开放科学云技术与实践

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作者：廖方宇，黎建辉

出版社：科学出版社

本类榜单：社会科学

分类：社会科学 > 社会科学类教材 > 信息学

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图文详情

ISBN：9787030731548
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
开本：B5
页数：364
出版时间：2023-03-01
条形码：9787030731548 ; 978-7-03-073154-8

本书特色

本书为面向开放科学理念的技术维度系统展示，探讨未来技术挑战与发展方向，并推动未来开放科学云建设提供启示录。

内容简介

本书回顾了全球主要开放科学平台的建设进展，搭建了开放科学云联邦系统框架，针对开放科学全过程链条中的计算、存储、网络、数据、软件等关键资源，以及资源汇聚与开放交流、云联邦、智能运管等关键技术与服务诸方面进行了总结归纳。遴选出天文科学、高能物理、生命科学等四个典型案例进行了剖析。提出面向全球合作的开放科学云设想，为进一步推动全球开放科学云基础设施建设提供了丰富的技术参考和实践案例。

目录
前言
**篇　概念篇　
第1章　开放科学与开放科学平台　3　
1.1　开放科学概述　3　
1.2　开放科学平台　5　
1.2.1　开放获取平台　5　
1.2.2　开放数据平台　7　
1.2.3　开放科学集成平台　9　
1.3　开放科学的未来趋势　13
参考文献　15
第2章　开放科学云联邦系统框架　18　
2.1　开放科学云应用场景及需求　18　
2.2　云联邦系统架构　21　
2.3　云联邦资源管理　23　
2.4　云联邦服务请求处理　25　
2.5　云联邦服务体系　26　
2.6　云联邦应用设计　27　
2.7　本章小结　28
参考文献　29
第二篇　技术篇　
第3章　计算技术云化实践　35　
3.1　计算资源聚合与云化服务　36　
3.1.1　计算资源聚合技术　36　
3.1.2　计算资源云服务技术　39　
3.2　智能化计算　42　
3.2.1　面向异构计算资源的虚拟化运行环境　43　
3.2.2　基于容器和虚拟化的应用可移植部署　44　
3.2.3　人工智能计算资源与HPC资源融合　45　
3.3　融合计算探索　47　
3.3.1　融合计算实践　48　
3.3.2　融合计算展望　50　
3.4　本章小结　52
参考文献　53
第4章　海量科研数据存储管理与云服务　54　
4.1　海量数据存储技术与云服务系统　54　
4.1.1　海量数据存储技术与云服务系统现状　54　
4.1.2　海量科研数据存储需求　54　
4.1.3　海量科研数据存储系统架构　56　
4.2　科研数据管理技术　67　
4.2.1　科研数据管理需求与特征　67　
4.2.2　相关科研数据管理技术与系统　70　
4.2.3　科研大数据管理关键技术　72　
4.2.4　云环境下的科研大数据管理实践　75　
4.3　本章小结　90
参考文献　90
第5章　弹性互联及高速传输　92　
5.1　需求及现状分析　92　
5.1.1　科研信息基础设施的发展趋势　92　
5.1.2　国内外科研信息基础设施发展现状　92　
5.1.3　中国科技云网络基础设施面临的需求和挑战　93　
5.2　云网融合系统架构　94　
5.2.1　云网融合的国内外发展态势　94　
5.2.2　中国科技云云网融合系统总体架构　95　
5.2.3　云网融合带来的机遇与挑战　96　
5.3　面向科研大数据的高速传输技术　97　
5.3.1　差异化队列管理机制　97　
5.3.2　面向科研大数据的传输控制算法　97　
5.3.3　服务下沉和多级缓存机制　97　
