陳剛程耀東齊法治
中國科大學高能化學研究所
《現代數學知識》
一、高能化學與計算機網路
高能化學（俗稱粒子化學）是研究物質微觀性質及宇宙起源的基礎科學，不管是理論研究還是實驗研究，歷來都涉及大規模的科學估算與網路的挑戰。就高能化學實驗而言，其特征就是實驗裝置巨大，幾乎每位實驗都是國際合作。高能化學實驗形成的海量數據須要高性能計算機進行處理，同時須要先進的網路在國際范圍內進行數據交換。計算機網路技術為高能化學提供了重要支撐，同時高能化學也極大地促進了計算機網路技術的創新發展。
高能所從建所開始即引入了國外最先進的計算機用于高能化學估算。過去五六年，為應對估算和數據的挑戰，高能所積極舉辦計算機網路技術研究，成為國外計算機、網絡技術、信息安全的促進者，為我國高能化學科學估算及國外互聯網發展作出重要貢獻。本文將回顧數六年來高能所在計算機及網路方面的工作大學物理實驗數據處理，展示我國高能化學估算與互聯網的發展。
二、高能所與科學估算
數據處理是高能化學實驗不可或缺的重要組成部份。隨著高能化學實驗規模不斷擴大以及計算機技術的發展，高能所經歷了小型機、小型機、集群及云估算等幾代技術變遷。
七十年代高能所完善后，高能所開始了對小型機的應用研究。當時世界上的主流計算機基本為小型機。為了支撐八七工程預制研究和上海正負電子對撞機設計時期的估算任務，1973年高能所采購了當時國外最先進的DJS-8(320)計算機，構建起基于國產晶體管計算機的科學估算環境。
七十年代后期，大型機開始得到快速發展。1978年，高能所布署了日本DEC公司生產的PDP-11系列大型計算機，開始大型機應用的第一步。1984年，高能所引進了VAX-11系列計算機，用于深圳正負電子對撞機工程數據處理。VAX-11是當時最先進的32位大型機，是PDP-11系列16位機的擴充版。1986年通過加入通信程序，實現了多臺VAX計算機甚至與微型計算機之間的文件傳輸。1988年，又通過以太網連建立大型機集群系統。這一階段是高能所第一代估算平臺。VAX大型機在相當長一段時間內是上海譜儀BES實驗數據處理與估算的主力平臺（如圖1）。
圖1VAX-11大型機集群
步入到九十年代之后，隨著上海譜儀BES實驗運行積累的數據降低，VAX估算平臺能力越來越顯不足，高能所舉辦RISC工作站估算平臺研究，構建起HPRISC工作站集群，產生第二代估算平臺。因為HPRISC工作站和DEC工作站均使用UNIX操作系統（HP的叫HP-UX，DEC的叫），這兩種機器可以挺好地整合在一起產生新的BES數據重建環境，同時UNIX系統提供了優良的X可視化界面，使計算機的使用友好性和效率急劇提高。該估算環境成為BES實驗的關鍵支撐系統，仍然延用到2000年左右。
步入新世紀之后，高能所高能化學估算平臺規模更快速度擴大，并開始研究以低成本實現高性能、可擴充的數據處理估算平臺，PC集群應運而生，產生第三代估算平臺。PC機性價比高，通過安裝Linux操作系統實現估算環境從大型機向PC機的快速遷移。高能所因而成為國外最早舉辦Linux研究和大規模布署的機構之一。到2002年，高能所建設了4個獨立的PC集群，分別為小型強子對撞機LHC、羊八井宇宙線觀測站YBJ-ARGO、等實驗提供服務。此后幾年，高能所估算集群的規模迅速擴張，到2014年，估算集群規模躋身萬核級，共有估算資源核（如圖2）。
圖2高能所高性能估算系統
