Resumo

  • O Energy Sciences Network, abreviado como ESnet, é uma infraestrutura de rede operada pelo Lawrence Berkeley National Laboratory para o DOE Office of Science, e não uma empresa comercial de telecomunicações
  • O ESnet6 conecta cerca de 15.000 milhas de infraestrutura de fibra óptica com transporte óptico, roteamento, redes privadas, conexões de nuvem, ferramentas de medição e serviços programáveis
  • Science DMZ, perfSONAR, OSCARS, SENSE e EJFAT mostram que o desempenho científico depende de todo o caminho entre instrumento, armazenamento, rede e data center
  • American Science Cloud e ESnet7 poderiam integrar a rede mais profundamente nos fluxos de trabalho científicos, mas estão em diferentes estágios de planejamento, pesquisa e maturidade

Uma rede científica e não um provedor de internet para o mercado de massa

O ESnet pode ser melhor explicado por um conjunto de dados científicos. Um detector, telescópio, microscópio ou uma simulação gera informações em uma instalação de pesquisa. Sistemas de aquisição as coletam, servidores de armazenamento e transferência as preparam, e a rede local as conduz até um ponto de entrega controlado. A partir daí, uma conexão ESnet pode transportar os dados pelos Estados Unidos, através do Atlântico, para um supercomputador do Department of Energy, por meio de uma rede parceira ou para uma nuvem comercial.

O retorno é um conjunto de dados analisados, um alerta, um modelo ou uma decisão sobre a próxima etapa experimental.

Nenhuma organização controla esse caminho completo. A equipe do instrumento, a rede do laboratório, a rede regional de pesquisa, o provedor de nuvem, o parceiro internacional e o data center podem pertencer a diferentes operadores. O ESnet fornece a camada de longa distância orientada à missão e colabora com essas organizações. Armazenamento lento, um link de campus congestionado ou um firewall inadequado podem tornar ineficaz um backbone nacional rápido; por outro lado, uma interrupção dentro do ESnet pode isolar uma instalação local bem projetada do restante do sistema científico.

Do ponto de vista institucional, o ESnet está claramente definido. É uma User Facility do DOE Office of Science, financiado e supervisionado principalmente pelo Advanced Scientific Computing Research, e operado pela Scientific Networking Division do Lawrence Berkeley National Laboratory. O Berkeley Lab é administrado pela University of California em nome do Department of Energy. O ESnet não possui acionistas, listagem em bolsa, avaliação corporativa independente ou balanço comercial, devendo, portanto, ser descrito como uma infraestrutura de pesquisa com financiamento público.

Os pesquisadores geralmente entram em contato com o ESnet indiretamente, por meio de um instrumento, um supercomputador, um serviço de laboratório, uma universidade ou uma rede parceira. O ESnet distingue entre Site Users institucionais e Endpoint Users, e não mantém uma lista formal de participantes individuais. Os mais de 30.000 usuários organizacionais mencionados no relatório anual de 2024 são, portanto, uma métrica institucional, e não um número exato de assinantes individuais.

A comparação com uma operadora comercial comum é insuficiente. O ESnet opera transporte óptico e roteamento IP, mas também realiza análises de necessidades, mantém software de código aberto, testa novos serviços e auxilia os locais com problemas ponta a ponta. O real benefício é fazer com que instalações separadas geograficamente funcionem como partes de uma máquina científica comum. (Governança do ESnet;Serviços de rede)

A história começou com computadores escassos e acopladores acústicos

A história oficial remonta a meados da década de 1970, quando o poder computacional e as comunicações remotas eram escassos. No Controlled Thermonuclear Research Computer Center do Lawrence Livermore National Laboratory, funcionários conectaram um computador emprestado Control Data Corporation 6600 por meio de quatro modems acústicos. A tecnologia pertence a uma era diferente, mas o problema ainda é reconhecível: uma comunidade científica especializada precisava de acesso remoto a um computador que era muito caro para ser duplicado em cada local participante.

No final da década de 1970 e início da de 1980, diferentes programas de pesquisa do Department of Energy construíram suas próprias redes. A física de altas energias e a fusão magnética tinham instalações, parceiros e fluxos de dados distintos; sistemas precursores como HEPnet e MFEnet refletiam essas fronteiras. Redes especializadas faziam sentido quando os serviços comerciais não podiam oferecer o alcance, o desempenho ou a atenção operacional necessários. No entanto, também resultavam em duplicação de linhas, tecnologias e equipes operacionais.

A criação formal do ESnet, em 1986, unificou essas funções. Uma instalação comum podia planejar entre programas, operar conexões nacionais, coordenar ligações internacionais e manter pessoal especializado. A capacidade transformou-se de uma decisão isolada de um experimento para uma tarefa de infraestrutura do departamento.

O modelo inicial já apresentava características que persistem até hoje: acesso baseado na missão científica, recursos com financiamento compartilhado, planejamento plurianual, equipes operacionais que compreendem as implicações científicas e uma demanda irregular que pode, por vezes, ser dominada por um único experimento.

O Berkeley Lab teve sua própria trajetória de rede. Em 1974, um CDC 6600 foi conectado à ARPANET; mais tarde, pesquisadores contribuíram para o controle de congestionamento TCP. Os trabalhos de Van Jacobson e Mike Karels pertencem ao ambiente mais amplo do laboratório e não devem ser atribuídos exclusivamente ao ESnet. Contudo, a proximidade institucional fomentou uma cultura em que o comportamento dos protocolos, a medição e o desempenho eram vistos como problemas técnicos passíveis de investigação e modificação.

