應(yīng)用背景
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）是世界上最大、能量最高的粒子對(duì)撞機(jī)。它是由歐洲核子研究組織（CERN）于1998年至2008年間與由34個(gè)國(guó)家的10000多名科學(xué)家、數(shù)百所大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室合作建造的。
第一次碰撞是在2010年實(shí)現(xiàn)的，能量為每束3.5兆電子伏（TeV），約為之前世界紀(jì)錄的四倍。升級(jí)后，它達(dá)到了每束6.5兆電子伏（13兆電子伏總碰撞能量，目前的世界紀(jì)錄）。2018年底，它進(jìn)入了為期兩年的停機(jī)期，以便進(jìn)一步升級(jí)。
截至2010年6月，預(yù)算約90億美元的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是迄今為止建造的最昂貴的科學(xué)儀器之一。該項(xiàng)目的總成本預(yù)計(jì)為44億美元，其中11億美元用于歐洲核子研究中心對(duì)實(shí)驗(yàn)的貢獻(xiàn)。該設(shè)施費(fèi)用的1/3來(lái)自歐洲原子核研究委員會(huì)，1/3由其成員國(guó)額外提供，另外1/3可望從日本和美國(guó)獲得。1998年，中國(guó)由中科院、國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、科技部三家出資1600萬(wàn)元，在LHC上建立兩個(gè)探測(cè)器，供中國(guó)科學(xué)家參加CERN的合作研究。
LHC的主要目標(biāo)分包括：
1、我們目前對(duì)宇宙的理解是不完整的。粒子和力的標(biāo)準(zhǔn)模型總結(jié)了我們目前對(duì)粒子物理學(xué)的知識(shí)。這一標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)過(guò)許多實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，證明它在預(yù)測(cè)以前未發(fā)現(xiàn)的粒子存在方面的成功。然而，它留下了許多未解決的問(wèn)題，LHC將幫助回答這些問(wèn)題。
2、大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)還幫助我們研究反物質(zhì)的奧秘。在大爆炸時(shí)，物質(zhì)和反物質(zhì)的產(chǎn)生量肯定是相同的，但從我們迄今為止的觀察來(lái)看，我們的宇宙只是由物質(zhì)組成的。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)可以為此問(wèn)題提供一個(gè)答案。
3、除了質(zhì)子間碰撞的研究，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的重離子碰撞將提供一個(gè)觀察早期宇宙中存在的物質(zhì)狀態(tài)的窗口，稱為“夸克-膠子等離子體”。當(dāng)重離子以高能量碰撞時(shí)，它們會(huì)在瞬間形成一個(gè)由如此熾熱、致密的物質(zhì)組成的“火球”，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以研究。
在運(yùn)行了幾年之后，任何粒子物理實(shí)驗(yàn)通常都會(huì)受到回報(bào)遞減的影響：隨著該裝置所能獲得的關(guān)鍵結(jié)果開始完成，以后幾年的運(yùn)行所發(fā)現(xiàn)的結(jié)果與前幾年成比例地減少。高亮度大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的升級(jí)于2018年6月開始。升級(jí)的目的是將機(jī)器的光度提高10倍，高達(dá)1035厘米?2秒?1，為觀察罕見的過(guò)程提供更好的機(jī)會(huì)，并改進(jìn)統(tǒng)計(jì)邊緣測(cè)量。
LHC之前一直處于長(zhǎng)期停機(jī)狀態(tài)，但其已經(jīng)于2021年5月重啟，并將一直運(yùn)行到2024年底。2025年將再開啟新一輪升級(jí)，直到“HL-LHC”于2027年登場(chǎng)。目前，HL-LHC 已完成了第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的建造。
HL-LHC這一史無(wú)前例的大裝置有望觀測(cè)到極端稀有的物理現(xiàn)象并極大提高測(cè)量精度。為充分利用“高亮度LHC”提供的海量數(shù)據(jù)，LHC四大實(shí)驗(yàn)也均開展了探測(cè)器升級(jí)計(jì)劃。
存在挑戰(zhàn)
內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)通信對(duì)CERN至關(guān)重要。在內(nèi)部，超過(guò)50000公里的光纖為整個(gè)CERN站點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò)連接。CERN數(shù)據(jù)中心也是CERN互聯(lián)網(wǎng)交換點(diǎn)（CIXP）的所在地，這是一個(gè)運(yùn)營(yíng)商的中立交換點(diǎn)，通過(guò)它，CERN在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中發(fā)揮了核心作用。1991年，歐洲80%的互聯(lián)網(wǎng)國(guó)際流量容量都安裝在CERN數(shù)據(jù)中心。
