Flexibilisierung verteilter Prozessausführung : Zur dynamischen Verteilung, Überwachung und Steuerung individueller Prozessinstanzen auf Anwendungsebene

Abstract

Die fachliche Modellierung, technische Umsetzung und computergestützte Ausführung von Prozessen ermöglichen in der Softwareentwicklung eine flexible Abbildung und Unterstützung von Anwendungsvorgängen mittels Informations- und Kommunikationstechnologie. Insbesondere bei verteilt ausgeführten Prozessen ist dabei aufgrund des komplexen Zusammenspiels zwischen heterogenen autonomen Systemen, der Veränderlichkeit der Systemumgebung und einer zunehmenden Mobilität von Systemkomponenten häufig eine Anpassung der Ausführung an veränderte Kontexte erforderlich. Eine wichtige Art dieser Anpassung besteht in der Partitionierung von Prozessen und der Zuweisung von Prozessabschnitten zu prozessausführenden Systemen. Für individuelle Prozessinstanzen ist jedoch bislang eine dynamische Anpassbarkeit dieser Parameter oft nicht ohne unverhältnismäßig hohen Aufwand möglich, da die hierfür notwendige Flexibilität aufgrund starrer Verteilungsstrukturen und unzureichender Transparenz der verteilten Prozessausführung in der Regel nicht gegeben ist.

Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Flexibilisierung verteilt ausgeführter Prozesse, indem konzeptionelle Grundlagen und technische Mechanismen untersucht bzw. erarbeitet werden, die eine in Hinblick auf die Verteilung fortwährend anpassungsfähige Ausführung von Prozessinstanzen durch mehrere über Netzwerke permanent oder zeitweilig verbundene Ausführungseinheiten erlauben. Als Weiterentwicklung der verteilten Prozessausführung auf Basis dienstorientierter Architekturen wird dabei das Prinzip des Process-Management-as-a-Service nutzbar gemacht, um die Entscheidung über die Verteilung eines (fachlich determinierten) Prozesses, dessen verteilte Ausführung, dessen Überwachung und dessen dynamische Anpassung auf der Basis benutzerdefinierter Rahmenbedingungen zu ermöglichen. Dabei werden als Hauptbeiträge dieser Arbeit ein Verfahren zur nicht-invasiven Verteilung eines Prozesses durch Migration von Prozessinstanzen und ein Rahmenwerk zur Überwachung verteilter Prozesse auf der Basis von Prozessmanagementsystemen als verwaltbare Ressourcen vorgestellt. Da eine dynamische Verteilung die Betrachtung des Ausführungskontextes erfordert, werden außerdem ein erweitertes Konzept zur dynamischen Darstellung von Benutzerinteraktionen sowie ein Prognoseverfahren zur proaktiven Anpassung der Prozessausführung an antizipierte Kontexte vorgeschlagen. Als praktischer Beitrag dieser Arbeit werden die hiermit verbundenen Lösungsvorschläge so in eine komponentenbasierte Middleware integriert, dass die verteilte Ausführung von Prozessinstanzen über mehrere Prozessmanagementsysteme hinweg zur Laufzeit möglich wird.

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass eine fortwährende Anpassungsfähigkeit der verteilten Prozessausführung erreicht werden kann, wenn das fachliche Prozessmodell hinreichend von technischen Anweisungen zur Verteilung entkoppelt ist und durch eine geeignete Abstraktion die Verteilungstransparenz als inhärente Eigenschaft verteilter Systeme auch für prozessorientierte Anwendungen adäquat umgesetzt wird. Als Konsequenz können prozessorientierte Anwendungen weitestgehend unverändert mit bekannten Softwarewerkzeugen entwickelt und ausgeführt werden und trotzdem einzelne Prozessinstanzen bei Bedarf dynamisch in der Art ihrer Ausführung an veränderte Systemumgebungen angepasst werden. Die erarbeiteten Konzepte wurden im Kontext von aktuellen Standardprozessbeschreibungssprachen wie XPDL, WS-BPEL und BPMN sowie entsprechenden Prozessmanagementsystemen für den stationären und mobilen Einsatz umgesetzt. Die prototypischen Implementierungen hierfür bestätigen, dass mit der neu erreichbaren Flexibilität eine dynamische Verteilung von individuellen Prozessinstanzen möglich ist, ohne dass die Repräsentation der Prozesse hierfür syntaktisch, inhaltlich oder strukturell angepasst werden muss.

Business process modelling, technical implementation, and computerized execution of process-oriented applications constitute important techniques for flexibly supporting structured business cases with information and communication technology. Facing a complex interplay of heterogenous and autonomous systems, highly dynamic system environments, and increasing mobility of devices, especially distributed processes are often subject to adaptation. In respect of distributed process execution, an important type of adaptation is given by dynamic partitioning of processes and assignment of resulting process parts to selected process execution systems. However, for individual process instances, a continuous adaptability of those parameters can often not be achieved as the necessary flexibility of process execution does not exist due to rigid distribution structures and due to an insufficient transparency of execution.

This thesis contributes to increasing flexibility of the execution of distributed processes by examining and developing conceptual foundations and technical mechanisms in order to allow for an adaptable distribution of processes executed by a set of permanently or temporarily connected systems. Based on distribution by service-oriented architectures, the principle of Process-Management-as-a-Service is leveraged in order to allow for the dynamic decision on the distribution of a (functional and structural determined) process, its distributed execution, its adaptable monitoring, and its dynamic adaptation based on user-defined requirements. As major contributions, this thesis presents approaches for a non-invasive distribution of processes by means of process instance migration and for monitoring and controlling distributed processes based on process management systems as manageable resources. Since dynamic distribution also requires reconsideration of the execution context, enhanced concepts for the dynamic representation of user interfaces and for the prediction of application-specific context are proposed additionally. As practical contribution, the proposed strategies are integrated into a component-based middleware allowing for an ad-hoc distributed execution of (running) process instances across multiple process management systems.

The findings of this thesis indicate that a continuous adaptability of distributed process execution can be achieved if the functional business process is sufficiently decoupled from technical instructions for distribution and management and, in consequence, distribution transparency as an inherent characteristic of distributed systems is also realized for distributed process-oriented applications. As a result, processes can still be developed with existing process modelling tools and can be run on existing process execution systems, but individual process instances can also be adapted to dynamically changing system environments by customizing their way of execution on demand at runtime. The presented concepts have been applied in the context of standard process execution languages such as XPDL, WS-BPEL and BPMN and respective stationary and mobile process execution systems. The prototypical implementations demonstrate that increased flexibility allows for a dynamic distribution of individual process instances without the need for syntactical, functional, or structural modification of the processes' representation.