應用背景
大型強子對撞機（LHC）是世界上最大、能量最高的粒子對撞機。它是由歐洲核子研究組織（CERN）于1998年至2008年間與由34個國家的10000多名科學家、數百所大學和實驗室合作建造的。
第一次碰撞是在2010年實現的，能量為每束3.5兆電子伏（TeV），約為之前世界紀錄的四倍。升級后，它達到了每束6.5兆電子伏（13兆電子伏總碰撞能量，目前的世界紀錄）。2018年底，它進入了為期兩年的停機期，以便進一步升級。
截至2010年6月，預算約90億美元的大型強子對撞機是迄今為止建造的最昂貴的科學儀器之一。該項目的總成本預計為44億美元，其中11億美元用于歐洲核子研究中心對實驗的貢獻。該設施費用的1/3來自歐洲原子核研究委員會，1/3由其成員國額外提供，另外1/3可望從日本和美國獲得。1998年，中國由中科院、國家自然科學基金會、科技部三家出資1600萬元，在LHC上建立兩個探測器，供中國科學家參加CERN的合作研究。
LHC的主要目標分包括：
1、我們目前對宇宙的理解是不完整的。粒子和力的標準模型總結了我們目前對粒子物理學的知識。這一標準模型已經過許多實驗的檢驗，證明它在預測以前未發現的粒子存在方面的成功。然而，它留下了許多未解決的問題，LHC將幫助回答這些問題。
2、大型強子對撞機還幫助我們研究反物質的奧秘。在大爆炸時，物質和反物質的產生量肯定是相同的，但從我們迄今為止的觀察來看，我們的宇宙只是由物質組成的。大型強子對撞機可以為此問題提供一個答案。
3、除了質子間碰撞的研究，大型強子對撞機上的重離子碰撞將提供一個觀察早期宇宙中存在的物質狀態的窗口，稱為“夸克-膠子等離子體”。當重離子以高能量碰撞時，它們會在瞬間形成一個由如此熾熱、致密的物質組成的“火球”，可以通過實驗加以研究。
在運行了幾年之后，任何粒子物理實驗通常都會受到回報遞減的影響：隨著該裝置所能獲得的關鍵結果開始完成，以后幾年的運行所發現的結果與前幾年成比例地減少。高亮度大型強子對撞機的升級于2018年6月開始。升級的目的是將機器的光度提高10倍，高達1035厘米?2秒?1，為觀察罕見的過程提供更好的機會，并改進統計邊緣測量。
LHC之前一直處于長期停機狀態，但其已經于2021年5月重啟，并將一直運行到2024年底。2025年將再開啟新一輪升級，直到“HL-LHC”于2027年登場。目前，HL-LHC 已完成了第一個節點的建造。
HL-LHC這一史無前例的大裝置有望觀測到極端稀有的物理現象并極大提高測量精度。為充分利用“高亮度LHC”提供的海量數據，LHC四大實驗也均開展了探測器升級計劃。
存在挑戰
內部和外部網絡通信對CERN至關重要。在內部，超過50000公里的光纖為整個CERN站點提供網絡連接。CERN數據中心也是CERN互聯網交換點（CIXP）的所在地，這是一個運營商的中立交換點，通過它，CERN在互聯網發展中發揮了核心作用。1991年，歐洲80%的互聯網國際流量容量都安裝在CERN數據中心。
隨著網絡發展，IPv4地址不斷耗盡，WLCG網站在獲得必要的IPv4地址方面遇到了困難，未來新網站只能通過IPv6訪問。為了整合這些站點，在WLCG中全面支持IPv6變得非常重要。雖然HEPiX IPv6工作組正在積極測試WLCG應用的IPv6兼容性，但仍需要改善IPv6的互聯性。LHCOPN站點的IPv6連接已達到100%，而具有IPv6連接的LHCONE站點的比例較低。預計將持續改善IPv6互聯互通。
解決方案
國際高能物理網格（WLCG）WLCG最令人印象深刻的組成部分之一是其網絡和連接。由于在CERN建立了良好的連接和專用的網絡基礎設施，它可以將數據分配到全球數百個合作機構。自第二個長達四年的LHC運行期開始，全球的數據傳輸率也達到了新的峰值，約每秒60千兆字節的速率，比LHC運行1期間的速率高出約三倍。
WLCG是一個全球計算基礎設施，其任務是提供計算資源，以存儲、分發和分析LHC生成的數據，使所有合作伙伴，無論其物理位置如何，都能平等地獲取數據。
WLCG建立在Ian Foster和Carl Kesselman最初于1999年提出的網格技術思想之上。WLCG將世界各地的計算中心和網格資源連在一起，用于處理和分析LHC的高能物理實驗產生的海量數據。該網格系統集成了世界上幾種主流的網格部件并在其上部署物理軟件，從而為相關的高能物理實驗提供高性能的計算服務。
