Taschenbuch der Informatik

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1 Uwe Schneider, Dieter Werner Taschenbuch der Informatik ISBN-10: ISBN-13: Inhaltsverzeichnis Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel

2 Inhaltsverzeichnis 1 Informatik Gegenstand Kerninformatik Theoretische Informatik Technische Informatik Praktische Informatik Entwicklung von Softwarekomponenten Systemsoftware Angewandte Informatik Allgemeine Anwendungen Spezielle Anwendungsgebiete Historische Entwicklung Erste Rechenhilfen MechanischeRechenmaschinen Programmgesteuerte Automaten Computer Computergenerationen Informatik und Gesellschaft Die Informationsgesellschaft Ausbildung Fachverbände Normungsgremien Theoretische Grundlagen Formale Sprachen und Automaten Grundlegende Begriffe Endliche Automaten und reguläre Ausdrücke Endliche Automaten ReguläreAusdrücke Kellerautomaten Formale Sprachen Grammatiken für formale Sprachen und Ableitungen Normalformen Abschluss- und Entscheidbarkeitseigenschaften von Sprachklassen Modelle der Berechenbarkeit TURING-Maschinen TURING-Berechenbarkeit Die universelle TURING-Maschine Partiell rekursive Funktionen Unentscheidbare Probleme Entscheidbarkeit und Semientscheidbarkeit Das Halteproblem Weitere unentscheidbare Probleme Komplexitätstheorie Komplexitätsklassen

3 8 Inhaltsverzeichnis Die O-Notation Die Klassen P und NP NP-Vollständigkeit NP-vollständige Probleme Logik Aussagenlogik SyntaxundSemantik Äquivalenz und Normalformen Folgerung und Resolution Prädikatenlogik SyntaxundSemantik Äquivalenz und Normalformen Unifikation und Resolution Computerinterne Informationsdarstellung Information Daten, Zeichen, Maschinenwort Zahlensysteme Stellenwertsysteme Dualsystem Oktalsystem, Hexadezimalsystem Konvertierungsverfahren Binäre Codes Dichter Code aus-n-Code Zifferndarstellung im dichten Code Darstellung alphanumerischer Zeichensätze Zahlendarstellungen Festpunktzahlen (Festkommazahlen) Gleitpunktzahlen (Gleitkommazahlen) Befehlsdarstellung Struktur von Maschinenbefehlen, Befehlssatz Befehlsformate Befehlstypen Adressen Adressendarstellung Adressierungsarten Datenkompression Überblick Statistikbasierte Kompression WörterbuchbasierteKompression Computer Grundbegriffe Beschreibungsniveaus Komponenten/Baugruppen Logische Schaltungen Verknüpfungsglieder Schaltnetze... 95

4 Inhaltsverzeichnis Speicherglieder Schaltwerke VON-NEUMANN-Rechnerkonzept Hauptkomponenten von Computern Arithmetisch-logische Einheit (ALU) Hauptspeicher und Cache Steuerwerk Ein-/Ausgabe Grafik-Subsystem PC-Bushierarchie Alternative Rechnerkonzepte Nutzung von Parallelität Datenflussarchitekturen SIMD-Architekturen MIMD-Architekturen Multicore-Architekturen Spezialarchitekturen Rechnersysteme Supercomputer Mainframes Workstations PC/NC Mikrocontroller Mobile Computer (Mobile Computing) Pervasive/UbiquitousComputing Externe Speicher Grundlagen, Speicherhierarchie und externe Speicher Systematisierung nach dem physikalischen Prinzip Mechanische und bedruckte Speichermedien Magnetische Speichermedien Grundprinzip Diskette Festplatten RAID-Systeme Magnetische Wechselmedien Magnetbänder Optische Speichermedien CD-Varianten Magneto-optischeSpeicher WORM Mikroelektronische (Massen-)Speichermedien Chipkarten mit Mikroprozessoren Flash-Speicherkarten und Memory-Sticks Solid State Disk (Halbleiterspeicher-Platten) RFID (Radio Frequency Identification) Systematisierung nach der Zugriffs- und Anwendungshierarchie...152

