Inhaltsverzeichnis. Taschenbuch der Informatik. Herausgegeben von Uwe Schneider ISBN: Weitere Informationen oder Bestellungen unter

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1 Inhaltsverzeichnis Taschenbuch der Informatik Herausgegeben von Uwe Schneider ISBN: Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

2 Inhaltsverzeichnis 1 Informatik Gegenstand Teilgebiete der Informatik Technische Informatik Praktische Informatik Theoretische Informatik Angewandte Informatik Allgemeine Anwendungen Spezielle Anwendungen Historische Entwicklung Erste Rechenhilfen Mechanische Rechenmaschinen Programmgesteuerte Automaten Computer Computergenerationen Informatik und Gesellschaft Die Informationsgesellschaft Ausbildung Fachverbände Normungsgremien Informationsdarstellung Information Daten, Zeichen, Maschinenwort Konzept Darstellung und Quantisierung Codierung Zahlendarstellung Stellenwertsysteme Konvertierungsverfahren Zifferndarstellung im dichten Binärcode Festkommazahlen Gleitkommazahlen Darstellung von Zeichensätzen Befehlsdarstellung Struktur von Maschinenbefehlen, Befehlssatz Befehlsformate Adressierungsarten Datenaustausch Byteordnung Datenkompression Datenaustauschformate Computer Grundbegriffe Beschreibungsniveaus Komponenten/Baugruppen

3 8 Inhaltsverzeichnis 3.2 Logische Schaltungen Verknüpfungsglieder Schaltnetze Speicherglieder Schaltwerke VON-NEUMANN-Rechnerkonzept Hauptkomponenten von Computern Arithmetisch-logische Einheit (ALU) Hauptspeicher und Cache Steuerwerk Ein-/Ausgabe Grafik-Subsystem PC-Bushierarchie Industrielle Bussysteme Alternative Rechnerkonzepte Nutzung von Parallelität Datenflussarchitekturen SIMD-Architekturen MIMD-Architekturen Multicore-Architekturen Spezialarchitekturen Echtzeitsysteme Rechnersysteme Supercomputer Mainframes Workstations PC/NC Mikrocontroller Mobile Computer (Mobile Computing) Pervasive/Ubiquitous Computing Verlustleistungsbetrachtung Externe Speicher Grundlagen, Speicherhierarchie und externe Speicher Systematisierung nach dem physikalischen Prinzip Mechanische und bedruckte Speichermedien Magnetische Speichermedien Grundprinzip Disketten Festplatten RAID-Systeme Magnetische Wechselmedien Magnetbänder Optische Speichermedien CD-Varianten Magneto-optische Speicher WORM Mikroelektronische (Massen-)Speichermedien Chipkarten mit Mikroprozessoren

4 Inhaltsverzeichnis Flash-Speicherkarten und Memory-Sticks Solid State Drive (SSD) RFID (Radio Frequency Identification) Systematisierung nach der Zugriffs- und Anwendungshierarchie Speichernetze Network Attached Storage (NAS) Storage Area Network (SAN) Periphere Geräte Zeichen- und Bildeingabe Tastaturen und Grafiktabletts Scanner und optische Markierungs- und Schriftenleser Digitale Fotoapparate und Videokameras Zeigegeräte Maus, Trackball, Touchpad, Joysticks Spezielle multimediale Eingabegeräte Touch-Screens und Lichtgriffel Optische Ausgaben Monitore CRT-Monitor Flachdisplay Großdisplays und Projektoren D-Bildschirme Elektronisches Papier Druckausgaben Allgemeines Nadeldrucker Laserdrucker Tintenstrahldrucker Thermodrucker Multifunktionsgeräte Akustische Ein- und Ausgaben Spracherkennung Erfassung von Audio-Signalen Ausgabe von Audio-Signalen Virtual Reality, Wearable Computing und Augmented Computing Begriffe Peripherie im Umfeld von VR/AR Mobile Peripherie Algorithmen und Datenstrukturen Algorithmusbegriff Darstellungsformen für Algorithmen Programmablaufplan Struktogramm Pseudocode Grundelemente der Algorithmenbeschreibung durch Pseudocode Variable, Ausdrücke und Zuweisungen Kontrollstrukturen Prozeduren und Funktionen

