Diseño y desarrollo de los bloques esenciales de un meta-sistema operativo para la transición hacia el paradigma del continuo de computación Cloud-Edge-IoT

[ES] El paradigma del cloud computing ha sido el claro dominador durante la última década, periodo en el cual numerosas corporaciones comenzaron a migrar su infraestructura de computación a la nube. El amplio dominio de este paradigma ha permitido consolidar tanto sus patrones de diseño como las tecnologías que lo habilitan (conocidas como cloud-native), entre las que destacan la virtualización de servicios en contenedores y su orquestación con Kubernetes. Sin embargo, en los últimos años ha emergido una tendencia que consiste en acercar la ejecución de los servicios a las fuentes de datos, dando lugar al paradigma denominado como edge computing. Esta acción se traduce en diferentes mejoras, como la reducción de la latencia y del ancho de banda consumido, así como un mayor control sobre los datos, beneficios que han sido posibles gracias a una mejora en las redes de comunicaciones y al aumento paulatino de las capacidades de computación de dispositivos tradicionalmente limitados. No obstante, también introduce nuevos desafíos técnicos y operativos derivados de la heterogeneidad, la distribución y las limitaciones de estos entornos. Además, este movimiento ha ido acompañado de un esfuerzo para adaptar las tecnologías y patrones de diseño propias del cloud a las particularidades del edge, destacando nuevamente la ejecución de contenedores. Ambos paradigmas de computación, junto con el Internet of Things (IoT), convergen en el llamado continuo de computación Cloud-Edge-IoT (CEI), que ha sido identificado como uno de los objetivos claves en materia de innovación por la Comisión Europea, y cuyo propósito consiste en la creación de un marco común de interoperabilidad sobre la heterogeneidad inherente al espectro computacional completo. Esta evolución de los paradigmas de computación ha sido analizada en esta tesis usando como hilo conductor los diferentes proyectos de investigación en los que el doctorando ha participado a lo largo de su carrera investigadora. A pesar de estos avances, actualmente existe una brecha significativa para la implementación real del novedoso continuo de computación. Esta tesis doctoral busca contribuir a cerrar esta brecha mediante el desarrollo de los bloques elementales que habilitan la creación de un meta-sistema operativo (Meta-OS) para gobernar el continuo de computación. El desarrollo de este Meta-OS se sustenta sobre cuatro pilares claves: la federación entre dominios, la orquestación descentralizada de servicios, un sistema de monitorización y observabilidad, y una plataforma de gestión unificada. Los componentes fundamentales de este Meta-OS han sido validados en diferentes casos de uso, que han sido seleccionados siguiendo una estrategia de validación progresiva basada en su nivel de TRL. Asimismo, el Meta-OS ha actuado como elemento habilitador clave de varios casos de uso reales pertenecientes a empresas líderes en diferentes sectores verticales, enmarcados en el proyecto europeo aerOS. Por último, en esta tesis se aborda la prospectiva del Meta-OS desarrollado mediante la introducción de la prometedora tecnología de virtualización WebAssembly, que promete establecerse como una alternativa sólida a los contenedores en los próximos años.

