Serverless Strategies and Tools in the Cloud Computing Continuum

Tesis por compendio[ES] En los últimos años, la popularidad de la computación en nube ha permitido a los usuarios acceder a recursos de cómputo, red y almacenamiento sin precedentes bajo un modelo de pago por uso. Esta popularidad ha propiciado la aparición de nuevos servicios para resolver determinados problemas informáticos a gran escala y simplificar el desarrollo y el despliegue de aplicaciones. Entre los servicios más destacados en los últimos años se encuentran las plataformas FaaS (Función como Servicio), cuyo principal atractivo es la facilidad de despliegue de pequeños fragmentos de código en determinados lenguajes de programación para realizar tareas específicas en respuesta a eventos. Estas funciones son ejecutadas en los servidores del proveedor Cloud sin que los usuarios se preocupen de su mantenimiento ni de la gestión de su elasticidad, manteniendo siempre un modelo de pago por uso de grano fino. Las plataformas FaaS pertenecen al paradigma informático conocido como Serverless, cuyo propósito es abstraer la gestión de servidores por parte de los usuarios, permitiéndoles centrar sus esfuerzos únicamente en el desarrollo de aplicaciones. El problema del modelo FaaS es que está enfocado principalmente en microservicios y tiende a tener limitaciones en el tiempo de ejecución y en las capacidades de computación (por ejemplo, carece de soporte para hardware de aceleración como GPUs). Sin embargo, se ha demostrado que la capacidad de autoaprovisionamiento y el alto grado de paralelismo de estos servicios pueden ser muy adecuados para una mayor variedad de aplicaciones. Además, su inherente ejecución dirigida por eventos hace que las funciones sean perfectamente adecuadas para ser definidas como pasos en flujos de trabajo de procesamiento de archivos (por ejemplo, flujos de trabajo de computación científica). Por otra parte, el auge de los dispositivos inteligentes e integrados (IoT), las innovaciones en las redes de comunicación y la necesidad de reducir la latencia en casos de uso complejos han dado lugar al concepto de Edge computing, o computación en el borde. El Edge computing consiste en el procesamiento en dispositivos cercanos a las fuentes de datos para mejorar los tiempos de respuesta. La combinación de este paradigma con la computación en nube, formando arquitecturas con dispositivos a distintos niveles en función de su proximidad a la fuente y su capacidad de cómputo, se ha acuñado como continuo de la computación en la nube (o continuo computacional). Esta tesis doctoral pretende, por lo tanto, aplicar diferentes estrategias Serverless para permitir el despliegue de aplicaciones generalistas, empaquetadas en contenedores de software, a través de los diferentes niveles del continuo computacional. Para ello, se han desarrollado múltiples herramientas con el fin de: i) adaptar servicios FaaS de proveedores Cloud públicos; ii) integrar diferentes componentes software para definir una plataforma Serverless en infraestructuras privadas y en el borde; iii) aprovechar dispositivos de aceleración en plataformas Serverless; y iv) facilitar el despliegue de aplicaciones y flujos de trabajo a través de interfaces de usuario. Además, se han creado y adaptado varios casos de uso para evaluar los desarrollos conseguidos.[CA] En els últims anys, la popularitat de la computació al núvol ha permès als usuaris accedir a recursos de còmput, xarxa i emmagatzematge sense precedents sota un model de pagament per ús. Aquesta popularitat ha propiciat l'aparició de nous serveis per resoldre determinats problemes informàtics a gran escala i simplificar el desenvolupament i desplegament d'aplicacions. Entre els serveis més destacats en els darrers anys hi ha les plataformes FaaS (Funcions com a Servei), el principal atractiu de les quals és la facilitat de desplegament de petits fragments de codi en determinats llenguatges de programació per realitzar tasques específiques en resposta a esdeveniments. Aquestes funcions són executades als servidors del proveïdor Cloud sense que els usuaris es preocupen del seu manteniment ni de la gestió de la seva elasticitat, mantenint sempre un model de pagament per ús de gra fi. Les plataformes FaaS pertanyen al paradigma informàtic conegut com a Serverless, el propòsit del qual és abstraure la gestió de servidors per part dels usuaris, permetent centrar els seus esforços únicament en el desenvolupament d'aplicacions. El problema del model FaaS és que està enfocat principalment a microserveis i tendeix a tenir limitacions en el temps d'execució i en les capacitats de computació (per exemple, no té suport per a maquinari d'acceleració com GPU). Tot i això, s'ha demostrat que la capacitat d'autoaprovisionament i l'alt grau de paral·lelisme d'aquests serveis poden ser molt adequats per a més aplicacions. A més, la seva inherent execució dirigida per esdeveniments fa que les funcions siguen perfectament adequades per ser definides com a passos en fluxos de treball de processament d'arxius (per exemple, fluxos de treball de computació científica). D'altra banda, l'auge dels dispositius intel·ligents i integrats (IoT), les innovacions a les xarxes de comunicació i la necessitat de reduir la latència en casos d'ús complexos han donat lloc al concepte d'Edge computing, o computació a la vora. L'Edge computing consisteix en el processament en dispositius propers a les fonts de dades per millorar els temps de resposta. La combinació d'aquest paradigma amb la computació en núvol, formant arquitectures amb dispositius a diferents nivells en funció de la proximitat a la font i la capacitat de còmput, s'ha encunyat com a continu de la computació al núvol (o continu computacional). Aquesta tesi doctoral pretén, doncs, aplicar diferents estratègies Serverless per permetre el desplegament d'aplicacions generalistes, empaquetades en contenidors de programari, a través dels diferents nivells del continu computacional. Per això, s'han desenvolupat múltiples eines per tal de: i) adaptar serveis FaaS de proveïdors Cloud públics; ii) integrar diferents components de programari per definir una plataforma Serverless en infraestructures privades i a la vora; iii) aprofitar dispositius d'acceleració a plataformes Serverless; i iv) facilitar el desplegament d'aplicacions i fluxos de treball mitjançant interfícies d'usuari. A més, s'han creat i s'han adaptat diversos casos d'ús per avaluar els desenvolupaments aconseguits.[EN] In recent years, the popularity of Cloud computing has allowed users to access unprecedented compute, network, and storage resources under a pay-per-use model. This popularity led to new services to solve specific large-scale computing challenges and simplify the development and deployment of applications. Among the most prominent services in recent years are FaaS (Function as a Service) platforms, whose primary appeal is the ease of deploying small pieces of code in certain programming languages to perform specific tasks on an event-driven basis. These functions are executed on the Cloud provider's servers without users worrying about their maintenance or elasticity management, always keeping a fine-grained pay-per-use model. FaaS platforms belong to the computing paradigm known as Serverless, which aims to abstract the management of servers from the users, allowing them to focus their efforts solely on the development of applications. The problem with FaaS is that it focuses on microservices and tends to have limitations regarding the execution time and the computing capabilities (e.g. lack of support for acceleration hardware such as GPUs). However, it has been demonstrated that the self-provisioning capability and high degree of parallelism of these services can be well suited to broader applications. In addition, their inherent event-driven triggering makes functions perfectly suitable to be defined as steps in file processing workflows (e.g. scientific computing workflows). Furthermore, the rise of smart and embedded devices (IoT), innovations in communication networks and the need to reduce latency in challenging use cases have led to the concept of Edge computing. Edge computing consists of conducting the processing on devices close to the data sources to improve response times. The coupling of this paradigm together with Cloud computing, involving architectures with devices at different levels depending on their proximity to the source and their compute capability, has been coined as Cloud Computing Continuum (or Computing Continuum). Therefore, this PhD thesis aims to apply different Serverless strategies to enable the deployment of generalist applications, packaged in software containers, across the different tiers of the Cloud Computing Continuum. To this end, multiple tools have been developed in order to: i) adapt FaaS services from public Cloud providers; ii) integrate different software components to define a Serverless platform on on-premises and Edge infrastructures; iii) leverage acceleration devices on Serverless platforms; and iv) facilitate the deployment of applications and workflows through user interfaces. Additionally, several use cases have been created and adapted to assess the developments achieved.Risco Gallardo, S. (2023). Serverless Strategies and Tools in the Cloud Computing Continuum [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202013Compendi

