应用背景

      在“人机物”三元融合的大背景下，以“万物均需互联、一切皆可编程”为目标，数字化、网络化和智能化呈融合发展新态势，数据急速增长。根据IDC的报告，2020年全球数据存储量达到44ZB，到2030年将达到2500ZB。

      大装置产出大数据，大数据孕育大科学，大科学驱动大发现。据统计，重大科技基础设施等的运行将产生PB级原始数据，天文学观测数据2020年累积达到EB级，生命组学的数据量到2035年将会达到ZB级。据报道，SKA的数据流量将达到每秒PB（即千万亿比特）级，比目前全球互联网流量还要高。一期工程期间,在数据存储方面，SKA建成后每年存档大约600PB的数据，甚至超过了Facebook和谷歌这样的互联网巨头。

存在挑战

      未来科学研究的规模和复杂性将急剧增长，单一数据中心将无法满足科研计算与存储需求，海量科学数据需要传输到多个数据中心，这个过程离不开高速网络的支持。

      从国家政策层面，近期我国明确提出“推进科研院所、高校、企业科研力量优化配置和资源共享”, “推进产学研深度融合，支持企业牵头组建创新联合体，承担国家重大科技项目”。今后，科研机构与企业、高校之间的合作将得到进一步加强，这也必将使科研网络与作为企业数字化承载平台的公共互联网以及公有云服务提供商之间数据交换更加频繁。

      由于疫情原因，远程办公和远程开展科研活动愈来愈普及，国内互联网企业提供的公有云平台（如阿里云、华为云、腾讯云等）以及协作工具（如腾讯会议、企业微信、钉钉等）已经成为科研信息化资源供给的一个重要补充。充分利用企业供给的优质资源，科研机构既可以节省信息化投入，又能有效提升科研效率。

      随着科研机构与企业合作深入，以及高效利用公共网络平台提供的资源需求越来越强烈，为了有效保障用户访问体验，已经成为科研教育网络的一项主要挑战。

      用户与公有云服务器访问的用户体验受多种因素影响，中国科技网作为科研网络运行者和服务者，主要需要解决网络带宽和延迟的问题。针对网络带宽，中国科技网一直持续加强互联互通资源建设，网络服务质量一直优于国内同行。而网络延迟的主要原因之一是距离，特别是发出请求的客户端设备与响应请求的服务器之间的距离。沿路经过的网络设备，都会导致延迟加剧。数据通常不仅要跨越一个网络，还要跨越多个网络，通过的网络越多，造成延迟的机会就越多。

      网络延时计算的公式，RTT（往返时间）=传播时延（往返）+排队时延（路由器和交换机）+数据处理时延（应用程序）。根据经验值，某些运营商规定网内路由器间时延1000公里之内<=40ms,2000公里之内<=60ms,3000公里之内<=80ms。

      质量是互联网应用的关键，网络性能是影响质量的关键。2010年前后，互联网领域提出了“八秒定律”，即指用户访问一个网站时，如果等待网页打开的时间超过8秒，会有超过70%的用户放弃等待。但在2018年初，Pingdom提供了有关加载时间如何影响跳出率(Bounce Rate)的一些新见解（如下图）。在3秒加载时间时，页面访问数占比最高，随着加载时间增加，网站页面访问数急剧下降。

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解决方案

      为了支撑计算密集型和数据密集型科研范式转变，国内外科研教育网（NREN）已经逐步建成了100G网络，正在朝200G和400G演进，此外，科研教育网络加强了公有云提供商的互联，如Internet2和Geant与Microsoft Azure，Amazon AWS和Google Cloud Platform等世界主流的公有云平台实现网络直联。

      除此之外，使用 CDN （内容交付网络）是减少网络延迟的重要一步。CDN 缓存静态内容，从而大大减少 RTT。CDN 服务器分布在多个位置，因此内容存储在距离最终用户更近的位置，无需传输很远的距离即可到达用户。这意味着加载网页将花费更少的时间，从而提高网站的速度和性能。

      为了加强网络访问体验，中国科技云与互联网内容提供商以及CDN提供商开展友好合作，实现对等互联或者部署专用CDN节点等。

      针对各家内容提供商和CDN服务提供商的物理条件以及技术方案差异，中国科技云网络团队提供了三种网络加速解决方案。

      1.   网络直连方案

      通过直接光纤与中国科技网核心网络实现物理联接，并建立BGP直连，中国科技云用户访问本内容提供商的资源将无需绕行公共互联网，大大减少了网络延时。

2.   部署加速节点并部署专线加速回源方案 

      在中国科技网机房部署CDN节点，用户访问目前资源时无需访问外网，直接访问机房内部署的缓存资源，一方面避免挤占出口资源，另一方面显著提升级资源响应速度。另外为了实现CDN节点能够快速回源，单独建立一条专线，保证了后续CDN节点的服务质量不会受到跨网回源质量的影响。

3.   部署加速节点方案 

      针对不具条以上两种条件的提供商，中国科技云还可以支持部署独立CDN节点，通过公网出口实现CDN回源。

成效与展望

      为优化数据传输性能，大幅改善和提升科研人员的网络访问质量和用户体验，中国科技云网络团队与多方开展积极洽谈，提供多种灵活的接入方式，在内部组织技术团队专项推进。通过大家共同努力，中国科技网已经与国内主流云服务提供商和CDN提供商建立了良好合作关系，实现了节CDN点部署或BGP直连，显著降低了延时，提高了访问速度。在2020年中国信通院发布的各运营商访问TOP50网站的横向测评权威数据中，中国科技网用户访问质量显著优于国内平均访问质量。

      未来，中国科技云将继续不断加强与国内外网络提供商合作提升互联带宽和访问速度，同时将重点开展云网融合平台建设，实现重大科研设施、科研计算、科学数据等科研要素高速互联，此外将继续与国内外主流云服务提供商或CDN提供商加强合作，推进互联互通以及最新网络加速技术部署实施，为科研用户提供全面的网络访问优化解决方案，持续提升用户网络体验。

撰稿：刘宇德、陈江宁