Em 1996, a operação foi transferida para o Berkeley Lab, aproximando-se do National Energy Research Scientific Computing Center, da pesquisa em redes, do desenvolvimento de software e de outros programas do Department of Energy. Surgiu, assim, o modelo atual, no qual a operação de produção e a pesquisa aplicada coexistem no mesmo ambiente institucional. (História do ESnet)

Por que o networking se tornou uma User Facility

Uma User Facility científica reúne capacidades que são muito caras, especializadas ou fortemente interconectadas para grupos de pesquisa individuais. Um acelerador de partículas, uma fonte de luz ou um supercomputador de ponta segue essa lógica. O ESnet a aplica à comunicação. Fibras de longa distância e espectro, óptica, roteadores, capacidade internacional, operação contínua, segurança cibernética, medição e consultoria técnica são fornecidos de forma compartilhada.

O tipo de demanda científica explica o financiamento público. Uma operadora pode vender uma linha rápida, mas raramente planejará sua arquitetura nacional em torno de um detector que começará a funcionar anos depois, de uma possível explosão de supernova ou de um fluxo de trabalho com baixo volume de mercado e alto valor público. O ESnet pode investir antes que a utilização seja mensurável, porque a capacidade científica, e não a receita de curto prazo, é o objetivo.

As Requirements Reviews formais determinam as necessidades futuras. Programas de pesquisa descrevem instrumentos, volumes de dados, locais de armazenamento, metas computacionais, prazos, parceiros e gargalos locais ao longo de um horizonte de cinco a dez anos. Isso pode resultar em conexões de site maiores, caminhos físicos adicionais, capacidade transatlântica, novo software de orquestração ou mudanças na arquitetura de dados local.

Esse processo é menos visível do que um novo link óptico, mas pode ser mais crítico. O espectro em um cabo submarino, uma segunda entrada de edifício ou um novo roteador podem exigir anos de financiamento, aquisição e construção. Se o ESnet esperasse até que um experimento produzisse todo o seu volume de dados, uma questão de infraestrutura previsível se tornaria uma emergência.

As revisões não tornam as previsões certas. Instrumentos atrasam, o software de redução de dados melhora, o uso da nuvem aumenta e os fluxos de trabalho científicos são redesenhados. O ESnet, portanto, utiliza os resultados como uma faixa de requisitos possíveis e decide onde capacidade de reserva, arquitetura flexível ou investimentos incrementais são justificados.

O acesso permanece institucional. Após patrocínio e custos adicionais, os sites podem arcar com parte dos custos de conexão. Pesquisadores individuais não pagam por gigabyte nem celebram um contrato pessoal com o ESnet. A ausência de cobrança ao usuário final, no entanto, não significa gratuidade: fibra, energia, equipamentos, pessoal, colocation e reparo são financiados com orçamentos públicos ou contribuições dos sites.

O sucesso é medido de forma diferente de uma operadora comercial. O ESnet deve equilibrar disponibilidade, demanda futura, acesso científico, resiliência e pesquisa. Como essas decisões envolvem fundos públicos e instalações de longa duração, elas exigem premissas documentadas e resultados verificáveis. (Governança;ESCC)

O Berkeley Lab opera o sistema, o DOE define a missão

A cadeia institucional vai do Department of Energy, passando pelo Office of Science e o Advanced Scientific Computing Research, até o Berkeley Lab e sua Scientific Networking Division. A University of California opera o laboratório por contrato. A missão federal e o financiamento são, portanto, separados da operação diária da rede.

Inder Monga é o Diretor Executivo do ESnet e Diretor da Scientific Networking Division. Chin Guok é o Chief Technology Officer, liderando planejamento e inovação; Adam Slagell é o Chief Security Officer; Jon-Paul Herron lidera a Engenharia de Rede; Susan Lucas é a Deputy of Business Operations. A organização inclui especialistas em óptica, roteamento, engenharia de site, sistemas, software, segurança, medição, automação, projetos e Science Engagement.

A amplitude dessa estrutura corrige a imagem de uma rede nacional como uma coleção de fibras e roteadores. O ESnet deve adquirir espectro, operar BGP, construir telemetria, manter ferramentas de código aberto, investigar o comportamento dos pacotes, gerenciar autorizações de segurança e traduzir planos científicos em infraestrutura concreta. A organização é simultaneamente operadora e ambiente de desenvolvimento.

Os sites participam por meio do ESnet Site Coordinators Committee. Cada instituição designa uma pessoa que pode aprovar mudanças em sua conexão ESnet e comunicar requisitos locais. Isso é governança institucional de usuários, não votação direta de todos os pesquisadores cujos dados passam pelo ESnet.

Fontes públicas não coincidem totalmente sobre uma função do programa. A atual página de governança lista Benjamin Brown como o gerente de programa ASCR responsável, enquanto documentos recentes de Requirements Review mencionam Carol Hawk como Gerente de Programa do ESnet. A apresentação confiável registra essa imprecisão, em vez de inventar uma responsabilidade atual exclusiva.

O ESnet não é uma agência autônoma nem uma rede puramente tecnocrática. Contratos, orçamento federal, gestão do laboratório e coordenação de sites limitam o poder técnico. Ao mesmo tempo, a responsabilização torna-se mais difícil quando um fluxo de trabalho atravessa várias instituições e nenhuma delas controla o caminho completo. (Liderança do ESnet;Governança)

O ESnet4 separou o tráfego comum dos fluxos científicos excepcionalmente grandes

Em meados dos anos 2000, o Large Hadron Collider e outros experimentos distribuídos geravam transferências que não se adaptavam bem a uma rede IP unificada. O ESnet4, portanto, combinou um núcleo IP com a Science Data Network, que utilizava várias conexões ópticas de 10 Gbps e funções de circuitos dinâmicos.

A ciência não deveria abandonar o IP. Em vez disso, alguns fluxos de dados muito grandes precisavam de recursos diferentes da comunicação comum. As conexões normais permaneceram roteadas, enquanto movimentações planejadas de dados podiam usar caminhos de alta capacidade reservados. Anéis metropolitanos e a colaboração com a Internet2 conectaram laboratórios e pontos de presença.

