Leitfaden zur Web-App-Architektur: Was sie ist und welche Schlüsselkomponenten es gibt

Web-App-Architektur bezieht sich auf die Struktur der Web-App und die Zusammenarbeit verschiedener Komponenten, um Funktionen bereitzustellen. Sie bildet die Grundlage für den Betrieb und die Leistung von Web-Apps und sorgt dafür, dass diese reibungslos, effizient und sicher ausgeführt werden. Eine gut konzipierte Web-App sollte skalierbar, leicht zu warten und zu aktualisieren sowie an die Bedürfnisse Ihrer Benutzer anpassbar sein.

Egal, ob Sie gerade erst in die Entwicklung von Web-Apps einsteigen oder Ihren Prozess verfeinern möchten, dieser Leitfaden ist ein guter Ausgangspunkt.

Wir werden auch verschiedene Arten von Web-App-Architekturen anhand von Beispielen und bewährten Designverfahren untersuchen.

Was ist Web-App-Architektur?

Die Web-App-Architektur beschreibt, wie das Frontend (das, was Benutzer sehen und mit dem sie interagieren) und das Backend (alles, was hinter den Kulissen geschieht) miteinander kommunizieren, um bestimmte Funktionen auszuführen.

Wie ein Bauplan für ein Gebäude dient sie dazu, alle Komponenten zu organisieren und zu planen, um sicherzustellen, dass alle Teile nahtlos zusammenarbeiten und eine stabile und effiziente Web-App entsteht.

Was ist der Unterschied zwischen App-Architektur und Software-Design?

Sowohl die App-Architektur als auch das Software-Design sind für die Entwicklung von Web-Apps von entscheidender Bedeutung, konzentrieren sich jedoch auf unterschiedliche Aspekte des Entwicklungsprozesses.

Die App-Architektur ist die übergeordnete Struktur der gesamten Anwendung. Sie konzentriert sich darauf, wie die Komponenten des Systems interagieren, wie Daten fließen und wie verschiedene Teile der Web-App miteinander kommunizieren. Kurz gesagt, sie bildet die Grundlage für Leistung, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit.

Auf der anderen Seite befasst sich das Software-Design mit der Funktionalität einzelner Komponenten. Es definiert, wie jedes Modul bestimmte Probleme löst, und stellt sicher, dass jeder Teil effizient arbeitet und die erforderlichen Spezifikationen erfüllt.

Was macht ein App-Architekt?

Ein App-Architekt ist für die Gestaltung der Struktur einer Web-App verantwortlich. Er arbeitet mit Entwicklern, Designern und anderen Beteiligten zusammen, um die Anforderungen zu verstehen und sie in eine solide Architektur umzusetzen.

Diese Rolle umfasst Entscheidungen über Frameworks, Datenflüsse und die Sicherstellung, dass das System zukünftiges Wachstum unterstützt. App-Architekten konzentrieren sich auch auf Sicherheit, Leistung und Skalierbarkeit, um sicherzustellen, dass das Endprodukt den Anforderungen der Benutzer entspricht.

Was sind Komponenten der Web-App-Architektur?

Die Web-App-Architektur unterteilt die Struktur in verschiedene Schichten, die jeweils bestimmte Aufgaben übernehmen. Sehen wir uns die wichtigsten Komponenten an, aus denen das System besteht.

Nutzerseitig („Client Side”, Frontend)

Dies ist der Teil der Web-App, mit dem Benutzer direkt interagieren, einschließlich Elementen wie Layout, Schaltflächen und Formularen.

Wichtige Funktionen:

• Benutzeroberflächenelemente (UI) rendern
• Benutzerinteraktionen verarbeiten
• Dynamische Inhalte anzeigen, indem Daten aus dem Backend abgerufen werden

Serverseitig („Server Side”, Backend)

Diese Komponente kümmert sich um alles, was hinter den Kulissen geschieht, wie beispielsweise die Verarbeitung von Anfragen von der Client Side, die Verwaltung der Datenbank und die Durchführung der erforderlichen Vorgänge, um diese Anfragen zu erfüllen. Sie ist für die Datenspeicherung, die Sicherheit und dafür verantwortlich, dass die Benutzer die richtigen Informationen erhalten.