5 10 Inhaltsverzeichnis Komplexe Datentypen Rekursion Eigenschaften von Algorithmen Korrektheit Komplexität Grundlegende Datenstrukturen Sequenzielle Datenstrukturen Abstrakte Operationen Realisierung sequenzieller Datenstrukturen durch Felder Verkettete Liste Stapelspeicher Warteschlange Nichtsequenzielle Datenstrukturen Allgemeine Graphen 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 Funktionale Programmierung Logikprogrammierung Parallele und Echtzeitprogrammierung SIMD-Programmierung

6 Inhaltsverzeichnis MIMD-Programmierung Echtzeitprogrammierung Anwendungssprachen und Skriptsprachen Datenbankprogrammierung Betriebswirtschaftliche Programmierung Skriptsprachen Programmierung von Steuerungssystemen Software Engineering Überblick und Einordnung Vorgehensmodelle Software-Entwicklungsphasen Definition Vorgehensmodelle Plangetriebene Vorgehensmodelle Agile Modelle Auswahl und Anpassung der Vorgehensmodelle Objektorientierte Modellierung Methodische Einordnung Definitionen UML als Modellierungssprache Objektorientierte Analyse und -design Requirement Engineering Begriffsklärung und Einordnung Merkmale guter Anforderungen Arten der Anforderungsspezifikation Software-Qualitätsmanagement Begriffsklärung und Einordnung Prozessverbesserung Testen Grundlagen Testaktivitäten Methoden zur Testfallermittlung Statischer Test Konfigurations- und Änderungsmanagement Softwaremanagement Begriffsbestimmung Projekt- und Risikomanagement Produktmanagement Tool-Unterstützung Betriebssysteme Überblick und Einordnung Anforderungen und Aufgaben Klassifikation Architektur von Betriebssystemen Entwurfskriterien Hauptkomponenten Architekturmodelle Schnittstellen

7 12 Inhaltsverzeichnis 9.3 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 Speicherverwaltung Aufgaben Einfache Speicherverwaltung Verfahren bei Speichermangel Swapping Virtueller Speicher Ein-/Ausgabe-System Anforderungen und Struktur Physisches Ein-/Ausgabe-System Logisches Eingabe-/Ausgabe-System Dateiverwaltung Dateikonzept Dateiorganisation Speicherplatzzuordnung und -verwaltung Verzeichnisse Datenträger-Organisation Sicherheit und Zugriffsschutz 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 Betriebssysteme für mobile Geräte Netzwerk-Betriebssysteme Verteilte Systeme Betriebssysteme für Parallelrechner Fallstudien universeller Betriebssysteme

8 Inhaltsverzeichnis Datenkommunikation OSI-Basisreferenzmodell der ISO Hierarchische Mehrschichtenstrukturierung Dienstmodell Hauptfunktionen der OSI-Schichten Datennetze Aufbau von Datennetzen Netzstrukturen Betriebsverfahren der Datenkommunikation Belegungsstrategien der Übertragungskanäle Methoden der richtungsabhängigen Informationsübermittlung Kommunikationsarten Vermittlung in Datennetzen Synchronisationsverfahren Fehlersicherung in Datennetzen 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 Protokolle der Vermittlungsschicht Internetprotokolle Adressierung ITU-T X Datenkommunikation mit Ende-zu-Ende-Signifikanz Transmission Control Protocol TCP User Datagram Protocol UDP Internet und Intranet Einführung Entwicklung und Verwaltung Geschichte Gremien Standardisierung im Internet Technologie Netzwerktechnologie Internet-Zugang Domain Name Service DNS