Essa arquitetura deu ao OSCARS um contexto de produção. Recursos de largura de banda e VLAN podiam ser reservados por software e removidos após o uso, em vez de serem configurados exclusivamente de forma manual. A rede começou a disponibilizar recursos de forma programática.

A separação aumentou a complexidade de equipamentos e operações e não eliminou problemas locais de armazenamento ou campus. No entanto, mostrou que diferentes padrões de tráfego podem exigir mecanismos distintos, enquanto o caminho completo deve permanecer observável. (Arquitetura do ESnet4)

A Science DMZ deslocou o gargalo para a borda da instituição

Com um backbone mais rápido, as fraquezas locais tornaram-se mais visíveis. Um WAN de 100 Gbps serve de pouco se os dados passam por um firewall corporativo comum, se um servidor lê muito lentamente ou se uma interface perde pacotes. O ESnet e parceiros desenvolveram a Science DMZ especificamente para lidar com esse gargalo ponta a ponta.

O modelo coloca Data Transfer Nodes de alto desempenho em um caminho controlado próximo à borda institucional. A segurança pode usar listas de acesso de roteador, hardening de host, detecção de intrusão, análise de fluxo e serviços restritos, em vez de forçar grandes transferências pelo mesmo firewall com estado usado por aplicações corporativas e de escritório. O perfSONAR fornece medições contínuas de throughput, latência, perda de pacotes e mudanças de caminho.

A Science DMZ não é uma rede desprotegida. Os controles são adaptados a sistemas especializados que ainda exigem patches, monitoramento, gerenciamento de identidade e responsabilidade local. Remover um dispositivo inadequado do caminho dos dados não elimina a tarefa de segurança.

Os próprios Data Transfer Nodes também devem ser adequados. Placas de rede, alocação de CPU, memória, buffers TCP, discos e sistemas de arquivos paralelos determinam se um link de longa distância alcançará o desempenho pretendido. As recomendações do Fasterdata do ESnet e a consultoria técnica traduzem esses detalhes em procedimentos reproduzíveis.

O modelo se difundiu para além do Department of Energy. O ESnet pode ser citado como desenvolvedor e importante promotor, mas não opera nem possui todas as implementações. O desempenho e a proteção dependem de como uma instituição integra armazenamento, Data Transfer Nodes, segurança e rede local.

A Science DMZ também mudou a solução de problemas. A distância sozinha não explica mais o baixo desempenho; endpoint, interface, perímetro e WAN devem ser medidos em conjunto. Um elo fraco pode determinar o desempenho de toda a cadeia. (Science DMZ)

O ESnet5 trouxe 100 Gbps continentais para a produção

O American Recovery and Reinvestment Act destinou US$ 62 milhões para a Advanced Networking Initiative, apoiando um protótipo de longa distância de 100 Gbps e a transição para o ESnet5. A rede entrou em produção no final de 2012, com direitos de espectro em uma malha nacional de fibra óptica e em estreita colaboração com a Internet2.

Na época, o Department of Energy e o ESnet a descreveram como a rede científica mais rápida do mundo. Essa afirmação histórica sobre uma implantação precoce de produção continental de 100G é utilizável. Não é uma classificação neutra para 2026, pois várias redes de pesquisa usam 400G e diferentes definições de velocidade de interface, capacidade de backbone e espectro óptico são empregadas.

O investimento foi além dos roteadores. Os direitos de espectro deram ao ESnet mais controle sobre atualizações futuras do que compras repetidas de linhas prontas. Contudo, eles também vincularam o programa a rotas, instalações e fornecedores específicos a longo prazo.

O ESnet5 forneceu capacidade adicional e novamente tornou visíveis os gargalos locais. Um site precisava de conexões adequadas, Science DMZ, armazenamento rápido e capacidade computacional de recepção. A velocidade maior, portanto, aumentou o valor do perfSONAR e da engenharia ponta a ponta.

A contribuição duradoura foi transformar 100G de uma demonstração técnica em uma infraestrutura científica operacional. Ao mesmo tempo, o ESnet5 preparou as bases ópticas, operacionais e de software para o ESnet6. (Lançamento do 100G do ESnet5)

O ESnet6 é um sistema óptico, de comutação de pacotes e baseado em software

O projeto ESnet6 começou formalmente em 2017 e foi concluído em 2022, após cerca de seis anos de design e construção. O lançamento público ocorreu em 11 de outubro de 2022. Na ocasião, o Berkeley Lab informou mais de 46 Tbps de capacidade agregada em cerca de 15.000 milhas de infraestrutura de fibra dedicada, com conexões de backbone entre 400 Gbps e 1 Tbps. No relatório anual de 2024, o valor agregado subiu para 57 Tbps, enquanto configurações individuais de backbone alcançaram até 1,2 Tbps.

Os números vêm de anos diferentes e descrevem um sistema em crescimento. Eles também não representam toda a arquitetura. O ESnet6 compreende direitos de fibra e espectro, sistemas de linha óptica e amplificadores, roteadores de núcleo e de serviço, telemetria programável, automação, redes privadas, circuitos sob demanda, interconexão de nuvem e internet, medição de desempenho e controles de segurança.

A camada óptica transporta múltiplos comprimentos de onda e pode agregar vários links de pacotes. Uma conexão descrita como 1,2 Tbps, portanto, não é necessariamente uma única interface Ethernet totalmente disponível para um site. A capacidade utilizável depende de canais, mecanismos de proteção, rota, equipamentos e políticas.

O ESnet6 foi construído como uma rede orientada por software, não apenas uma versão mais rápida do ESnet5. A automação provisiona serviços e mantém os equipamentos em um estado mais consistente. A telemetria auxilia o diagnóstico, enquanto hooks de pesquisa e funções de testbed permitem experimentos dentro de limites de produção definidos.

A nova camada de software reduz o trabalho manual, mas também amplia o alcance de um erro. Um template, política de roteamento ou informação de inventário incorretos podem se propagar para muitos dispositivos. A automação segura, portanto, exige implantação gradual, verificação independente, privilégios limitados e procedimentos documentados de recuperação.

