API-Architekturen verstehen

Was ist eine API-Architektur?

Eine API-Architektur ist ein strukturierter Rahmen für die Entwicklung und Integration (Anbindung) von Programmierschnittstellen (Application Programming Interfaces, kurz APIs), die es verschiedenen Softwareanwendungen ermöglichen, miteinander zu kommunizieren und Daten auszutauschen.

Die Architektur einer API legt fest, wie diese Kommunikation im Schnittstellendesign strukturiert ist, einschließlich der Regeln und Protokolle für den Datenaustausch. Verschiedene Schnittstellenarchitekturen eignen sich dabei je nach Anforderung für unterschiedliche Einsatzbereiche, abhängig davon, ob beispielsweise die Sicherheit und Genauigkeit der Daten (Banktransfer), die Geschwindigkeit der Datenübertragung (Streaming) oder die Aktualität der Daten (Chat) eine wichtigere Rolle spielt. Dadurch können Entwickler effizienter arbeiten, da sie auf bestehende Funktionen zugreifen und diese in neuen Anwendungen wiederverwenden können, ohne jedes Mal von Grund auf neu beginnen zu müssen.

Die Elemente einer API

APIs bestehen aus mehreren Komponenten, die zusammenarbeiten, um reibungslose Interaktionen zwischen verschiedenen Softwareanwendungen zu ermöglichen. Diese Komponenten sind entscheidend für die Funktionalität und Effektivität einer Schnittstelle.

• Endpunkte (Endpoints): API-Endpunkte sind spezifische Pfade oder URLs, über die API-Anfragen gesendet werden. Jeder Endpunkt ist für eine bestimmte Funktion oder einen Datentyp zuständig. Beispielsweise könnte ein Endpunkt dazu dienen, Benutzerdaten abzurufen, während ein anderer neue Datensätze erstellt.
• Methoden (Methods): APIs nutzen verschiedene Methoden, wie GET, POST, PUT und DELETE, um verschiedene Arten von Operationen zu kennzeichnen. GET dient beispielsweise dazu, Daten abzurufen, während POST zum Erstellen neuer Datensätze verwendet wird.
• Anfrage- und Antwortformate: Schnittstellen definieren spezifische Formate für Anfragen und Antworten. Häufig werden Formate wie JSON (JavaScript Object Notation) oder XML (Extensible Markup Language) verwendet, um Daten zu strukturieren und den Austausch zwischen Client und Server zu erleichtern.
• Parameter: Parameter sind zusätzliche Informationen, die in einem API-Aufruf übergeben werden. Sie können verwendet werden, um die Anfrage zu spezifizieren oder zu filtern, wie beispielsweise die Rückgabe von Daten für einen bestimmten Zeitraum oder für einen bestimmten Benutzer.
• Header: Im Header einer API-Anfrage werden zusätzliche Informationen übermittelt, wie Authentifizierungsdaten, Content-Typ oder andere Metadaten. Diese Informationen sind oft entscheidend für die Sicherheit und Effizienz der API-Kommunikation.
• Statuscodes: APIs verwenden HTTP-Statuscodes, um das Ergebnis einer Anfrage zu kommunizieren. Beispielsweise zeigt der Statuscode 200 einen erfolgreichen Vorgang an, während 404 bedeutet, dass der angeforderte Endpunkt nicht gefunden wurde.

JSON und XML: Die Sprachen der APIs

JSON (JavaScript Object Notation) und XML (Extensible Markup Language) sind zwei der am häufigsten verwendeten Formate für den Datenaustausch in APIs. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Definition, wie Daten strukturiert und übermittelt werden.

JSON:

• Einfach und effizient: JSON ist für seine einfache Syntax bekannt, die das Lesen und Schreiben von Daten erleichtert. Es verwendet eine schlüsselwertbasierte Struktur, die es einfach macht, Daten zu parsen und zu generieren.
• Flexibel: JSON ist sprachunabhängig und kann mit vielen Programmiersprachen verwendet werden. Seine Flexibilität macht es ideal für Web-Anwendungen und Dienste, die schnelle und effiziente Datenübertragung erfordern.