Wichtige Funktionen:

• Datenverarbeitung und Geschäftslogik verarbeiten
• Datenbankinteraktionen und Datenspeicherung verwalten
• Anwendungssicherheit und Authentifizierung sicherstellen

Datenbank

Die Datenbank speichert und verwaltet alle Daten für die Web-App, wie Benutzerdaten, Transaktionsaufzeichnungen und App-Inhalte. Sie kommuniziert mit der Server Side, um Daten basierend auf Benutzeranfragen bereitzustellen oder zu aktualisieren. So nutzt beispielsweise Hostinger Horizons die cloudbasierte Datenbank Supabase für seine Web-Apps.

Zu den in Web-Apps häufig verwendeten Datenbanktypen gehören relationale Datenbanken wie MySQL, die strukturierte Daten in Tabellen speichern, und NoSQL-Datenbanken wie MongoDB, die sich ideal für die Verarbeitung unstrukturierter oder halbstrukturierter Daten eignen.

Wichtige Funktionen:

• Daten speichern und organisieren, um sie leicht wiederzufinden
• Datenabfragen und Aktualisierungen unterstützen
• Datenintegrität und -sicherheit gewährleisten

Webserver

Ein Webserver verarbeitet eingehende Anfragen von den Browsern der Benutzer und liefert Webseiten oder Inhalte. Wenn ein Benutzer beispielsweise eine Web-App aufruft, ruft der Server die angeforderte Seite – bestehend aus Dateien wie HTML, CSS und JavaScript – ab und sendet sie an den Browser.

Wichtige Funktionen:

• Eingehende HTTP-Anfragen verarbeiten
• Statische Inhalte wie HTML, CSS und Bilder bereitstellen
• Dynamische Anfragen an den entsprechenden Anwendungsserver weiterleiten

Anwendungsserver

Ein Anwendungsserver verwaltet die Logik einer Web-App und stellt dynamische Inhalte bereit. Im Gegensatz zu Webservern, die in der Regel statische Inhalte verarbeiten, sind Anwendungsserver für komplexere Aufgaben wie Datenabruf, Benutzerauthentifizierung und Echtzeit-Interaktionen ausgelegt.

Wenn ein Benutzer ein Formular in einer Web-App übermittelt, verarbeitet der Anwendungsserver die Daten und antwortet mit dynamischen Inhalten, wie benutzerspezifischen Informationen oder Aktualisierungen auf Grundlage der Eingaben des Benutzers.

Wichtige Funktionen:

• Dynamische Inhalte und Geschäftslogik verarbeiten
• Mit Datenbanken und Backend-Diensten interagieren
• Serverseitige Aufgaben wie Benutzerauthentifizierung, Sitzungsverwaltung und Datenverarbeitung

API-Schicht

Die API („Application Programming Interface”)-Schicht ermöglicht die Kommunikation zwischen dem Frontend und dem Backend einer Web-App, indem sie die Interaktionsregeln für verschiedene Komponenten definiert.

APIs ermöglichen es dem Frontend, Daten vom Backend anzufordern und umgekehrt. Damit sind sie für Web-Apps, die auf Dienste von Drittanbietern oder dynamische Daten angewiesen sind, von entscheidender Bedeutung.

Wichtige Funktionen:

• Erleichterung der Kommunikation zwischen Frontend und Backend
• Daten an externe Dienste übermitteln und von diesen empfangen
• Integration mit Tools und APIs von Drittanbietern aktivieren

Lastenausgleich („Load Balancer”)

Ein Load Balancer verteilt den eingehenden Traffic auf mehrere Server, um eine Überlastung eines einzelnen Servers zu verhindern. Bei einem Anstieg des Traffics leitet er beispielsweise Anfragen an weniger ausgelastete Server weiter, wodurch die Leistung aufrechterhalten und Ausfallzeiten vermieden werden.