9 14 Inhaltsverzeichnis Ressourcen im Internet Multipurpose Internet Mail Extension MIME Anwendungen im Internet und Intranet TELNET SSH SMTP FTP und SFTP HTTP Voice over IP (VoIP) Media Streaming im Internet Weitere Anwendungen im Internet Verteilte Anwendungen im Internet Verteilte Benutzungsschnittstellen Verteilte Datenhaltung Grid Computing und Cloud Computing E-Learning World Wide Web Technologie HTML XML-Anwendungen 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 Kommunikation über Sockets 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

10 Inhaltsverzeichnis Dreischichtige Architektur Vierschichtige Architektur Enterprise Java Beans (EJB) Arten von Enterprise Java Beans Session Beans Clients von Session Beans Entities Funktionen eines EJB-Servers Webbasierte Anwendungen mit Servlets, Java Server Pages und Java Server Faces Java Servlets Java Server Pages (JSP) Java Server Faces (JSF) AJAX Grundlegende Aspekte verteilter Systeme Zeit in verteilten Systemen Uhrensynchronisation Logische Uhren und logische Zeit Globale Zustände Gegenseitiger Ausschluss Wahl eines Anführers Nachrichtenreihenfolgen Totale Reihenfolge Kausale Reihenfolge Übereinstimmungsprobleme Transaktionen Eigenschaften Nebenläufigkeitskontrolle Verteilte Transaktionen Peer-to-Peer-Systeme Definition und Einsatzgebiete Klassifikation von Peer-to-Peer-Systemen Beispiele für Peer-to-Peer-Systeme Beispiele für unstrukturierte Systeme Beispiele für strukturierte Systeme Datenbanken Grundlagen Terminologie Merkmale eines DBMS Architektur eines Datenbanksystems Benutzerrollen in einem Datenbanksystem Datenbankentwurf Phasenmodell des Datenbankentwurfs Entity-Relationship-Modell Relationales Datenmodell Abbildung des ERM auf das Relationenmodell Entwurfstheorie für relationale Datenbanken Grundlagen relationaler Sprachen

11 16 Inhaltsverzeichnis 13.3 SQL Grundkonzepte SELECT-Anfragen Datenmanipulation (DML) Datendefinition (DDL) Kontrollanweisungen (DCL) Objektrelationale Erweiterungen Datenbankanwendungsprogrammierung Embedded SQL Aufrufschnittstellen Relationale Datenbankprogrammiersprachen Objektrelationales Mapping (ORM) Datenbanken im Web Anbindungstechniken XML und Datenbanken Datenbanken als Service Implementierungstechniken Speicher- und Zugriffssystem Datenbankpuffer Interne Dateiorganisation Zugriffsstrukturen Indexstrukturen Balancierte Mehrwegbäume Hash-Verfahren Strukturen für mehrdimensionale Daten Anfrageverarbeitung und -optimierung Phasen Kosten und Statistiken Transaktionsverwaltung Grundlagen von Transaktionen Concurrency-Control-Techniken Recovery Data Warehousing und Data Mining Data Warehouse OLAP Data Mining Fortgeschrittene Konzepte Verteilte Datenbanken Multimedia-Datenbanken Geodatenbanken Biologische Datenbanken Aktuelle Entwicklungen Datenschutz und Datensicherheit Grundbegriffe Schutzziele Angreifermodell Sicherheitsmanagement

12 Inhaltsverzeichnis Sicherheit einzelner Rechner Physische Sicherheit Zugangskontrolle und Identifikation von Menschen durch IT-Systeme Zugriffskontrolle und Rechtevergabe Schutz vor Computerviren durch geringstmögliche Privilegierung Sicherheit in verteilten Systemen Kryptographie Symmetrisches kryptographisches Konzelationssystem Asymmetrisches kryptographisches Konzelationssystem Symmetrisches kryptographisches Authentikationssystem Asymmetrisches kryptographisches Authentikationssystem Hybride Kryptosysteme Secure Sockets Layer (SSL) IPsec und IP Version 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 Computer- und Multimediarecht Einleitung Unsere Rechtsordnung im Überblick Gerichtsbarkeit Wichtige Rechtsgebiete für Informatiker Anwendungsspezifische Rechtsvorschriften Anwendungsübergreifende Rechtsvorschriften IT-Vertragsrecht Allgemeines Vertragsrecht Typische IT-Verträge Schutz des geistigen Eigentums Überblick Schutz von Computerprogrammen Entwicklung des Softwareschutzes Besondere Regelungen über den Schutz von Computerprogrammen