Beispiel:

{
„name“: „Max Mustermann“,
„alter“: 30,
„interessen“: [„Lesen“, „Wandern“, „Programmieren“]
}

XML:

• Strikte Strukturierung: XML bietet eine sehr detaillierte und strenge Struktur für Daten. Dies erleichtert die Validierung und Interpretation von Daten, insbesondere in komplexen Systemen.
• Erweiterbarkeit: XML ist erweiterbar und ermöglicht es, eigene Tags und Strukturen zu definieren, was eine hohe Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Bedürfnisse bietet.

Beispiel:

<person>
<name>Max Mustermann</name>
<alter>30</alter>
<interessen>
<interesse>Lesen</interesse>
<interesse>Wandern</interesse>
<interesse>Basteln</interesse>
</interessen>
</person>

Während JSON für seine Effizienz und Einfachheit bevorzugt wird, insbesondere in Web-basierten Anwendungen, wird XML aufgrund seiner präzisen Strukturierung und Erweiterbarkeit in komplexeren oder regulierten Umgebungen eingesetzt. Die Wahl zwischen JSON und XML hängt stark von den spezifischen Anforderungen des Projekts und der präferierten Arbeitsweise des Entwicklerteams ab.

Vor- und Nachteile gängiger API-Architekturen und Protokolle

Jede API-Architektur hat seine eigenen Vorzüge, die sie für unterschiedliche Einsatzgebiete und Anwendungen geeignet macht. Die Architektur ist allerdings nicht zu verwechseln mit dem verwendeten Protokoll: Während API-Architekturen den konzeptionellen Rahmen und die Prinzipien definieren, wie APIs entworfen und verwendet werden, legen die verwendeten Protokolle die Regeln und Standards der API-Kommunikation fest.

REST-APIs: einfach und flexibel

Vorteile

• Einfach
• Flexibel
• Skalierbar
• Caching-fähig

Einsatzbereiche

• Web-APIs und -Dienste
• Mobile und Web App Development
• Microservice-Architekturen

REST (Representational State Transfer) ist ein Architekturstil für die Gestaltung von netzwerkbasierten Anwendungen wie Web Apps oder Mobile Apps. Sie legt einen Rahmen für die Kommunikation zwischen Client und Server fest und basiert auf dem Prinzip, dass alles als Ressource betrachtet wird. Diese Ressourcen sind durch eindeutige URIs (Uniform Resource Identifiers) identifizierbar und können über das HTTP-Protokoll manipuliert werden. Eine REST-API verwendet standardisierte HTTP-Methoden wie GET, POST, PUT und DELETE, um Operationen auszuführen wie das Lesen, Erstellen, Aktualisieren oder Löschen bestimmter Ressourcen.

In der REST-Architektur ist jede Interaktion zustandslos, was bedeutet, dass jede Anfrage alle Informationen enthalten muss, die der Server benötigt, um sie zu verstehen und zu verarbeiten. Dies erhöht die Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit des Dienstes, da der Server nicht den Zustand jeder Client-Session verwalten muss.

Eine weitere Eigenschaft von REST ist die Nutzung von Hypermedia (HATEOAS: Hypermedia as the Engine of Application State), wodurch Clients dynamisch durch die verfügbaren Aktionen und Ressourcen navigieren können, indem sie Hyperlinks in den Antworten des Servers folgen. Das fördert die Entkopplung von Client und Server, da der Client keine festen Endpunkte kennen muss, sondern stattdessen die vom Server bereitgestellten Hyperlinks verwendet, um durch die Anwendung zu navigieren.

RESTful-APIs, die diesem Architekturstil folgen, sind leicht zu verstehen und einfach in der Verwendung, was ihre Popularität für die Entwicklung von Webdiensten und -anwendungen erklärt.