5 10 Inhaltsverzeichnis 5.4 Speichernetze Network Attached Storage (NAS) StorageAreaNetwork(SAN) Periphere Geräte Zeichen- und Bildeingabe TastaturenundGrafiktabletts Scanner und optische Markierungs- und Schriftenleser Digitale Fotoapparate und Videokameras Zeigegeräte Maus, Trackball, Touchpad, Joysticks Datenhandschuh Touch-ScreensundLichtgriffel Optische Ausgaben Monitore CRT-Monitor Flachdisplay Großdisplays und Projektoren D-Bildschirme Druckausgaben Allgemeines Nadeldrucker Laserdrucker Tintenstrahldrucker Thermodrucker Multifunktionsgeräte Akustische Ein- und Ausgaben Future-Trends Algorithmen und Datenstrukturen Algorithmusbegriff Darstellungsformen für Algorithmen Programmablaufplan Struktogramm Pseudocode Grundelemente der Algorithmenbeschreibung durch Pseudocode Variable, Ausdrücke und Zuweisungen Kontrollstrukturen Prozeduren und Funktionen Komplexe Datentypen Rekursion EigenschaftenvonAlgorithmen Korrektheit Komplexität Grundlegende Datenstrukturen Sequenzielle Datenstrukturen AbstrakteOperationen Realisierung sequenzieller Datenstrukturen durch Felder...182

6 Inhaltsverzeichnis Verkettete Liste Stapelspeicher Warteschlange Nichtsequenzielle Datenstrukturen AllgemeineGraphen Graphalgorithmen Bäume Suchalgorithmen und assoziativer Speicher Abstrakte Operationen Direkte Implementierung durch sequenzielle Datenstrukturen Streutabellen (Hashing) Binäre Suchbäume Sortieren auf Feldern Naive Sortierverfahren Effiziente Sortierverfahren Evolutionäre und genetische Algorithmen Programmiersprachen Grundlagen Syntax und Semantik Verarbeitung von Programmiersprachen Klassifizierung von Programmiersprachen Prozedurale Programmierung Elementare Datentypen Kontrollstrukturen Komplexe Datentypen Objektorientierte Programmierung Klassen Vererbung Schnittstellen Klassenbibliotheken Hybride objektorientierte Sprachen Nichtprozedurale Programmierung Visuelle Programmierung FunktionaleProgrammierung Logikprogrammierung Parallele und Echtzeitprogrammierung SIMD-Programmierung MIMD-Programmierung Echtzeitprogrammierung Anwendungssprachen und Skriptsprachen Datenbankprogrammierung Betriebswirtschaftliche Programmierung Skriptsprachen Softwaretechnik Überblick und Einordnung Prinzipien...221

7 12 Inhaltsverzeichnis 9.3 Software-Entwicklung Software-Entwicklungsphasen Vorgehensmodelle Überblick, Anforderungen Typen von Vorgehensmodellen Entwicklungsmethoden Überblick Strukturierte Entwicklungsmethoden Objektorientierte Entwicklungsmethoden Softwarequalitätsmanagement Begriffsklärung/Abgrenzung Analytische Qualitätssicherung (Test) Testgrundlagen Testprinzipien Testaktivitäten Methoden zur Testfallermittlung Dokumententest Softwaremetriken Konfigurationsmanagement Softwaremanagement Begriffsbestimmung, Abgrenzung Projektmanagement Produktmanagement Tool-Unterstützung Betriebssysteme Überblick und Einordnung Anforderungen und Aufgaben Klassifikation Architektur von Betriebssystemen Entwurfskriterien Hauptkomponenten Architekturmodelle Schnittstellen Prozesse Prozesskonzept Verwaltung paralleler Prozesse Prozesszustände Prozessbeschreibung Prozesswechsel Threads Koordinierung paralleler Prozesse Wechselwirkungen zwischen Prozessen Konkurrenz zwischen Prozessen Kooperation von Prozessen Betriebsmittel Klassifikation Verwaltung Verklemmungen