WLCG的特點包括：
物理學的關鍵工具：有史以來最先進的科學數據采集和分析系統，提供對LHC數據的近實時訪問。- 無縫存取：計算資源包括數據存儲容量、處理能力、傳感器、可視化工具等。
- 全球合作：42個國家，170個計算中心，每天超過200萬個任務，100萬個計算機核心，1EB的存儲空間。
- 促進研究：WLCG幫助物理學家于2012年7月4日宣布發現希格斯玻色子。
成效與展望
為了支持國際高能物理網格（WLCG）的分層計算模型，其間部署了LHC光學專用網絡（LHCOPN），以實現從0級站點到1級站點的預處理實驗數據的分發，并附帶支持1級站點之間的數據移動處理。而后，隨著計算模型發展成為一個更加網狀的配置，對2級站點之間以及2級站點與1級站點之間的數據移動的支持變得越來越重要，開發了LHC開放網絡環境（LHCONE），為第2層提供了必要的網絡支持。
1） LHCOPN
LHCOPN拓撲結構
LHCOPN的連接如圖所示。它是為LHC數據傳輸和分析而保留的，具有高度彈性的體系結構，并依賴于單獨部署或作為捆綁包部署的專用長距離10G和100G以太網鏈路。隨著LHCONE的發展，第1層站點之間的大部分流量都從LHCOPN轉移到LHCONE。此外，LHCOPN鏈路由LHCONE備份，因為CERN本身可直接連接到LHCONE。
1） LHCOPN
LHCONE是從計算模型更新中自然產生的，面向完全分布式處理，需要在任何1級和2級站點之間進行傳輸。它允許分擔昂貴的資源成本，并使HEP（高能物理）流量與普通互聯網流量分開。
LHCONE的核心服務是第三層VPN（虛擬專用網絡），目前正在進行點對點（P2P）服務的工作，提供一定帶寬的按需鏈接。它依靠路由VPN，使用VRF（虛擬路由和推進）實現，為HEP數據傳輸和分析提供專用的全球骨干網。
LHCONE L3VPN服務功能包括：
-以高帶寬連接第1層、第2層和第3層的全球主干網
-專用于HEP數據傳輸的帶寬
-允許繞過慢速外圍防火墻的受信任流量
LHCONE L3VPN結構
LHCONE發展的意義：
- 因為社區希望它發揮作用
- –從網絡運營商的角度來看，它可以有效地提供標記流量，這些流量可以通過流量工程來管理其對網絡中特殊資源（如跨洋鏈路）的使用。
- –從網絡政治的角度來看，它允許LHC流量使用一般互聯網流量無法使用的資源（主要是跨洋鏈接）。
- –從LHC社區的視角來看，它提供了一種創建和管理定義良好且相對可信的環境的方法。
- 因為CERN有（松散的）中央管理
- 因為LHCONE使用與一般互聯網相同的協議、路由、流程和程序進行操作。
- –這使得它能夠在全球范圍內跨網絡域擴展。
- 由于LHC是許多R&E網絡環境中的一個重要項目，因此它受到了供應商網絡的工程師關注。
- 因為它受到參與網絡的國家和perfSONAR的密切監控
- –如果要保持端到端的高吞吐量，perfSONAR監控至關重要
LHCONE L3VPN結構
LHCONE是研究教育網絡供應商的一個合作項目，合作組織包括ESnet、GEANT、Internet2、SURFnet和NORDUnet等。2018年，在中國科技網、中國教育網的大力支持和幫助下，依托中歐國際互聯網絡資源，中國科學院高能物理研究所正式開通LHCONE。通過中國科技云中歐陸纜和中歐海纜線路，分別與歐洲科研網絡GEANT建立LHCONE VPN連接；通過中國科技云西雅圖節點和芝加哥節點，分別與北美科研網絡ESNET建立LHCONE VPN連接。從而實現了在中國科技云網絡基礎設施與CERN LHCONE虛擬專網的多鏈路冗余對接。通過時延大幅降低的中歐陸纜線路，進一步提升了用戶數據傳輸性能；通過歐洲北美2個方向、4條線路的冗余互聯，大幅提升了中國科學院高能所與CERN網絡互聯可靠性，高效的支撐了用戶國際合作數據傳輸應用。
LHCONE L3VPN結構
對LHCONE資源的完全訪問支持了位于日本筑波的SuperKEKB加速器的國際合作項目Belle II。它是KEKB加速器的升級項目。盡管大多數Belle II成員站點已經參與了WLCG合作，兩個主要地點，主實驗室（日本的KEK）和美國的太平洋西北國家實驗室（PNNL）沒有。LHC社區允許了它對LHCONE的訪問，隨著PNNL現在完全連接和KEK的即將整合，Belle II合作項目成員的生產力將很快得到提高。
