Time-travelling state machines for verifiable BPM

Abstract

Bei der Verwaltung von Geschäftsprozessen sind Unternehmen häufig auf Dritte angewiesen, um Vertrauen zwischen allen Beteiligten schaffen zu können. Seit dem Aufkommen der Blockchain-Technologie zielen Forschende weltweit darauf ab, Blockchains als eine eben solche vertrauenswürdige dritte Partei einzusetzen, um auf deren strikte Nachvollziehbarkeit bauen zu können. Diese Ansätze sind allerdings meist sehr stark mit der Blockchain selbst verzahnt, was zu mangelnder Flexibilität oder erhöhten Kosten führen kann. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein neuartiges Konzept vorgestellt, das die Ausführung und Überprüfung von Geschäftsprozessen mit Hilfe der Blockchain zwar ermöglicht, Eigenschaften wie Flexibilität aber auch erfüllt.Das Konzept selbst basiert auf einer modularen Softwarearchitektur, bei der jedes Modul über ein Event-Sourcing-System lose mit anderen Modulen gekoppelt ist. Es zielt darauf ab, die Vorteile einer Blockchain zu bewahren, indem es Beteiligten unter anderem erlaubt, vergangene Zustände zu verifizieren, wobei der Beweis für die Korrektheit dieser Zustände allerdings auf der Blockchain selbst zu finden ist. Dieser Ansatz wurde mithilfe bestehender Literatur entwickelt und später als Prototyp umgesetzt.Anschließend wurde das Konzept und der entsprechende Prototyp anhand qualitativer Kriterien bewertet, und die Komplexität durch Anwendung formaler Methoden auf deren statische Strukturen analysiert. Nachfolgend wurde der praktische Nutzen mithilfe von vereinfachten Geschäftsprozessen aufgezeigt. Im Vergleich zu bestehenden Ansätzen ergaben sich drastische Verbesserungen in Bezug auf Flexibilität und Datenschutz. Weiters beträgt die mittlere Dauer einer Geschäftsprozesstransaktion auf Ethereum etwa 18 Sekunden, was diesen Ansatz für, sowohl lang- als auch kurzlebige, Geschäftsprozesse nutzbar macht. Dennoch bleiben auch Nachteile bestehen. Die Geschäftsprozesstransaktionskosten korrelieren linear mit der Anzahl der Teilnehmenden, was bei kleineren Geschäftsprozessen zwar zu einer Gesamtkostenreduktion führen kann, bei größeren allerdings eine Teuerung darstellt.Die Idee hinter dieser Arbeit ist nicht nur die Vorstellung eines neuen Konzepts zur Ausführung und Verifizierung von Geschäftsprozessen mithilfe der Blockchain, sie soll auch zukünftige Arbeiten dazu anregen, die Blockchain selbst nur noch als lose gekoppeltes Subsystem zu betrachten, um den Nachteilen solcher Systeme begegnen zu können.

Inter-organizational business process management often relies on third parties to establish trust between participants. Since the rise of blockchain technology and its associated properties regarding traceability, research communities aim to integrate blockchains into workflow execution engines in favor of a trusted third party. Frequently, these approaches directly leverage upon the blockchain, which leads to shortcomings such as a lack of flexibility or increased cost. Therefore, this thesis proposes a novel concept that allows workflow execution and verification using the blockchain while preserving flexibility and reducing transaction costs by utilizing present-day cryptography.The concept relies on a modular software architecture where each module is loosely coupled to others through an event-sourcing system. It aims to preserve the advantages of a blockchain by enabling time travel to allow participants to verify past states while keeping proof of the correctness of these states on the blockchain, which acts as a single source of truth. The proposed approach was derived by discussing related literature and exploring its practical utility by creating a prototypical implementation.The proposed concept and its prototype were evaluated against qualitative criteria extracted from related work, while the complexity was analyzed by applying formal methods to static structures. Afterwards, their practical utility was exhibited by executing simulations of simplified real-world business processes. The evaluation has shown dramatic improvements regarding flexibility and privacy. Furthermore, the execution duration per transaction was observed to be around 18 seconds on Ethereum. This qualifies the proposed concept as a suitable approach for slow- and fast-paced business processes. Nonetheless, some shortcomings remain. The execution cost linearly correlates to the number of participants, which results in an overall cost reduction for smaller business processes but breaks even and exceeds other approaches after reaching a certain threshold.This work presents a novel idea for workflow execution that leverages on properties of blockchains and instigates future work to demystify and treat blockchains only as loosely coupled sub-systems of supportive nature.