[CA] El paradigma del cloud computing ha sigut el clar dominador durant la última dècada, període en el qual nombroses corporacions començaren a migrar la seua infraestructura de computació al núvol. L'ampli domini d'aquest paradigma ha permès consolidar tant els seus patrons de disseny com les tecnologies que l'habiliten (conegudes com a cloud-native), entre les que destaquen la virtualització de serveis en contenidors i la seua orquestració amb Kubernetes. Tanmateix, en els últims anys ha emergit una tendència que consisteix en apropar l'execució de serveis a les fonts de dades, donant lloc al paradigma denominat com edge computing. Aquesta acció es tradueix en diferents millores, com la reducció de la latència i de l'amplada de banda consumida, així com un major control sobre les dades, beneficis que han sigut possibles gràcies a una millora en les xarxes de comunicacions y al augment progressiu de les capacitats de computació de dispositius tradicionalment limitats. No obstant, també introdueix nous reptes tècnics i operatius derivats de la heterogeneïtat, la distribució i les limitacions d'estos entorns. A més, este moviment ha anat acompanyat d'un esforç per a adaptar les tecnologies i patrons de disseny pròpies del cloud a les particularitats del edge, destacant novament l'execució de contenidors. Ambos paradigmes de computació, junt amb el Internet of Things (IoT), convergeixen en el denominat continu de computació Cloud-Edge-IoT (CEI), que ha sigut identificat com un dels objectius claus en matèria d'innovació per la Comissió Europea, i el propòsit del qual consisteix en la creació d'un marc comú d'interoperabilitat sobre la heterogeneïtat inherent al espectre computacional complet. Aquesta evolució dels paradigmes de computació ha sigut analitzada en esta tesis utilitzant com a fil conductor els diferents projectes d'investigació en els que el doctorand ha participant al llarg de la seua carrera investigadora. Malgrat estos avanços, actualment existeix una bretxa significativa per a la implementació real del nou continu de computació. Aquesta tesis doctoral busca contribuir a tancar esta bretxa mitjançant el desenvolupament dels blocs elementals que habiliten la creació d'un meta-sistema operatiu (Meta-OS) per a governar el continu de computació. El desenvolupament d'este Meta-OS es sustenta sobre quatre pilars claus: la federació entre dominis, l'orquestració descentralitzada de serveis, un sistema de monitorització i observabilitat, i una plataforma de gestió unificada. Els components fonamentals d'este Meta-OS han sigut validats en diferents casos d'ús, que han sigut seleccionats seguint una estratègia de validació progressiva basada en el seu nivell de TRL. Així mateix, el Meta-OS ha actuat com a element habilitador clau de diversos casos d'us reals que pertanyen a empreses líders en diferents sectors verticals, emmarcats dins del projecte europeu aerOS. Per últim, en aquesta tesis s'aborda la prospectiva del Meta-OS desenvolupat mitjançant la introducció de la prometedora tecnologia de virtualització WebAssembly, que promet establir-se com una alternativa sòlida als contenidors en els pròxims anys.

[EN] The cloud computing paradigm has been the dominant model over the past decade, during which many organizations began migrating their computing infrastructure to the cloud. This widespread adoption has led to the consolidation of both design patterns and enabling technologies (known as cloud-native), notably the virtualization of services using containers and their orchestration through Kubernetes. In recent years, however, a trend has emerged that aims to bring service execution closer to data sources, giving rise to the paradigm known as edge computing. This shift results in several improvements, such as reduced latency, lower bandwidth consumption, and greater control over data, benefits made possible by improvements in network infrastructure and the gradual increase in computing capabilities of traditionally resource-constrained devices. Nevertheless, this approach also introduces new technical and operational challenges due to the heterogeneity, distribution, and resource constraints that characterize edge environments. In addition, this shift has been accompanied by efforts to adapt cloud-native technologies and design patterns to the specifics of the edge, with containerization once again playing a key role. Both computing paradigms, together with the Internet of Things (IoT), converge in what is known as the Cloud-Edge-IoT continuum (CEI). This model has been identified by the European Commission as one of the key innovation priorities, with the objective of creating a common interoperability framework capable of addressing the inherent heterogeneity of the entire computing spectrum. This evolution of computing paradigms is analyzed throughout the thesis, using as a guide the various research projects in which the PhD candidate has actively been involved during his research career. Despite recent progress, there is still a significant gap for the practical implementation of this emerging continuum. This PhD aims to address this gap through the design and development of the fundamental building blocks that enable the creation of a meta-operating system (Meta-OS) to manage the computing continuum. The development of this Meta-OS rests on four key pillars: domain federation, decentralized service orchestration, a monitoring and observability system, and a unified management platform. The core components of this Meta-OS have been validated in a series of use cases selected according to a progressive validation strategy based on their Technology Readiness Level (TRL). Furthermore, the developed Meta-OS has acted as the key enabling element in several real-world use cases, involving leading companies from different vertical sectors, within the scope of the European project aerOS. Finally, the PhD thesis explores the future potential of the Meta-OS through the integration of WebAssembly, a promising virtualization technology that is expected to become a powerful alternative to containers in the coming years.