5.4　基于通用处理器平台高效软转发技术　98　
5.4.1　高效稳定可扩展的多字段数据包查找算法　98　
5.4.2　支持并发的异步规则更新机制　101　
5.5　虚拟交换机的智能网卡卸载加速　102　
5.5.1　支持部分卸载的层次化包查找框架　102　
5.5.2　事件驱动的动态卸载与智能调度机制　104　
5.6　本章小结　104
参考文献　105
第6章　开放科研数据　107　
6.1　开放科研数据进展　107　
6.1.1　政策体系框架　107　
6.1.2　标准规范研制　108　
6.1.3　多元开放模式　110　
6.1.4　技术实践态势　112　
6.2　数据标识　115　
6.2.1　数据标识概述　116　
6.2.2　数据标识发展现状　116　
6.2.3　数据标识应用　119　
6.2.4　小结　120　
6.3　发布与发现　120　
6.3.1　基础模型与系统框架　120　
6.3.2　数据管理　123　
6.3.3　数据发布　132　
6.3.4　数据发现　134　
6.3.5　应用案例　141　
6.3.6　小结　146
参考文献　147
第7章　开放科学软件资源　149　
7.1　科学软件助力开放科学　149　
7.2　开源开放科学软件生态的模式和机制　150　
7.2.1　开源开放科学软件社区的核心机制　150　
7.2.2　开源开放软件项目的生命周期　152　
7.2.3　开源开放科学软件生态的人才培养模式　153　
7.3　社区生态的运营和服务体系　154　
7.3.1　社区运营模式　154　
7.3.2　社区服务模式　155　
7.4　安全可控的开源开放社区支撑平台　156　
7.4.1　安全可控的开源开放社区支撑平台的系统架构　156　
7.4.2　开源开放科学软件的持续集成技术　158　
7.5　科学软件生态的建设和应用　159　
7.5.1　中国科技云“软件资源池”　159　
7.5.2　科学软件汇聚平台　163　
7.5.3　科学软件开源社区和代码托管平台　166　
7.5.4　软件专家评估系统和开源科学软件创意大赛　169　
7.5.5　软件生态建设应用成效　172　
7.6　本章小结　173
参考文献　173
第8章　开放学术交流体系　175　
8.1　开放学术交流的主要内容　176　
8.1.1　学术交流与开放学术交流　176　
8.1.2　开放学术交流的基本特征　177　
8.1.3　开放学术交流的关键问题　178　
8.2　开放学术交流的主要模式　179　
8.2.1　开放获取出版　180　
8.2.2　开放获取仓储　181　
8.2.3　数据仓储　182　
8.2.4　预印本　185　
8.2.5　开放同行评审　186　
8.2.6　开放研究　187　
8.2.7　开放评价　188　
8.3　开放学术交流的技术框架体系　189　
8.3.1　典型的开放学术交流技术架构　189　
8.3.2　构建开放学术交流技术框架体系　191　
8.4　开放学术交流体系技术标准　192　
8.4.1　资源对象标识　192　
8.4.2　元数据标准　193　
8.4.3　数据封装标准　193　
8.4.4　互操作协议　194　
8.5　开放版权许可协议　195　
8.5.1　开放版权许可协议概述　195　
8.5.2　开放版权许可协议的种类　196
参考文献　197
第9章　云联邦服务技术　201　
9.1　研究背景　201　
9.2　云联邦系统总体架构　202　
9.3　云联邦统一认证授权服务　203　
9.3.1　认证授权协议与关键技术　203　
9.3.2　联邦认证体系下的系统实体　206　
9.3.3　联邦认证与授权技术架构　206　
9.4　云主机联邦服务　208　
9.4.1　云主机中间件　208　
9.4.2　镜像迁移　209　
9.4.3　镜像市场　210　
