包括：

• K线数据，间隔分别为：1分钟、5分钟、15分钟、30分钟、1小时、1天、1周、1月
• 所有交易对的市场深度（market depth）数据
• 所有交易对的最新价格
• 最近成交的交易对

内存撮合交易支持的模式

• 限价订单与限价订单撮合
• 市价订单与限价订单撮合
• 限价订单与市价订单撮合
• 市价订单与市价订单撮合

撮合逻辑过程如下图所示：

示例代码如下：

     /**
      * 限价委托单与限价队列匹配
      * @param lpList 限价对手单队列
      * @param focusedOrder 交易订单
      */
     public void matchLimitPriceWithLPList(TreeMap<BigDecimal,MergeOrder> lpList, ExchangeOrder focusedOrder,boolean canEnterList){
         List<ExchangeTrade> exchangeTrades = new ArrayList<>();
         List<ExchangeOrder> completedOrders = new ArrayList<>();
         synchronized (lpList) {
             Iterator<Map.Entry<BigDecimal,MergeOrder>> mergeOrderIterator = lpList.entrySet().iterator();
             boolean exitLoop = false;
             while (!exitLoop && mergeOrderIterator.hasNext()) {
                 Map.Entry<BigDecimal,MergeOrder> entry = mergeOrderIterator.next();
                 MergeOrder mergeOrder = entry.getValue();
                 Iterator<ExchangeOrder> orderIterator = mergeOrder.iterator();
                 //买入单需要匹配的价格不大于委托价，否则退出
                 if (focusedOrder.getDirection() == ExchangeOrderDirection.BUY && mergeOrder.getPrice().compareTo(focusedOrder.getPrice()) > 0) {
                     break;
                 }
                 //卖出单需要匹配的价格不小于委托价，否则退出
                 if (focusedOrder.getDirection() == ExchangeOrderDirection.SELL && mergeOrder.getPrice().compareTo(focusedOrder.getPrice()) < 0) {
                     break;
                 }
                 while (orderIterator.hasNext()) {
                     ExchangeOrder matchOrder = orderIterator.next();
                     //处理匹配
                     ExchangeTrade trade = processMatch(focusedOrder, matchOrder);
                     exchangeTrades.add(trade);
                     //判断匹配单是否完成
                     if (matchOrder.isCompleted()) {
                         //当前匹配的订单完成交易，删除该订单
                         orderIterator.remove();
                         completedOrders.add(matchOrder);
                     }
                     //判断交易单是否完成
                     if (focusedOrder.isCompleted()) {
                         //交易完成
                         completedOrders.add(focusedOrder);
                         //退出循环
                         exitLoop = true;
                         break;
                     }
                 }
                 if(mergeOrder.size() == 0){
                     mergeOrderIterator.remove();
                 }
             }
         }
         //如果还没有交易完，订单压入列表中
         if (focusedOrder.getTradedAmount().compareTo(focusedOrder.getAmount()) < 0 && canEnterList) {
             addLimitPriceOrder(focusedOrder);
         }
         //每个订单的匹配批量推送
         handleExchangeTrade(exchangeTrades);
         if(completedOrders.size() > 0){
             orderCompleted(completedOrders);
             TradePlate plate = focusedOrder.getDirection() == ExchangeOrderDirection.BUY ? sellTradePlate : buyTradePlate;
             sendTradePlateMessage(plate);
         }
     }

     /**
      * 限价委托单与市价队列匹配
      * @param mpList 市价对手单队列
      * @param focusedOrder 交易订单
      */
     public void matchLimitPriceWithMPList(LinkedList<ExchangeOrder> mpList,ExchangeOrder focusedOrder){
         List<ExchangeTrade> exchangeTrades = new ArrayList<>();
         List<ExchangeOrder> completedOrders = new ArrayList<>();
         synchronized (mpList) {
             Iterator<ExchangeOrder> iterator = mpList.iterator();
             while (iterator.hasNext()) {
                 ExchangeOrder matchOrder = iterator.next();
                 ExchangeTrade trade = processMatch(focusedOrder, matchOrder);
                 logger.info(">>>>>"+trade);
                 if(trade != null){
                     exchangeTrades.add(trade);
                 }
                 //判断匹配单是否完成，市价单amount为成交量
                 if(matchOrder.isCompleted()){
                     iterator.remove();
                     completedOrders.add(matchOrder);
                 }
                 //判断吃单是否完成，判断成交量是否完成
                 if (focusedOrder.isCompleted()) {
                     //交易完成
                     completedOrders.add(focusedOrder);
                     //退出循环
                     break;
                 }
             }
         }
         //如果还没有交易完，订单压入列表中
         if (focusedOrder.getTradedAmount().compareTo(focusedOrder.getAmount()) < 0) {
             addLimitPriceOrder(focusedOrder);
         }
         //每个订单的匹配批量推送
         handleExchangeTrade(exchangeTrades);
         orderCompleted(completedOrders);
     }