8 Inhaltsverzeichnis Speicherverwaltung Aufgaben Einfache Speicherverwaltung Virtueller Speicher Ein-/Ausgabe-System Anforderungen und Struktur PhysischesEin-/Ausgabe-System LogischesEingabe-/Ausgabe-System Dateiverwaltung Dateikonzept Dateiorganisation Speicherplatzzuordnung und -verwaltung Verzeichnisse Datenträger-Organisation SicherheitundZugriffsschutz Leistungsverbesserungen Systemdienste zur Dateiverwaltung Einsatz von Betriebssystemen Installation und Konfigurierung Boot-Vorgang Administration Leistungsbewertung Schutz und Sicherheit Virtualisierung von Betriebssystemumgebungen Betriebssysteme für spezielle Einsatzgebiete Echtzeitbetriebssysteme Netzwerk-Betriebssysteme Verteilte Systeme Betriebssysteme für Parallelrechner Fallstudien universeller Betriebssysteme Datenkommunikation OSI-Basisreferenzmodell der ISO Hierarchische Mehrschichtenstrukturierung Dienstmodell Hauptfunktionen der OSI-Schichten Datennetze Aufbau von Datennetzen Netzstrukturen Topologische Strukturen LogischeStrukturen Betriebsverfahren der Datenkommunikation Belegungsstrategien der Übertragungskanäle Methoden der richtungsabhängigen Informationsübermittlung Kommunikationsarten Vermittlung in Datennetzen Synchronisationsverfahren FehlersicherunginDatennetzen...325

9 14 Inhaltsverzeichnis Übertragungssteuerung in Datennetzen Weitverkehrsnetze (WAN) Datenpaketnetze Frame-Relay-Netze Diensteintegrierende digitale Netze xdsl-zugangsnetze Lokale Netze (LAN) Grundlagen Lokale Netze vom Ethernet-Typ Drahtlose lokale Netze Metropolitan Area Networks/Citynetze Datenfunknetze Vermittlung in Datennetzen Grundlagen ProtokollederVermittlungsschicht Internetprotokolle Adressierung ITU-T X Datenkommunikation mit Ende-zu-Ende-Signifikanz TransmissionControlProtocolTCP UserDatagramProtocolUDP ISO/OSI-Transportprotokolle Internet und Intranet Einführung Entwicklung und Verwaltung Geschichte Gremien StandardisierungimInternet Technologie Netzwerktechnologie Mobile Computing Domain Name Service DNS Ressourcen im Internet Multipurpose Internet Mail Extension MIME Anwendungen im Internet und Intranet TELNET SMTP FTP HTTP Voice over IP (VoIP) Weitere Anwendungen im Internet Verteilte Anwendungen im Internet Verteilte Benutzungsschnittstellen Verteilte Dateisysteme Grid Computing World Wide Web Technologie HTML...391

10 Inhaltsverzeichnis XML Suchmaschinen Web Semantic Web Sicherheit im Internet Viren, Würmer und Trojaner Andere Angriffsszenarien Abwehrszenarien Client-Server-Technologie im Internet Verteilte Systeme und Entwicklung verteilter Anwendungen Einleitung Definition und Abgrenzung Nutzung verteilter Systeme Transparenz Kommunikation in verteilten Systemen Client-Server-Kommunikation KommunikationüberSockets Kommunikation über UDP Kommunikation über TCP Nachteile der Sockets Prozedurfernaufruf (Remote Procedure Call) Methodenfernaufruf RMI CORBA Auskunfts- und Verzeichnisdienste Asynchrone Kommunikation Entwicklung verteilter Anwendungen Mehrschichtige Architekturmodelle Zweischichtige Architektur Dreischichtige Architektur Vierschichtige Architektur Enterprise Java Beans (EJB) ArtenvonEnterpriseJavaBeans Session Beans Clients von Session Beans Entities Funktionen eines EJB-Servers Webbasierte Anwendungen mit Servlets, Java Server Pages und Java Server Faces Java Servlets JavaServerPages(JSP) Java Server Faces (JSF) AJAX Grundlegende Aspekte verteilter Systeme Zeit in verteilten Systemen Uhrensynchronisation Logische Uhren und logische Zeit Globale Zustände

