Dynamische Prozesse und deren Abbildung auf ausführbare Workflows

Transkript

1 Dynamische Prozesse und deren Abbildung auf ausführbare Workflows Andreas Hoheisel, Michael Fellmann, Thorsten Dollmann IWi Institut für Wirtschaftsinformatik im DFKI Saarbrücken

2 Überblick Einführung in Problemstellung und Lösungsansatz Dynamik in der Prozessmodellierung Dynamik in der Prozessautomatisierung Dynamik in der Prozessausführung Fazit Seite 2

3 Prozessmanagement Unsere Vision Top-down Anwendungsentwicklung und Bottom-up Dienstekomposition Prozessmodelle nicht nur für die Analyse, sondern auch direkt für die Ausführung und Kontrolle verwenden Der Prozess ist die Anwendung Workflow-Beschreibungen enthalten das Wissen über die Prozesse Dokumentation von Prozessmodellen und deren Ausführung Wissenstransfer Abstrakte Workflows Einführung Modellierung Automatisierung Ausführung Fazit Gleiche Workflows auf unterschiedliche IT-Infrastrukturen abbilden, in Abhängigkeit der Problemgröße, verfügbarer Ressourcen, Sicherheitseinschränkungen, etc. Lokale Ausführung SOA / Grid / Cloud Zusammenarbeit Cluster Seite 3

4 Phasen des Geschäftsprozessmanagements (BPM) Phase 1 Prozessmodellierung: Erstellung und Analyse fachlicher Modelle von Geschäftsprozessen Phase 2 Prozessautomatisierung (Was? Wie?): Ableiten von technischen (ausführbaren) Prozessen aus fachlichen Modellen Phase 3 Prozessausführung und -beobachtung: Ausführung und Kontrolle der Prozesse, zum Beispiel in einer SOA, Gridoder Cloud-Umgebung Stand der Technik: Phasen sind aufeinanderfolgend, kaum Interaktion zwischen den Phasen Inkompatible Formalismen in den einzelnen Phasen z.b. BPMN BPEL ESB Unterschiedliche Werkzeuge, z.b. WebSphere Business Modeler Process Server Business Monitor Verschiedene Nutzergruppen pro Phase z.b. Management Prozessarchitekt IT-Spezialist Seite 4

5 Dynamik in Prozessen Motivation Bessere Unterstützung dynamischer Prozesse durch engere Verknüpfung von fachlicher Modellierung und technischer Ausführung Durchreichen von Ad-hoc-Änderungen fachlicher Prozesse (z.b. Unterauftragnehmer insolvent ) Schnelle Reaktionen auf Änderungen in der technischen Ebene (z.b. Datenspeicher voll ) Fachliche Prozesse/ Technische Prozesse/ Produkt/ Geschäftsprozesse IT-Prozesse Dienstleistung Seite 5

6 Dynamik in Prozessen Ursachen escience-workflows in D-Grid 2 Anpassung 4 Ressourcenauswahl (automatisch) 1 3 Prozessüberwachung (automatisch) Anpassung Prozessmodell und Ressourcenauswahl (semi-automatisch) Anpassung Prozessmodell (manuell) konstant variabel Prozess Seite 6

7 Problemstellung Divergierende Modellierungsansätze Verschiedene Sprachen (EPK, BPMN, WS-BPEL, XPDL, ) Verschiedene Abstraktionsebenen von der IT Fachliche Modelle: Ablauflogik + (Ziele, org. Zuständigkeiten, Ressourcen, ) Technische Modelle: Ablauflogik + (Daten, IT-Systeme, Fehlerbehandlung, ) Divergierende Zeitpunkte der Modellierung Requirements Engineering (frühe Phasen) Manuelle Transformation Inkonsistenz, Redundanz Implementierungsmodelle (späte Phasen) Keine konsistente Überführung fachlicher Modelle in ausführbare Modelle gewährleistet! Seite 7