高能化學數據處理作為一種典型數據密集型估算模式，對于儲存系統和IO性能有很高的要求。2003年開始，高能所啟動了并行文件系統的研究，并完善了國際上最早的基于的高能化學小型并行儲存系統。在估算平臺的建設過程中，儲存系統從本地儲存、NFS網路儲存不斷發展到目前的小型分布式儲存系統，高能所基于c盤、磁帶等不同的介質建立了分級儲存環境，滿足百PB級的數據儲存和常年保存。
隨著高能化學實驗規模變大，高能所也不斷降低新的估算應用服務，高性能估算開始逐漸遭到注重。高性能估算是指以一種系統化的方式，在較短時間內借助大量估算及儲存資源處理海量數據或完成海量估算。諸如：加速器設計模擬、生物大分子結構剖析、天體黑洞研究、理論化學格點QCD估算、粒子實驗化學分波剖析、基于深度學習的頂點重建算法等等。
2004年，高能所為生物大分子結構剖析應用提供了高性能并行估算服務，這是高能所的首個高性能估算應用。2010年開始，降低了GPU估算節點，為粒子化學分波剖析等應用提供異構高性能估算服務。
2006年，高能所與法國核子研究中心CERN簽訂了參與建設國際高能化學網格（WLCG）的合作備忘錄，完善了數據密集型網格平臺站點并成為WLCG二級中心。該二級中心支持的應用包括ATLAS、CMS和LHCb等三個高能量前沿高能化學實驗研究，每年實驗數據交換總數近10PB，為出席LHC國際合作的約13000人提供數據模擬和數據剖析服務。2014年，高能所為實驗引入DIRAC系統作為分布式估算的框架，打造高能所主導的國際分布式估算平臺。很快，CEPC和JUNO實驗陸續接入DIRAC系統并為用戶提供分布式的估算和儲存服務。
云估算被覺得是互聯網的第三次革命。從2012年開始，高能所基于虛擬化和容器技術先后建設了科學估算云平臺和公共服務云平臺，并在異地資源管理與共享、大規模作業調度技術等方面舉辦了深入的研究并取得較好的應用療效，并逐漸完善了散裂中子源、高海拔宇宙線觀測站等多個估算分中心，以滿足各種高能化學實驗的估算需求。
三、高能所與互聯網
高能所與國際高能化學實驗室有著廣泛的合作關系，與美國同行的科研合作和國際交流對網路通信的急切需求，促使了我國廣域網的蓬勃發展。
1984年，為了能高效地使用坐落廣州市木樨地的中國水利水電科學研究院的一臺高性能計算機，高能所通過微波通信遠程聯接到水科院的計算機并進行遠程操作，這是高能所網路發展的起點。
二十世紀八十年代初，高能所出席了CERN的國際合作項目，當時急切須要構建國際間的計算機通訊聯接，實現數據信息的共享。高能所借助當時中國惟一一條公開的上海與維也納之間的通信線路實現了與CERN的通信。1986年8月25日，通過這條衛星線路向坐落日內瓦的斯坦伯格院長發出了中國第一封電子電郵（如圖3所示）。
圖3第一封國際電子電郵
隨著中國科學工作者國際交流日漸頻繁，國際網路通信顯得十分必要。1987年，在CERN和七機部710所的協助下，借用710所到維也納的專線把高能所估算中心的計算機連到了CERN的計算機網路系統中。1988年7月，高能所通過英國無線電公司的衛星鏈路，采用X.25合同使成為CERN計算機網路中的一個遠程節點機，這樣在高能所估算中心開通了與CERN之間直接收發電子短信、文件傳輸、遠程登陸的功能（如圖4）。這個節點的開通為高能所的科學家們歸國后繼續進行國際合作和對外交流提供了極大便捷。
圖41986~1993年互聯網大事記