Wichtige Funktionen:

• Traffic gleichmäßig auf die Server verteilen
• Leistung und Betriebszeit verbessern
• Fehlertoleranz bei hohem Traffic gewährleisten

CDN („Content Delivery Network”)

Ein CDN ist ein Netzwerk von Servern, die Webinhalte basierend auf dem Standort der Nutzer bereitstellen. Durch das Zwischenspeichern von Inhalten auf Servern, die näher an den Nutzern liegen, reduzieren CDNs die Latenz und verbessern die Ladezeiten, wodurch Web-Apps schneller und effizienter werden.

Wichtige Funktionen:

• Statische Inhalte von mehreren Standorten aus zwischenspeichern und bereitstellen 
• Latenz verringern und die Ladezeiten von Seiten verbessern
• Website-Performance für globale Nutzer verbessern

Sicherheitskomponenten

Sicherheitskomponenten wie Firewalls, Verschlüsselung und Authentifizierungsmechanismen schützen Daten und gewährleisten die Systemintegrität. Um beispielsweise den Datenaustausch zwischen Benutzern und dem Server zu sichern, benötigen Web-Apps häufig ein SSL-Zertifikat.

Wichtige Funktionen:

• Daten durch Verschlüsselung und sichere Verbindungen schützen
• Unbefugten Zugriff durch Authentifizierung und Autorisierung verhindern
• Sicherheitsbedrohungen mit Überwachungstools abwehren

Überwachung und Protokollierung

Überwachung und Protokollierung helfen dabei, Probleme frühzeitig zu erkennen. Mit Überwachungstools können Sie die Leistung Ihrer Website messen, während Protokolle Aufzeichnungen von Ereignissen sind, die die Fehlerbehebung erleichtern.

Wichtige Funktionen:

• Leistung und Benutzeraktivität verfolgen
• Probleme schnell erkennen und lösen
• Einblicke für die Optimierung liefern

Was ist ein gutes Beispiel für eine App-Architektur?

Eine gute Web-App-Architektur organisiert Komponenten so, dass Leistung, Skalierbarkeit und Wartbarkeit gewährleistet sind. Das folgende Beispiel zeigt, wie die von uns besprochenen Web-App-Komponenten in einer typischen Architektur zusammenpassen:

1. Der Benutzer interagiert mit dem Frontend, wo er Daten eingibt, Inhalte anzeigt und mit der Anwendung interagiert.
2. Das Frontend kommuniziert mit der API-Schicht, die als Vermittler zwischen der Client Side und der Server Side fungiert und Anfragen für dynamische Daten sendet.
3. Der Webserver verarbeitet statische Inhalte und leitet dynamische Anfragen an den Anwendungsserver weiter.
4. Der Anwendungsserver verarbeitet die Geschäftslogik und generiert dynamische Inhalte, wobei er bei Bedarf mit der Datenbank interagiert.
5. Der Anwendungsserver kommuniziert mit der Datenbank, um Daten abzurufen oder zu speichern, die dann an die Client Side zurückgesendet werden.
6. Der Load Balancer sorgt dafür, dass der eingehende Traffic gleichmäßig auf mehrere Server verteilt wird, um die Leistung auch in Zeiten mit hohem Traffic aufrechtzuerhalten.
7. Sicherheitskomponenten wie SSL-Zertifikate, Firewalls und Authentifizierungsmechanismen schützen die Daten und gewährleisten eine sichere Kommunikation zwischen Client und Server.
8. Das CDN liefert statische Inhalte schnell, indem es Dateien auf Servern zwischenspeichert, die näher am Nutzer liegen. Dadurch werden Ladezeiten verkürzt und die Benutzererfahrung verbessert.
9. Überwachungs-Tools messen die Leistung der Anwendung, während Protokolle Aktionen und Ereignisse aufzeichnen, um bei der Behebung auftretender Probleme zu helfen.

Diagramm der modernen App-Architektur

Hier sehen Sie eine Darstellung der Funktionsweise moderner App-Architekturen und der Kommunikation ihrer Komponenten.

Eine moderne App-Architektur empfiehlt sich für Systeme, die sonst schwer zu skalieren, zu warten oder an komplexere Benutzeranforderungen anzupassen wären – insbesondere, wenn Ihre Anwendung komplex ist oder häufig aktualisiert werden muss.

