Elastic business process management in the cloud

Abstract

Geschäftsprozess-Management ist ein vielschichtiger Ansatz, der sich mit der Gestaltung, Implementierung und Steuerung von Geschäftsprozessen beschäftigt. Zuletzt erlangte diese Technologie große Aufmerksamkeit in vielen verschiedenen Branchen, wie insbesondere in der Finanz- und Energiebranche, in der Rechenressourcen für die Automatisierung von Geschäftsprozessen verwendet werden. Geschäftsprozesse bestehen in der Regel aus Mensch- oder Software-basierten Diensten. Vor allem in großen Unternehmen ist es üblich, dass eine Vielzahl verschiedener Geschäftsprozesse zur Verfügung steht, die zum Teil aus rechenintensiven Software-basierten Diensten bestehen. Da die Menge der Prozessinstanzen, die ausgeführt werden sollen, variiert, wird ein Geschäftsprozess-Management-Programm benötigt, das in der Lage ist, die ständig wechselnden Anfragen zu beantworten und deren Ausführung zu steuern. Es ist offensichtlich, dass die Anzahl der benötigten Ressourcen zu Spitzenzeiten höher ist als zu weniger intensiv genutzten Zeiten. Aus diesem Grund ist eine permanente Bereitstellung von Rechenressourcen nicht die beste Wahl, denn Ressourcen, die in der Lage sind Spitzenlasten zu tragen, werden außerhalb dieser Zeiten kaum benützt. Dies führt zu unerwünscht hohen Kosten. Andererseits kann es, wenn zu wenige Ressourcen zur Verfügung stehen, zu einer niedrigen Dienstgüterqualität kommen. Mit dem Aufkommen von Cloud Computing, ist es nun möglich: (i) Rechenressourcen nur bei Bedarf zu mieten, und (ii) die Infrastruktur schnell nach oben oder unten zu skalieren, während nur die gemieteten Ressourcen bezahlt werden müssen. Bisher haben jedoch nur wenige Wissenschaftler an der Realisierung von Elastischen Prozessen - Prozessen, die auf Cloud-basierten Ressourcen ausgeführt werden - gearbeitet. Bei diesen sind drei Dimensionen der Elastizität zu berücksichtigen: Ressource, Qualität und Kosten-Elastizität. In dieser Arbeit werden neue Ansätze präsentiert, um Geschäftsprozesse auf Cloud-basierten Ressourcen auszuführen: Der erste Teil der Arbeit zeigt, wie die geleasten Ressourcen effizient genutzt werden können. Anschließend wird ein kostenbasiertes Optimierungsmodell für sequentielle Geschäftsprozesse dargestellt. Da jedoch in der realen Welt komplexe Geschäftsprozesse realistischer sind, soll dieser Ansatz erweitert werden und ein 'Multi-Objective' Optimierungsmodel für komplexe Geschäftsprozesse erstellt werden. Anschließend wird gezeigt, wie dieses Optimierungsmodel erweitert werden kann, um Geschäftsprozesse in einer Hybrid Cloud auszuführen. Diese Ansätze werden intensiv evaluiert und die Ergebnisse mit Baselines verglichen, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen. In der vorliegenden Arbeit wird sich zeigen, dass mit diesem Ansatz Ausführungszeit und Kosten verringert werden können.

Business Process Management is a multifaceted approach covering several aspects of organizational, management and technical facets of business processes. Recently, this technology gained great attention in the field of many different industries including the finance industry or the energy domain where computational resources are used to carry out business processes automatically. Business processes are composed from human or software-based services. Especially in larger companies, an extensive number of different processes are available, each made up from various process steps which are realized by software services, each needing a different amount of resources. As the amount of process instances to be executed varies over time, a Business Process Management System is needed which is able to serve the ever-changing demand of needed resources. For example, the amount of required resources during peak times will be much higher than during off-peak times. Permanent provisioning of resources is obviously not the best choice, as resources which are able to handle peak loads will hardly be used during off-peak times. Hence, this leads unwanted high cost (i.e., over-provisioning). Contrary, providing less resources may lead to an under-provisioned system, which might not be able to carry out all processes during peak times or will suffer from a low Quality of Service. With the upcoming of cloud computing, it is possible (i) to lease and release resources in an on-demand, utility-like fashion, and to provide the means of (ii) rapid elasticity through scaling the infrastructure up or down, based on (iii) pay-per-use through metered service. However, so far, only few researchers have provided methods and solutions to facilitate Elastic Processes, i.e., processes which are carried out on cloud-based resources while considering all three dimensions of elasticity: resource, quality and cost. Hence, this thesis presents novel approaches to apply cloud-based computational resources for Business Process Management. First, we show how leased resources can be used more efficiently if the process- future resource demand is considered during scheduling and resource allocation. Second, by constantly extending this approach, we present a cost-based optimization model for sequential business processes. As in real-world complex business processes are more realistically, we present afterwards a multi-objective optimization model for complex business processes. Finally, we introduce an extension to this model, allowing to lease resources from a public and private cloud equally, leading to a hybrid cloud environment. We evaluate our approaches extensively and compare the results against state of the art baselines in order to show its potential of reducing process execution time and avoiding unnecessary cost while still ensuring Service Level Agreements.