Hierarchische Worksflows in heterogenen Umgebungen

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1 Grid Workflow Workshop 2008 Hierarchische Worksflows in heterogenen Umgebungen Gudula Rünger Technische Universität Chemnitz Fakultät für Informatik Professur Praktische Informatik Oldenburg,

2 Hierarchische Worksflows in heterogenen Umgebungen Inhalt 1 Einleitung 2 Hierarchische und verteilte Workflows 3 Anwendungsgebiet: RAfEG 4 Datenmanagement 5 Zusammenfassung 2

3 Workflowmanagementsysteme und Workflows ZIEL: Workflowmanagementsystem (WfMS) zur Automatisierung von Prozessabläufen für große hierarchische (langlebige) Workflows in verteilten, heterogenen Umgebungen Workflow: Menge von eigenständigen Aufgaben, die durch Nutzer oder das WfMS selbst abgearbeitet werden und Regeln, die die Abarbeitung steuern Darstellung eines Workflows als gerichteter Graphen Ein WfMS übernimmt: das Einlesen von Prozessdefinitionen ( Workflows), die Ausführung der Prozessinstanzen und Prozessschritte (en), die Bereitstellung und Verwaltung der zugehörigen Daten und die Überwachung der Ausführung der einzelnen en Anwendungsgebiet : E-Government 3

4 Systemschnittstellen nach WfMC Systeme sollten nach Definition des Workflowreferenzmodells fünf Schnittstellen besitzen: 1: Spezifikation von Prozessdefinitionsdaten und deren Austausch 2: Schnittstelle für Client-Anwendungen 3: Schnittstelle zu externen Anwendungen 4: Schnittstelle für Kompatibilität für die Zusammenarbeit mehrerer WfMS (verteilte Workflowabarbeitung) 5: Schnittstelle für Administration und Überwachung Kompatibilität für die Zusammenarbeit mehrerer WfMS Kommunikation zwischen WfMSs mit der Möglichkeit, Unterprozesse und en von einem System aus auf einem anderen zu instanziieren Aspekte: geteilte Nutzung von Prozessdefinitionen, Prozessdefinitionsexport und Umwandlung der definierten Daten, Variablen, usw. über eine Gateway-Anwendung 4

5 Grundelemente von Workflows X == 0 AND- Split AND- Join XOR- Split X == 1 X == 2 en: manuell (Abarbeitung durch Nutzer) oder automatisiert (Abarbeitung durch WfMS bzw. externe Anwendung) Transitionen: definieren die Abarbeitungsreihenfolge Vor- und Nachbedingungen: Regeln, wann gestartet wird und wann sie beendet ist Ausserdem genutzt für Splits und Joins Basieren auf logischen Vergleichen Verzweigungen: Split = Aufspaltung des Kontrollflusses (synchron oder asynchron), Join = Zusammenführung des Kontrollflusses nach vorherigem Split 5

6 Heterogene Umgebungen: Geschäftsprozesse - E-Government Unterschiedliche Netzwerke (Intranet, Behördennetz, Internet) Unterschiedliche Hardwarevoraussetzungen: große Behörden: Einzelplatzrechner + große interne Serversysteme mittlere Behörden: Einzelplatzrechner + ein Serversystem kleine Behörden: nur Einzelplatzrechner Unterschiedliche Basissoftware auf Servern und Einzelplatzrechnern Hauptkriterium für das Netzwerk: Sicherheit Existenz von Netzwerkverbindungen zwischen den Firmen/Behörden Behördeninternes Netzwerk (z.b. Sächsischer InfoHighway) Behörde 1 Behörde 2 Arbeitsplatz #1... Server Behörde 1 Arbeitsplatz #n Behörde 3 Arbeitsplatz Arbeitsplatz #1 Arbeitsplatz 2 Server Behörde 3 Internes Netzwerk Behördennetzwerk Internet 6