Welche verschiedenen Arten von App-Architekturen gibt es?

Die Komplexität Ihrer Anwendung und ihre spezifischen Anforderungen bestimmen die passendste Architektur. Im Folgenden zeigen wir einige gängige App-Architekturmodelle mit ihren jeweiligen Besonderheiten und idealen Anwendungsfällen.

1. Monolithische Architektur

Dies ist ein traditionelles Modell, bei dem die gesamte Anwendung als eine Einheit aufgebaut ist, alle Komponenten (Benutzeroberfläche, Geschäftslogik und Datenzugriff) integriert und zusammen bereitgestellt werden. Diese Einfachheit macht die Entwicklung und Wartung monolithischer Anwendungen zunächst leichter, da weniger individuelle Teile verwaltet werden müssen.

Allerdings ist diese Architektur für komplexe Anwendungen nicht geeignet. Das Fehlen separater Komponenten erschwert die unabhängige Aktualisierung oder Skalierung einzelner Teile.

• Am besten geeignet für: kleine Anwendungen oder minimal funktionsfähige Produkte („Minimum viable products”, MVPs), die keine umfangreiche Skalierung erfordern
• Beispiele: Produktkataloge, Zahlungsabwicklungs-Apps, Checkout-Apps

2. Microservices-Architektur

In der Microservices-Architektur wird die Anwendung in kleinere, unabhängige Dienste unterteilt, von denen jeder eine bestimmte Funktion übernimmt. Beispielsweise verteilt eine Online-Banking-App Dienste wie Kontoverwaltung, Transaktionsverarbeitung und Kundensupport auf separate Microservices.

Dieser Ansatz ermöglicht es Entwicklern, einzelne Dienste zu aktualisieren oder zu skalieren, ohne die gesamte Anwendung zu beeinträchtigen. Beachten Sie jedoch, dass jeder Microservice in der Regel seine eigene Datenbank verwaltet, was zu Problemen mit der Datenintegrität führen kann, wenn das System komplexer wird.

• Am besten geeignet für: Große Apps mit unabhängigen Entwicklungsteams, die eine schnellere Bereitstellung von Funktionen erfordern
• Beispiele: Onlineshop-Webportale, Apps mit mehreren Funktionen (Suchfunktion, Content-Tagging, personalisierte Empfehlungen)

3. Serverlose Architektur

Diese Art von App-Architektur ist aufgrund ihrer Kosteneffizienz sehr beliebt. Der Cloud-Anbieter verwaltet die Server automatisch und skaliert sie je nach Bedarf, sodass Sie nur für das bezahlen, was Sie tatsächlich nutzen.

Der Nachteil ist, dass die Kontrolle und Flexibilität eingeschränkt sein können. Außerdem kann dies zu einer Abhängigkeit vom Anbieter führen, was bedeutet, dass Ihre Anwendung an die Infrastruktur und Tools eines bestimmten Cloud-Anbieters gebunden ist.

• Am besten geeignet für: Anwendungen mit unvorhersehbaren Arbeitslasten, die eine geringe Latenz erfordern
• Beispiele: Anwendungen für maschinelles Lernen, Spiele-Apps, Video-Streaming-Dienste

4. Ereignisgesteuerte Architektur

Bei dieser Architektur werden die erforderlichen Komponenten aktiviert, wenn ein Ereignis in Echtzeit eintritt. Dadurch können Systeme schnell auf Änderungen reagieren und den Benutzern zeitnah Antworten liefern – ideal für Anwendungen, die eine Echtzeitverarbeitung erfordern, wie Überwachungs- und Betrugserkennungssysteme.

Eine häufig auftretende Herausforderung ist, die Reihenfolge von Ereignissen aufrechtzuerhalten. Da Ereignisse in einer beliebigen Reihenfolge auftreten können, kann dies die Fehlerbehebung und Überwachung erschweren.

