[论文解读] Optimized Execution of Business Processes on Blockchain

Luciano García‐Bañuelos, А. В. Пономарев+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2016

Blockchain Technology Applications and Security被引用 2

一句话总结

本文提出一种将BPMN流程模型编译为优化版Solidity智能合约以用于Ethereum的方法，采用空间优化的位数组来编码流程状态，从而最小化气体消耗。该方法相比基线方法将平均气体使用量减少了50%，吞吐量提升了30%，实现了可扩展的基于区块链的企业流程执行。

ABSTRACT

Blockchain technology enables the execution of collaborative business processes involving untrusted parties without requiring a central authority. Specifically, a process model comprising tasks performed by multiple parties can be coordinated via smart contracts operating on the blockchain. The consensus mechanism governing the blockchain thereby guarantees that the process model is followed by each party. However, the cost required for blockchain use is highly dependent on the volume of data recorded and the frequency of data updates by smart contracts. This paper proposes an optimized method for executing business processes on top of commodity blockchain technology. The paper presents a method for compiling a process model into a smart contract that encodes the preconditions for executing each task in the process using a space-optimized data structure. The method is empirically compared to a previously proposed baseline by replaying execution logs, including one from a real-life business process, and measuring resource consumption.

研究动机与目标

• 降低在Ethereum等通用区块链上执行企业流程所关联的高昂气体成本。
• 最小化基于区块链的企业流程执行中智能合约的数据膨胀和事务频率。
• 通过高效的流程状态编码，提升基于区块链执行的企业流程的可扩展性和性能。
• 利用真实世界和合成的流程执行日志对方法进行实证评估。
• 提供从BPMN模型到气体高效Solidity智能合约的实用化、优化编译管道。

提出的方法

• 将BPMN流程模型转换为最小化的Petri网，以简化控制流语义。
• 将Petri网编译为使用位数组表示流程状态的Solidity智能合约，以最小化存储占用。
• 通过位运算编码任务执行的前置条件，以减少计算开销。
• 通过减少所需区块链写入次数和气体密集型操作，优化状态转换。
• 使用基于重放的评估框架，测量在多样化流程日志中的气体消耗。
• 基于真实世界和合成的执行轨迹，与先前工作中提出的基线方法进行基准测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将基于BPMN的企业流程编译为气体消耗最少的区块链智能合约？
• RQ2 空间优化的状态编码在多大程度上减少了智能合约中的数据膨胀和事务频率？
• RQ3 与基线方法相比，所提出方法在气体使用量和执行吞吐量方面表现如何？
• RQ4 在高负载、并发流程执行条件下，该优化方法的可扩展性如何？
• RQ5 该方法能否有效应用于具有复杂执行模式的真实世界企业流程日志？

主要发现

• 在所有测试数据集上，优化方法相比基线方法将平均气体消耗降低了50%。
• 优化后的智能合约在511个区块内完成500个流程实例，而基线方法耗时739个区块，表明吞吐量提升了30%。
• 由于每项操作的气体使用量减少，优化后的合约实现了更高的每区块事务吞吐量，优化合约每区块可维持约180笔事务，而基线方法约为140笔。
• 吞吐量瓶颈主要源于Ethereum的区块气体限制，该限制将优化版本的实例创建数量限制为每区块5个。
• 该方法在包含超过5,300条轨迹的真实世界发票日志上表现出可扩展性，证实了其实际可行性。
• 评估结果证实，最小化状态表示并减少写入操作可显著降低在通用区块链上的执行成本。