[科普中国]-能源科学网络

简介

能源科学网(ESnet)创建于20世纪80年代中期，是由美国能源部(DOE)科学办公室(Office of Science)资助、劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)进行管理和运转的一个数据通信网络，而对带宽、全球连通性、可靠性和网络服务方而的需求，提供通用、有效、可靠、高性能的网络基础设施，其初衷在于促进DOE的科学工作者与各协作人员之间的合作。ESnet在能源部所有的实验室以及由能源部支持的大学之间建立高速连接，并且与100多个其他网络进行互联，以便科学家们摆脱时间和地理位置的困扰，有效地利用DOE研究设备和计算资源来进行研究任务。

ESnet将能源部科学设施的能力带到了科学家的桌而，它容许研究人员方便地利用主要的实验工具，将大大增加利用能源部科学设施的研究人员的数量，加速科学发现的步伐，实现投资效益的最优化。

ESnet架构ESnet是一个支持全球连通的、可靠的、鲁棒性强且具有高吞吐量的高效网络架构。在2005年以前，ESnet的架构如图1所示，其IP核心网主要为单一的环网，站点与ESnet核心路由器通过连接到集线器上的单一的点对点电信电路相连接。但是随着科研的规模越来越大，这种网络模型的弊病也越来越明显：可扩展性较差，不能根据网络配置和新的网络服务动态变化；单一链路上的单点失败会导致可靠性降低。

基于上述问题以及对带宽和服务的需求，DOE从2005年至今通过与Level3电信和Internet2的合作逐步实现了现有的网络模型，即ESnet4，如图2所示。骨干网络的一部分使用了动态光电路固，以支持现有的大规模、高复杂度的科学研究。新模型在核心网与站点之间提供了多条冗余链路，并提高了核心网络的吞吐量。

原则其遵循的架构原则如下：

（1）全网使用多环路拓扑为链路提供冗余。

（2）将大量的小数据流(Kb级)和少量的大数据流(Gb和Tb级)分开传输。

ESnet4架构现有的ESnet4架构主要包含3个部分：IP核心网(core )、科学数据网(SDN)和城域网(MAN)。其中前两者为核心主干网。

1) IP core：主核心网，基于高速、高效的IP路由器以支持Internet流量访问，提供科学合作服务，并对SDN进行部分备份。主要传输Kb级的小数据流。主干已由最早期的T3升至IP over SONET( lOGbps)。

2) SDN：科学数据网，基于二层(以太网)或一层(光学)交换机设备，采用光网络技术(DWDM)实现，提供多个10Gbps电路以支持大规模科学计算数据的传输(Gb/Tb级)和线路冗余；能动态提供具有带宽保证的端到端专用光通路(LightPath)来进行专门的服务。此网络部分基于Internet2网络线路和NLR (National Lambda Rail)。

3) MAN：城域网，由于早期的站点(主要是Lab)与其最邻近路由器间的点对点链路易发生单点失效，为了保证连通性并为站点提供冗余，提出了MAN，提供站点(Lab)到核心网的连通性，同时作为两个核心网的本地扩展来使用，可以将偏远站点连接至核心链路。同时支持IP流量和大规模科研流量。

除此三者之外，对于某些地理上孤立的站点，可以将其双承连接(dual connection)到某个核心网上，以保证其弹性。

ESnet功能ESnet是DOE为大规模科学协作提供高性能可靠通信而设立的基础设施，其核心服务是提供国际间的数据通信，但实际作用远不止此。

它的主要任务重心是在科学研究方面：例如，为大学和国际合作提供连接；为实验室和科学研究提供高度可靠的站点连接；支持大规模科研的高带宽数据流传输；提供具有服务质量保证的虚电路等。ESnet同时支持IPv4和IPv6，主要支撑业务包括：视频会议、海量计算、远程实验操作、分布式数据存取、远程协同工作、远程可视化。

ESnet上的服务主要分为三类：分别为网络架构服务、认证与安全服务和会议服务。网络架构服务主要包括网络连通性服务、IPv4和IPv6服务、网络资源的监视和测绒、用户支持服务、资源预留与带宽保证服务;认证与安全服务主要包括WAN环境下的安全服务、容错能力和灾难恢复策略的架构、认证服务；会议服务主要包括音频、视频和数字电话会议等。当前ESnet比较成功的两个科研服务分别是：作为PKI认证机构提供X. 509身份认证服务和语音/视频/电话会议服务。ESnet及其服务正在向着直接(主动)响应科研需求方向不断地演化。

ESnet不但提供上述服务，还提供网络运行管理，主要体现在ESnet设备的性能管理和站点突发请求的管理上。前者的主要任务是保证设备的物理安全和性能检测，其受众主要是ESnet的股东和LBNL管理人员;后者是指在面对指定设备或某些特定事件发出的请求(需求)时，能够做出有效而快速的响应，比如特定流的流量工程、连通性的额外备份等。

为了保证整个网络的可靠性，ESnet使用perfSONAR(基于性能服务的网络监测架构)来进行故障和性能监测，并针对不同情况进行处理，从而保证重要数据的高效传输。1