8 Gewählter Ansatz Einführung Modellierung Automatisierung Ausführung Fazit Unterstützung der Dynamik von Prozessen auf allen BPM-Ebenen Prozessmodellierung Prozessautomatisierung Prozessausführung und beobachtung Ziel: Bessere Verzahnung der drei BPM-Ebenen (keine Phasen sondern Ebenen) Einheitlicher Formalismus für alle Ebenen (High-Level Petri-Netze) Einfache, automatisierte Abbildung zwischen den Ebenen Direkte Interaktion zwischen Modellierung, Automatisierung und Beobachtung Bessere Abstimmung zwischen fachlichen und technischen Prozessen Bessere Unterstützung von wissenschaftlichen Workflows (in der Regel nur eine Nutzergruppe für alle drei Ebenen) Seite 8

9 Prozessmodellierung Seite 9

10 Dynamik in der Prozessmodellierung Weiterhin Verwendung von etablierten Werkzeugen zur Modellierung fachlicher Prozesse, z.b. ARIS Business Designer oder Enterprise Architect Ankopplung an Automatisierung und Ausführungsebene Web-basierter Editor für direkte Modellierung in einheitlichem Formalismus ein Werkzeug von der Modellierung bis zur Ausführung Idee: Analyse und Simulation der Auswirkungen von Änderungen in fachlichen Prozessen direkt während der Modellierung Idee: Abbildung von technischen Parametern (z.b. Ressourcenengpass) auf die Ebene der fachlichen Prozessmodellierung Entscheidungshilfe Seite 10

11 Modellierung von Prozessen mit EPK Schwerpunkt: Modellierung fachlicher Prozesse Annotation zur Überführung in technische Prozesse Nicht sofort zu behebender Mangel Möglichkeit der Mängelerfassung prüfen GU Mangel kann vor Ort erfasst werden Mangel kann nicht vor Ort erfasst werden PDA GU Mängelmanage mentsystem GU neuen Mangel vor Ort DVbasiert erfassen GU Mangelinformatio nen mit PC aufnehmen GU Mangel elektronisch erfasst Mängelmanage mentsystem GU Mangel kategorisieren GU Seite 11

12 Modellierung von Prozessen mit GWorkflowDL Schwerpunkt: Modellierung technischer Prozesse Teilweise auch Modellierung fachlicher Prozesse Seite 12

13 GWorkflowDL 2.0 Kurzvorstellung Stelle Platzhalter für Daten, Transition Operation oder Sub-Workflow n Eingabekante Ausgabekante Lesekante Schreibekante Kapazität Daten konsumieren Daten erstellen Daten lesen Daten schreiben Maximale Anzahl von Marken x < y p1 Bedingung Priorität Boolescher XPath-Ausdruck x Marke Kantenanschrift Daten, Referenzen, Zustand, Seiteneffekte Parameternamen (Eingabe) XPath-Ausdruck (Ausgabe) Seite 13

14 Modellierung von Prozessen mit GWorkflowDL Zustand und Aktionen werden modelliert Kontroll- und Datenfluss können modelliert werden Einfach und ausdrucksstark (Turing-complete) Besonders geeignet zur Beschreibung von verteilten und nebenläufigen Prozessen Umfangreiche Theorie verfügbar Intuitive Visualisierung möglich Kompatibel zu internationalem Standard: ISO/IEC Konvertierung von anderen Prozessbeschreibungssprachen möglich (z.b. BPEL, EPML, PNML, DAGman, SCUFL,...) Seite 14

15 Web-basierter GWorkflowDL-Editor Seite 15

16 Prozessautomatisierung Seite 16

17 Dynamik in der Prozessautomatisierung Möglichst automatische Abbildung auf technische, ausführbare Prozessmodelle Virtualisierungsschicht Formulierung von ausführbaren Prozessen unabhängig der verfügbaren Infrastruktur Späte Bindung der Fachfunktionalitäten an Ausführungskomponenten Seite 17

18 Nutzeranfrage formal beschreiben Einführung Modellierung Automatisierung Ausführung Fazit Nutzeranfrage Ich brauche diese Daten Automatische Workflow- Komposition Suche passender Dienste Optimierung der Auswahl Nutzeranfrage Abstrakter Workflow Service-Kandidaten Abbildung auf Ressourcen Service-Instanzen Ressourcen Seite 18