11 16 Inhaltsverzeichnis Gegenseitiger Ausschluss Wahl eines Anführers Nachrichtenreihenfolgen TotaleReihenfolge KausaleReihenfolge Übereinstimmungsprobleme Transaktionen Eigenschaften Nebenläufigkeitskontrolle VerteilteTransaktionen Datenbanken Grundlagen Datenbankterminologie Architektur eines Datenbank-Management-Systems Anforderungen an ein DBMS Schema-Architektur Konzeptuelles Schema und Datenmodelle Der Begriff des Datenmodells Relationales und deduktives Datenmodell Prärelationale Datenmodelle Objektdatenmodell Objektrelationales Datenmodell Semantische Datenmodelle Informationsmodellierung, logischer Datenbankentwurf Modellierung konzeptueller Schemata Informationsanalyse und Informationsstruktur Informationsmodellierung mit einem semantischen Datenmodell Logischer Entwurf: Ableitung von DB-Strukturen Relationaler Datenbankentwurf Objektdatenbankentwurf Normalisierung Funktionale Abhängigkeiten und die Normalformen 1NF und 2NF NF und BOYCE-CODD-Normalform (BCNF) Mehrwertige Abhängigkeit und 4NF Verbundabhängigkeit und 5NF Zusammenfassung und weitere Normalisierungsaspekte Datenbankentwurfs-Tuning Datenbanksprachen Überblick Sprachtypen und Benutzerprofile Integritätsanforderungen Datenmodelle und Sprachen Physischer Datenbankentwurf und Datendefinitionssprachen Umsetzung von relationalen DB-Strukturen: SQL- DDL Umsetzung von Objektstrukturen mit ODL

12 Inhaltsverzeichnis Anfrage- und Datenmanipulationssprachen Sichten Grundlagen für Anfragesprachen Relationale Anfragesprachen DerDML-TeilvonSQL DML-Erweiterungen in SQL: Anfrage und Manipulation von Objektdatenbanken Datenadministrationssprachen(DAL) Anforderungen an eine DAL Der Datenadministrationsteil von SQL Datenbankanwendungsprogrammierung AssertionundTrigger Einbettungstechniken und Embedded SQL Weitere Konzepte Die Datenbankschnittstellen ODBC und JDBC Tuning von SQL-Anwendungen Datenbanksysteme und Anwendungen Datenbanksystemarchitekturen Relationale Datenbanksysteme Objektdatenbanksysteme Prinzipien von Objektdatenbanksystemen Die ODB-Architektur der ODMG Objektrelationale Datenbanken Verfügbare Systeme Verteilte Datenbanken Terminologie und Anforderungen Kategorisierung verteilter DBMS Fragmentierungsaspekte Einsatzbereiche der Datenbanksysteme Deduktive Datenbanksysteme Aktive Datenbanksysteme Spezielle Datenbankanwendungen OLTP-Anwendungen Information-Retrieval-Systeme Geographische und räumliche Informationssysteme Implementierungstechniken Physische Organisation von Datenbanken Datenbankpuffer Interne Dateiorganisationsformen Speicherstrukturen für Relationen Speicherstrukturen für Objekt- und Multimediadatenbanken Physische Unterstützung von DB-Zugriffen Index-Strukturen Balancierte Mehrwegbäume Dynamische Hash-Organisationsformen Strukturen für mehrdimensionale Daten