9.5　对象存储联邦服务　211　
9.6　云联邦资源统一计量服务　212　
9.6.1　基于联盟链的云联邦统一计量总体架构　213　
9.6.2　基于联盟链的云联邦统一计量逻辑架构　214　
9.6.3　联盟链区块设计　215　
9.6.4　系统交易与共识　215　
9.7　展望　217
参考文献　217
第10章　统一智能化运维　218　
10.1　需求和现状分析　218　
10.1.1　云网基础设施运维技术发展趋势　218　
10.1.2　云网融合系统的统一智能化运维需求　218　
10.1.3　智能运维技术发展现状　219　
10.2　统一智能化运维目标及关键技术　223　
10.2.1　目标与挑战　223　
10.2.2　大规模网络系统测量技术　224　
10.2.3　基于日志行为特征的组件故障诊断方法　227　
10.2.4　基于规则可用性的策略配置异常检测算法　228　
10.2.5　多指标NF过载故障诊断技术　237　
10.3　中国科技云统一智能运维系统　239　
10.3.1　系统总体架构　239　
10.3.2　多资源多　KPI实时监测系统　240　
10.3.3　运维大数据平台　246　
10.3.4　智能运维学件库　248　
10.3.5　智能分析管控平台　251　
10.3.6　统一资源可视化及管理平台　252　
10.3.7　统一运维体系及接口标准　253　
10.4　本章小结　253
参考文献　253
第11章　云服务高效汇聚与统一管控系统　256　
11.1　研究背景　256　
11.2　中国科技云门户2.0系统体系架构　257　
11.2.1　门户2.0系统的组成　257　
11.2.2　门户2.0技术架构　259　
11.2.3　云服务监控子系统　261　
11.2.4　资源与访问统计子系统　261　
11.3　权限角色管理　262　
11.4　API网关设计　265　
11.4.1　外部接口设计　266　
11.4.2　内部接口设计　267　
11.5　安全性设计　268　
11.5.1　基于Token的OAuth2.0认证　268　
11.5.2　微服务安全规范　269　
11.5.3　微服务链路监控　270　
11.6　本章小结　272
参考文献　272
第三篇　案例篇　
第12章　天文科学FAST的开放科学云实践　275　
12.1　FAST项目概述　275　
12.2　基于中国科技云的应用实践　276　
12.2.1　脉冲星候选体遴选应用　276　
12.2.2　FAST-FRB数据处理　277　
12.2.3　基于CENI百G端到端FAST数据传输实验　279　
12.3　天文科学应用未来展望　281
参考文献　283
第13章　高能物理科学数据与计算　284　
13.1　高能物理科学数据需求场景　284　
13.2　高能物理领域数据与计算发展挑战　286　
13.2.1　数据中心架构　287　
13.2.2　数据存储技术　287　
13.2.3　数据库技术　288　
13.2.4　科学计算技术　288　
13.3　高能物理实验及大科学装置科技领域云　295　
13.3.1　分布式数据管理与共享　296　
13.3.2　跨地域资源融合与调度　297　
13.3.3　科研业务集成　301　
13.3.4　应用效果　307　
13.4　高能物理科学数据与计算未来展望　307　
参考文献　308
第14章　基于知识图谱的干细胞知识发现　310　
14.1　概述　310　
14.2　干细胞知识发现需求与挑战　310　
14.2.1　干细胞知识发现需求分析　310　
14.2.2　存在的问题与挑战　312　
14.3　基于知识图谱的干细胞学科知识发现框架　313　
14.3.1　科技文献SPO语义网络构建　313　
14.3.2　知识图谱多源异构数据融合　315　
14.3