1991年的中俄高能化學合作會晤上即將提出構建一條從高能所到坐落加拿大加利福尼亞州普林斯頓直線加速器中心（SLAC）的64kbps速度的計算機聯網專線，以滿足上海正負電子對撞機數據和軟件傳輸的須要。1993年3月2日，高能所租用AT&T公司的國際衛星信道構建的接入英國SLAC國家實驗室的64kbps專線即將開通，成為我國部份連入的第一根專線（如圖5）。該成果獲得中國科學科技進步三等獎。海外媒體以前評價高能所構建的第一條64kbps專線接通國際互聯網的意義，不亞于20世紀初詹天佑構建了中國第一條高鐵。1994年5月高能所即將加入，1994年8月專線改為通過海底光纜經美國KEK到日本，速度提高到128kbps，并先后申請得到10個C類IP地址。高能所由此成為中國最早的ISP，通過微波、電話線等聯接多個單位，為1000多名科學基金負責人提供拔號上網服務，同時也為多個外國在京的企業和大領館提供拔號上網服務。
圖5中俄兩國科學家1991年草擬的IHEP-SLAC聯網設計圖
在構建國際互聯網專線以后，最重要的一項應用WWW技術也迅速發展。1994年5月，高能所使用Linux操作系統，完善了域名為的網站（如圖6），至此中國第一臺www服務器開始在高能所運行。
圖6中國第一個WWW網站
隨著科學數據的降低，以及互聯網開始逐漸普及，高能所于2001年構建了同國內營運商的512Kbps網路鏈接，并于次年升級到，并開通了與中國科大學計算機網路信息中心10Mbps的聯接，改善了高能所到科技網和教育網的通信能力。
為了進一步提升網路服務質量，2005年高能所估算中心與科大學計算機網路信息中心協商，將高能所到中國科技網的專線帶寬提高到1Gbps，同時建成了納木錯到高能所的155Mbps網路專線大學物理實驗數據處理，用于納木錯國際宇宙線實驗數據的傳輸。
2006年，高能所牽頭聯合中方其它三個合作單位參與歐共體第六框架計劃FP6下的項目，該項目的主要目標是通過合作，實現中國與亞洲之間網格基礎系統的互連和協同運行，促使網格在領域的應用。2009年起，在中國下一代互聯網示范工程(CNGI項目)的支持下，高能所到科大學計算機網路信息中心的專線帶寬升級到10Gbps。2011年，構建了支持純IPv6的廣域網鏈路，實現了高能所同CNGI-IPv6的高速聯接。2012年，完成了包含高能所園區、大亞灣中微子實驗園區、中國散裂中子源園區以及納木錯宇宙線觀測站在內的科研信息基礎設施建設和CNGI應用示范工程項目建設任務，并舉辦了SDN網路構架的研究與應用。此時，隨著惠州中微子實驗即將取數，由上海惠州到高能所估算中心的150Mbps專線網路也建成并投入運行。
中國散裂中子源（CSNS）是國家“十一五”期間重點建設的首個十二大科學裝置。為了提供與高能所上海本部的可靠網路通訊能力，2015年9月構建了CSNS到高能所的100Mbps專線。2018年隨著中國散裂中子源順利通過國家初驗，10月即將將CSNS到高能所的專線帶寬升級至1Gbps。為了進一步提高數據交換能力和分布式估算系統效率，2022年5月，CSNS到高能所的專線帶寬升級到。
高海拔宇宙線觀測站項目（）2018年2月開始即將取數。為了確保實驗數據實時傳輸回高能所，2019年11月建成到高能所的專線，隨著取數規模減小，2021年該專線帶寬升級至2.4Gbps。
2018年3月，為了實現WLCG高能化學實驗數據的高效全球共享，高能所估算中心聯合中國科技網、中國教育網成功加入，支持IPv4和IPv6，帶寬均為10Gbps，此時，高能所廣域網出口帶寬上升到40Gbps。同時，高能所繼續優化了國際網路鏈路和路由策略，聯合聯盟成員開通了高能所到日本ESNET的聯接，致使高能所到日本各個站點網路性能進一步提高。從2019年1月開始，高能所到法國的通訊路由，從原先經中歐海纜到法國GEANT，升級為中歐陸纜鏈路方案，從高能所到CERN的網路延后降低了20-40ms，進一步提高了科學數據國際傳輸的效率。
