[论文解读] Workflow Management on the Blockchain --- Implications and Recommendations

Jöerg Evermann, Henry Kim|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2019

Business Process Modeling and Analysis参考文献 39被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于区块链的工作流管理系统（WfMS），通过标准化接口将传统非智能合约工作流引擎与区块链基础设施集成，展示了通过两个原型实现的可行性。主要贡献在于识别了区块链特有的挑战——尤其是来自工作量证明共识机制的挑战——并提出了可操作的建议，以解决跨组织工作流中的延迟、不可变性和用户界面问题。

ABSTRACT

Blockchain technology, originally popularized by cryptocurrencies, has been proposed as an infrastructure technology with applications in many areas of business management. Blockchains provide an immutable record of transactions, which makes them useful in situations where business actors may not fully trust each other. The distributed nature of blockchains makes them particularly suitable for inter-organizational e-Business applications. In this paper we examine the use of blockchains for executing inter-organizational workflows. We discuss architectural options and describe prototype implementations of blockchain-based workflow management systems (WfMS), highlighting differences to traditional WfMS. Our main contribution is the identification of potential problems raised by blockchain infrastructure and recommendations to address them.

研究动机与目标

• 探索在区块链基础设施上部署标准非智能合约工作流引擎用于跨组织工作流的可行性。
• 识别区块链工作量证明共识机制在工作流执行中引发的架构与操作挑战。
• 在工作流引擎与区块链系统之间开发通用、与编程语言无关的接口，以实现模块化集成。
• 提供实用建议，以改善基于区块链的WfMS在可用性、性能和容错性方面的表现。
• 证明智能合约并非基于区块链的WfMS的必要条件，为现有WfMS的采用提供替代架构路径。

提出的方法

• 设计一种解耦架构，由区块链负责事务的不可变性和一致性，而传统WfMS引擎负责工作流逻辑和状态转换。
• 实现两个研究原型，通过标准化接口将工作流状态和活动映射到区块链事务，且独立于工作流描述语言。
• 利用概念验证实现，评估区块链延迟和最终性对工作流执行和用户体验的影响。
• 应用分布式和复制式WfMS的原则，将传统系统适配至区块链的去中心化、容错模型。
• 评估包括1:1和n:m映射在内的架构选项，比较其在可扩展性和部署灵活性方面的表现。
• 提出推测执行和补偿工作流机制，以应对事务回滚问题，并在面对区块链延迟时提升用户体验。

实验结果

研究问题

• RQ1 传统非智能合约工作流引擎能否在跨组织工作流中有效集成到区块链基础设施？
• RQ2 工作量证明共识在基于区块链的WfMS中引入的关键性能与可用性挑战是什么？
• RQ3 如何设计面向用户的应用界面，以清晰传达区块链特有的属性，如不可变性、最终性和延迟？
• RQ4 哪些架构模式最能支持基于区块链的WfMS在可扩展性、容错性和可扩展性方面的表现？
• RQ5 现有WfMS（如YAWL）在不完全重写为智能合约语言的前提下，能在多大程度上适配区块链？

主要发现

• 可通过组件间的标准化接口，在不依赖智能合约的前提下，将通用标准工作流引擎成功部署于区块链基础设施。
• 工作量证明区块链引入了显著的延迟和最终性延迟，影响工作流执行，需引入新的用户界面与交互模式。
• 区块链事务的不可变性和密码学完整性增强了跨组织工作流中的信任度，尤其在存在对抗性参与方的情况下。
• 使用补偿活动或工作流片段可减轻区块链环境中事务失败或延迟的影响。
• 架构灵活性（如支持区块链节点与工作流引擎之间的n:m映射）可提升可扩展性和部署选项。
• 用户教育和界面设计是关键挑战，用户必须理解区块链特有的行为，如事务最终性与不可逆状态变更。