SOAP-APIs: sicher und zuverlässig

Vorteile

• Sicher
• Zuverlässiges und konsistentes Transaktionsmanagement
• Streng standardisiert

Einsatzbereiche

• Anwendungen und -dienste, die hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit erfordern (z.B. Banktransaktionen)
• Unternehmensanwendungen
• Legacy-Systemintegration

SOAP steht für Simple Object Access Protocol und ist ein Protokollstandard, der für den Austausch von Nachrichtendaten zwischen Netzwerkanwendungen verwendet wird. Es baut auf XML (Extensible Markup Language) auf, um Nachrichten zu strukturieren, und setzt in der Regel auf HTTP oder SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) für die Übertragung dieser Nachrichten, obwohl es auch über andere Netzwerkprotokolle operieren kann. SOAP-APIs sind besonders für den Einsatz in dezentralen IT-Umgebungen und in Kombination mit Webdiensten bekannt.

Ein wichtiges Merkmal von SOAP ist seine strenge Spezifikation und die starke Erweiterbarkeit sowie Neutralität gegenüber Transportprotokollen. So können komplexe Nachrichten sicher und durch WS-Spezifikationen (Web Services Specifications) zuverlässig übertragen werden.

SOAP definiert die Struktur von Nachrichten, sodass sie unabhängig von der verwendeten Programmiersprache einer Anwendung und dem zugrunde liegenden Transportsystem verarbeitet werden können, was die Interoperabilität zwischen Anwendungen in verschiedenen Umgebungen und mit unterschiedlichen Technologien ermöglicht.

Trotz der hohen Flexibilität wird SOAP tendenziell als schwerfälliger angesehen als z.B. REST, besonders für einfache Anwendungsfälle. Der Grund dafür liegt in der komplexen Struktur von SOAP-Nachrichten und dem Overhead, der durch das XML-Format verursacht wird. Dennoch bleibt SOAP eine beliebte Wahl für Enterprise-Level-Anwendungen, wo die Bedürfnisse nach Sicherheit und Zuverlässigkeit der Daten die Komplexität rechtfertigen.

GraphQL: moderne REST-Alternative

Vorteile

• Effiziente Datenabfragen
• Flexibel
• Selbstbeschreibend
• Starke Typisierung

Einsatzbereiche

• Web- und Mobile-Apps
• Komplexe Systeme und Microservices
• Echtzeit-Datenaktualisierungen

GraphQL ist eine von Facebook entwickelte Abfragesprache für APIs und stellt eine moderne Alternative zu traditionellen REST- und SOAP-APIs dar. GraphQL wurde ursprünglich entwickelt, um die Komplexität und Ineffizienzen bei der Datenabfrage über traditionelle REST-APIs zu überwinden. Die leistungsstarke Abfragesprache bietet eine effiziente und flexible Datenabfrage, verbessert die Entwicklerproduktivität durch ein selbstbeschreibendes Schema und bietet eine starke Typisierung.

Im Kern ermöglicht GraphQL den Clients, genau zu spezifizieren, welche Daten sie benötigen, was Über- und Unterabfragen vermeidet, die bei REST-APIs häufig vorkommen. Anstatt mehrere Endpunkte für verschiedene Datenanforderungen zu erstellen, bietet GraphQL einen einzigen Endpunkt, der flexible und effiziente Abfragen unterstützt.

Ein wesentlicher Vorteil von GraphQL ist die Fähigkeit, mit einer Anfrage mehrere Ressourcen abzufragen und zusammenzuführen, was die Anzahl der Netzwerkanfragen reduziert. Dies ist besonders nützlich in Netzwerken mit hoher Latenz oder begrenzter Bandbreite, wie mobilen Netzwerken.

GraphQL bietet auch eine starke Typisierung und ein selbstbeschreibendes Schema. Dies bedeutet, dass das API-Schema in GraphQL definiert ist, einschließlich Typen und Beziehungen zwischen Typen. Dies erleichtert die Entwicklung, da sowohl Frontend- als auch Backend-Entwickler genau verstehen können, welche Daten verfügbar sind und wie sie abgefragt werden können.

HTTP: Der Web-Standard

Vorteile

• Universell verwendbar
• Einfach und flexibel
• Zustandslos (jede Anfrage ist unabhängig)
• Erweiterbar

Einsatzbereiche

• Webseitenaufrufe
• RESTful APIs
• Datenübertragung

HTTP (Hypertext Transfer Protocol) ist das Protokoll des Internets schlechthin und dient als Grundlage für die Kommunikation zwischen Clients (zum Beispiel Webbrowsern) und Servern, weshalb auch REST-APIs über dieses Protokoll kommunizieren.