隨著網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，IPv4地址不斷耗盡，WLCG網(wǎng)站在獲得必要的IPv4地址方面遇到了困難，未來(lái)新網(wǎng)站只能通過(guò)IPv6訪問(wèn)。為了整合這些站點(diǎn)，在WLCG中全面支持IPv6變得非常重要。雖然HEPiX IPv6工作組正在積極測(cè)試WLCG應(yīng)用的IPv6兼容性，但仍需要改善IPv6的互聯(lián)性。LHCOPN站點(diǎn)的IPv6連接已達(dá)到100%，而具有IPv6連接的LHCONE站點(diǎn)的比例較低。預(yù)計(jì)將持續(xù)改善IPv6互聯(lián)互通。
解決方案
國(guó)際高能物理網(wǎng)格（WLCG）WLCG最令人印象深刻的組成部分之一是其網(wǎng)絡(luò)和連接。由于在CERN建立了良好的連接和專用的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，它可以將數(shù)據(jù)分配到全球數(shù)百個(gè)合作機(jī)構(gòu)。自第二個(gè)長(zhǎng)達(dá)四年的LHC運(yùn)行期開始，全球的數(shù)據(jù)傳輸率也達(dá)到了新的峰值，約每秒60千兆字節(jié)的速率，比LHC運(yùn)行1期間的速率高出約三倍。
WLCG是一個(gè)全球計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，其任務(wù)是提供計(jì)算資源，以存儲(chǔ)、分發(fā)和分析LHC生成的數(shù)據(jù)，使所有合作伙伴，無(wú)論其物理位置如何，都能平等地獲取數(shù)據(jù)。
WLCG建立在Ian Foster和Carl Kesselman最初于1999年提出的網(wǎng)格技術(shù)思想之上。WLCG將世界各地的計(jì)算中心和網(wǎng)格資源連在一起，用于處理和分析LHC的高能物理實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)。該網(wǎng)格系統(tǒng)集成了世界上幾種主流的網(wǎng)格部件并在其上部署物理軟件，從而為相關(guān)的高能物理實(shí)驗(yàn)提供高性能的計(jì)算服務(wù)。
WLCG的特點(diǎn)包括：
物理學(xué)的關(guān)鍵工具：有史以來(lái)最先進(jìn)的科學(xué)數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，提供對(duì)LHC數(shù)據(jù)的近實(shí)時(shí)訪問(wèn)。- 無(wú)縫存?。河?jì)算資源包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量、處理能力、傳感器、可視化工具等。
- 全球合作：42個(gè)國(guó)家，170個(gè)計(jì)算中心，每天超過(guò)200萬(wàn)個(gè)任務(wù)，100萬(wàn)個(gè)計(jì)算機(jī)核心，1EB的存儲(chǔ)空間。
- 促進(jìn)研究：WLCG幫助物理學(xué)家于2012年7月4日宣布發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子。
成效與展望
為了支持國(guó)際高能物理網(wǎng)格（WLCG）的分層計(jì)算模型，其間部署了LHC光學(xué)專用網(wǎng)絡(luò)（LHCOPN），以實(shí)現(xiàn)從0級(jí)站點(diǎn)到1級(jí)站點(diǎn)的預(yù)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分發(fā)，并附帶支持1級(jí)站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)移動(dòng)處理。而后，隨著計(jì)算模型發(fā)展成為一個(gè)更加網(wǎng)狀的配置，對(duì)2級(jí)站點(diǎn)之間以及2級(jí)站點(diǎn)與1級(jí)站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)移動(dòng)的支持變得越來(lái)越重要，開發(fā)了LHC開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（LHCONE），為第2層提供了必要的網(wǎng)絡(luò)支持。
1） LHCOPN
LHCOPN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
LHCOPN的連接如圖所示。它是為L(zhǎng)HC數(shù)據(jù)傳輸和分析而保留的，具有高度彈性的體系結(jié)構(gòu)，并依賴于單獨(dú)部署或作為捆綁包部署的專用長(zhǎng)距離10G和100G以太網(wǎng)鏈路。隨著LHCONE的發(fā)展，第1層站點(diǎn)之間的大部分流量都從LHCOPN轉(zhuǎn)移到LHCONE。此外，LHCOPN鏈路由LHCONE備份，因?yàn)镃ERN本身可直接連接到LHCONE。
1） LHCOPN