Assim, uma geração de rede renova simultaneamente óptica, camada de pacotes, software, operações e premissas de capacidade. A qualidade se manifesta na migração, disponibilidade e benefício científico, não apenas no valor máximo publicado. (Lançamento do ESnet6;Relatório Anual 2024)

O que 57 Tbps significam — e o que não

O relatório anual de 2024 menciona cerca de 15.000 milhas de infraestrutura de fibra, 78 sites de roteadores, 278 sites de amplificadores ópticos, conexões de backbone de 400 Gbps a 1,2 Tbps e 57 Tbps de capacidade agregada. A isso se somam 2,7 Tbps de capacidade transatlântica e sete sites nos EUA com conexões de pelo menos 400G.

O ESnet conectou todos os 17 laboratórios nacionais do Department of Energy e relatou 28 DOE User Facilities, 277 relações com redes de pesquisa, comerciais e outras em cinco países, mais de 30.000 usuários organizacionais e 137 funcionários e contratados em 24 estados. Esses números descrevem populações distintas e não devem ser somados como número de clientes. Roteadores, instalações, redes parceiras, usuários institucionais e força de trabalho são métricas separadas.

A capacidade agregada soma recursos distribuídos e não representa o throughput de um único caminho. As conexões físicas dos sites são oferecidas a 10, 100 ou 400 Gbps. Um link de backbone pode ser composto por vários canais ou interfaces. O tráfego real está sempre abaixo da capacidade construída e não é distribuído uniformemente.

Em 2024, o ESnet transportou 1,77 exabytes, após 1,7 exabytes em 2023, um aumento de quatro por cento. O ESnet calcula, desde 1989, um crescimento médio histórico de cerca de 55 por cento ao ano. Um ano fraco isolado é relevante, mas não prova que futuros instrumentos, inteligência artificial ou eventos raros exijam menos capacidade.

Além disso, o tráfego é concentrado. Segundo o relatório anual, aproximadamente metade foi atribuída a atividades do Large Hadron Collider. O Fermilab foi o maior remetente externo, com 136 petabytes; o NERSC, o maior receptor dentro do Department of Energy, com 75,3 petabytes; e Oak Ridge, o maior remetente do Department, com 58,3 petabytes. Tais números mostram cargas de trabalho importantes, mas não representam todo o valor científico.

“Fibra dedicada” não comprova a propriedade jurídica de cada cabo. A infraestrutura pode incluir fibra escura, espectro, serviços de linha, infraestrutura de operadoras e caminhos de parceiros. O ESnet controla direitos dedicados em rotas importantes, enquanto a propriedade e a responsabilidade de reparo variam por rota.

A métrica de 57 Tbps descreve o tamanho do sistema, não seu impacto científico. Este depende de o transporte, roteamento, rede do site, armazenamento, poder computacional e aplicação funcionarem como um fluxo de trabalho completo. (ESnet em Números)

AS293 roteia para uma missão, não para o mercado consumidor

O sistema autônomo público do ESnet é o AS293. Ele troca rotas com sites do DOE, redes de pesquisa, redes comerciais e provedores de trânsito pagos, alinhando sua política com a alcançabilidade científica, resiliência e interconexão controlada.

A política de peering exige BGP, registros atualizados no Internet Routing Registry e no PeeringDB, além de práticas de segurança de roteamento alinhadas ao MANRS. O ESnet descarta rotas inválidas segundo RPKI e exige IPv6 ou dual stack para novas sessões; novos peerings apenas IPv4 são excluídos.

A interconexão direta privada começa em 100G, com forte preferência por 400G. O limite reflete os grandes fluxos de dados científicos e o custo operacional de um relacionamento privado. O ESnet não precisa estabelecer peering direto com todas as redes, mas busca conexões que melhorem os caminhos científicos, reduzam a dependência de trânsito ou conectem parceiros importantes.

As BGP Communities publicadas distinguem sites do ESnet, redes de pesquisa e educação, e redes comerciais. Os sites podem derivar políticas próprias a partir delas, mas as redes downstream não são obrigadas a interpretar as marcações da mesma forma.

Hurricane Electric e Lumen fornecem trânsito público pago para destinos não alcançados eficientemente via peering ou relacionamentos com redes de pesquisa. Isso complementa o alcance sem transformar o ESnet em um provedor de internet para consumidores.

O RPKI impede uma classe de anúncios inválidos, mas não todos os vazamentos de rota ou configurações incorretas. O monitoramento de hijack e o blackholing auxiliam na resposta; o blackholing protege outros sistemas ao tornar o prefixo atacado intencionalmente inalcançável. (Política de Peering)

Conexões físicas, redes privadas e caminhos de nuvem

O ESnet oferece acesso físico a 10, 100 ou 400 Gbps. Próximo a um Ponto de Presença, uma conexão direta é possível; instalações distantes podem usar um Service On-Ramp, onde fibra escura ou um circuito contratado de uma operadora é provisionado. Essa dependência de operadora local pode se tornar o principal risco de desempenho ou interrupção do caminho completo.

O IP de Camada 3 fornece roteamento IPv4 e IPv6. Uma VPN de Camada 3 cria ambientes IP e BGP logicamente separados para programas com múltiplos sites. VPNs de Camada 2 fornecem Ethernet ponto a ponto ou multiponto, estática ou via OSCARS. Experimentos, instalações e nuvens podem, assim, obter caminhos privados controlados.

Serviços privados não significam necessariamente isolamento físico. A separação lógica depende de instâncias de roteamento, rótulos, controles de acesso e práticas operacionais em uma plataforma compartilhada. Falhas nessa plataforma podem afetar vários serviços.

O Cloud Connect estabelece conexões privadas com AWS, Microsoft Azure, Google Cloud e Oracle. Esse caminho contorna partes da internet pública e pode oferecer mais controle sobre a rota. Contudo, não elimina configuração incorreta da nuvem, interrupção do provedor, custos de saída, limitação regional, questões de identidade ou dependência de fornecedor.