Serverless Computing Strategies on Cloud Platforms

[ES] Con el desarrollo de la Computación en la Nube, la entrega de recursos virtualizados a través de Internet ha crecido enormemente en los últimos años. Las Funciones como servicio (FaaS), uno de los modelos de servicio más nuevos dentro de la Computación en la Nube, permite el desarrollo e implementación de aplicaciones basadas en eventos que cubren servicios administrados en Nubes públicas y locales. Los proveedores públicos de Computación en la Nube adoptan el modelo FaaS dentro de su catálogo para proporcionar computación basada en eventos altamente escalable para las aplicaciones. Por un lado, los desarrolladores especializados en esta tecnología se centran en crear marcos de código abierto serverless para evitar el bloqueo con los proveedores de la Nube pública. A pesar del desarrollo logrado por la informática serverless, actualmente hay campos relacionados con el procesamiento de datos y la optimización del rendimiento en la ejecución en los que no se ha explorado todo el potencial. En esta tesis doctoral se definen tres estrategias de computación serverless que permiten evidenciar los beneficios de esta tecnología para el procesamiento de datos. Las estrategias implementadas permiten el análisis de datos con la integración de dispositivos de aceleración para la ejecución eficiente de aplicaciones científicas en plataformas cloud públicas y locales. En primer lugar, se desarrolló la plataforma CloudTrail-Tracker. CloudTrail-Tracker es una plataforma serverless de código abierto basada en eventos para el procesamiento de datos que puede escalar automáticamente hacia arriba y hacia abajo, con la capacidad de escalar a cero para minimizar los costos operativos. Seguidamente, se plantea la integración de GPUs en una plataforma serverless local impulsada por eventos para el procesamiento de datos escalables. La plataforma admite la ejecución de aplicaciones como funciones severless en respuesta a la carga de un archivo en un sistema de almacenamiento de ficheros, lo que permite la ejecución en paralelo de las aplicaciones según los recursos disponibles. Este procesamiento es administrado por un cluster Kubernetes elástico que crece y decrece automáticamente según las necesidades de procesamiento. Ciertos enfoques basados en tecnologías de virtualización de GPU como rCUDA y NVIDIA-Docker se evalúan para acelerar el tiempo de ejecución de las funciones. Finalmente, se implementa otra solución basada en el modelo serverless para ejecutar la fase de inferencia de modelos de aprendizaje automático previamente entrenados, en la plataforma de Amazon Web Services y en una plataforma privada con el framework OSCAR. El sistema crece elásticamente de acuerdo con la demanda y presenta una escalado a cero para minimizar los costes. Por otra parte, el front-end proporciona al usuario una experiencia simplificada en la obtención de la predicción de modelos de aprendizaje automático. Para demostrar las funcionalidades y ventajas de las soluciones propuestas durante esta tesis se recogen varios casos de estudio que abarcan diferentes campos del conocimiento como la analítica de aprendizaje y la Inteligencia Artificial. Esto demuestra que la gama de aplicaciones donde la computación serverless puede aportar grandes beneficios es muy amplia. Los resultados obtenidos avalan el uso del modelo serverless en la simplificación del diseño de arquitecturas para el uso intensivo de datos en aplicaciones complejas.[CA] Amb el desenvolupament de la Computació en el Núvol, el lliurament de recursos virtualitzats a través d'Internet ha crescut granment en els últims anys. Les Funcions com a Servei (FaaS), un dels models de servei més nous dins de la Computació en el Núvol, permet el desenvolupament i implementació d'aplicacions basades en esdeveniments que cobreixen serveis administrats en Núvols públics i locals. Els proveïdors de computació en el Núvol públic adopten el model FaaS dins del seu catàleg per a proporcionar a les aplicacions computació altament escalable basada en esdeveniments. D'una banda, els desenvolupadors especialitzats en aquesta tecnologia se centren en crear marcs de codi obert serverless per a evitar el bloqueig amb els proveïdors del Núvol públic. Malgrat el desenvolupament alcançat per la informàtica serverless, actualment hi ha camps relacionats amb el processament de dades i l'optimització del rendiment d'execució en els quals no s'ha explorat tot el potencial. En aquesta tesi doctoral es defineixen tres estratègies informàtiques serverless que permeten demostrar els beneficis d'aquesta tecnologia per al processament de dades. Les estratègies implementades permeten l'anàlisi de dades amb a integració de dispositius accelerats per a l'execució eficient d'aplicacion scientífiques en plataformes de Núvol públiques i locals. En primer lloc, es va desenvolupar la plataforma CloudTrail-Tracker. CloudTrail-Tracker és una plataforma de codi obert basada en esdeveniments per al processament de dades serverless que pot escalar