• Am besten geeignet für: Echtzeitanwendungen und Systeme, die auf Ereignisse reagieren müssen, sobald diese auftreten
• Beispiele: Chat-Apps, Aktienhandelsplattformen, Paketverfolgungssysteme

5. Mehrschichtige (n-Tier-) Architektur

In einer mehrschichtigen Architektur ist die Anwendung in Schichten unterteilt, von denen jede eine bestimmte Funktion erfüllt. Die meisten Anwendungen verwenden drei bis fünf Schichten – einige gängige sind die Präsentations-, Geschäftslogik- und Datenzugriffsschichten.

Durch die Trennung lassen sich Teile der Anwendung einfacher verwalten, aktualisieren und Fehler beheben. Außerdem können Sie jede Ebene skalieren und Code wiederverwenden, ohne die Kernfunktionalität zu beeinträchtigen.

• Am besten geeignet für: Unternehmensanwendungen, die klare Grenzen benötigen, um Komplexität und sensible Daten zu bewältigen
• Beispiele: Bankanwendungen, Onlineshop-Systeme, Unternehmensanwendungen

6. Serviceorientierte Architektur (SOA)

Dieses Modell ähnelt Microservices, umfasst jedoch in der Regel größere, komplexere Dienste. Der Schwerpunkt liegt auf der Wiederverwendbarkeit von Diensten in verschiedenen Anwendungen innerhalb eines Unternehmens.

In einem Unternehmenssystem können beispielsweise Abteilungen wie Personalwesen, Vertrieb und Finanzen über Shared Services auf gemeinsame Funktionen wie Mitarbeiterdaten oder Finanzdaten zugreifen.

• Am besten geeignet für: große, unternehmensweite Anwendungen, die die Kommunikation zwischen verschiedenen Diensten innerhalb des Unternehmens erfordern
• Beispiele: Kundenbeziehungsmanagement (CRM), „Software as a Service” (SaaS)

7. Peer-to-Peer-Architektur (P2P)

In einer Peer-to-Peer-Architektur fungiert jedes Gerät oder jeder Knoten sowohl als Client als auch als Server und teilt Ressourcen direkt mit anderen. Diese Struktur macht das System flexibler und widerstandsfähiger gegenüber Knotenausfällen und garantiert eine kontinuierliche Verfügbarkeit, selbst wenn einige Peers offline gehen.

• Am besten geeignet für: dezentrale Anwendungen, die eine direkte Kommunikation zwischen Benutzern erfordern
• Beispiele: Filesharing-Anwendungen wie BitTorrent

8. Cloud-native Architektur

Die Cloud-native Architektur wurde für Cloud-Umgebungen entwickelt und ermöglicht es Anwendungen, die Skalierbarkeit, Flexibilität und Verfügbarkeit der Cloud voll auszuschöpfen. Entwickler containerisieren Cloud-native Anwendungen und verwalten sie mit Tools wie Kubernetes.

Im Gegensatz zur serverlosen Architektur bieten Cloud-native Anwendungen Entwicklern mehr Kontrolle über ihre Infrastruktur und Skalierungsstrategien.

• Am besten geeignet für: skalierbare, verteilte Anwendungen, die Cloud-Ressourcen benötigen und von automatischer Skalierung und hoher Verfügbarkeit profitieren
• Beispiele: Plattformen zum Teilen von Bildern, Kollaborationsanwendungen

Was sind Software-Architektur-Muster?

Während App-Architektur-Modelle die Gesamtstruktur einer Anwendung definieren, bieten Software-Architektur-Muster Designlösungen für spezifische Probleme in der Softwareentwicklung. Sie befassen sich mit Themen wie Komponentenkommunikation, Datenverarbeitung und Echtzeit-Ereignisbehandlung.

Im Folgenden werden gängige Software-Architektur-Muster und ihre Funktionen vorgestellt:

• Microkernel-Architektur-Muster. Das Kernsystem bietet grundlegende Funktionen, zusätzliche Funktionen werden über Plugins hinzugefügt.

Beispiel: Ein Browser wie Google Chrome, dessen Kernfunktion das Surfen ist und der über Erweiterungen wie Werbeblocker oder Passwortmanager als Zusatzfunktionen verfügt.

• Client-Server-Architektur-Modell. Der Client fordert Daten an, der Server verarbeitet diese und gibt das Ergebnis zurück.