HTTP definiert eine Reihe von Methoden (wie GET, POST, PUT, DELETE), die den Typ der durchzuführenden Aktionen auf den Ressourcen angeben.

• GET um Daten abzurufen
• POST um neue Daten zu erstellen
• PUT um bestehende Daten zu aktualisieren
• DELETE um Daten zu löschen

Diese HTTP-Methoden ermöglichen es Entwicklern, standardisierte Operationen über das Internet durchzuführen, wobei HTTP als Transportmechanismus dient. Ob die API-Kommunikation erfolgreich war oder nicht, wird mithilfe von Statuscodes festgehalten (z.B. 200 OK, 404 Not Found, 500 Internal Server Error). Auch die Übermittlung von Metadaten (wie Content-Type oder Authentifizierungsinformationen) wird mittels HTTP-Header unterstützt.

RPC – Interprozesskommunikation

Vorteile

• Leistungsfähig
• Sprachunabhängig
• Streaming-fähig

• Microservices
• Echtzeitanwendungen

RPC steht für Remote Procedure Call und ist ein Kommunikationsprotokoll, das die Ausführung von Funktionen oder Vorgängen auf einem physisch entfernten System ermöglicht, als ob sie lokal auf dem aufrufenden System ausgeführt würden. Das verringert die Komplexität und erleichtert Entwicklern die Implementierung.

Bei der Verwendung von RPC definiert der Client eine Anfrage, die eine spezielle Funktion oder einen Prozess mit den erforderlichen Parametern auf dem Server ausführen soll. Diese Anfrage wird über das Netzwerk gesendet, vom Server empfangen und das Ergebnis an den Client zurückgesendet.

Für Serialisierung der Daten können verschiedene Formate verwendet verwenden, wie XML (als XML-RPC) oder JSON (als JSON-RPC), was die Interoperabilität zwischen unterschiedlichen Systemen und Programmiersprachen fördert. Es unterstützt sowohl synchrone als auch asynchrone API-Aufrufe, was bedeutet, dass der Client auf eine Antwort warten kann (synchron) oder mit anderen Aufgaben fortfahren kann, bis die Antwort eintrifft (asynchron).

RPC wird häufig in physisch verstreuten Systemen, Mikroservice-Architekturen und bei der Entwicklung von Netzwerkanwendungen wie Webdienste oder Cloud-basierte Dienste eingesetzt, wo es wichtig ist, die Komplexität der direkten Netzwerkkommunikation zu reduzieren und eine effiziente, nahtlose Interaktion zwischen den Komponenten zu ermöglichen.

Oftmals wird anstelle von RPC das von Google erweiterte Framework gRPC genutzt, das für seine hohe Leistung und niedrigen Latenzen bekannt ist und sich daher besonders für Mikroservices und hochskalierbare Anwendungen eignet. gRPC nutzt das schnellere und sicherere HTTP/2 als Transportprotokoll, das ebenfalls schnellere Serialisierungsformat Protobuf (Protocol Buffers) und beherrscht die API-Interaktionsmodelle Unary (einfache Anfrage-Antwort), Server-Streaming, Client-Streaming und bidirektionales Streaming. Während gRPC speziell für die Bedürfnisse moderner, entkoppelter Systeme und Mikroservice-Architekturen konzipiert ist, sind traditionelle RPC-Systeme etwas flexibler und für mehr Anwendungsbereiche geeignet.

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OData: offen und standardisiert

Vorteile

• Standardisierter Datenzugriff
• Flexibel bei Datenabfragen
• Selbstbeschreibende Nachrichten

Einsatzbereiche

• Datenpublikation und -austausch
• Entwicklung und Integration von Unternehmensanwendungen
• Mobile und Web App Development

OData (Open Data Protocol) ist ein offenes Protokoll, das auf der REST-Architektur basiert und für die Erstellung und Nutzung von standardisierten, interoperablen REST-APIs entworfen wurde. Es ermöglicht die einfache Veröffentlichung, Bearbeitung und Abfrage von Daten über das Internet. Das Protokoll zielt darauf ab, den Zugriff auf Datenbestände ähnlich einfach zu gestalten, wie das Web den Zugriff auf Dokumente vereinfacht. Es verwendet bekannte Webtechnologien wie HTTP, Atom Publishing Protocol (AtomPub) und JSON, um den Zugriff auf Informationen aus verschiedenen Datenquellen zu vereinheitlichen und zu standardisieren.