7 Heterogene Umgebungen: wissenschaftliche Workflows Unterschiedliche Netzwerke (internes Netz, Netze zwischen großen Rechenzentren) Unterschiedliche Hardwarevoraussetzungen in Bezug auf die eingesetzten Serversysteme Hauptkriterien für das Netzwerk: Hohe Verfügbarkeit Geschwindigkeit der Netzwerkverbindungen Rechenzentrum 1 Server 1 Server 2 Rechenzentrum 2 Server 1 Server 2 Server 8 Server 7 Server 3 Server 4 Server 6 Server 5 Server 3 Server 4 Rechenzentrum 3 Schnelles Netzwerk Server 1 Netzwerk mittlerer Geschwindigkeit Langsames Netzwerk 7

8 Inhalt 1 Einleitung 2 Hierarchische und verteilte Workflows Hierarchische Workflows Verteilte Workflowabarbeitung 3 Anwendungsgebiet: RAfEG 4 Datenmanagement 5 Zusammenfassung 8

9 Abbildung hierarchischer Prozessdefinitionen (Workflows) Große Prozesse (Elternprozesse), die aus kleineren Prozessen (Kindprozesse) zusammengesetzt sind Mehrstufige Hierarchien sind möglich (hierbei kann ein Prozess sowohl Kindprozess als auch Elternprozess sein) Einbindung der Kindprozesse über automatisierte en In den automatisierten en werden die Schnittstellen beschrieben Dadurch ist die Austauschbarkeit der Kindprozesse gegeben Vorteile Wiederverwendbarkeit Einfacher Aufbau beliebig komplexer Prozessdefinitionen Einfache Auslagerung von Teilprozessen 9

10 Beispiel 1: einfacher hierarchischer Prozess Hierarchietiefe = 1 Ein Elternprozess besitzt einen Kindprozess XOR XOR 10

11 Beispiel 2: Zweistufiger hierarchischer Prozess Hierarchietiefe = 2 Der Kindprozess des Gesamt -Elternprozesses besitzt selber wieder einen Kindprozess (Er ist also sowohl Kindprozess als auch Elternprozess) Beliebig tiefe Schachtelung von Prozessen ist möglich XOR Unterprozess Unterprozess XOR 11

12 Modelle der verteilten Prozessabarbeitung Modelle für die verteilte Prozessabarbeitung in Workflow Standard - Interoperability Abstract Specification der Workflow Management Coalition (WfMC). Diese reichen von einfacher Aufspaltung des Kontrollflusses für eine parallele, aber unabhängige Prozessabarbeitung bis zur parallelen Abarbeitung vollkommen unabhängiger Prozesse, die über ereignisbasierte Synchronisation miteinander kommunizieren Hier: Modell der verketteten Prozesse und Modell der hierarchischen (Unter-)Prozesse [PDP05] 12

13 Modell der verketteten Prozesse (Chained Processes) Auch als Modell der verbundenen eigenständigen Prozesse bezeichnet Elternprozess (1) startet den Kindprozess (2) und überträgt diesem evtl. Daten Nach dem Start laufen beide Prozesse parallel zueinander Es findet keine weitere Kommunikation zwischen den Prozessen statt Keine Möglichkeit der Datenrückgabe Ein Kommunikationspunkt Workflowmanagementsystem 1 (Elternprozess) Externe Abarbeitung Workflowmanagementsystem 2 (Kindprozess) Prozess 1 (Elternprozess) Prozess 2 (Kindprozess) A B C 13

14 Modell der hierarchischen (Unter-)Prozesse (Nested synchronous sub-process) Elternprozess (1) startet den Kindprozess (2) Die Kontrolle wird vom Elternprozess and den Kindprozess übergeben, d.h. der Elternprozess wartet (passiv) auf die Bendigung des Kindprozesses Es ist möglich, Daten an den Elternprozess zurückzugeben Nach der Rückgabe von Daten wird die Abarbeitung des Elternprozesses fortgesetzt Zwei Kommunikationspunkte Workflowmanagementsystem 1 (Elternprozess) Start der externen Abarbeitung Workflowmanagementsystem 2 (Kindprozess) Prozess 1 (Elternprozess) Prozess 2 (Kindprozess) A B C Ende der externen Abarbeitung 14

15 Inhalt 1 Einleitung 2 Hierarchische und verteilte Workflows 3 Anwendungsgebiet: RAfEG Softwarearchitektur Transformation von Prozessmodellen 4 Datenmanagement 5 Zusammenfassung 15