13 18 Inhaltsverzeichnis Ablaufintegrität und Zuverlässigkeit DasTransaktionskonzept Recovery-Techniken Concurrency-Control-Techniken Sperrgranulate und Intentsperren Mehrbenutzersynchronisation in DDBMS mit 2PC Weitergehende Synchronisationsanforderungen Sicherheitsaspekte Neuere Datenbankanwendungen, Leistungsbewertungen BenchmarksfürDatenbanksysteme On-Line Analytical Processing (OLAP) und Data-Mining Data Warehouse- und Decision-Support-Systeme Datenschutz und Datensicherheit Grundbegriffe Schutzziele Angreifermodell Sicherheitsmanagement Sicherheit einzelner Rechner Physische Sicherheit Zugangskontrolle und Identifikation von Menschen durch IT- Systeme ZugriffskontrolleundRechtevergabe Schutz vor Computerviren durch geringstmögliche Privilegierung Sicherheit in verteilten Systemen Kryptographie Symmetrisches kryptographisches Konzelationssystem Asymmetrisches kryptographisches Konzelationssystem Symmetrisches kryptographisches Authentikationssystem Asymmetrisches kryptographisches Authentikationssystem HybrideKryptosysteme SecureSocketsLayer(SSL) IPsecundIPVersion RSA Steganographie Symmetrisches steganographisches Konzelationssystem Steganographisches Authentikationssystem Diversität als Verfügbarkeitsmaßnahme Datenschutzfreundliche Technologien Schutz des Empfängers durch Verteilung (Broadcast) Proxies Das Mix-Netz Das DC-Netz: Schutz des Senders Pseudonymität

14 Inhaltsverzeichnis Computer- und Multimediarecht Einleitung Unsere Rechtsordnung im Überblick Gerichtsbarkeit Wichtige Rechtsgebiete für Informatiker Anwendungsspezifische Rechtsvorschriften Anwendungsübergreifende Rechtsvorschriften EDV-Vertragsrecht Allgemeines Vertragsrecht Typische EDV-Verträge Schutz des geistigen Eigentums Überblick SchutzvonComputerprogrammen Entwicklung des Softwareschutzes Besondere Regelungen über den Schutz von Computerprogrammen Besondere Regelungen über den Schutz von Datensammlungen und Datenbanken Anpassung des Urheberrechts an das Internet Herausforderung des Urheberrechts durch die Digitaltechnik Wesentliche Regelungen der Urheberrechtsnovelle Ausblick: Urheberrechtsnovelle Korb Datenschutzrecht Bundesdatenschutzgesetz Bereichsspezifischer Datenschutz Multimedia- bzw. Internet-Recht Mensch-Computer-Interaktion Was ist Mensch-Computer-Interaktion Kognitive Grundlagen Wahrnehmung Behalten und Vergessen Schlussfolgerndes Denken Aufmerksamkeit, Gedächtnis, Wiedererkennen Entwurf und Spezifikation Benutzer- und Benutzungsmodelle Prinzipien und Richtlinien Benutzer- und Aufgabenprofile Informationsdarstellungen Informationseingaben Interaktionsstile Kommandos Menüs DialogeundFormulare Direkte Manipulation Formale Spezifikationen Usability Engineering Gebrauchstauglichkeit im Nutzungskontext

15 20 Inhaltsverzeichnis Kontext-undAufgabenszenarien Informations- und Interaktionsdesign Prototypen und Evaluation Virtuelle Assistenten Agenten Avatare Barrierefreiheit (accessibility) Computergrafik Computergrafik als Teilgebiet der grafischen Datenverarbeitung Datenmodelle für geometrische Objekte Darstellung von Kurven Darstellung von Flächen Fraktale Modelle Darstellung von Körpern Kantenmodell Flächenmodelle Translationskörper Zusammensetzen von Teilkörpern Algorithmen der Computergrafik GeometrischeTransformationen Darstellung von geometrischen Objekten Rasterkonvertierung und Alias-Effekte Ermittlung sichtbarer Flächen Fotorealistische Darstellungen Beleuchtungsmodelle Schattierung von Polygonen ModellierungvonOberflächen Programmierung von Grafiksystemen Standardisierung der Programmierung DatenaustauschzwischenGrafiksystemen Bildverarbeitung Grundbegriffe Bildtransformationen für die Bildbearbeitung Skalierung im Farbbereich Rangordnungsoperatoren Faltung Diskrete Bildapproximation FOURIER-Transformation Differenzenoperatoren GeometrischeTransformationen Bildverbesserung Kontrast, Helligkeit Glätten Kantenverstärkung Bildanalyse RegionenorientierteSegmentierung Kanten-undLinienextraktion...582