OData ist in der Lage komplexe Abfragen über URLs zu verarbeiten, was Operationen beinhaltet wie Filterung, Sortierung, Paginierung, Assoziationen zwischen Datensätzen und die Möglichkeit, komplexe auf die Client-Bedürfnisse zugeschnittene Abfragen zu erstellen. Entwickler können mithilfe von OData RESTful Services erstellen, die es Clients erlauben, mit Daten flexibel zu interagieren.

Durch die Standardisierung des Zugriffs auf Datenquellen verschiedener Art (wie relationalen Datenbanken, Dateisystemen, Content-Management-Systemen und traditionellen Webdiensten) erleichtert OData die Entwicklung von plattform- und geräteunabhängigen Anwendungen. Das macht es für Entwickler zu einem wertvollen Tool, datengesteuerte Anwendungen zu erstellen, die sich mit geringstem Aufwand anpassen und in verschiedene Datenquellen integrieren lassen.

WebSocket: alles über eine einzige Verbindung

Vorteile

• Echtzeitkommunikation
• Reduzierter Overhead
• Persistente Verbindung

Einsatzbereiche

• Interaktive Webanwendungen
• Live-Streaming und Echtzeit-Benachrichtigungen
• Kollaborative Plattformen

WebSocket ist ein Protokoll, das eine persistente, bidirektionale Kommunikation zwischen einem Client, wie einem Webbrowser, und einem Server über eine einzige, lang anhaltende Verbindung ermöglicht. Es wurde entwickelt, um die Einschränkungen herkömmlicher HTTP-Kommunikation zu überwinden, insbesondere in Bezug auf Echtzeitdatenübertragungen. Im Gegensatz zu HTTP, das eine Anfrage-Antwort-basierte Kommunikation verwendet und für jede neue Anfrage eine neue Verbindung öffnen muss, ermöglicht WebSocket nach dem initialen Handshake eine offene Verbindung, durch die Daten schnell und jederzeit in beide Richtungen gesendet werden können, ohne dass mehrere Anfragen gestellt oder auf Antworten gewartet werden muss.

Ein großer Vorteil von WebSocket ist die Fähigkeit, Echtzeitinformationen effizient zu übertragen, was es ideal für Anwendungen macht, die Daten in Echtzeit benötigen wie Online-Spiele, Chat-Anwendungen, Live-Sportergebnisse und Finanzmarktplattformen. Durch das Reduzieren des Overheads, der mit herkömmlichen HTTP-Anfragen verbunden ist und die Bereitstellung einer Vollduplex-Kommunikation, verbessert WebSocket die Leistung und Benutzererfahrung von interaktiven Webanwendungen erheblich.

No-Code: Schnittstellen und API-Integrationen einfach verwalten

Eine durchdachte API-Architektur ist ein wichtiges Element für die Digitalisierung von Geschäftsprozessen. Sie ermöglicht nicht nur die effiziente Integration unterschiedlichster Systeme und Technologien, sondern auch die sichere und skalierbare Verwaltung von Datenströmen. Dabei spielen die Wahl des richtigen Datenformats und die Anwendung passender Protokolle eine wichtige Rolle.

In diesem Kontext bietet Lobster_data eine umfassende Lösung, um die Herausforderungen moderner Datenintegration zu meistern. Die No-Code-Plattform Lobster_data vereinfacht sowohl die Verwaltung Ihrer APIs als auch die Integration verschiedener Systeme und Plattformen. Durch die Unterstützung aller gängigen Industriestandards und die Bereitstellung einer breiten Palette an Konnektoren für Ihr API-Management, ermöglicht Lobster_data eine nahtlose und sichere Datenübertragung, ganz egal welche Formate und Standards dafür eingesetzt werden.

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