automáticament cap amunt i cap avall, amb la capacitat d'escalar a zero per a minimitzar els costos operatius. A continuació es planteja la integració de GPUs en una plataforma serverless local impulsada per esdeveniments per al processament de dades escalables. La plataforma admet l'execució d'aplicacions com funcions severless en resposta a la càrrega d'un arxiu en un sistema d'emmagatzemaments de fitxers, la qual cosa permet l'execució en paral·lel de les aplicacions segon sels recursos disponibles. Este processament és administrat per un cluster Kubernetes elàstic que creix i decreix automàticament segons les necessitats de processament. Certs enfocaments basats en tecnologies de virtualització de GPU com rCUDA i NVIDIA-Docker s'avaluen per a accelerar el temps d'execució de les funcions. Finalment s'implementa una altra solució basada en el model serverless per a executar la fase d'inferència de models d'aprenentatge automàtic prèviament entrenats en la plataforma de Amazon Web Services i en una plataforma privada amb el framework OSCAR. El sistema creix elàsticament d'acord amb la demanda i presenta una escalada a zero per a minimitzar els costos. D'altra banda el front-end proporciona a l'usuari una experiència simplificada en l'obtenció de la predicció de models d'aprenentatge automàtic. Per a demostrar les funcionalitats i avantatges de les solucions proposades durant esta tesi s'arrepleguen diversos casos d'estudi que comprenen diferents camps del coneixement com l'analítica d'aprenentatge i la Intel·ligència Artificial. Això demostra que la gamma d'aplicacions on la computació serverless pot aportar grans beneficis és molt àmplia. Els resultats obtinguts avalen l'ús del model serverless en la simplificació del disseny d'arquitectures per a l'ús intensiu de dades en aplicacions complexes.[EN] With the development of Cloud Computing, the delivery of virtualized resources over the Internet has greatly grown in recent years. Functions as a Service (FaaS), one of the newest service models within Cloud Computing, allows the development and implementation of event-based applications that cover managed services in public and on-premises Clouds. Public Cloud Computing providers adopt the FaaS model within their catalog to provide event-driven highly-scalable computing for applications. On the one hand, developers specialized in this technology focus on creating open-source serverless frameworks to avoid the lock-in with public Cloud providers. Despite the development achieved by serverless computing, there are currently fields related to data processing and execution performance optimization where the full potential has not been explored. In this doctoral thesis three serverless computing strategies are defined that allow to demonstrate the benefits of this technology for data processing. The implemented strategies allow the analysis of data with the integration of accelerated devices for the efficient execution of scientific applications on public and on-premises Cloud platforms. Firstly, the CloudTrail-Tracker platform was developed to extract and process learning analytics in the Cloud. CloudTrail-Tracker is an event-driven open-source platform for serverless data processing that can automatically scale up and down, featuring the ability to scale to zero for minimizing the operational costs. Next, the integration of GPUs in an event-driven on-premises serverless platform for scalable data processing is discussed. The platform supports the execution of applications as serverless functions in response to the loading of a file in a file storage system, which allows the parallel execution of applications according to available resources. This processing is managed by an elastic Kubernetes cluster that automatically grows and shrinks according to the processing needs. Certain approaches based on GPU virtualization technologies such as rCUDA and NVIDIA-Docker are evaluated to speed up the execution time of the functions. Finally, another solution based on the serverless model is implemented to run the inference phase of previously trained machine learning models on theAmazon Web Services platform and in a private platform with the OSCAR framework. The system grows elastically according to demand and is scaled to zero to minimize costs. On the other hand, the front-end provides the user with a simplified experience in obtaining the prediction of machine learning models. To demonstrate the functionalities and advantages of the solutions proposed during this thesis, several case studies are collected covering different fields of knowledge such as learning analytics and Artificial Intelligence. This shows the wide range of applications where serverless computing can bring great benefits. The results obtained endorse the use of the serverless model in simplifying the design of architectures for the intensive data processing in complex applications.Naranjo Delgado, DM. (2021). Serverless Computing Strategies on Cloud Platforms [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/160916TESI