O portfólio também inclui DNS secundário, serviços de tempo, monitoramento de hijack de rotas e blackholing. Cada serviço lida com riscos específicos, mas não substitui uma arquitetura local de alto desempenho. Um caminho privado não torna o armazenamento mais rápido, e uma conexão segura não torna automaticamente segura uma conta de nuvem mal configurada.

O valor surge da combinação de acesso físico, roteamento, separação lógica, interconexão e suporte operacional. O endpoint e a rede do site permanecem sob responsabilidade local. (Menu de Serviços de Rede)

OSCARS torna a capacidade reservável

O tráfego comum da internet utiliza a capacidade disponível no momento. Algumas transferências científicas são planejadas, volumosas e perdem valor significativo se atrasadas. O OSCARS permite que usuários e aplicações autorizados reservem recursos de rede por um período definido.

Uma reserva pode incluir endpoints, horário de início e término, largura de banda, informações de VLAN, rotas excluídas e outras condições. O sistema verifica a topologia e as reservas existentes, encontra um caminho adequado, instala a configuração necessária e a remove após o término.

A automação transforma uma coordenação manual de dias em um serviço que um fluxo de trabalho científico pode solicitar. A rede se torna um recurso programável, ao lado de armazenamento e tempo de computação.

O OSCARS é um software de produção de código aberto e foi implantado ou testado fora do ESnet. No entanto, algumas páginas públicas contêm informações históricas, razão pela qual nem toda organização mencionada deve ser considerada uma instalação atual e idêntica.

Uma reserva não garante o throughput da aplicação. Armazenamento lento, perda de pacotes local, ajuste inadequado do sistema operacional ou fluxos de dados paralelos insuficientes podem impedir a taxa reservada. As políticas também devem reger prioridade, preempção, conflitos e reservas não utilizadas.

O OSCARS mostra como o ESnet traduziu uma prática operacional em infraestrutura reproduzível. O software automatiza o provisionamento, enquanto a autorização e a alocação de recursos permanecem decisões institucionais. (OSCARS)

SENSE tenta coordenar rede e sistemas finais conjuntamente

Um circuito reservado não ajuda se faltarem armazenamento, serviço de transferência ou recurso computacional. O SENSE descreve redes e sistemas finais como recursos que uma aplicação pode descobrir e negociar entre múltiplos domínios administrativos.

Um fluxo de trabalho formula o resultado desejado, por exemplo, transferir um conjunto de dados entre duas instalações a uma determinada taxa. O SENSE coleta modelos dos recursos envolvidos, provisiona caminhos e transferências, monitora telemetria e, em seguida, libera os recursos. Cada organização mantém sua própria política, identidade e autoridade.

Durante o LHC Data Challenge 2024, um fluxo de trabalho SENSE sustentou 330 Gbps entre o Caltech e a University of California, San Diego. Essa é uma demonstração concreta ao vivo em escala significativa. No entanto, o relatório anual de 2024 ainda descreveu o SENSE como um projeto de pesquisa, não como um serviço de produção universal.

O OSCARS reserva recursos dentro de um domínio de serviço conhecido. O SENSE tenta coordenar um resultado entre vários proprietários e tipos de recursos. A segunda tarefa oferece potencialmente mais benefício científico, mas aumenta o risco de falhas parciais, conflitos de modelo, problemas de permissão e descoordenação temporal.

Se um fluxo de trabalho declarado não atinge seu desempenho, a causa pode estar na rede, no sistema de armazenamento, em uma credencial, em um modelo de recurso ou na aplicação. A orquestração só se torna operacionalmente valiosa quando sua telemetria mostra qual parte do estado acordado não foi cumprida.

A maturidade de produção deve, portanto, ser medida pelo uso repetido, clara responsabilidade de suporte, recuperação e adoção multi-domínio, não apenas pelo maior valor de demonstração. (SENSE;Pesquisa Aplicada 2024)

EJFAT leva dados de eventos diretamente ao recurso computacional remoto

O fluxo tradicional grava dados científicos em arquivos, armazena-os e transfere-os posteriormente. Isso é robusto, mas atrasa o feedback e exige capacidade local para picos de carga. O EJFAT distribui eventos encapsulados em UDP do instrumento para nós de computação disponíveis, inclusive em centros de supercomputação remotos.

Uma SmartNIC baseada em FPGA lê o ID do evento e envia todos os fragmentos do mesmo evento para um worker. O controle ajusta a distribuição aos nós de computação disponíveis. Esse vínculo por evento distingue o EJFAT de um balanceador de carga genérico, que distribuiria pacotes individuais sem conhecimento da afinidade científica.

Em abril de 2024, dados do Jefferson Lab, na Virgínia, foram transmitidos a 100 Gbps para o Perlmutter, na Califórnia, e processados sem armazenamento intermediário em disco. Testes posteriores utilizaram, segundo o ESnet, aproximadamente 20.000 núcleos em múltiplas instalações. Esses são resultados específicos, não uma garantia para qualquer instrumento.

O caso do Facility for Rare Isotope Beams, publicado em julho de 2026, transmitiu dados brutos a cerca de 5–6 Gbps. Um volume de 615 GB gerado ao longo de quinze horas foi processado em oito nós do Perlmutter em vinte minutos com inferência de machine learning. O ganho de tempo científico foi mais importante do que uma taxa de pico.

O modelo viabiliza o compartilhamento nacional de capacidade computacional, mas torna o experimento diretamente dependente da rede, do FPGA, da segurança e da alocação de HPC. Uma interrupção pode não apenas atrasar uma transferência futura de arquivo, mas comprometer o feedback durante uma medição em andamento.

