Web Engineering for Workflow-based Applications: Models, Systems and Methodologies zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften von der Fakultät für Informatik der Universität Fridericiana zu Karlsruhe (TH) genehmigte Dissertation von Patrick Freudenstein aus Ludwigsburg Tag der mündlichen Prüfung: 14.07.2009 Erster Gutachter: Prof. Dr. Wilfried Juling Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Hartmut Schmeck Acknowledgements Working towards this thesis, I received manifold support for which I am very grateful and would like to express my appreciation for. First of all, I would like to thank my supervisor Prof. Dr. Wilfried Juling for giving me the great opportunity to join his research group at the Karlsruhe Institute of Technology’s (KIT) Institute of Telematics as well as for leaving me valuable freedom and scope for my research. Furthermore, I would like to thank Prof. Dr. Hartmut Schmeck for his work and assistance as second referee as well as Prof. Dr. Andreas Oberweis and Prof. Dr. Sebastian Abeck for acting as examiners in my disputation. During my time at the KIT, I had the luck to work with excellent and highly motivated colleagues and students in a friendly and inspiring atmosphere, for which I am particularly grateful. I would like to thank my colleagues Jan Buck, Prof. Dr. Martin Gaedke, Frederic Majer, Dr. Johannes Meinecke and Dr. Martin Nußbaumer from the IT Management and Web Engineering Research Group (MWRG) for the numerous stimulating discussions and fruitful joint work. I would also like to thank Ina Dvorak for assisting me with administrative work and for her cheerful way of resolving problems. I am thankful to Martin N. for managing the group’s transition so smoothly as well as for his continuous helpfulness and support, proficient advice and our successful collaboration throughout the years. I am particularly thankful to Frederic who stood by my side throughout all the hard work and made it much more enjoyable. Being my best friend, he has also been a great mentor, always available for discussing questions and a unique source of creativity. Furthermore, I am thankful to my graduate students Florian Allerding, Christoph Augenstein, Marko Böttger, Jan Buck, Thorsten Höllrigl, Kristina Jochim, Leila Karademir, Nikolay Orozov, Frank Schell, Denny Setiawan and Frédéric Wenzel for their high enthusiasm, commitment and valuable contributions to my research. The project ‘Karlsruhe’s Integrated InformationManagement (KIM)’ and the people involved therein presented a central pillar of my work at the KIT. As a dynamic and motivated team, we have succeeded numerous ambitious accomplishments, often beyond the team member’s actual responsibilities. As representatives for the entire team, I would like to thank Jan Buck, Thorsten Höllrigl, Stefan Link, Lei Liu, Frederic Majer, Axel Maurer, Christof Momm, Daniel Ried, Frank Schell, Wilhelm Sievers and vi Acknowledgements Marek Šiller for the great time, the joint efforts and the friendly atmosphere in the KIM Labs. Moreover, I am thankful to all my friends and former colleagues who have supported me in my personal development and encouraged me in my decision to take the path towards doing a PhD. In this regard, I would like to particularly thank Dr. Dietger Bansberg, Dr. Stefan Feyrer and Sabine Schnarrenberger for their great sponsorship, mentoring and deep friendship. Finally, I would like to express my particular gratitude to my parents Jutta and Gerd for conveying me the values and principles which made my path of life and this thesis possible in the first place. They, together with my brother Moritz and my grandparents, have always and unconditionally supported and encouraged me and enriched my life with kindness and happiness. I have special thanks for my grandfather Werner who sparked my interest in programming already in my early childhood and thus laid the foundation for my development as a computer scientist. I learnt so much from him and he will always be a great role model for me. Above all, I would like to thank my fiancée Dana for her unique and unlimited understanding during these intense years. She has always supported and encouraged me and infected me with her happiness. Thank you so much, Dana! Zusammenfassung Workflowbasierte Web Anwendungen stellen eine eigenständige, stark an Bedeu- tung gewinnende Generation von Anwendungen dar, die auf den Technologien und Standards des World Wide Web Consortiums (W3C) aufbauen sowie Dienste und Inhalte über den Browser anbieten. Zu deren Evolution haben primär drei Faktoren beigetragen: Erstens, die weitreichende, durch erfolgreiche Standardisie- rungsbemühungen getriebene Akzeptanz und Etablierung des Konzepts der service- orientierten Architektur (SOA). Zweitens, die unter dem