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节选

**篇概念篇第1章开放科学与开放科学平台 1.1开放科学概述联合国教科文组织（UNESCO）[1]认为，开放科学是“结合了多种运动和实践于一体的总括性概念”“旨在实现科学知识、方法、数据和证据的人人可及、公开使用、免费获取和重复使用，以科学协作和信息共享的方式增进科学传播和社会福利，并向传统科学界以外的社会行为者开放科学知识的创造、评估和传播过程”。开放科学是一个包容性框架，描绘了开放化的信息化基础环境，涵盖了多学科领域的学术实践活动，而且需要科研人员、研究机构领导者、出版商、资助方、学术团体等众多行为者深度参与。开放化环境涵盖了以硬件设施为主的“硬”服务环境、以软件和数据为主的“软”服务环境及协同工作环境、运行维护平台等运管环境[2]，以数据与计算平台为例，其具备融合、协同、智能、安全、开放等特点，可满足共享需求、提供共享服务、支撑科研活动，是驱动当代科学研究发展的重要信息化基础设施[3]、解决复杂科学问题的必然选择[4]。图1.1展示了开放科学概念的关键要素。开放科学始于科学本身，实践于社会大众，服务于国家战略，其*终目标是加速科学探索进程和实现共同利益*大化，通过促进更多透明、开放和协作来拓宽科学研究的边界和增强科研成果的价值，影响整个科学研究周期及其利益相关者，具有十分重要的意义。（1）在科学层面，开放是保障科学研究可靠性、可重复性与开放包容性的基石。开放科学描述了研究开展方式、研究人员合作方式、知识共享和科学组织的形式，从根本上改变了学术研究的信息传播模式，*大程度消除了学术信息流动障碍，有助于利用集体智慧开展科学研究。（2）在社会层面，开放科学体现了平等和自由思想，可为社会提供更高层次的社会福利。开放科学让各社会阶层群体都可以接触到科研的前沿思路和科学实验，发挥自身专长理解科研成果；开放科学使得组织成员对研究成果的获取和传播更加便捷，开放科学运动也使得他们的积极倡议和付出得以回报。（3）在战略层面，开放科学将促使学术研究的透明性、责任性、包容性、协作性和可复制性提升。一方面科研全过程得以校验，另一方面开放包容的科研文化得以孵化、民众的科学素养得以进一步增强。科学家精神的传承和民众科学素养的提升将助推国家向着科技强国不断迈进。图1.1开放科学的内容要素当前，开放科学理念已成普遍共识，2021年2月李克强总理在外国专家座谈会上指出全世界科学界都应该坚守这样一个理念：科学一定要合作和开放[5]。在科学共同体的努力推动下，开放科学取得重要进展。开放期刊获取方面，先后发布《布达佩斯开放获取倡议》（2002）、《贝塞斯达开放获取出版宣言》（2003）、《OA2020：大规模学术期刊开放获取倡议》（2016），建成了arXiv、medXiv、BioXiv、engrXiv、ChemRXiv等预印本平台，开展了开放获取周（OAWeek）系列品牌活动、启动了“S计划”（PlanS），基本形成绿色OA、金色OA、混合OA、棕色OA、黑色OA等五种模式。其中，我国于2018年初发起了以推动中文科技期刊创新能力为宗旨的“开放科学计划”（OSID），目前已吸纳数百本期刊加入[6]。开放科学数据方面，《Earth SystemScience Data》《Scientific Data》《Geoscience Data Journal》《Polar Data Journal》《中国科学数据》等为代表的数据期刊成为科学数据出版的创新载体，以国际科学理事会数据委员会（CODATA）、研究数据联盟（RDA）等为代表的国际组织通过国际会议交流、制定政策标准、发起活动倡议等活动推动科学数据开放共享。我国出台的《科学数据管理办法》（2018）首次站在国家高度、面向多领域科学数据提出开放共享的指导原则[7]，布局20个领域科学数据中心（2019）构建国家科学数据共享服务网络体系[8]。