O EJFAT é um protótipo avançado ou uma plataforma emergente, não um serviço padrão para todos os usuários do ESnet. A adoção mais ampla requer integração de instrumentos, suporte, modelos de segurança e comportamento claro diante de perda de pacotes. (EJFAT;Resultado FRIB)

High-Touch, perfSONAR e iperf3 tornam o caminho visível

Uma rede de alto desempenho pode falhar sem parecer congestionada em gráficos de média. Um microburst pode encher uma fila, pacotes podem chegar fora de ordem, a perda pode ocorrer em apenas uma direção, ou um caminho pode mudar entre dois testes.

O High-Touch utiliza hardware programável para fornecer telemetria de pacotes e fluxos mais detalhada do que a amostragem tradicional. Em 2024, o sistema ajudou a investigar o throughput do LHC, o reordenamento de pacotes no caminho Rubin e eventos de segurança. A maior precisão custa memória, poder computacional e proteção de acesso, além de criar questões adicionais de privacidade.

O perfSONAR mede, de forma distribuída, throughput, latência, perda e comportamento do caminho. O ESnet é parceiro fundador, opera mais de 30 pontos e, em 2024, fez parte de uma malha global reportada de mais de 2.000 pontos de medição. A arquitetura distribuída ajuda a identificar o segmento onde uma degradação se inicia.

O iperf3 gera tráfego TCP, UDP ou SCTP sobre IPv4 ou IPv6. O ESnet mantém a ferramenta e reportou testes de mais de 150 Gbps em caminhos de 200G sob condições específicas. Um teste sintético não representa armazenamento nem aplicação, mas fornece uma linha de base controlada para separar problemas de rede e de endpoint.

As três abordagens respondem a perguntas diferentes. O High-Touch examina tráfego de produção com alta precisão, o perfSONAR mede caminhos entre instituições, e o iperf3 testa o desempenho transportável de hosts e rede. Juntos, eles evitam que cada operador declare saudável apenas seu próprio segmento, enquanto o fluxo de trabalho científico permanece lento. (Ferramentas de Desempenho;Inovações Operacionais 2024)

Às vezes, menos tráfego é a melhor atualização de capacidade

Conjuntos de dados científicos populares são acessados repetidamente na mesma região. Cinco caches regionais examinados em 2024 reduziram o tráfego WAN em média 33 TB por dia, atenderam dois terços das solicitações localmente e alcançaram uma taxa média de acerto de cache de 94 por cento.

O efeito variou: redução de WAN de 69,3 por cento no Sul da Califórnia, 48,4 por cento em Chicago e 6,6 por cento em Boston. A popularidade dos dados, a geografia dos usuários, o tamanho do armazenamento e a política de evicção determinam o benefício de um local.

O caching muda a pergunta de “Quão rápido o backbone pode ficar?” para “Quais dados realmente precisam atravessar o backbone?”. Uma cópia local pode reduzir latência e tráfego, e permanecer disponível durante uma interrupção remota. Por outro lado, um cache com pouco reúso consome armazenamento e esforço operacional sem benefício comparável.

O método aproxima a rede da governança de dados. É preciso decidir o que pode ser copiado, como garantir a atualidade, quem tem acesso e como remover conteúdo incorreto ou desatualizado.

O estudo não garante uma taxa de acerto de 94 por cento para qualquer comunidade científica, nem substitui nova capacidade para fluxos de dados ao vivo exclusivos. Contudo, mostra que a localização de dados e a arquitetura de rede podem ser projetadas em conjunto. (Pesquisa Aplicada 2024)

A ciência transatlântica precisa de diversidade física, não apenas de capacidade

A missão nacional do ESnet implica um compromisso internacional. Segundo o relatório anual de 2024, aproximadamente metade do tráfego estava relacionada ao Large Hadron Collider. Portanto, uma falha entre Europa e América do Norte pode impactar uma carga científica central, mesmo que todos os roteadores domésticos estejam funcionando.

Entre 2024 e o início de 2025, a capacidade transatlântica reportada aumentou de cerca de 700 Gbps para 2,7 Tbps. O ESnet celebrou um contrato de 15 anos com a Aqua Comms por 25 por cento de um par de fibras entre Nova York, Dublin e Londres, e compartilha capacidade e custos com a GÉANT em vários sistemas de cabos. A meta é pelo menos 3,2 Tbps em quatro caminhos fisicamente distintos, com potencial de crescimento superior a 10 Tbps.

Dois circuitos lógicos podem compartilhar o mesmo cabo, a mesma estação de amarração ou o mesmo canal terrestre e falhar juntos. Reparos submarinos podem exigir licenças, um navio, clima adequado e semanas ou meses. O ESnet planeja para até três falhas simultâneas de cabos; uma única rota de backup, portanto, não é suficiente.

Direitos de espectro de longo prazo dão ao ESnet mais controle sobre atualizações, mas vinculam o programa a sistemas e parceiros específicos. O ESnet pode projetar diversidade sem possuir ou reparar cada cabo.

A colaboração com a GÉANT é uma cooperação entre redes independentes, não uma operadora global unificada. Ambas as organizações podem compartilhar custos e capacidade, permanecendo cada uma responsável por sua própria infraestrutura e compromissos institucionais. O desempenho ponta a ponta, portanto, exige handoffs transparentes, medição compartilhada e resposta coordenada a falhas. (Marco Transatlântico;Relatório Anual 2024)

A demanda científica combina carga contínua, rajadas raras e prazos rígidos

O Large Hadron Collider gera continuamente grandes fluxos de dados entre o CERN, laboratórios nacionais e universidades. A operação de alta luminosidade deverá aumentar os dados de detectores, simulação e replicação. A rede precisa suportar essa carga em operação normal e, ao mesmo tempo, manter rotas alternativas para falhas de cabos ou sites.

O Vera C. Rubin Observatory impõe um prazo temporal. Cerca de 13 GB de imagem devem viajar do Chile ao SLAC a cada trinta segundos, para que alertas sobre eventos astronômicos transientes possam ser gerados. O ESnet tem como meta menos de sete segundos ao longo de aproximadamente 12.000 milhas. O caminho inclui redes parceiras na América do Sul e em trechos internacionais, que o ESnet não controla sozinho.

