A tuplespace based execution model for decentralized workflow enactment : applied for BPEL

Abstract

The ability to cope with change is one of the biggest challenges companies are facing today [JLN08]. Methods to increase business agility, such as outsourcing or off-shoring of non-core parts of the business are practiced already and will continue to play an important role in the future. A change in business however always means to also change the underlying IT infrastructure, which therefore needs to be designed in a way to be able to support flexible re-arrangement of its support for business operations. IT systems today are integrated using so called workflow management systems, that execute a business process in the form of “orchestrations” of the individual applications used for carrying out business functions. These processes today are enacted centrally, i.e. the workflow engine acts as a central point of control governing the lifecycle of all activities of a process. This way of enacting processes has certain drawbacks, revealed when executing change such as outsourcing parts of a process. Using state-of-the-art workflow engines, this results in development of process partitions that need to be maintained separately and were not created because the original business goal has changed, but because the used workflow engine does not allow for flexible deployment of a single process model to multiple process engines. This thesis proposes a fundamentally new execution model for decentralized workflow enactment that does not have these drawbacks. It allows for flexible deployment of arbitrary partitions of the original workflow graph, thus supporting change at the level of business processes avoiding the need to change a process solely because the underlying IT infrastructure has changed. The contributions of this thesis are: an in-depth analysis of differences between tuplespace-based and message-oriented middleware systems, a Petri net based formalization of tuplespace interactions called Executable Workflow Nets (EWFN), a fully-fledged Petri net formalization of WS-BPEL 2.0, a method and algorithm to execute Petri nets using tuplespaces and an architecture and implementation of the “coordination kernel” of a decentralized workflow engine that executes Petri net based workflows.

Die Fähigkeit mit Änderungen umzugehen ist eine der größten Herausforderungen denen Unternehmen heutzutage begegnen. Maßnahmen um die Agilität zu steigern, wie beispielsweise Outsourcing und Offshoring von Teilen eines Unternehmens, befinden sich derzeit schon in Anwendung und werden auch in Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Eine Änderung an der Organisation eines Unternehmens zieht jedoch auch immer Änderungen der darunterliegenden IT Infrastruktur nach sich, welche folglich auf eine Art und Weise entworfen sein muss, die es erlaubt solche Änderungen einfach und effizient umzusetzen. IT Systeme werden mit sogenannten “Workflow Systemen” integriert, welche Geschäftsprozesse in Form einer “Orchestrierung” von Anwendungslogik ausführen. Solche Prozesse werden zentral ausgeführt, die Workflow Engine ist eine zentrale Einheit die die Ausführung einzelner Aktivitäten eines Prozesses steuert. Diese Art der zentralen Ausführung eines Geschäftsprozesses hat signifikante Nachteile, die zum Vorschein treten wenn Änderungen wie beispielsweise das Outsourcing von Teilbereichen eines Geschäftszweiges, implementiert werden. Mit Workflow-Engines der aktuellen Generation führt dies zur Entwicklung von Prozesspartitionen die separat gewartet werden müssen und nicht entstanden sind weil sich das ursprüngliche Geschäftsziel geändert hat, sondern weil aktuelle Workflow-Engines es nicht erlauben einen Prozess durch flexibles Deployment an sich ändernde IT Infrastrukturen anzupassen.

Diese Arbeit schlägt ein fundamental neues Ausführungsmodell für die dezentralisierte Ausführung von Geschäftsprozessen vor, um das zuvor beschriebene Problem zu lösen. Das vorgeschlagene Modell erlaubt das Deployment von beliebigen Partitionen des ursprünglich zentral ausgeführten Prozessmodells, die jeweils auf die sich ändernde IT Infrastruktur angepasst sind. Damit werden Änderungen an dem ursprünglichen Prozessmodell vermieden, die ausschließlich durch Änderungen an der darunterliegenden IT Infrastruktur und nicht durch Änderungen des eigentlichen Geschäftsprozesses motiviert sind.

Die wissenschaftlichen Beiträge dieser Arbeit sind im Einzelnen: (i) Eine detaillierte Analyse der Unterschiede von Tuplespace-basierten und Messageorientierten Middleware Systemen, (ii) eine Petrinetz basierte Formalisierung von Interaktionen mit Tuplespaces, später “Executable Workflow Nets” (EWFN) genannt, (iii) eine vollständige Formalisierung von WS-BPEL 2.0 mit EWFNs, (iv) Algorithmen zur Ausführung von Petrinetzen mit Tuplespaces und (v) die Architektur und Implementierung des “Koordinationskerns” einer dezentralisierten Workflow Engine, die EWFN basierte Workflows ausführt.