19 Fachlicher Geschäftsprozess Abbildung auf technischen Prozess Suche passender Dienste Optimierung der Auswahl Fachliche Prozessbeschreibung Abstrakter Workflow Service-Kandidaten Abbildung auf Ressourcen Service-Instanzen Ressourcen Seite 19

20 Gewählter Ansatz Automatische Transformation von EPK-Modellen in ausführbares Format (und zurück) Gewählte Sprachen EPK zur fachlichen Prozessbeschreibung, da diese eine (relativ) einfache Syntax und Semantik ähnlich Petrinetzen besitzt. GWorkflowDL (Grid Workflow Description Language) zur technischen Prozessbeschreibung; basiert auf Petrinetzen, die theoretisch umfangreich erforscht sind. Charakteristika Einführung Modellierung Automatisierung Ausführung Fazit Durchgängigkeit zwischen fachlichem und technischem Modell, vergleichsweise einfache Transformation Unterstützung hochfrequenter Prozessanpassungen Unabhängigkeit von den konkreten Ausführungstechnologien Ansatz ist nicht an Web Services gebunden Berücksichtigung von Lastausgleich und Skalierung bei der Verteilung der Prozesse auf IT-Ressourcen Eignung für Grid- und Cloud-Plattformen Seite 20

21 Transformation der Knoten eines EPK-Graphen Seite 21

22 Transformation der Kanten eines EPK-Graphen Seite 22

23 Transformations- Beispiel 1 Kontrollmarke Datenmarke Kantenanschrift Datenstelle Seite 23

24 Transformations- Beispiel 2 Seite 24

25 Implementierung der Transformation mit XSLT Beispiel: Transformation eines EPK-Ereignisses <!-- convert event to wf:place --> <xsl:template match="event"> <xsl:element name="place" namespace=" <xsl:attribute name="id">p<xsl:value-of <xsl:apply-templates select="name"/> <xsl:apply-templates select="graphics/position"/> <xsl:apply-templates select="attribute"/> <!-- convert token attribute to token --> <xsl:for-each <xsl:element name="token" namespace=" <xsl:element name="control name-space=" </xsl:element> </xsl:for-each> </xsl:element> </xsl:template> Seite 25

26 Prozessausführung Seite 26

27 Dynamik in der Prozessausführung und -beobachtung Mechanismen der Lastverteilung und dynamischen Ressourcenverteilung Zeitnahe Ressourcenüberwachung Flexible Ressourcenplanung Fehlertolerante Ausführung Seite 27

28 Ressourcenüberwachung User Web Service Meta- Scheduler D-GRDL Web Service Resource- Matcher D-GRDL XQuery Web Service Workflow- Management D-GRDL Web Service exist Web XML Service DB exist Web XML Service DB exist XML <D-GRDL> DB <D-GRDL> <D-GRDL> D-GRDL XQuery D-GRDL XQuery Portlets D-GRDL Visualization Administration Web Service GRDB D-GRDL XQuery D-GRDL XQuery D-GRDL XQuery D-GRDL XQuery MDS4, Ganglia Resource- Updater Resource- Updater Resource- Updater Resource- Updater Resource... Web Services Host PBS Seite 28

29 Ressourcenplanung und Scheduling Ressourcen sind dynamisch: Ressourcen können ausfallen, neue Ressourcen können hinzukommen und aktive Ressourcen können jederzeit entfernt werden Erstellung abstrakter Workflows, die unabhängig von der Infrastruktur sind Diese abstrakten Workflows werden dann zur Laufzeit auf die verfügbaren Ressourcen abgebildet Verwendung von Fehlertoleranzmechanismen, falls Ressourcen während der Laufzeit ausfallen (z.b. Wiederholung der Aktivität auf anderer Ressource) Seite 29

30 Algorithmus zur Ausführung von Workflows Analysiere Workflow Verfeinere Workflow ResourceMatcher, Scheduler, Aktivierte Transition vorhanden? Ja Prüfe Bedingungen Nein Workflow beenden Ja Transition abstrakt? Nein Sperre Marken und starte Aktivität asynchron/nebenläufig Wenn Aktivität beendet: führe Transition aus entferne Eingabemarken und erzeuge Ausgabemarken Seite 30