开放基础设施方面，美国启动了“国家信息基础设施”计划（1993），成立了非营利组织“开放科学中心”（2013）；英国将建设“国家核心基础数据集”作为国家数据战略之一（2012）、启动“国家信息基础设施”项目建设（2015）、启动“国家基础设施交付计划（2016～2011）”（2016）；由全球10多个国家计划合资建设的平方公里阵列射电望远镜（SKA）将是人类有史以来建造*大的望远镜；我国于2002年着手建设了覆盖中国科学院全院科研院所和职能部门所有业务场景的学术资源规划系统（ARP）[9]，持续建设“中国科技云”并牵头发起了“全球开放科学云”计划（2019）。开放科学战略方面，荷兰制定了《开放科学与研究计划》（2014），启动开放科学国家计划和发布《荷兰开放科学宣言》（2017）；日本发布了《促进日本开放创新、开放科学、向世界开放》研究报告（2015）；法国发布了《法国开放科学国家计划》（2017）；美国发布《开放科学设计：实现21世纪科研愿景》报告（2018）；塞尔维亚通过了《科学与研究新法》（2019）；芬兰、联合国粮农组织、欧盟、波兰、联合国教科文组织、加拿大等国家/组织还发布了涉及不同方面的开放科学路线图。我国则提出了“推动实施国家大数据战略”（2015），强调加快完善数字基础设施，而《“十三五”国家信息化规划》（2016）则将数据资源开放共享作为一项行动计划列入优先实施范畴。 1.2开放科学平台所谓开放科学平台，是指将实验室、大科学装置、科研数据中心、信息化平台、分布式网格等基础设施统一整合后进行开放共享[10]。经过多年发展，开放科学平台基本形成了开放获取平台、开放数据平台、综合型平台三种类型。 1.2.1开放获取平台 1.欧洲开放获取基础设施 2009年，欧盟启动欧洲开放获取基础设施（OpenAIRE）建设[11]，负责已存在的、已计划的和将来建设的知识库或相关的基础设施所产出的研究成果（出版物、相关数据集、软件和服务）的整体管理、分析、操作、提供、监测和交叉链接。OpenAIRE既是一个专门的开放科学专家网络，旨在推广和提供开放科学培训，又是一个技术基础设施，用于收集连接数据提供商的研究成果。对于欧洲公共资金资助的研究成果，平台将提供无限制、无障碍、开放式的访问，致力于为欧洲及其他地区开放的学术交流提供支持，努力建设一个*先进、开放和可持续发展的学术交流基础设施，促成对于科学研究的完整价值的全面的无边界的开放获取。目前，经历OpenAIRE、OpenAIREPlus、OpenAIRE2020、OpenAIRE-Connect等迭代后，已经发展至OpenAIRE-Advance，服务延伸至研究社区，与欧洲开放科学云（EOSC）相兼容，以支持欧洲和全球的开放获取/开放数据任务。 2.拉丁美洲科学出版物机构存储库联邦网络 2012年，阿根廷联合其他9个国家发起建设拉丁美洲科学出版物机构存储库联邦网络（LA Referencia）[12]，这是一个开放获取存储库网络，旨在通过一个具有互操作性标准的平台为拉丁美洲的国家开放获取战略提供服务支持，从国家层面整合、分享并宣传高等教育和科学研究机构产生的科学成果（科技文献、博士/硕士学位论文）。在技术层面，LA Referencia开发了一个免费软件平台GPL3收集科研信息，该平台除了支持区域网络的中心节点之外，还充当成员国的聚合服务和国家门户；在标准层面，LA Referencia通过其“元数据和收获政策”（2015）文件确定了所考虑的都柏林核心元数据方案的14个要素中每个要素的性质、定义和范围；在协议层面，基于欧盟的《Driver2.0准则》和《文献资料库管理者OpenAIRE准则》构建了一系列多语言控制的词汇表和互操作性指南，实现词汇表和准则要素在更大程度上的国际统一。目前，LAReferencia联邦网络已汇聚阿根廷、巴西、智利、哥斯达黎加、哥伦比亚、厄瓜多尔、萨尔瓦多、墨西哥、秘鲁、乌拉圭等10个国家的一百多所大学和研究机构的310万条文件资料、105万篇硕博士学位论文、20万篇科学文章和7万条科学报道。 3.其他科研资源开放网络除了上述开放获取基础设施，国际上还有其他诸多科研资源开放网络平台，表1.1对部分典型案例进行了梳理。

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