O DUNE prevê uma rajada excepcional. Durante uma supernova, até 600 TB podem precisar ser movidos em 100 segundos, enquanto o programa deve gerar cerca de 900 PB ao longo de vinte anos. Esses são requisitos futuros, não tráfego normal de hoje. Um evento astronômico raro não pode esperar que capacidade adicional seja adquirida.

A pesquisa em fusão une distância internacional com um longo horizonte temporal. Em maio de 2026, 176 TB de dados do ITER foram transferidos de Marselha para o DIII-D em San Diego a quase 80 Gbps. O ITER ainda estava em construção; o teste demonstrou preparação, não operação plena. Documentos de planejamento mencionam cerca de 2 PB por dia e pelo menos 200 Gbps para alguns fluxos de trabalho futuros.

FRIB, Jefferson Lab, fontes de luz e microscópios eletrônicos exigem, em parte, análise durante a aquisição de dados. Recursos computacionais remotos e inferência de machine learning podem fornecer feedback durante o precioso tempo de medição. Ciências do clima e da terra somam grandes simulações e sensores de campo.

Um valor médio não descreve esses padrões. O ESnet deve suportar carga contínua, rajadas raras, colaboração internacional, transmissão ao vivo e prazos rigorosos dentro da mesma infraestrutura pública. (Estudo de Caso Rubin;Estudo de Caso DUNE;Requirements Reviews)

Requirements Reviews traduzem planos de pesquisa em arquitetura de rede

O ESnet não pode esperar pelo primeiro conjunto de dados para adquirir fibra, roteadores ou capacidade submarina. Programas de pesquisa descrevem, em um horizonte de cinco a dez anos, instrumentos, volumes, armazenamento, metas computacionais, prazos, parceiros, uso de nuvem e resiliência. Em seguida, equipes de engenharia examinam o fluxo de trabalho completo.

A review é uma forma de co-design. Uma demanda de 200 Gbps pode tornar visível um armazenamento lento, uma única entrada de edifício ou um firewall inadequado. O resultado pode ser uma nova conexão de site, Science DMZ, cabo adicional, software de orquestração ou uma mudança no instrumento.

A Review de Física de Altas Energias, concluída em 2025 e publicada em janeiro de 2026, reuniu 127 colaboradores e 14 estudos de caso em um relatório de cerca de 400 páginas. Ela não garante todas as previsões, mas cria uma base comum quando cronogramas e tecnologias mudam.

A demanda científica não é linear. Um evento raro ou um novo fluxo de trabalho de IA pode ser mais importante do que o crescimento do ano anterior. As Requirements Reviews reduzem surpresas e mostram o que cada parte — programa, site, centro de computação e ESnet — precisa preparar.

O processo também distribui responsabilidade. Um laboratório não pode presumir que o backbone nacional compensará uma rede de campus inadequada. O ESnet, por sua vez, não pode supor que um site fornecerá automaticamente os sistemas de armazenamento necessários após uma expansão do backbone. O planejamento documentado torna essas dependências visíveis. (Relatórios de Review)

Wireless Edge e QUANT-NET testam os limites da instalação

Instrumentos de campo nem sempre têm fibra, cobertura móvel comercial ou fornecimento seguro de energia. O Wireless Edge combina tecnologias conforme o local. Uma instalação de energia geotérmica em Nevada, publicada em junho de 2026, utilizou 4G privado no espectro CBRS, Wi-Fi HaLow, Wi-Fi comum, Starlink, enlaces de micro-ondas e um mastro móvel autoalimentado.

Essa foi uma solução para um local específico, não um serviço nacional do ESnet ou um substituto para fibra. Terreno, clima, frequências, energia e provedor de satélite limitam o resultado. O ponto crítico é que o ESnet tratou a coleta de dados, o backhaul e o WAN como um único caminho científico, em vez de encerrar sua responsabilidade no ponto de acesso fixo mais próximo.

O QUANT-NET constrói um testbed de três nós entre o Berkeley Lab e dois locais da University of California, Berkeley, ao longo de aproximadamente cinco quilômetros. Inclui armadilhas de íons, fótons, troca de emaranhamento, medições de Bell, coordenação temporalmente crítica e software de controle modular.

O papel do ESnet reside principalmente no controle clássico e na orquestração. Um sistema que precisa ser ajustado manualmente para cada tentativa é difícil de operar como uma instalação compartilhada. Um software de controle aberto pode tornar os experimentos mais reproduzíveis e melhorar a coordenação de diferentes dispositivos.

O projeto não é uma internet quântica em produção e não transporta grandes volumes de dados científicos clássicos via emaranhamento. Wireless Edge e QUANT-NET devem ser avaliados pelo conhecimento reutilizável, software e procedimentos técnicos, não por cobertura generalizada. (Wireless Edge;Pesquisa em Redes Quânticas)

American Science Cloud e ESnet7 deslocam o planejamento de sites para fluxos de trabalho

A Integrated Research Infrastructure e a American Science Cloud visam conectar instrumentos, dados, armazenamento, inteligência artificial e supercomputação em um ambiente federado. O ESnet fornece transporte e parte da orquestração; EJFAT, SENSE, OSCARS, Cloud Connect e High-Touch resolvem problemas parciais, mas não constituem sozinhos o sistema completo.

Na Confab26, Inder Monga foi mencionado como Project Deputy da American Science Cloud, e o programa incluiu demonstrações e sessões sobre o ESnet7. Isso evidencia trabalho institucional em andamento, não uma nuvem científica universal concluída. Regras de acesso, identidade, inventário de recursos, suporte e responsabilidade pelos dados ainda estavam em desenvolvimento.

O ESnet7 está em planejamento, enquanto o ESnet6 permanece como a rede de produção atual. A documentação disponível não especifica uma arquitetura final, financiamento completo, escolha de fornecedores, data de lançamento ou plano de migração.