16 Was verbirgt sich hinter dem Projekt RAfEG? RAfEG = Referenzarchitektur für E-Government Entwicklung einer komponentenbasierten Softwarearchitektur für E-Government-Anwendungen [AReS06] Hauptziel ist die Unterstützung einer Vielzahl von Anwendungen im E-Government-Bereich (Speziell Government-to-Government (G2G) Anwendungen) Basis bilden ausschließlich Open-Source-Software und -formate Elektronische Abbildung von Verwaltungsvorgängen in Behörden Ausführung hierarchischer Workflows in heterogenen Umgebungen 16

17 Ziele der Systemarchitektur Unterstützung des Einsatzes in heterogenen Systemen mit den Zielen: Load Balancing Verteilte Abarbeitung von als Workflows modellierten behördlichen Verwaltungsabläufen Minimierung von Schreibarbeit (Papierlose Verwaltungen) Komponentenbasierte Herangehensweise schrittweise Einführung und leichte Anpassbarkeit Flexibles Sicherheitssystem für den Einsatz in sicherheitskritischen Systemen Transparente, verteilte Abarbeitung der Verwaltungsvorgänge 17

18 Überblick über die Systemarchitektur RAfEG System lässt sich in 3 Teilsysteme aufspalten: RAfEG-Kernsystem, Backend-Systeme und Frontend-Systeme Zentrale Komponente ist das RAfEG-Kernsystem Implementierung als Enterprise Java Beans Benutzerverwaltung LDAP NIS Systemkern Authentication /Authorization Logging Präsentation: XML Publishing Framework XML Generator XSL Transformer XSL Serialisierer HTTP HTTPS WAP Webserver WAP Server GIS Mapservice Dokumentenmanagement HTTP WebDAV Dokumentenverwaltung Workflowmanagement Kommunikation: Unified Messaging Framework SMTP IMAP HTTP... Virtuelle Poststelle FAX Server Mobile Gateway Datenbank JDBC Services Framework Service Funktion 1..n 1..n Workflowsteuerungssystem XML Process Importer Reporting / Controlling Prozessmodellierung Visualisierungsystem Backend-Systeme RAfEG-System Frontend-Systeme 18

19 Oberfläche des RAfEG-Softwaresystems 19

20 Verteilte Abarbeitung in RAfEG Unterstützung der Modelle: Modell der verketteten Prozesse und Modell der hierarchischen (Unter-)Prozesse 1 2 WfMS Elternsystem 7 Beobachter-Objekt- Server K1 Beobachter 1 K2 Beobachter 2 K3 Beobachter Betriebs-Objekt-Server FK1 Betriebs-Objekt 1 IK1 Instanz-Objekt 1_1 FK2 Betriebs-Objekt WfMS Kindsystem 8 1 erzeuge neuen Prozess 2 erzeuge Beobachter 3 erzeugt Prozess 4 Informationen über Zustandsänderung/Prozessbeendigung Softwaresystem des Elternprozesses 5 Informiere über Zustandswechsel 6 Informiere über Beendigung 7 Zustandsänderungen schreiben 8 Zurückschreiben geänderter Werte Softwaresystem des Kindprozesses 20

21 Transformation von Prozessmodellen Prozessmodellierung Ziele: Analyse, Dokumentation,... von Geschäftsprozessen Werkzeuge: ARIS-Toolset, Beschreibung: häufig auf Basis ereignisgesteuerter Prozessketten Workflowmanagement Ziel: rechnergestützte Abarbeitung von Arbeitsabläufen Werkzeuge: Workflowmanagementsysteme Beschreibung: häufig auf Basis von XPDL oder BPEL Vorgehen: Erfassung vergleichbarer Merkmale zur Modellierung der Abläufe Notwendigkeit der Neumodellierung vorhandener Geschäftsprozessmodelle durch unterschiedliche Beschreibungsformen 21

