陈刚程耀东齐法治
中国科大学高能化学研究所
《现代数学知识》
一、高能化学与计算机网路
高能化学（俗称粒子化学）是研究物质微观性质及宇宙起源的基础科学，不管是理论研究还是实验研究，历来都涉及大规模的科学估算与网路的挑战。就高能化学实验而言，其特征就是实验装置巨大，几乎每位实验都是国际合作。高能化学实验形成的海量数据须要高性能计算机进行处理，同时须要先进的网路在国际范围内进行数据交换。计算机网路技术为高能化学提供了重要支撑，同时高能化学也极大地促进了计算机网路技术的创新发展。
高能所从建所开始即引入了国外最先进的计算机用于高能化学估算。过去五六年，为应对估算和数据的挑战，高能所积极举办计算机网路技术研究，成为国外计算机、网络技术、信息安全的促进者，为我国高能化学科学估算及国外互联网发展作出重要贡献。本文将回顾数六年来高能所在计算机及网路方面的工作大学物理实验数据处理，展示我国高能化学估算与互联网的发展。
二、高能所与科学估算
数据处理是高能化学实验不可或缺的重要组成部份。随着高能化学实验规模不断扩大以及计算机技术的发展，高能所经历了小型机、小型机、集群及云估算等几代技术变迁。
七十年代高能所完善后，高能所开始了对小型机的应用研究。当时世界上的主流计算机基本为小型机。为了支撑八七工程预制研究和上海正负电子对撞机设计时期的估算任务，1973年高能所采购了当时国外最先进的DJS-8(320)计算机，构建起基于国产晶体管计算机的科学估算环境。
七十年代后期，大型机开始得到快速发展。1978年，高能所布署了日本DEC公司生产的PDP-11系列大型计算机，开始大型机应用的第一步。1984年，高能所引进了VAX-11系列计算机，用于深圳正负电子对撞机工程数据处理。VAX-11是当时最先进的32位大型机，是PDP-11系列16位机的扩充版。1986年通过加入通信程序，实现了多台VAX计算机甚至与微型计算机之间的文件传输。1988年，又通过以太网连建立大型机集群系统。这一阶段是高能所第一代估算平台。VAX大型机在相当长一段时间内是上海谱仪BES实验数据处理与估算的主力平台（如图1）。
图1VAX-11大型机集群
步入到九十年代之后，随着上海谱仪BES实验运行积累的数据降低，VAX估算平台能力越来越显不足，高能所举办RISC工作站估算平台研究，构建起HPRISC工作站集群，产生第二代估算平台。因为HPRISC工作站和DEC工作站均使用UNIX操作系统（HP的叫HP-UX，DEC的叫），这两种机器可以挺好地整合在一起产生新的BES数据重建环境，同时UNIX系统提供了优良的X可视化界面，使计算机的使用友好性和效率急剧提高。该估算环境成为BES实验的关键支撑系统，仍然延用到2000年左右。
步入新世纪之后，高能所高能化学估算平台规模更快速度扩大，并开始研究以低成本实现高性能、可扩充的数据处理估算平台，PC集群应运而生，产生第三代估算平台。PC机性价比高，通过安装Linux操作系统实现估算环境从大型机向PC机的快速迁移。高能所因而成为国外最早举办Linux研究和大规模布署的机构之一。到2002年，高能所建设了4个独立的PC集群，分别为小型强子对撞机LHC、羊八井宇宙线观测站YBJ-ARGO、等实验提供服务。此后几年，高能所估算集群的规模迅速扩张，到2014年，估算集群规模跻身万核级，共有估算资源核（如图2）。
图2高能所高性能估算系统
高能化学数据处理作为一种典型数据密集型估算模式，对于储存系统和IO性能有很高的要求。2003年开始，高能所启动了并行文件系统的研究，并完善了国际上最早的基于的高能化学小型并行储存系统。在估算平台的建设过程中，储存系统从本地储存、NFS网路储存不断发展到目前的小型分布式储存系统，高能所基于c盘、磁带等不同的介质建立了分级储存环境，满足百PB级的数据储存和常年保存。
随着高能化学实验规模变大，高能所也不断降低新的估算应用服务，高性能估算开始逐渐遭到注重。高性能估算是指以一种系统化的方式，在较短时间内借助大量估算及储存资源处理海量数据或完成海量估算。诸如：加速器设计模拟、生物大分子结构剖析、天体黑洞研究、理论化学格点QCD估算、粒子实验化学分波剖析、基于深度学习的顶点重建算法等等。
2004年，高能所为生物大分子结构剖析应用提供了高性能并行估算服务，这是高能所的首个高性能估算应用。2010年开始，降低了GPU估算节点，为粒子化学分波剖析等应用提供异构高性能估算服务。
2006年，高能所与法国核子研究中心CERN签订了参与建设国际高能化学网格（WLCG）的合作备忘录，完善了数据密集型网格平台站点并成为WLCG二级中心。该二级中心支持的应用包括ATLAS、CMS和LHCb等三个高能量前沿高能化学实验研究，每年实验数据交换总数近10PB，为出席LHC国际合作的约13000人提供数据模拟和数据剖析服务。2014年，高能所为实验引入DIRAC系统作为分布式估算的框架，打造高能所主导的国际分布式估算平台。很快，CEPC和JUNO实验陆续接入DIRAC系统并为用户提供分布式的估算和储存服务。