A próxima geração provavelmente enfatizará telemetria, inteligência, inspeção de pacotes e coordenação, além da velocidade. Um link mais rápido não pode informar a uma aplicação onde há poder computacional disponível, explicar um microburst ou provar que um serviço multi-domínio foi concluído corretamente.

A questão de governança, portanto, é saber o quanto um fluxo de trabalho científico deve ser compreendido e controlado pela rede, sem criar um controlador central excessivamente poderoso e complexo. A possibilidade técnica de orquestrar precisa estar vinculada a uma autoridade limitada e a uma responsabilidade clara. (Confab26;Pesquisa Aplicada)

O financiamento federal sustenta a instalação, mas não é receita corporativa

O ESnet é financiado principalmente por meio da atividade ASCR High Performance Network Facilities and Testbeds. A proposta orçamentária para o ano fiscal de 2027 sugeriu US$ 103 milhões, após US$ 97,261 milhões na coluna aprovada anterior.

Essa linha orçamentária é o melhor indicador de escala disponível publicamente, mas inclui testbeds, manutenção de software, pesquisa e atualizações. Não é uma demonstração de lucros e perdas do ESnet nem uma indicação exata dos custos anuais do backbone de produção.

O financiamento público possibilita espectro de longo prazo, manutenção de código aberto e capacidade antes da demanda comercial. Ao mesmo tempo, torna o programa dependente de decisões do Congresso, prioridades do Department of Energy e do contrato operacional do Berkeley Lab.

A Política de Custo para Site Users pode repassar custos de conexão às instituições, conforme patrocínio e custos adicionais; pesquisadores individuais não são cobrados. Seria incorreto, portanto, tratar os US$ 103 milhões como “receita do ESnet”.

A ausência de contas independentes limita a análise financeira. Os documentos públicos não mostram a concentração de fornecedores, a programação de depreciação, a contabilidade de custos por site ou os gastos de capital anuais exclusivos do ESnet. A afirmação confiável é que um programa federal financia produção, renovação, manutenção de software e pesquisa dentro de uma atividade orçamentária mais ampla. (Orçamento ASCR AF2027;ESCC)

Disponibilidade, segurança de roteamento e telemetria criam suas próprias obrigações

Em 2024, os dez sites do Office of Science incluídos em uma determinada métrica alcançaram 100 por cento de disponibilidade excluindo manutenções planejadas. O relatório também mencionou 99,99 por cento para uma medição mais ampla. Os escopos são diferentes e não significam zero interrupção para todos os serviços, sites e caminhos internacionais.

O Site Resilience Program examina entradas de edifícios, roteadores, fontes de energia e domínios de falha compartilhados. Um backbone redundante não ajuda se um laboratório possui apenas um caminho de cabos, uma sala ou uma fonte de energia.

RPKI, monitoramento de hijack, blackholing e automação reduzem riscos, mas não os eliminam. Um template incorreto pode se propagar rapidamente, e um vazamento de rota pode usar uma origem válida. Implantação gradual, verificação independente e recuperação permanecem necessárias.

A política de dados permite o armazenamento ilimitado de utilização de roteadores e NetFlow, replicado nas costas Leste e Oeste. Medições ativas do perfSONAR são mantidas por seis meses em um único disco, sem backup. Metadados podem revelar endpoints, instituições e padrões temporais, embora o ESnet não mantenha assinantes individuais.

Essas afirmações não são contraditórias. O ESnet não possui uma relação de associação ou cobrança pessoal com cada Endpoint User, mas ainda pode processar metadados técnicos sobre conexões e fluxos de dados.

Mais visibilidade melhora a operação e a segurança, ao mesmo tempo em que aumenta os requisitos de minimização de dados, acesso, finalidade e revisão de retenção. O High-Touch amplifica tanto o valor diagnóstico quanto a sensibilidade das informações coletadas. (Marco de Disponibilidade;Política de Dados da Instalação;Peering)

O que o ESnet representa

A crônica de velocidade é real: redes precursoras, ESnet4, ESnet5 com 100G e ESnet6 na faixa multi-Terabit. Mais importante é que a organização mudou sua arquitetura sempre que apenas a largura de banda já não resolvia um problema científico.

A Science Data Network separou fluxos de dados excepcionais do tráfego comum. O OSCARS tornou a capacidade reservável. A Science DMZ redesenhou a borda institucional. O perfSONAR e o iperf3 forneceram medições verificáveis. O SENSE coordenou múltiplos domínios, enquanto o EJFAT inseriu o WAN no loop do detector. O caching reduziu a demanda, e o espectro submarino aumentou o controle sobre o crescimento internacional.

A autoridade permanece distribuída. O Department of Energy e o ASCR financiam e definem a missão. O Berkeley Lab opera o sistema. A University of California fornece o arcabouço contratual institucional. Os sites aprovam mudanças locais, enquanto redes parceiras, operadoras, nuvens e fabricantes controlam outras partes. O desempenho surge pela coordenação, não pela propriedade do caminho completo.

A maturidade futura deve ser nomeada com a mesma precisão. O ESnet7 está em planejamento, o SENSE foi descrito como pesquisa no relatório completo mais recente, o EJFAT é uma plataforma emergente, o QUANT-NET é experimental e a American Science Cloud não estava concluída. O material disponível não contém uma classificação independente que confirme o ESnet como a rede científica mais rápida do mundo em todas as métricas atuais.

A conclusão confiável é mais útil do que um superlativo. O ESnet está entre as redes científicas de mais alto desempenho publicamente documentadas, porque torna operacional a ciência distribuída ponta a ponta. Seu valor de longo prazo será demonstrado pela capacidade de conectar novos instrumentos, centros de computação e parceiros como fluxos de trabalho robustos, sem que o controle e a responsabilidade desapareçam em uma camada central opaca.

Fontes