Schlagwort „Web 2.0“ subsummierte neue Generation hochgradig interaktiver Web Anwendungen und Basistechnologien. Drittens, der aus Sicht von Unternehmen dringende Bedarf einer durchgängigen und flexiblen IT-basierten Geschäftsprozessunterstützung über System- und Organisationsgrenzen hinweg. Vor diesem Hintergrund bieten workflowbasierte Web Anwendungen eine homogene, integrative und plattform- unabhängig verfügbare Benutzungsschnittstelle zur effektiven Abwicklung von Geschäftsprozessen. Aus technischer Sicht ergeben sich hierdurch vielfältige Anforderungen, die zur Erzielung einer effizienten und effektiven Entwicklung workflowbasierter Web An- wendungen zu adressieren sind. Dies betrifft insbesondere die Bereiche der Prozess- steuerung und der Benutzungsschnittstelle sowie weitere, aus den spezifischen Cha- rakteristika von Web Anwendungen resultierende Herausforderungen. Hierzu zählen beispielsweise kurze Entwicklungs- und Evolutionszyklen, die zunehmende Bedeu- tung von Ästhetik und Benutzungsfreundlichkeit, die Vielfalt an Zugriffskanälen sowie die ausgeprägte Heterogenität der zukünftigen Nutzer und der an der Ent- wicklung beteiligten Personen (engl. „Stakeholder“). Des Weiteren stellen die Viel- zahl unterschiedlicher Entwicklungs-Artefakte sowie die inhärente Dokumentenzen- triertheit des Web grundlegende Spezifika von Web Anwendungen dar. Neben den genannten Problemstellungen kommt aus einer kommunikations- und kollaborationsorientierten Sichtweise der intensiven und effektiven Einbindung von Stakeholdern eine zentrale Bedeutung zu. In verschiedenen Studien wurde die man- gelhafte Einbindung und Kommunikation mit allen relevanten Personengruppen als einer der Hauptgründe für das Scheitern von Softwareprojekten identifiziert. Dies gilt insbesondere im Kontext workflowbasierter Web Anwendungen, für die eine effek- tive Kommunikation bezüglich der abzubildenden Geschäftsprozesse und Aktivitäten viii Zusammenfassung wesentlich ist. Darüber hinaus kann der dabei relevante Personenkreis entsprechend der Komplexität zu betrachtender Geschäftsprozesse hochgradig heterogen sein. Vor diesem Hintergrund präsentiert die vorliegende Dissertation einen modellgetrie- benen Ansatz zur Konstruktion workflowbasierter Web Anwendungen mit besonde- rem Fokus auf die effiziente und effektive Einbindung von Stakeholdern. Aufbauend auf einer systematischen Analyse der Problemdomäne wurden neuartige Konzepte, Modelle, Systeme und Methodiken entwickelt und evaluiert, die einen wesentlichen Beitrag zum aktuellen Stand der Technik darstellen. Im Einzelnen liefert die Arbeit folgende Beiträge: Web Engineering DSL Rahmenwerk: Als konzeptionelle Grundlage für eine intensi- vere und effektivere Zusammenarbeit mit Stakeholdern bei der Entwicklung von Web Anwendungen wird ein neuartiger modellgetriebener Konstruktionsansatz präsentiert, der auf domänenspezifischen Sprachen (DSLs) fußt. Ziel ist es, Stakeholder in die Lage zu versetzen, eigenständig Teile der Lösung validieren, modifizieren und auch spezifizieren zu können. Das Rahmenwerk sieht die Verwendung verschiedener, stark fokussierter DSLs für die einzelnen Aspekte einer Web Anwendung vor. Dabei erlaubt die DSL-Spezifikation die Integration auf bestimmte Stakeholdergruppen und Prozessphasen zugeschnittener Notationen und Werkzeuge. Dadurch kann deren Erlernbarkeit und Anwendbarkeit sowohl für Entwickler als auch für Stakeholder mit geringen IT-Kenntnissen signifikant verbessert werden. Der vorgestellte Ansatz bietet eine neuartige Alternative zu den existierenden schwergewichtigen und monolithischen Modellierungsansätzen im Web Engineering, die primär für die Verwendung innerhalb von Entwicklerteams entworfen wurden. Web Anwendungen werden somit evolutionär durch Komposition spezifischer Softwarekomponenten und deren Konfiguration durch DSL- Programme in Form von Stakeholder-orientierten Modellen konstruiert und weiterentwickelt. Der „Workflow-DSL“-Ansatz: Eine Anwendung des DSL-Konzepts zur Stakeholder- orientierten und vollständig modellgetriebenen Konstruktion workflowbasierter Web Anwendungen stellt die Workflow DSL dar. Durch den Ansatz wird eine holistische Spezifikation von Workflow-Aspekten und webbasierten Benutzungsschnittstellen für die effiziente und effektive Abwicklung von Workflow-Aufgaben möglich. Das der DSL zugrunde liegende formalisierte Schema stellt eine neuartige, auf weitverbreite- ten Standards und deren nativen Erweiterungsmechanismen basierende, konzeptio- nelle Grundlage zur integrierten Spezifikation dieser Aspekte dar. Die Workflow DSL erlaubt die iterative Modellierung workflowbasierter Web Anwendungen mittels verschiedenster bekannter Notationen und Werkzeuge in Abhängigkeit des Ent- wicklungsfortschritts und der Bedürfnisse der jeweiligen Stakeholdergruppe.