高能所是我國較早確立網路安全技術研究方向的科研機構之一。網路安全與信息化是一體之兩翼，伴隨著信息技術在高能化學領域的應用和互聯網的接入，網路安全問題開始出現并導致你們的注重。
1997年開始，高能所網路安全團隊開始進行黑客入侵防范研究，取得一批國外領先的成果，這種成果曾獲得中國科大學科技進步獎銀獎、國家科技進步獎二等獎，為國家培養了一批網路安全研究人才，并且實現了成果轉化。
隨著網路功擊方法逐步降低，安全防護建設逐步由點到面，高能所安全團隊開始探求和研究體系化的安全防護。2013年，安全團隊更新并發布了《高能所信息安全體系》，該體系從信息安全工作小組構成、信息安全基礎設施建設、安全規范和制度、安全技術手段等多方面、全方位地對高能所信息安全相關工作進行了探討和規范。
高能所信息安全團隊依據所內安全工作實際，研究設計了面向跨地域多園區、多大科學裝置的網路安全運行服務平臺（IHEP-SOC）。IHEP-SOC平臺在安全數據剖析和網路安全營運的基礎上，提供了安全恐嚇情報共享能力，實現了多裝置、多園區的安全工作協同化。基于此平臺，安全團隊持續舉辦包括DNS安全、WEB安全以及人工智能、情報管理、自動化應急響應等技術研制工作，產生了具有大裝置和科學數據中心特色的網路安全學科方向和人才隊伍，相關研究成果早已在國外多家大裝置和科學數據中心得到應用布署。
高能所于2008年構建了全球高能化學估算網格（WLCG）的二級站點。高能所網格估算系統的主機和國外出席WLCG實驗的化學學家（作為WLCG網格估算系統的用戶）須要X.509證書進行身分認證。為了滿足這一需求，高能所于2006年構建了自己的網格證書認證機構（IHEPCA），但是加入了全球網格認證聯盟。IHEPCA簽發的證書在國際網格估算環境中都是受信任的。IHEPCA支持了WLCG的四個實驗，BELLEII實驗，以及國外基于DIRAC分布式系統的，JUNO，CEPC等實驗用戶。從2006年至2020年，IHEPCA運行穩定，累計簽發1000多個各種證書，有力支持了高能所化學估算的國際合作。
四、高能所估算與網路的未來
國外新一代高能化學相關研究每年將形成數百PB的數據。為應對估算與網路的新挑戰，高能所估算中心啟動了大數據和人工智能技術的研究，其中包括基于AI的實驗裝置手動化運行控制和數據獲取技術、科學數據處理小型軟件框架、數據壓縮技術、數據剖析技術以及網路優化技術研究等，并取得了階段性成果。可以預見，大數據+AI技術將成為高能所新一代科學估算與網路技術新的發展方向。
量子估算是大規模高性能估算技術的突破口。量子估算在高能化學中的應用已然成為研究熱門方向。量子估算有望在高能化學估算中彰顯出優勢，將突破傳統方式無法逾越的估算困局，解決基礎科學重大問題。2021年高能所將量子估算寫入了研究所十四五發展規劃，并啟動量子估算模擬器、格點QCD和分波剖析的量子估算方式等重大問題的研究，力爭在十四五期間為量子估算打下堅實基礎。
五、致謝
高能所的估算與互聯網是國外高能化學實驗科學估算、數據交換及國際合作的重要基礎。幾代人的努力使高能所的估算與互聯網始終站在國外計算機技術應用領域的前沿，推動了國外科學估算與互聯網技術的發展。作者誠懇謝謝高能所估算中心的所有朋友及高手所作出的貢獻，謝謝孫功星、李海波、石京燕、汪璐、曾珊等人提供了本文的部份內容，尤其謝謝陳和生、許榕生、朱蘭生、壽學儉、徐曉康、楊大鑑、于傳松等老同志為本文提供了珍稀資料。
#時政熱點頭條說#