31 Prozessüberwachung Seite 31

32 Ablaufdiagramm implizite Fehlertoleranz (Quelle: Schulz, 2007) Seite 32

33 Beispiel für explizit modellierte Fehlertoleranz Workflow ohne Fehlertoleranz Workflow mit Fehlertoleranz: Starten eines Lizenzservers falls Fehler 147 auftritt und Wiederholung der Aktivität Seite 33

34 Fazit Einführung Modellierung Automatisierung Ausführung Fazit Prozessmodellierung Anbindung an ARIS Business Designer und CoMoMod (Ereignisgesteuerte Prozessketten, EPK) Web-basierter GWorkflowDL-Editor Unterstützung von BPMN (z.b. Enterprise Architect) Abbildung von technischen Parametern auf die Ebene der fachlichen Prozessmodellierung Simulation und Analyse der Prozesse während der Modellierung Prozessautomatisierung Automatische Abbildung auf GWorkflowDL-Prozesse nach manueller Annotation der fachlichen Prozesse Automatische Annotation der fachlichen Prozesse Prozessausführung Fehlertoleranz und Ressourcenüberwachung Ressourcenzuordnung und Scheduling für SOA und Grid Constraint-basierte Ressourcenplanung mit Reservierung Flexiblere Anbindung an weitere ausführende Plattformen (Cloud, MultiCore, Datenbanken, ) Plugin-Konzept Grid Workflow Execution Service Ausführungslogik und Datenflüsse in verteilten Systemen Seite 34

35 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt Download Grid Workflow Execution Service: Bug-Reports, Wünsche, Anforderungen, Aufträge: Bitte per an Seite 35

36 Backup-Folien Seite 36

37 Statistik: Fehlertoleranz von Workflows in der Medizin Verteilung der Zustände von Workflows in einem Grid-Testbed für Oktober 2007: 20% der Workflows konnte wegen der Fehlertoleranz trotz Fehlschlagens einer Aktivität erfolgreich abgeschlossen werden (Quelle: Schulz, 2007) Seite 37

38 Existierende Lösungsansätze Schrittweise Verfeinerung fachlicher Modelle Idee: Beispiel: Einführung Modellierung Automatisierung Ausführung Fazit Anreicherung fachlicher Modelle um Ausführungsdetails Verfeinerung von BPMN-Modellen und Transformation nach WS-BPEL Probleme: Komplexität der Modelle und/oder Transformationen, Beschränkung auf Web Services als Ausführungstechnologie, Keine hinreichende Berücksichtigung von Grid- und Cloud-Anforderungen. Einsatz semantischer Web Services Idee: Beispiel: Automatische Komposition von Prozessen durch Formalisierung der Semantik (z.b. Input/Output, Vor- und Nachbedingungen, ) Beschreibung von Web Services mit WSML, Ausführung mit WSMX Probleme Beschränkung auf Web Services als Ausführungstechnologie, Keine hinreichende Berücksichtigung von Grid- und Cloud-Anforderungen. Ansätze nicht geeignet für einfache, automatisierte Transformation von fachlichen Modellen zur Ausführung in Grid und Cloud Seite 38

39 Grid Computing vs. Computing Cloud Cloud: Ein Pool aus abstrahierter, hochskalierbarer und verwalteter IT-Infrastruktur, die Kundenanwendungen vorhält und nach Verbrauch abgerechnet wird (Forrester Research) Schwerpunkt: Lose gekoppelte Massenanwendungen auf Standard-Hardware Grid-Computing zielt auf die transparente, gemeinsame Nutzung von Ressourcen in einem Netzwerk innerhalb einer Organisation, in Gruppen oder auch in weltweiten Verbünden ab. Schwerpunkt: Eng gekoppelte Spezialanwendungen auf Hochleistungsrechenclustern mit schnellen Netzwerkverbindungen Seite 39

40 Scheduling Workflows Aktivitäten Ressourcen hohe Priorität Aktivität 5 Aktivität 6 Aktivität 1 Aktivität 2 R9 R1 R4 Qualität > 0.8 R niedrige Priorität Aktivität 3 Aktivität 4 Aktivität 7 Aktivität 8 R7 R5 R8 R6 R3 Seite 40