     /**
      * 市价委托单与限价对手单列表交易
      * @param lpList  限价对手单列表
      * @param focusedOrder 待交易订单
      */
     public void matchMarketPriceWithLPList(TreeMap<BigDecimal,MergeOrder> lpList, ExchangeOrder focusedOrder){
         List<ExchangeTrade> exchangeTrades = new ArrayList<>();
         List<ExchangeOrder> completedOrders = new ArrayList<>();
         synchronized (lpList) {
             Iterator<Map.Entry<BigDecimal,MergeOrder>> mergeOrderIterator = lpList.entrySet().iterator();
             boolean exitLoop = false;
             while (!exitLoop && mergeOrderIterator.hasNext()) {
                 Map.Entry<BigDecimal,MergeOrder> entry = mergeOrderIterator.next();
                 MergeOrder mergeOrder = entry.getValue();
                 Iterator<ExchangeOrder> orderIterator = mergeOrder.iterator();
                 while (orderIterator.hasNext()) {
                     ExchangeOrder matchOrder = orderIterator.next();
                     //处理匹配
                     ExchangeTrade trade = processMatch(focusedOrder, matchOrder);
                     if (trade != null) {
                         exchangeTrades.add(trade);
                     }
                     //判断匹配单是否完成
                     if (matchOrder.isCompleted()) {
                         //当前匹配的订单完成交易，删除该订单
                         orderIterator.remove();
                         completedOrders.add(matchOrder);
                     }
                     //判断焦点订单是否完成
                     if (focusedOrder.isCompleted()) {
                         completedOrders.add(focusedOrder);
                         //退出循环
                         exitLoop = true;
                         break;
                     }
                 }
                 if(mergeOrder.size() == 0){
                     mergeOrderIterator.remove();
                 }
             }
         }
         //如果还没有交易完，订单压入列表中,市价买单按成交量算
         if (focusedOrder.getDirection() == ExchangeOrderDirection.SELL&&focusedOrder.getTradedAmount().compareTo(focusedOrder.getAmount()) < 0
                 || focusedOrder.getDirection() == ExchangeOrderDirection.BUY&& focusedOrder.getTurnover().compareTo(focusedOrder.getAmount()) < 0) {
             addMarketPriceOrder(focusedOrder);
         }
         //每个订单的匹配批量推送
         handleExchangeTrade(exchangeTrades);
         if(completedOrders.size() > 0){
             orderCompleted(completedOrders);
             TradePlate plate = focusedOrder.getDirection() == ExchangeOrderDirection.BUY ? sellTradePlate : buyTradePlate;
             sendTradePlateMessage(plate);
         }
     }

关于区块链钱包对接

每个币种对应不同的数据访问方式，大部分区块链项目的钱包操作方式是相同的或十分相似的，比如BTC、LTC、BCH、BSV、BCD等比特币衍生币，其API操作方式几乎一样；再比如ETH，当你掌握一个合约币种的操作，其他基于ETH发行的数字货币的操作方式几乎一样。所以，基本上当你花时间弄懂了一个，就懂了一堆币种。

本项目使用的钱包操作方案也是不同的，也尽可能的为大家展示了不同用法：

• 如BTC、USDT，使用的自建全节点，现在差不多需要300G硬盘空间；
• 如ETH，使用的是自建轻节点（参考文章），因为全节点需要硬盘空间太大；
• 如BCH、BSV等，使用的是第三方区块链浏览器获取数据；
• 如XRP，官方就已经提供了访问区块数据的接口（Ripple API GitHub地址）

一般而言，当交易所来往资金量不大的时候，你可以自己摸索，但是当交易所资金量大了以后，如果你对自己操作钱包不太放心，你也可以使用第三方的钱包服务，当然，这需要你与钱包服务商进行谈判，付个年费什么的。

下图是关于交易平台充值逻辑的一个简单时序图：

总结

通过以上的说明及图示，我们基本上对交易所的整体架构有了一定的认知。

感谢

最后感谢开源交易所项目给与我学习的机会！

Java开源交易平台项目：https://gitee.com/cexchange/CoinExchange