云估算被觉得是互联网的第三次革命。从2012年开始，高能所基于虚拟化和容器技术先后建设了科学估算云平台和公共服务云平台，并在异地资源管理与共享、大规模作业调度技术等方面举办了深入的研究并取得较好的应用疗效，并逐渐完善了散裂中子源、高海拔宇宙线观测站等多个估算分中心，以满足各种高能化学实验的估算需求。
三、高能所与互联网
高能所与国际高能化学实验室有着广泛的合作关系，与美国同行的科研合作和国际交流对网路通信的急切需求，促使了我国广域网的蓬勃发展。
1984年，为了能高效地使用坐落广州市木樨地的中国水利水电科学研究院的一台高性能计算机，高能所通过微波通信远程联接到水科院的计算机并进行远程操作，这是高能所网路发展的起点。
二十世纪八十年代初，高能所出席了CERN的国际合作项目，当时急切须要构建国际间的计算机通讯联接，实现数据信息的共享。高能所借助当时中国惟一一条公开的上海与维也纳之间的通信线路实现了与CERN的通信。1986年8月25日，通过这条卫星线路向坐落日内瓦的斯坦伯格院长发出了中国第一封电子电邮（如图3所示）。
图3第一封国际电子电邮
随着中国科学工作者国际交流日渐频繁，国际网路通信显得十分必要。1987年，在CERN和七机部710所的协助下，借用710所到维也纳的专线把高能所估算中心的计算机连到了CERN的计算机网路系统中。1988年7月，高能所通过英国无线电公司的卫星链路，采用X.25合同使成为CERN计算机网路中的一个远程节点机，这样在高能所估算中心开通了与CERN之间直接收发电子短信、文件传输、远程登陆的功能（如图4）。这个节点的开通为高能所的科学家们归国后继续进行国际合作和对外交流提供了极大便捷。
图41986~1993年互联网大事记
1991年的中俄高能化学合作会晤上即将提出构建一条从高能所到坐落加拿大加利福尼亚州普林斯顿直线加速器中心（SLAC）的64kbps速度的计算机联网专线，以满足上海正负电子对撞机数据和软件传输的须要。1993年3月2日，高能所租用AT&T公司的国际卫星信道构建的接入英国SLAC国家实验室的64kbps专线即将开通，成为我国部份连入的第一根专线（如图5）。该成果获得中国科学科技进步三等奖。海外媒体以前评价高能所构建的第一条64kbps专线接通国际互联网的意义，不亚于20世纪初詹天佑构建了中国第一条高铁。1994年5月高能所即将加入，1994年8月专线改为通过海底光缆经美国KEK到日本，速度提高到128kbps，并先后申请得到10个C类IP地址。高能所由此成为中国最早的ISP，通过微波、电话线等联接多个单位，为1000多名科学基金负责人提供拔号上网服务，同时也为多个外国在京的企业和大领馆提供拔号上网服务。
图5中俄两国科学家1991年草拟的IHEP-SLAC联网设计图
在构建国际互联网专线以后，最重要的一项应用WWW技术也迅速发展。1994年5月，高能所使用Linux操作系统，完善了域名为的网站（如图6），至此中国第一台www服务器开始在高能所运行。
图6中国第一个WWW网站
随着科学数据的降低，以及互联网开始逐渐普及，高能所于2001年构建了同国内营运商的512Kbps网路链接，并于次年升级到，并开通了与中国科大学计算机网路信息中心10Mbps的联接，改善了高能所到科技网和教育网的通信能力。
为了进一步提升网路服务质量，2005年高能所估算中心与科大学计算机网路信息中心协商，将高能所到中国科技网的专线带宽提高到1Gbps，同时建成了纳木错到高能所的155Mbps网路专线大学物理实验数据处理，用于纳木错国际宇宙线实验数据的传输。
2006年，高能所牵头联合中方其它三个合作单位参与欧共体第六框架计划FP6下的项目，该项目的主要目标是通过合作，实现中国与亚洲之间网格基础系统的互连和协同运行，促使网格在领域的应用。2009年起，在中国下一代互联网示范工程(CNGI项目)的支持下，高能所到科大学计算机网路信息中心的专线带宽升级到10Gbps。2011年，构建了支持纯IPv6的广域网链路，实现了高能所同CNGI-IPv6的高速联接。2012年，完成了包含高能所园区、大亚湾中微子实验园区、中国散裂中子源园区以及纳木错宇宙线观测站在内的科研信息基础设施建设和CNGI应用示范工程项目建设任务，并举办了SDN网路构架的研究与应用。此时，随着惠州中微子实验即将取数，由上海惠州到高能所估算中心的150Mbps专线网路也建成并投入运行。