22 Anwendungsfall der Transformation in RAfEG Referenzmodell: Planfeststellungsverfahren im Regierungspräsidium Leipzig Modellierung der Arbeitsabläufe durch ARIS-Toolset ereignisgesteuerte Prozessketten (EPK) Softwarearchitektur zur verteilten Abarbeitung Einsatz der quelloffenen Workflowmanagementsysteme Enhydra Shark und WfMOpen XPDL als Eingabeformat Übersetzung der EPK-Modelle nach XPDL Entwicklung des Werkzeugs ConvEX (Converter from EPK to XPDL) 22

23 Das Werkzeug ConvEX ConvEX bietet folgende Funktionen [IRIS07]: Laden von EPKs, Umwandeln in XPDL-Workflows und Speichern im XPDL-Format Erkennen von Modellierungsinkonsistenzen Nutzergesteuerte Änderungen von Annotationen an Knoten und Kanten Graphische Darstellung der EPKs und Export der Graphiken Ablegen der Webformularbeschreibungen im Dateisystem oder im Dokumentenmanagementsystem von RAfEG 23

24 Oberfläche von ConvEX 24

25 Inhalt 1 Einleitung 2 Hierarchische und verteilte Workflows 3 Anwendungsgebiet: RAfEG 4 Datenmanagement Hierarchische Prozessmappen Sicherheitsaspekte 5 Zusammenfassung 25

26 Hierarchische Prozessmappen Abbildung der hierarchischen Struktur innerhalb der Prozesse auf die Daten in Form von Dokumenten Für jede Prozessinstanz wird eine eigene Prozessmappe (= Datencontainer), die die benötigten Dokumente enthält, erzeugt [EJEG07] Dokumentenmanagementsystem nutzt Subversion-Repository zum Ablegen der Dokumente und zur Versionsverwaltung Generischer Name in jeweiliger als erweitertes Attribut Verknüpfung mittels Mapping auf das entsprechende Dokument im DMS 26

27 Wie entsteht die Hierarchie? Die Hierarchie entsteht bei der Erzeugung und beim Beenden von Unterprozessen Bei der Erzeugung werden die Dokumente entweder aus dem Vorlagenordner kopiert oder aus dem ersten Prozess der Elternhierarchie, der die benötigten Daten enthält, kopiert. Dadurch ist bei Erzeugung einer Kindprozessinstanz immer gewährleistet, dass die Daten aktuell sind Die Prozessmappe wächst während der Abarbeitung der Prozessinstanz Nach Beendigung der Prozessinstanz wird jedes der Dokumente in die Prozessmappe des Elternprozesses der Elternhierarchie zurückgeschrieben, aus der es entnommen wurde 27

28 Dokumentenübertragung Übermittlung von: allen benötigten Dokumenten Möglichkeit der Angabe von einzelnen Dokumenten bzw. ganzen Dokumentverzeichnissen Dem benötigten Teil der Mappingdatei Dazu: einheitliches Namensschema bei Workflowdefinition erforderlich, da sonst eine Anpassung vollzogen werden müsste Wie werden die zu übermittelnden Dokumente definiert? Innerhalb der, die den Anwendungsagenten ausführt Durch erweiterte Attribute -> wie bei lokalen en 28

29 Sicherheitsaspekte bei der verteilten Workflowabarbeitung Sicherheitslevel für die Übertragung basierend auf Dokumentsicherheitslevel und Netzwerksicherheitslevel Dokumentsicherheitslevel: für jedes Dokument festgelegt entspricht dem Schutzbedarf des Dokuments geringer, mittlerer und hoher Schutzbedarf Netzwerksicherheitslevel: ordnen jedem verwendeten Netzwerk ein Maß für die Sicherheit zu hohe (z.b. Intranet), mittlere (z.b. Sächsischer InfoHighway) und geringe (z.b. Internet) gegebene Sicherheit 29

30 Sicherheitsaspekte bei der verteilten Workflowabarbeitung Sicherheitslevel für die Übertragung basierend auf Dokumentsicherheitslevel und Netzwerksicherheitslevel Dokumentsicherheitslevel: für jedes Dokument festgelegt entspricht dem Schutzbedarf des Dokuments geringer, mittlerer und hoher Schutzbedarf Netzwerksicherheitslevel: ordnen jedem verwendeten Netzwerk ein Maß für die Sicherheit zu hohe (z.b. Intranet), mittlere (z.b. Sächsischer InfoHighway) und geringe (z.b. Internet) gegebene Sicherheit 29