LHCONE是從計(jì)算模型更新中自然產(chǎn)生的，面向完全分布式處理，需要在任何1級(jí)和2級(jí)站點(diǎn)之間進(jìn)行傳輸。它允許分擔(dān)昂貴的資源成本，并使HEP（高能物理）流量與普通互聯(lián)網(wǎng)流量分開。
LHCONE的核心服務(wù)是第三層VPN（虛擬專用網(wǎng)絡(luò)），目前正在進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）服務(wù)的工作，提供一定帶寬的按需鏈接。它依靠路由VPN，使用VRF（虛擬路由和推進(jìn)）實(shí)現(xiàn)，為HEP數(shù)據(jù)傳輸和分析提供專用的全球骨干網(wǎng)。
LHCONE L3VPN服務(wù)功能包括：
-以高帶寬連接第1層、第2層和第3層的全球主干網(wǎng)
-專用于HEP數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸?/p>
-允許繞過(guò)慢速外圍防火墻的受信任流量
LHCONE L3VPN結(jié)構(gòu)
LHCONE發(fā)展的意義：
- 因?yàn)樯鐓^(qū)希望它發(fā)揮作用
- –從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的角度來(lái)看，它可以有效地提供標(biāo)記流量，這些流量可以通過(guò)流量工程來(lái)管理其對(duì)網(wǎng)絡(luò)中特殊資源（如跨洋鏈路）的使用。
- –從網(wǎng)絡(luò)政治的角度來(lái)看，它允許LHC流量使用一般互聯(lián)網(wǎng)流量無(wú)法使用的資源（主要是跨洋鏈接）。
- –從LHC社區(qū)的視角來(lái)看，它提供了一種創(chuàng)建和管理定義良好且相對(duì)可信的環(huán)境的方法。
- 因?yàn)镃ERN有（松散的）中央管理
- 因?yàn)長(zhǎng)HCONE使用與一般互聯(lián)網(wǎng)相同的協(xié)議、路由、流程和程序進(jìn)行操作。
- –這使得它能夠在全球范圍內(nèi)跨網(wǎng)絡(luò)域擴(kuò)展。
- 由于LHC是許多R&E網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的一個(gè)重要項(xiàng)目，因此它受到了供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)的工程師關(guān)注。
- 因?yàn)樗艿絽⑴c網(wǎng)絡(luò)的國(guó)家和perfSONAR的密切監(jiān)控
- –如果要保持端到端的高吞吐量，perfSONAR監(jiān)控至關(guān)重要
LHCONE L3VPN結(jié)構(gòu)
LHCONE是研究教育網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商的一個(gè)合作項(xiàng)目，合作組織包括ESnet、GEANT、Internet2、SURFnet和NORDUnet等。2018年，在中國(guó)科技網(wǎng)、中國(guó)教育網(wǎng)的大力支持和幫助下，依托中歐國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)資源，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所正式開通LHCONE。通過(guò)中國(guó)科技云中歐陸纜和中歐海纜線路，分別與歐洲科研網(wǎng)絡(luò)GEANT建立LHCONE VPN連接；通過(guò)中國(guó)科技云西雅圖節(jié)點(diǎn)和芝加哥節(jié)點(diǎn)，分別與北美科研網(wǎng)絡(luò)ESNET建立LHCONE VPN連接。從而實(shí)現(xiàn)了在中國(guó)科技云網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施與CERN LHCONE虛擬專網(wǎng)的多鏈路冗余對(duì)接。通過(guò)時(shí)延大幅降低的中歐陸纜線路，進(jìn)一步提升了用戶數(shù)據(jù)傳輸性能；通過(guò)歐洲北美2個(gè)方向、4條線路的冗余互聯(lián)，大幅提升了中國(guó)科學(xué)院高能所與CERN網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)可靠性，高效的支撐了用戶國(guó)際合作數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。
LHCONE L3VPN結(jié)構(gòu)
對(duì)LHCONE資源的完全訪問(wèn)支持了位于日本筑波的SuperKEKB加速器的國(guó)際合作項(xiàng)目Belle II。它是KEKB加速器的升級(jí)項(xiàng)目。盡管大多數(shù)Belle II成員站點(diǎn)已經(jīng)參與了WLCG合作，兩個(gè)主要地點(diǎn)，主實(shí)驗(yàn)室（日本的KEK）和美國(guó)的太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）沒(méi)有。LHC社區(qū)允許了它對(duì)LHCONE的訪問(wèn)，隨著PNNL現(xiàn)在完全連接和KEK的即將整合，Belle II合作項(xiàng)目成員的生產(chǎn)力將很快得到提高。