16 Inhaltsverzeichnis Multimedia Grundbegriffe Begriffsbildung Medientypen Verarbeitungskomponenten und Kompositionen Benutzerschnittstellen und Dialogablauf Modellierung und Dokumente Objektorientierte Modellbildung Multimediale Präsentation Multimediale Dokumente Hypertext und Hypermedia Hardware für Multimedia Datenkompression Geräteplattformen Multimediale Peripherie Vernetzte Strukturen Software für Multimedia Elektronisches Publizieren Entwicklerwerkzeuge Spezielle Editierwerkzeuge Autorensysteme Content-Management-Systeme Präsentationssysteme Runtime-Systeme Media-Viewer, Browser, Reader und Plugins Digitales Fernsehen Elektronisches Kommunizieren Mail-Systeme, News-Systeme, Chat-Systeme Ton-/Video-Konferenzen und Application Sharing Wissensverarbeitung Wissensverarbeitung und Künstliche Intelligenz Heuristische Suche ZustandsraumundSuchbaum UninformierteSuchverfahren Heuristische Suchverfahren Optimierungsprobleme OptimaleSuchverfahren DerA*-Algorithmus Wissensverarbeitung mit Logik Regelsysteme Aufbau eines Regelsystems Die Rückwärtsverkettung Die Vorwärtsverkettung Konfliktlösung Weitere Wissensrepräsentationsformalismen Semantische Netze Frames Constraint-Netze

17 22 Inhaltsverzeichnis 21.6 Unvollständiges Wissen Nichtmonotone Logiken Begründungsverwaltung Unsicheres Wissen Wahrscheinlichkeiten BAYES sche Netze Fuzzy-Logik Fuzzy-MengeundFuzzy-Logik Fuzzy Control Künstliche neuronale Netze Allgemeines Modell DasPerzeptron AufbaudesPerzeptrons Die Lernregel für das Perzeptron Mehrschicht-Perzeptron Formales Modell Lernregel (Backpropagation) Ausblick Steuerungssysteme Steuerungssteme und Prozesse Grundstrukturen Ein- und Ausgabe über Sensoren und Aktoren Eigenschaften dynamischer Systeme AllgemeineSystemeigenschaften Zeitkontinuierliche Systemtypen und ihre Softwaremodelle Informationsverarbeitung in Steuerungssystemen Primäraufbereitung digitaler Signale Steuerung, Stabilisierung und Regelung Implementation von Steuerungssystemen Hardware-undSystembasis Echtzeitverhalten Anwendersoftware und Entwicklungswerkzeuge Softwarearchitekturen für vernetzte Systeme Standardanwendungen Anwendungstypen und Einsatzbereiche Entwicklung/Tendenzen Desktops und Standardsoftware Lizenzmodelle Textverarbeitung Grundfunktionen Dokumentstruktur Erweiterter Funktionsbereich Layout-Funktionen und Vorlagen Sonstige Erweiterungen Tabellenkalkulation Anwendungsbereiche Grundoperationen

18 Inhaltsverzeichnis Formeln und Funktionen Zellenformate Tabellengestaltung Erweiterter Funktionsbereich Diagrammerstellung Grafik und Präsentation Typisierung Präsentationsprogramme Datenaustausch und Automatisierung Zwischenablage Import- und Exportfilter Datenbankanbindung Automatisierung Makro-Programmierung Dateiformate Standardformate XML Betriebliche Informationssysteme Innerbetriebliche Informationssysteme Aufgabenbereiche Teilsysteme betrieblicher Informationsverarbeitung Spezielle Branchensysteme Integration von Informationssystemen Beispiele Zwischenbetriebliche Informationssysteme Ansatz, Ziele und Risiken Electronic Data Interchange (EDI) Supply Chain Management Electronic Business Begriffe und technologische Grundlagen Anwendungen im B2C Anwendungen im B2B Management betrieblicher Informationssysteme Informationsmanagement Projektmanagement Abkürzungsverzeichnis Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis