雲計算與高能物理研究
2020-12-03 驅動中國科幻小說《三體》為大眾普及了很多高能物理學的知識，小說情節中不斷出現的中子，智子（質子），表現出人類對微觀世界探索的強烈欲望。欲望推動現實世界人們對高能物理探索腳步不止。
隨著國民經濟發展和技術的進步，我國步也入高能物理研究的前列，國家投入巨資，在南方城市東莞建設中國最大的高能物理研究裝置中國散裂中子源(CSNS)，東莞散裂中子源（CSNS）是世界第四個脈衝式散裂中子源，同美國散裂中子源、日本散裂中子源、英國散裂中子源一起，構成世界四大脈衝式散裂中子源。寶德雲參與了雲計算部分—東莞中科院散裂子研究所中子云平臺建設。
世界上的物質是由分子和原子構成的，原子就像是原子核和核外電子的微小太陽系，質子和中子構成了原子核。原子核的基本粒子之一，不帶電，中子對輕的原子核非常敏感，能夠精確測得分子結構中的氫原子位置，還能定位「摻雜」在重原子中的其他輕原子。中子的這種特性，使它能夠「拍攝」到材料的微觀結構，跟蹤正在運動中的原子核分子的行為。
中子主要是通過「中子散射」過程來實現對樣品的研究：當一束中子入射到所研究的對象上時，與研究材料中的原子核或磁矩發生相互作用，向各個方向散射開來。就好像一束光打在半透明的物體上，有的光透過物體，有的光被反射或散射，這樣我們能夠從各個方向上看到物體。中子束流打到樣品上時，大多數中子會穿過樣品，不受任何阻礙，但有些中子將直接與樣品的原子核發生相互作用，運動方向發生改變而發生分散傳播，就像彈珠遊戲一樣。通過測量散射出來的中子能量和動量的變化，可以在原子、分子尺度上研究各種物質的微觀結構和運動規律，告訴人們原子、分子在哪裡，在做什麼，這種研究手段叫做中子散射技術。
中子源是研究中子特性、探測物質微觀結構和運動的科研裝置，可帶動物理學、化學、生命科學、材料科學、納米科學、醫藥、國防科研和新型核能開發等學科發展，廣泛服務於工農業生產，為我國各類學科前沿領域的研究提供一個先進、功能強大的科研平臺。雲計算與大數據技術參與更加快了各學科科研進度。
散裂子為代表高能物理研究一直走在計算技術應用的前沿，推動了國際網際網路、WWW、以及網絡計算的發展，在新的雲計算時代也是雲計算技術強有力的推動者，在東莞散裂中子源裝置建設中，寶德雲利用最新雲計算技術，開源的OpenStack雲架構，SDN（軟體定義網絡）Ceph(分布式存儲)雲安全，雲監控等技術 為東莞中子源研究裝置搭建一個彈性，靈活的可伸縮統一管理的雲計算平臺。
1.系統方案描述網絡拓撲
雲管理平臺網絡拓撲圖
雲平臺中的網絡分為：外部網絡、數據網絡、存儲網絡、管理網絡等四個平面。
u 外部網絡：雙口千兆匯聚鏈路，用於連接網際網路，提供Web、應用程式服務等；
u 數據網絡：雙口千兆匯聚鏈路，用於連接網絡節點與所有計算節點伺服器；
u 存儲網絡：雙口千兆匯聚鏈路，用於連接所有存儲節點伺服器，提供塊設備、對象存儲等服務，管理節點伺服器通過雙口千兆鏈路控制存儲服務；
u 管理網絡：雙口千兆匯聚鏈路，用於管理雲計算平臺中的所有節點，為管理員提供Web控制臺。
2.軟體定義網絡拓撲
網絡數據流程圖
在雲計算管理平臺中，採用先進的VxLan隧道技術為租戶提供軟體定義網絡服務。SDN技術突破傳統網絡限制，可實現大二層網絡，支持幾十萬虛擬機的網絡通訊。軟體定義網絡的方式可支持用戶自定義虛擬網絡、自定義防火牆、負載均衡、VPN等服務。VxLAN通過L2overL3，可實現跨三層的二層網絡互聯互通，實現多用戶網絡隔離，如圖1-3所示。
雲平臺租戶虛擬網絡拓撲圖
雲資源層中所有租戶的虛擬機網絡相互隔離，同一租戶可支持多個虛擬交換機，多個虛擬路由器，虛擬交換機與虛擬路由器相連接後，可實現租戶內不同虛擬網絡間的互聯互通。
雲資源層支持多個物理外部網絡，租戶將多個虛擬路由器分別與多個外部網絡綁定後，可為虛擬機分配不同的外部網絡地址，從而實現不同物理網絡設備與虛擬機間的數據通信。
3.統一集中門戶和統一管理平臺
統一門戶對外提供訪問雲平臺的接口，最終用戶可以通過瀏覽器、移動終端和瘦客戶端來訪問雲平臺。
統一管理平臺主要是用於管理、調度和監控每個集群的物理資源，實現資源分配自動化，簡化資源調配，並通過統一門戶對外提供基於瀏覽器的管理平臺和基於手機用戶終端的移動管理平臺，同時也提供webservice API接口和命令行操作工具，方便維護及進行後續開發。例如構建PaaS平臺和SaaS平臺，或者是擴展雲計算管理平臺功能。
作為功能管理模式的系統平臺，其具備了虛擬機的模版製作與部署，虛擬機應用生命周期的操作維護，整個雲計算伺服器運行性能的實時監控、資源使用情況的實時監控，生成日誌信息，實現用戶交互接口，配置系統運維信息等操作。
管理平臺邏輯架構：
4.Ceph(分布式存儲)
一個 Linux PB 級分布式文件系統，分布式的設計思想，Ceph充分發揮了存儲設備自身的能力，消除了對系統單一中心節點的依賴，真正的無中心結構，Ceph保證了訪問的相對延遲和高聚合帶寬，同時實現了高度的可靠性和可擴展性，Ceph 技術的使用，保證了東莞中科院散裂子研究所數據的安全和可靠，每一份數據都擁有三份副本。
高能物理研究最早用的是網格計算，網格計算要求軟體的使用可以分為多個部分，將程序的片段作為大的系統映像傳遞給幾千個計算機中。網格存在的問題：如果某個節點上的軟體片段失效，可能會影響到其他節點上的軟體片段。大型系統鏡像以及用於操作和維護的相關硬體可能造成很高的資本和運營支出。 而從網格計算進化而來的雲計算，能夠隨需應變地提供資源，網格計算可以在雲中。開源雲計算架構OpenStack的兼容並包，可以結合各種開源技術如 Ceph Hadoop等 滿足科研，教育，政務等各個領域的需求。
寶德雲團隊利用雲計算技術，為東莞中科院散裂子研究所中子云平臺，將加快研究所科研進度，降低科研成本，保護科研成果。寶德雲計算解決方案已覆蓋科研，政務，教育，網際網路 等多領域。
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