Interaction Design for Digital Musical Instruments

The thesis aims to elucidate the process of designing interactive systems for musical performance that combine software and hardware in an intuitive and elegant fashion. The original contribution to knowledge consists of: (1) a critical assessment of recent trends in digital musical instrument design, (2) a descriptive model of interaction design for the digital musician and (3) a highly customisable multi-touch performance system that was designed in accordance with the model. Digital musical instruments are composed of a separate control interface and a sound generation system that exchange information. When designing the way in which a digital musical instrument responds to the actions of a performer, we are creating a layer of interactive behaviour that is abstracted from the physical controls. Often, the structure of this layer depends heavily upon: 1. The accepted design conventions of the hardware in use 2. Established musical systems, acoustic or digital 3. The physical configuration of the hardware devices and the grouping of controls that such configuration suggests This thesis proposes an alternate way to approach the design of digital musical instrument behaviour – examining the implicit characteristics of its composite devices. When we separate the conversational ability of a particular sensor type from its hardware body, we can look in a new way at the actual communication tools at the heart of the device. We can subsequently combine these separate pieces using a series of generic interaction strategies in order to create rich interactive experiences that are not immediately obvious or directly inspired by the physical properties of the hardware. This research ultimately aims to enhance and clarify the existing toolkit of interaction design for the digital musician

