云计算与高能物理研究

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科幻小说《三体》为大众普及了很多高能物理学的知识，小说情节中不断出现的中子，智子（质子），表现出人类对微观世界探索的强烈欲望。欲望推动现实世界人们对高能物理探索脚步不止。

随着国民经济发展和技术的进步，我国步也入高能物理研究的前列，国家投入巨资，在南方城市东莞建设中国最大的高能物理研究装置中国散裂中子源(CSNS)，东莞散裂中子源（CSNS）是世界第四个脉冲式散裂中子源，同美国散裂中子源、日本散裂中子源、英国散裂中子源一起，构成世界四大脉冲式散裂中子源。宝德云参与了云计算部分—东莞中科院散裂子研究所中子云平台建设。

世界上的物质是由分子和原子构成的，原子就像是原子核和核外电子的微小太阳系，质子和中子构成了原子核。原子核的基本粒子之一，不带电，中子对轻的原子核非常敏感，能够精确测得分子结构中的氢原子位置，还能定位“掺杂”在重原子中的其他轻原子。中子的这种特性，使它能够“拍摄”到材料的微观结构，跟踪正在运动中的原子核分子的行为。

中子主要是通过“中子散射”过程来实现对样品的研究：当一束中子入射到所研究的对象上时，与研究材料中的原子核或磁矩发生相互作用，向各个方向散射开来。就好像一束光打在半透明的物体上，有的光透过物体，有的光被反射或散射，这样我们能够从各个方向上看到物体。中子束流打到样品上时，大多数中子会穿过样品，不受任何阻碍，但有些中子将直接与样品的原子核发生相互作用，运动方向发生改变而发生分散传播，就像弹珠游戏一样。通过测量散射出来的中子能量和动量的变化，可以在原子、分子尺度上研究各种物质的微观结构和运动规律，告诉人们原子、分子在哪里，在做什么，这种研究手段叫做中子散射技术。

中子源是研究中子特性、探测物质微观结构和运动的科研装置，可带动物理学、化学、生命科学、材料科学、纳米科学、医药、国防科研和新型核能开发等学科发展，广泛服务于工农业生产，为我国各类学科前沿领域的研究提供一个先进、功能强大的科研平台。云计算与大数据技术参与更加快了各学科科研进度。

散裂子为代表高能物理研究一直走在计算技术应用的前沿，推动了国际互联网、WWW、以及网络计算的发展，在新的云计算时代也是云计算技术强有力的推动者，在东莞散裂中子源装置建设中，宝德云利用最新云计算技术，开源的OpenStack云架构，SDN（软件定义网络）Ceph(分布式存储)云安全，云监控等技术 为东莞中子源研究装置搭建一个弹性，灵活的可伸缩统一管理的云计算平台。

1.系统方案描述网络拓扑

云管理平台网络拓扑图

云平台中的网络分为：外部网络、数据网络、存储网络、管理网络等四个平面。

u  外部网络：双口千兆汇聚链路，用于连接互联网，提供Web、应用程序服务等；

u  数据网络：双口千兆汇聚链路，用于连接网络节点与所有计算节点服务器；

u  存储网络：双口千兆汇聚链路，用于连接所有存储节点服务器，提供块设备、对象存储等服务，管理节点服务器通过双口千兆链路控制存储服务；

u  管理网络：双口千兆汇聚链路，用于管理云计算平台中的所有节点，为管理员提供Web控制台。

2.软件定义网络拓扑

网络数据流程图

在云计算管理平台中，采用先进的VxLan隧道技术为租户提供软件定义网络服务。SDN技术突破传统网络限制，可实现大二层网络，支持几十万虚拟机的网络通讯。软件定义网络的方式可支持用户自定义虚拟网络、自定义防火墙、负载均衡、VPN等服务。VxLAN通过L2overL3，可实现跨三层的二层网络互联互通，实现多用户网络隔离，如图1-3所示。

云平台租户虚拟网络拓扑图

云资源层中所有租户的虚拟机网络相互隔离，同一租户可支持多个虚拟交换机，多个虚拟路由器，虚拟交换机与虚拟路由器相连接后，可实现租户内不同虚拟网络间的互联互通。

云资源层支持多个物理外部网络，租户将多个虚拟路由器分别与多个外部网络绑定后，可为虚拟机分配不同的外部网络地址，从而实现不同物理网络设备与虚拟机间的数据通信。

   3.统一集中门户和统一管理平台

统一门户对外提供访问云平台的接口，最终用户可以通过浏览器、移动终端和瘦客户端来访问云平台。

统一管理平台主要是用于管理、调度和监控每个集群的物理资源，实现资源分配自动化，简化资源调配，并通过统一门户对外提供基于浏览器的管理平台和基于手机用户终端的移动管理平台，同时也提供webservice API接口和命令行操作工具，方便维护及进行后续开发。例如构建PaaS平台和SaaS平台，或者是扩展云计算管理平台功能。

作为功能管理模式的系统平台，其具备了虚拟机的模版制作与部署，虚拟机应用生命周期的操作维护，整个云计算服务器运行性能的实时监控、资源使用情况的实时监控，生成日志信息，实现用户交互接口，配置系统运维信息等操作。

管理平台逻辑架构：

4.Ceph(分布式存储)

一个 Linux PB 级分布式文件系统，分布式的设计思想，Ceph充分发挥了存储设备自身的能力，消除了对系统单一中心节点的依赖，真正的无中心结构，Ceph保证了访问的相对延迟和高聚合带宽，同时实现了高度的可靠性和可扩展性，Ceph 技术的使用，保证了东莞中科院散裂子研究所数据的安全和可靠，每一份数据都拥有三份副本。

高能物理研究最早用的是网格计算，网格计算要求软件的使用可以分为多个部分，将程序的片段作为大的系统映像传递给几千个计算机中。网格存在的问题：如果某个节点上的软件片段失效，可能会影响到其他节点上的软件片段。大型系统镜像以及用于操作和维护的相关硬件可能造成很高的资本和运营支出。 而从网格计算进化而来的云计算，能够随需应变地提供资源，网格计算可以在云中。开源云计算架构OpenStack的兼容并包，可以结合各种开源技术如 Ceph Hadoop等 满足科研，教育，政务等各个领域的需求。

宝德云团队利用云计算技术，为东莞中科院散裂子研究所中子云平台，将加快研究所科研进度，降低科研成本，保护科研成果。宝德云计算解决方案已覆盖科研，政务，教育，互联网 等多领域。