Beispiel: Ein Webbrowser sendet eine Anfrage an einen Webserver, um eine Webseite zu laden.

• Schicht-Architektur-Modell. Die Anwendung ist in Schichten unterteilt, von denen jede eine bestimmte Aufgabe übernimmt.

Beispiel: Eine Online-Banking-App, bei der eine Ebene die Benutzeranmeldung übernimmt, eine andere die Kontoinformationen verwaltet und eine dritte die Transaktionsdaten speichert.

• Ereignisgesteuertes Architektur-Muster. Die App reagiert auf Ereignisse, sodass verschiedene Teile zu unterschiedlichen Zeitpunkten kommunizieren und reagieren können.

Beispiel: Eine Shopping-App, bei der das Hinzufügen eines Artikels zum Warenkorb eine Aktualisierung des Gesamtpreises in Echtzeit auslöst.

• Microservices-Architektur-Muster. Die Anwendung ist in kleine, unabhängige Dienste unterteilt, von denen jeder eine bestimmte Funktion übernimmt.

Beispiel: Ein Streaming-Dienst wie Netflix, bei dem Microservices verschiedene Funktionen wie Empfehlungen, Video-Streaming und Benutzerprofile unabhängig voneinander verarbeiten.

Wie gestalte ich eine bessere Software-Architektur?

Die Wahl des richtigen Architektur-Typs und -Musters ist ein guter Ausgangspunkt für die Entwicklung einer Web-App. Außerdem ist es wichtig, bewährte Verfahren anzuwenden, um sicherzustellen, dass das System effizient läuft, sensible Daten schützt und sich leicht an zukünftige Anforderungen anpassen lässt.

Hier sind einige Tipps, die Ihnen helfen, eine bessere Software-Architektur zu entwerfen:

• Konzentrieren Sie sich von Anfang an auf Skalierbarkeit. Planen Sie eine Skalierung nach oben (mehr Leistung) und eine Skalierung in die Breite (mehr Server) ein, um zukünftiges Wachstum zu ermöglichen. Erwägen Sie, bereits früh im Designprozess Load Balancing und Datenpartitionierung zu implementieren.
• Verwenden Sie modulare Komponenten. Teilen Sie das System in unabhängige Komponenten auf, damit jeder Teil unabhängig entwickelt, bereitgestellt und skaliert werden kann. Auf diese Weise lassen sich einzelne Teile leichter ersetzen oder aktualisieren.
• Priorisieren Sie die Leistung. Optimieren Sie den Datenzugriff, minimieren Sie Abfragen und verwenden Sie Caching, um die Antwortzeiten zu beschleunigen und die Datenbankbelastung zu reduzieren.
• Planen Sie für die Sicherheit.  Implementieren Sie SSL-Verschlüsselung, sichere Datenspeicherung, starke Authentifizierungsmechanismen wie Multi-Faktor-Authentifizierung (MFA) und andere Sicherheitsmaßnahmen für Web-Apps. Richten Sie automatisierte Tests und Echtzeitüberwachung ein, um Probleme frühzeitig zu erkennen und die Systemintegrität aufrechtzuerhalten.
• Sorgen Sie für Zuverlässigkeit. Implementieren Sie Redundanz, automatisierte Backups und Failover-Strategien, um die Verfügbarkeit aufrechtzuerhalten und Datenverluste zu verhindern. Führen Sie Zustandsprüfungen durch, um das System in Echtzeit zu überwachen und schnell auf Probleme zu reagieren.
• Optimieren Sie für geringe Latenz und hohen Traffic. Effiziente Warteschlangen oder verteilte Systeme sind besonders wichtig für Anwendungen, die Echtzeitdaten verarbeiten.

Fazit

Die Entwicklung einer gut konzipierten modernen Web-App erfordert ein solides Verständnis von App-Architekturen und Software-Mustern. Für Entwickler vereinfachen diese Konzepte die zukünftige Entwicklung, da sie die Skalierung und Optimierung von Anwendungen für eine bessere Leistung erleichtern. Letztendlich führt dies zu einer nahtloseren Benutzererfahrung, die die Nutzer dazu bewegt, immer wieder zurückzukommen.

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