31 Sicherheitsaspekte bei der verteilten Workflowabarbeitung Sicherheitslevel für die Übertragung basierend auf Dokumentsicherheitslevel und Netzwerksicherheitslevel Dokumentsicherheitslevel: für jedes Dokument festgelegt entspricht dem Schutzbedarf des Dokuments geringer, mittlerer und hoher Schutzbedarf Netzwerksicherheitslevel: ordnen jedem verwendeten Netzwerk ein Maß für die Sicherheit zu hohe (z.b. Intranet), mittlere (z.b. Sächsischer InfoHighway) und geringe (z.b. Internet) gegebene Sicherheit Sicherheitsaspekte Vertraulichkeit, Integrität, Authentizität und Nachvollziehbarkeit 29

32 Sicherheitsaspekte bei der verteilten Workflowabarbeitung Sicherheitslevel für die Übertragung basierend auf Dokumentsicherheitslevel und Netzwerksicherheitslevel Dokumentsicherheitslevel: für jedes Dokument festgelegt entspricht dem Schutzbedarf des Dokuments geringer, mittlerer und hoher Schutzbedarf Netzwerksicherheitslevel: ordnen jedem verwendeten Netzwerk ein Maß für die Sicherheit zu hohe (z.b. Intranet), mittlere (z.b. Sächsischer InfoHighway) und geringe (z.b. Internet) gegebene Sicherheit Sicherheitsmechanismen Verschlüsselung und Signierung von Daten, Einsatz von Zertifikaten und Bestätigungen 29

33 Inhalt 1 Einleitung 2 Hierarchische und verteilte Workflows 3 Anwendungsgebiet: RAfEG 4 Datenmanagement 5 Zusammenfassung 30

34 Zusammenfassung Workflow-basierte Herangehensweise an die verteilte Abarbeitung grosser hierarchischer Prozesse im behördlichen Umfeld: Minimierung der Papierarbeit Erhöhung der Produktivität Anwendbar auf eine breite Menge von Prozessen Verteilte Abarbeitung erlaubt die Einbeziehung aller an einem Workflow beteiligten Behörden/Firmen Komponentenbasierte Architektur hoher Grad an Flexibilität und Adaptivität Sicherheitssystem Anwendung in sicherheitskritischem Umfeld Weitere Workflowprojekte: TransBS ( Verteilte Workflows im E-Business TGrid Verteilte hierarchische Worksflows im Wissenschaftlichen Rechnen 31

35 Webseite: RAfEG-Webseite: Kontakt: Verbundpartner Projekt RAfEG: NHConsult GmbH Leipzig, Institut für Wirtschaftsinformatik im DFKI Saarbrücken, Regierungspräsidium Leipzig Arbeitsgruppe TU Chemnitz: Daniel Beer, Jörg Dümmler, Steffen Höhne, Raphael Kunis, Michael Schwind, Michael Voigt 32

36 Literatur [AReS06] D. Beer, R. Kunis, and G. Rünger. A Component Based Software Architecture for E-Government. In Proc. of the First International Conference on Availability, Reliability and Security (AReS 2006). IEEE, [IRIS07] D. Beer, J. Dümmler, and G. Rünger. Transformation von Prozessmodellen in Workflowbeschreibungen. In A. Geist, G. Heindl, and E. Schweighofer, editors, Tagungsband des 10. Internationalen Rechtsinformatik Symposions IRIS 2007, pages BOORBERG, [PDP05] D.Beer, R. Kunis, and G. Rünger. An Interface for the Execution of Distributed Hierarchical Workflows. In Proc. of the 14th Euromicro Conf. on Parallel, Distributed and Network based Processing, [EJEG07] R. Kunis, G. Rünger, and M. Schwind. A Model for Document Management in e-government Systems Based on Hierarchical Process Folders. Electronic Journal of e-government, 5(2 - Special Issue: ECEG 2007 Den Haag): ,