中国散裂中子源（CSNS）是国家“十一五”期间重点建设的首个十二大科学装置。为了提供与高能所上海本部的可靠网路通讯能力，2015年9月构建了CSNS到高能所的100Mbps专线。2018年随着中国散裂中子源顺利通过国家初验，10月即将将CSNS到高能所的专线带宽升级至1Gbps。为了进一步提高数据交换能力和分布式估算系统效率，2022年5月，CSNS到高能所的专线带宽升级到。
高海拔宇宙线观测站项目（）2018年2月开始即将取数。为了确保实验数据实时传输回高能所，2019年11月建成到高能所的专线，随着取数规模减小，2021年该专线带宽升级至2.4Gbps。
2018年3月，为了实现WLCG高能化学实验数据的高效全球共享，高能所估算中心联合中国科技网、中国教育网成功加入，支持IPv4和IPv6，带宽均为10Gbps，此时，高能所广域网出口带宽上升到40Gbps。同时，高能所继续优化了国际网路链路和路由策略，联合联盟成员开通了高能所到日本ESNET的联接，致使高能所到日本各个站点网路性能进一步提高。从2019年1月开始，高能所到法国的通讯路由，从原先经中欧海缆到法国GEANT，升级为中欧陆缆链路方案，从高能所到CERN的网路延后降低了20-40ms，进一步提高了科学数据国际传输的效率。
高能所是我国较早确立网路安全技术研究方向的科研机构之一。网路安全与信息化是一体之两翼，伴随着信息技术在高能化学领域的应用和互联网的接入，网路安全问题开始出现并导致你们的注重。
1997年开始，高能所网路安全团队开始进行黑客入侵防范研究，取得一批国外领先的成果，这种成果曾获得中国科大学科技进步奖银奖、国家科技进步奖二等奖，为国家培养了一批网路安全研究人才，并且实现了成果转化。
随着网路功击方法逐步降低，安全防护建设逐步由点到面，高能所安全团队开始探求和研究体系化的安全防护。2013年，安全团队更新并发布了《高能所信息安全体系》，该体系从信息安全工作小组构成、信息安全基础设施建设、安全规范和制度、安全技术手段等多方面、全方位地对高能所信息安全相关工作进行了探讨和规范。
高能所信息安全团队依据所内安全工作实际，研究设计了面向跨地域多园区、多大科学装置的网路安全运行服务平台（IHEP-SOC）。IHEP-SOC平台在安全数据剖析和网路安全营运的基础上，提供了安全恐吓情报共享能力，实现了多装置、多园区的安全工作协同化。基于此平台，安全团队持续举办包括DNS安全、WEB安全以及人工智能、情报管理、自动化应急响应等技术研制工作，产生了具有大装置和科学数据中心特色的网路安全学科方向和人才队伍，相关研究成果早已在国外多家大装置和科学数据中心得到应用布署。
高能所于2008年构建了全球高能化学估算网格（WLCG）的二级站点。高能所网格估算系统的主机和国外出席WLCG实验的化学学家（作为WLCG网格估算系统的用户）须要X.509证书进行身分认证。为了满足这一需求，高能所于2006年构建了自己的网格证书认证机构（IHEPCA），但是加入了全球网格认证联盟。IHEPCA签发的证书在国际网格估算环境中都是受信任的。IHEPCA支持了WLCG的四个实验，BELLEII实验，以及国外基于DIRAC分布式系统的，JUNO，CEPC等实验用户。从2006年至2020年，IHEPCA运行稳定，累计签发1000多个各种证书，有力支持了高能所化学估算的国际合作。
四、高能所估算与网路的未来
国外新一代高能化学相关研究每年将形成数百PB的数据。为应对估算与网路的新挑战，高能所估算中心启动了大数据和人工智能技术的研究，其中包括基于AI的实验装置手动化运行控制和数据获取技术、科学数据处理小型软件框架、数据压缩技术、数据剖析技术以及网路优化技术研究等，并取得了阶段性成果。可以预见，大数据+AI技术将成为高能所新一代科学估算与网路技术新的发展方向。
量子估算是大规模高性能估算技术的突破口。量子估算在高能化学中的应用已然成为研究热门方向。量子估算有望在高能化学估算中彰显出优势，将突破传统方式无法逾越的估算困局，解决基础科学重大问题。2021年高能所将量子估算写入了研究所十四五发展规划，并启动量子估算模拟器、格点QCD和分波剖析的量子估算方式等重大问题的研究，力争在十四五期间为量子估算打下坚实基础。
五、致谢
高能所的估算与互联网是国外高能化学实验科学估算、数据交换及国际合作的重要基础。几代人的努力使高能所的估算与互联网始终站在国外计算机技术应用领域的前沿，推动了国外科学估算与互联网技术的发展。作者诚恳谢谢高能所估算中心的所有朋友及高手所作出的贡献，谢谢孙功星、李海波、石京燕、汪璐、曾珊等人提供了本文的部份内容，尤其谢谢陈和生、许榕生、朱兰生、寿学俭、徐晓康、杨大鑑、于传松等老同志为本文提供了珍稀资料。
#时政热点头条说#