13 18 Inhaltsverzeichnis 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 2003 (Korb 1) Wesentliche Regelungen der Urheberrechtsnovelle 2007 (Korb 2) Datenschutz Bundesdatenschutzgesetz Telekommunikationsgesetz Telemediengesetz Sonstige bereichsspezifischen Datenschutzregelungen 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 Dialoge und Formulare Direkte Manipulation Formale Spezifikationen Usability Engineering Gebrauchstauglichkeit im Nutzungskontext Kontext- und Aufgabenszenarien Informations- und Interaktionsdesign Prototypen und Evaluation Usability-Evaluation Joy of Use Virtuelle Assistenten Agenten Avatare MCI bei Virtual Reality, Augmented Reality, Wearable Computing Barrierefreiheit (accessibility)

14 Inhaltsverzeichnis 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 Geometrische Transformationen Darstellung von geometrischen Objekten Rasterkonvertierung und Alias-Effekte Ermittlung sichtbarer Flächen Fotorealistische Darstellungen Beleuchtungsmodelle Schattierung von Polygonen Modellierung von Oberflächen Programmierung von Grafiksystemen Standardisierung der Programmierung Datenaustausch zwischen Grafiksystemen Anwendungen der Computergrafik Gebrauchsgrafiken CAD-Systeme Computeranimation Computerspiele Virtuelle Realität Bildverarbeitung Grundbegriffe Bildtransformationen für die Bildbearbeitung Skalierung im Farbbereich Rangordnungsoperatoren Faltung Diskrete Bildapproximation FOURIER-Transformation Differenzenoperatoren Geometrische Transformationen Bildverbesserung Kontrast, Helligkeit Glätten Kantenverstärkung Bildanalyse Regionenorientierte Segmentierung Kanten- und Linienextraktion

15 20 Inhaltsverzeichnis 19 Theoretische Informatik Formale Sprachen und Automaten Grundlegende Begriffe Endliche Automaten und reguläre Ausdrücke Endliche Automaten Reguläre Ausdrücke 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 Die O-Notation Die Klassen P und N P NP-Vollständigkeit NP-vollständige Probleme Logik Aussagenlogik Syntax und Semantik Äquivalenz und Normalformen Folgerung und Resolution Prädikatenlogik Syntax und Semantik Äquivalenz und Normalformen Unifikation und Resolution Wissensverarbeitung Wissensverarbeitung und Künstliche Intelligenz Heuristische Suche Zustandsraum und Suchbaum Uninformierte Suchverfahren Heuristische Suchverfahren Optimierungsprobleme Optimale Suchverfahren Der A*-Algorithmus Wissensverarbeitung mit Logik Regelsysteme Aufbau eines Regelsystems

16 Inhaltsverzeichnis Die Rückwärtsverkettung Die Vorwärtsverkettung Konfliktlösung Weitere Wissensrepräsentationsformalismen Semantische Netze Beschreibungslogiken Constraint-Netze Unvollständiges Wissen Nichtmonotone Logiken Begründungsverwaltung Unsicheres Wissen Wahrscheinlichkeiten BAYES sche Netze Fuzzy-Logik Fuzzy-Menge und Fuzzy-Logik Fuzzy Control Künstliche neuronale Netze Allgemeines Modell Das Perzeptron Aufbau des Perzeptrons Die Lernregel für das Perzeptron Mehrschicht-Perzeptron Formales Modell Lernregel (Backpropagation) Ausblick 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 Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis