IT- und Medientechnik

Transkript

1 Vorlesung 5: Wintersemester 2017/2018 h_da, Lehrbeauftragter

2 Teil 1: Themenübersicht der Vorlesung Hard- und Software Quellcode und Entwicklerdokumentation Geschichte, Netzwerk-Strukturen Protokolle und Technologien, Standards, Cloud Techniken der Datenübertragung Programmiersprachen, Dokumentation Phasen der Softwareentwicklung, Software-Entwicklungsmethoden Netzwerke und Internet Hardware: CPU, Speicher, Bus, I/O,... Software: System-, Unterstützungs-, Anwendungssoftware Sockets, LAN vs. WAN, VPN Digitalisierung von Inhalten und elektronische Übertragung Dateiformate, Kompression, Backups 5-2

3 Sockets damit Programme auf einem Computer Daten versenden oder empfangen können, stellen Betriebssysteme Sockets zur Verfügung ein Socket ermöglicht es einem Programm, Daten auszutauschen, ohne dass das Programm selbst genau das Datenaustauschformat (das Datenkommunikations-Protokoll) verstehen muss, weil das Betriebssystem diese Arbeit übernimmt wenn ein Computer A Daten mit einem anderen Computer B austauscht, dann wird eine Verbindung zwischen einem Socket auf Computer A mit einem Socket auf Computer B hergestellt einfach betrachtet, ist ein Socket eine Verbindung von einem Computer auf einem Port zu einem anderen Computer auf einem Port Laptop Port Port 80 Web-Server Der Befehl netstat gibt auf der Web-Server-Seite folgendes aus: tcp : : ESTABLISHED

4 LAN vs. WAN LAN = Local Area Network lokales Netzwerk z.b. in einer Firma, einer Hochschule,... Computer in lokalen Netzwerken haben typischerweise nur interne IPNummern, die nicht eindeutig im Internet sind, sondern nur innerhalb des lokalen Netzwerks ein oder mehrere Hubs (Verteilerknoten) werden eingesetzt, um die Computer in einem LAN zu verbinden WAN = Wide Area Network ein Netzwerk, dass sich über ein großen geografischen Bereich erstreckt z.b. die Netzwerke der Internetanbieter sind als WAN zu verstehen LANs sind meistens über Gateways mit WANs verbunden, um Daten zwischen verschiedenen LANs austauschen zu können 5-4

5 VPN Virtual Private Network verbindet einen Computer außerhalb eines privaten Netzwerks mit diesem privaten Netzwerk, so dass der Computer die Daten so senden und empfangen kann, als wäre er direkt in dem privaten Netzwerk z.b. einen Computer von zuhause über das Internet mit dem Intranet einer Firma oder Hochschule verbinden es wird ein sogenannter Tunnel zwischen dem Computer und dem VPNGateway zu dem privaten Netzwerk aufgebaut, der die Daten zwischen dem Computer und dem privaten Netzwerk so überträgt, als wäre der Computer in dem privaten Netzwerk selbst Internet A VPN-Tunnel Intranet VPNGateway 5-5

6 Daten und Dateien Daten letztendlich sind Daten eine Reihenfolge von 0 und 1, die einen entsprechenden Inhalt darstellen grob wird unterschieden zwischen: Binärdaten: die Reihenfolge von 0 und 1 hat eine spezielle Semantik für einen speziellen Anwendungsfall Textdaten: die Reihenfolge von 0 und 1 stellt Zeichen dar, die anwendungsunabhängig dargestellt werden können, aber die Zeichen haben normalerweise auch eine spezielle Semantik für einen speziellen Anwendungsfall Dateien Daten werden in Container zusammengefasst, damit sie einfacher gespeichert und geladen werden können - diese werden als Dateien bezeichnet oft gibt die Endung einer Datei an, von welchem Typ die Daten sind z.b. mp3, doc, xls, txt, html, png 5-6

7 Dateisysteme damit Dateien in einem Speicher abgelegt und von dort wieder gelesen werden können, muss der Speicher eine spezielle Struktur haben, um die Dateien zu adressieren (z.b. über den Namen) eine solche Speicher-Struktur für Dateien wird als Dateisystem bezeichnet es gibt viele verschiedene Dateisysteme, die für spezielle Anwendungen optimiert sind (z.b. für sehr große Dateien, für schnelles Lesen, für schnelles Schreiben, für wenig Speicherverbrauch, ) gängige Dateisysteme: NTFS New Technology File System (gängig auf Windows) ext4 fourth extended file sytem (gängig auf Linux) HFS+ - Hierarchical File System Plus (gängig auf Mac) FAT File Allocation Table (kompatibel zu vielen Betriebssystemen) 5-7

8 Medienformate für spezielle Typen von Daten gibt es verschiedene Medienformate hier sind einige beispielhaft aufgeführt: Video MPEG Motion Picture Experts Group (*.mpg, *.mpeg) AVI Audio Video Interleave (*.avi) WMV Windows Media Video (*.wmv) Audio MP3 MPEG Audio Layer 3 (*.mp3) WAVE (*.wav) Textverarbeitung Word Document (*.doc) OpenDocument-Text (*.odt) 5-8

9 Medienformate im Internet Media-Types verwaltet von der IANA: unterteilt in 9 Kategorien: application, audio, example, image, message, model, multipart, text, video wird im HTTP-Header, Mail-Header etc. mitgeschickt, damit das verarbeitende Programm (z.b. der Webbrowser) mitgeteilt bekommt, was für Daten geschickt werden Syntax: Kategorie/Typ Beispiele PNG-Grafiken: image/png HTML-Seiten: text/html 5-9

10 Speicherformate Daten sind immer nur Nummern, die aber je nach Anwendung eine spezielle Semantik haben für Textdaten werden Zeichencodes gespeichert, bei denen jeder Code einem Zeichen zugeordnet ist z.b. ASCII-Zeichensatz für Bild- und Video-Daten werden für Pixel (Bildpunkte) oder andere Objekte in einem Bild die Farbwerte gespeichert z.b. RGB für Bilder, die am Bildschirm angezeigt werden z.b. CMYK für Bilder, die gedruckt werden 5-10

11 druckbare Zeichen im ASCII-Zeichensatz 5-11

12 RGB-Farbwerte Farbe wird aus 3 Farbwerten gemischt, wobei jeder Wert die Lichthelligkeit der Farbe angibt R = rot G = grün B = blau normalerweise Werte von 0 bis 255 (1 Byte) pro Farbe (0,0,0) = (255,0,0) = (0,0,255) = (255,255,0) = 5-12

13 RGB-Farbwerte Farbe wird aus 3 Farbwerten gemischt, wobei jeder Wert die Lichthelligkeit der Farbe angibt R = rot G = grün B = blau normalerweise Werte von 0 bis 255 (1 Byte) pro Farbe (0,0,0) = Hexadezimal = (0,0,0) (255,0,0) = Hexadezimal = (FF,0,0) (0,0,255) = Hexadezimal = (0,0,FF) (255,255,0) = Hexadezimal = (FF,FF,0) 5-13

14 RGB-Farbwerte Farbe wird aus 3 Farbwerten gemischt, wobei jeder Wert die Lichthelligkeit der Farbe angibt R = rot G = grün B = blau normalerweise Werte von 0 bis 255 (1 Byte) pro Farbe (0,0,0) = Hexadezimal = (0,0,0) # (255,0,0) = Hexadezimal = (FF,0,0) #FF0000 (0,0,255) = Hexadezimal = (0,0,FF) #0000FF (255,255,0) = Hexadezimal = (FF,FF,0) #FFFF

15 Verschiedene Grafikformate es gibt verschiedene Grafikformate, weil: unterschiedliche Bildtypen sich mit unterschiedlichen Verfahren optimal speichern lassen für unterschiedliche Zwecke auch unterschiedliche Informationen in den Grafik-Dateien gespeichert werden müssen Bildtypen Fotos Grafiken mit großen einheitlichen Flächen Grafiken mit viel Text Vektorgrafiken Zwecke betrachten auf dem Monitor drucken Weiterbearbeitung im Grafikprogramm 5-15

16 BMP, PNG, JPEG Grafikformate BMP - Bitmap jeder Pixel wird einzeln abgespeichert verlustfreies Format PNG Portable Network Graphics Flächen gleicher Farben werden zusammengefasst verlustfreies Format gut für einfache Bilder JPEG Joint Photographic Experts Group Flächen ähnlicher Farben werden zusammengefasst verlustbehaftetes Format gut für komplexe Bilder z.b. Fotos 5-16

17 BMP, PNG, JPEG Grafikformate - Größenunterschiede BMP PNG JPEG 1407 kb 8 kb 29 kb 1407 kb 1017 kb 429 kb einfaches Bild 800 x 600 Pixel Foto 800 x 600 Pixel 5-17

18 Kompression was ist Kompression? wieso Kompression? Datengröße verkleinern, so dass die Daten wieder zurück in den Originalzustand oder einem äquivalenten Zustand gebracht werden können Verkleinern: Kompression Zurückkonvertieren in Original: Dekompression Platz auf Speichermedien sparen Datenübertragung beschleunigen, weil weniger Daten übertragen werden müssen z.b. im Internet oder Mobilfunknetz z.b. beim Lesen von oder Speichern auf Festplatte Einige Daten, z.b. reine Textdaten, lassen sich sehr gut verkleinern andere Daten, z.b. viele Bild- und Audioformate, lassen sich kaum oder nur wenig verkleinern, weil sie oft schon in ihrem Speicherformat eine Kompression enthalten haben. 5-18

19 Kompressionsverfahren verlustfrei der Originalzustand kann 100% wieder hergestellt werden Musterersetzung wiederholende Muster suchen und durch kürzere ersetzen Entropie-Codes Huffman-Code arithmetische Codierung dynamische Codebuch-Kodierung verlustbehaftet ja nach Datentyp, muss nicht unbedingt der Originalzustand wieder hergestellt werden, sondern reichen Daten, die die gleichen Eigenschaften haben (also z.b. ein Bild, welches gleich aussieht, oder eine XML-Datei, die semantisch äquivalent ist) bei verlustbehafteter Kompression, kann oft auch die Qualität eingestellt werden 5-19

20 Gängige allgemeine Kompressionsprogramme allgemein = können für beliebige Daten benutzt werden ZIP (*.zip) gängigstes Format Quasi-Standard auf Windows kommerzielles Programm: 7ZIP (*.7z) kostenloses Open-Source-Programm: gzip / Gnu ZIP (*.gz) offene Kompressions-Architektur, die eine Vielzahl an Kompressionsverfahren unterstützt Standard auf Linux-Systemen eigentlich automatisch dabei gzip2 (*.bz) höhere Kompressionsrate als GZIP, aber auch langsamer 5-20

21 Anwendungsbereiche für Kompression eigentlich überall wo Daten gespeichert oder übertragen werden, kann eine Kompression eingesetzt werden insbesondere wenn größere Datenmengen gespeichert werden, wird Kompression häufig eingesetzt wenn langsame Datenübertragungskanäle genutzt werden (z.b. Mobilfunknetz) wenn kleinere Speichermedien eingesetzt werden (z.b. Software-Installation von CD/DVD) 5-21

22 Spezielle Kompression Bilder größere Farbflächen zusammenfassen ähnliche Farben zusammenfassen Transformationen z.b. JPEG Audio Frequenzbereiche rausschneiden, die für das menschliche Ohr nicht oder kaum wahrnehmbar sind mathematische Funktionen z.b. MP3 Video (Bildsequenzen+Audio) Kombination aus den Kompressionsverfahren für Bilder und Audio 5-22