Multimodal Sensor Data Integration for Indoor Positioning in Ambient-Assisted Living Environments

A reliable Indoor Positioning System (IPS) is a crucial part of the Ambient-Assisted Living (AAL) concept. The use of Wi-Fi fingerprinting techniques to determine the location of the user, based on the Received Signal Strength Indication (RSSI) mapping, avoids the need to deploy a dedicated positioning infrastructure but comes with its own issues. Heterogeneity of devices and RSSI variability in space and time due to environment changing conditions pose a challenge to positioning systems based on this technique. The primary purpose of this research is to examine the viability of leveraging other sensors in aiding the positioning system to provide more accurate predictions. In particular, the experiments presented in this work show that Inertial Motion Units (IMU), which are present by default in smart devices such as smartphones or smartwatches, can increase the performance of Indoor Positioning Systems in AAL environments. Furthermore, this paper assesses a set of techniques to predict the future performance of the positioning system based on the training data, as well as complementary strategies such as data scaling and the use of consecutive Wi-Fi scanning to further improve the reliability of the IPS predictions. This research shows that a robust positioning estimation can be derived from such strategies

Geomatics Applications to Contemporary Social and Environmental Problems in Mexico

Trends in geospatial technologies have led to the development of new powerful analysis and representation techniques that involve processing of massive datasets, some unstructured, some acquired from ubiquitous sources, and some others from remotely located sensors of different kinds, all of which complement the structured information produced on a regular basis by governmental and international agencies. In this chapter, we provide both an extensive revision of such techniques and an insight of the applications of some of these techniques in various study cases in Mexico for various scales of analysis: from regional migration flows of highly qualified people at the country level and the spatio-temporal analysis of unstructured information in geotagged tweets for sentiment assessment, to more local applications of participatory cartography for policy definitions jointly between local authorities and citizens, and an automated method for three dimensional (3D) modelling and visualisation of forest inventorying with laser scanner technology

Dynamic monitoring of Android malware behavior: a DNS-based approach

The increasing technological revolution of the mobile smart devices fosters their wide use. Since mobile users rely on unofficial or thirdparty repositories in order to freely install paid applications, lots of security and privacy issues are generated. Thus, at the same time that Android phones become very popular and growing rapidly their market share, so it is the number of malicious applications targeting them. Yet, current mobile malware detection and analysis technologies are very limited and ineffective. Due to the particular traits of mobile devices such as the power consumption constraints that make unaffordable to run traditional PC detection engines on the device; therefore mobile security faces new challenges, especially on dynamic runtime malware detection. This approach is import because many instructions or infections could happen after an application is installed or executed. On the one hand, recent studies have shown that the network-based analysis, where applications could be also analyzed by observing the network traffic they generate, enabling us to detect malicious activities occurring on the smart device. On the other hand, the aggressors rely on DNS to provide adjustable and resilient communication between compromised client machines and malicious infrastructure. So, having rich DNS traffic information is very important to identify malevolent behavior, then using DNS for malware detection is a logical step in the dynamic analysis because malicious URLs are common and the present danger for cybersecurity. Therefore, the main goal of this thesis is to combine and correlate two approaches: top-down detection by identifying malware domains using DNS traces at the network level, and bottom-up detection at the device level using the dynamic analysis in order to capture the URLs requested on a number of applications to pinpoint the malware. For malware detection and visualization, we propose a system which is based on dynamic analysis of API calls. Thiscan help Android malware analysts in visually inspecting what the application under study does, easily identifying such malicious functions. Moreover, we have also developed a framework that automates the dynamic DNS analysis of Android malware where the captured URLs at the smartphone under scrutiny are sent to a remote server where they are: collected, identified within the DNS server records, mapped the extracted DNS records into this server in order to classify them either as benign or malicious domain. The classification is done through the usage of machine learning. Besides, the malicious URLs found are used in order to track and pinpoint other infected smart devices, not currently under monitoring