[论文解读] Dynamic Role Binding in Blockchain-Based Collaborative Business Processes

Orlenys López‐Pintado, Marlon Dumas+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 11被引用 9

一句话总结

本文提出了一种基于区块链的协作业务流程的动态角色绑定模型及策略语言，支持运行时、协作式地将参与者绑定到角色，并通过佩特里网语义实现形式化的一致性验证。该方法将策略编译为智能合约，评估结果显示其在以太坊上的成本随角色数量和约束条件呈线性增长，支持在不可信、动态环境中实现可扩展的访问控制。

ABSTRACT

Blockchain technology enables the execution of collaborative business processes involving mutually untrusted parties. Existing platforms allow such processes to be modeled using high-level notations and compiled into smart contracts that can be deployed on blockchain platforms. However, these platforms brush aside the question of who is allowed to execute which tasks in the process, either by deferring the question altogether or by adopting a static approach where all actors are bound to roles upon process instantiation. Yet, a key advantage of blockchains is their ability to support dynamic sets of actors. This paper presents a model for dynamic binding of actors to roles in collaborative processes and an associated binding policy specification language. The proposed language is endowed with a Petri net semantics, thus enabling policy consistency verification. The paper also outlines an approach to compile policy specifications into smart contracts for enforcement. An experimental evaluation shows that the cost of policy enforcement increases linearly with the number of roles and constraints.

研究动机与目标

• 解决在涉及不可信方的基于区块链的协作业务流程中，静态角色绑定的局限性。
• 支持在运行时动态、协作地绑定和解除参与者与角色的关系，以反映不断变化的信任关系。
• 提供一种形式化的策略规范语言，其语义支持在部署前进行一致性验证。
• 支持将策略编译为可执行的智能合约，以便在以太坊等区块链平台上强制执行。
• 评估策略强制执行在以太坊上的性能和成本，包括气体消耗和可扩展性。

提出的方法

• 本文提出了一种支持将区块链账户（身份）动态分配给角色的角色绑定模型，允许参与者根据信任和协作关系进行绑定或解除绑定。
• 设计了一种策略规范语言，用于表达角色绑定规则，包括提名、绑定和背书等约束，其形式化语义基于佩特里网，以支持一致性检查。
• 该策略语言支持复杂约束，如多方背书和条件绑定，从而实现细粒度的访问控制。
• 提出了一种编译方法，将策略规范转换为以太坊智能合约，确保访问控制逻辑在运行时被强制执行。
• 该方法利用佩特里网语义在编译前对策略的一致性进行形式化验证，防止出现矛盾或不一致的访问规则。
• 实现已集成至Caterpillar区块链执行引擎，支持基于BPMN的流程建模与在以太坊上的执行。

实验结果

研究问题

• RQ1 在信任关系随时间演变的基于区块链的协作业务流程中，如何建模动态角色绑定？
• RQ2 需要何种形式化语言和语义，才能对动态角色绑定策略进行一致性与正确性验证？
• RQ3 如何将动态角色绑定策略编译为可在区块链平台上执行的智能合约？
• RQ4 在以太坊上，强制执行此类策略的性能开销（以气体消耗和交易成本衡量）如何？
• RQ5 策略强制执行的成本如何随角色数量和约束复杂度而变化？

主要发现

• 最简单策略（一个角色绑定到案例创建者）的部署成本为154,167 gas，主访问控制合约的固定部署成本为1,340,098 gas。
• 策略强制执行成本随角色数量和约束复杂度呈线性增长，其中背书约束导致成本增加最显著（每增加一个约束，成本增加16.0–19.0%）。
• 增加一个绑定约束会使气体成本增加4.0–5.7%，而为约束添加合取条件则增加2.4–3.5%的开销。
• 提名操作的成本在111,407至168,270 gas之间，而投票操作的成本在76,845至78,184 gas之间，当语句在策略中位置靠后时成本更高。
• 随着任务数量的增加，canPerform函数的成本从31,693 gas线性增长至33,066 gas，表明运行时性能具有可预测性。
• 执行一个流程案例的总成本包括摊销后的策略部署成本和可变的运行时成本，后者随策略复杂度可预测地增长。