1 Einführung

27

1.1 Informationstechnik, Informatik und EDV

27

1.1.1 Fachrichtungen der Informatik

28

1.1.2 Überblick über die IT-Ausbildung

29

1.2 Die Geschichte der Rechenmaschinen und Computer

36

1.2.1 Die Vorgeschichte

38

1.2.2 Die Entwicklung der elektronischen Rechner

40

1.2.3 Die Entwicklung der Programmiersprachen

49

1.3 Digitale Speicherung und Verarbeitung von Informationen

55

1.3.1 Digitale Bilddaten

57

1.3.2 Digitale Audiodaten

58

1.3.3 Digitale Speicherung von Text

59

1.4 Übungsaufgaben

59

2 Mathematische und technische Grundlagen

63

2.1 Einführung in die Logik

63

2.1.1 Aussagen

64

2.1.2 Aussageformen

65

2.1.3 Logische Verknüpfungen

65

2.1.4 Mengenoperationen

72

2.1.5 Weitere wichtige Berechnungsverfahren

76

2.2 Informationsspeicherung im Computer

78

2.2.1 Zahlensysteme

78

2.2.2 Bits und Bytes

84

2.3 Elektronische Grundlagen

89

2.3.1 Einfache Schaltungen

90

2.3.2 Zusammengesetzte Schaltungen

93

2.4 Automatentheorien und -simulationen

97

2.4.1 Algorithmen

98

2.4.2 Die Turing-Maschine

102

2.4.3 Der virtuelle Prozessor

107

2.5 Übungsaufgaben

112

2.5.1 Praktische Übungen

112

2.5.2 Kontrollfragen

113

3 Hardware

119

3.1 Grundlagen

119

3.2 Die Zentraleinheit

124

3.2.1 Aufbau und Aufgaben des Prozessors

125

3.2.2 Der Arbeitsspeicher

135

3.2.3 Das BIOS

137

3.2.4 Bus- und Anschlusssysteme

142

3.3 Die Peripherie

151

3.3.1 Massenspeicher

152

3.3.2 Eingabegeräte

166

3.3.3 Ausgabegeräte

169

3.3.4 Soundhardware

175

3.4 Übungsaufgaben

176

4 Netzwerkgrundlagen

183

4.1 Einführung

183

4.1.1 Was ist ein Netzwerk?

183

4.1.2 Entstehung der Netzwerke

185

4.2 Funktionsebenen von Netzwerken

190

4.2.1 Das OSI-Referenzmodell

191

4.2.2 Das Schichtenmodell der Internetprotokolle

193

4.2.3 Netzwerkkommunikation über die Schichten eines Schichtenmodells

196

4.3 Klassifizierung von Netzwerken

200

4.3.1 Die Reichweite des Netzwerks

200

4.3.2 Die Netzwerktopologie

201

4.3.3 Der Zentralisierungsgrad des Netzwerks

203

4.4 Netzwerkkarten, Netzwerkkabel und Netzzugangsverfahren

209

4.4.1 Die verschiedenen Ethernet-Standards

211

4.4.2 Drahtlose Netze

216

4.5 Datenfernübertragung

221

4.5.1 DSL-Dienste

222

4.5.2 Internetzugänge über Mobilfunk

224

4.6 Die TCP/IP-Protokollfamilie

225

4.6.1 Netzzugang in TCP/IP-Netzwerken

227

4.6.2 IP-Adressen, Datagramme und Routing

228

4.6.3 Transportprotokolle

254

4.6.4 Das Domain Name System (DNS)

260

4.6.5 Verschiedene Internetanwendungsprotokolle

264

4.7 Übungsaufgaben

276

5 Betriebssystemgrundlagen

289

5.1 Entwicklung der Betriebssysteme

290

5.1.1 Die Vorgeschichte

290

5.1.2 Die Geschichte von Unix

292

5.1.3 PC-Betriebssysteme

294

5.2 Aufgaben und Konzepte

298

5.2.1 Allgemeiner Aufbau von Betriebssystemen

299

5.2.2 Prozessverwaltung

306

5.2.3 Speicherverwaltung

311

5.2.4 Dateisysteme

313

5.3 Übungsaufgaben

319

6 Windows

325

6.1 Allgemeine Informationen

325

6.1.1 Die verschiedenen Windows-Versionen

325

6.1.2 Windows-Dateisysteme

330

6.2 Windows im Einsatz

331

6.2.1 Die Windows-Benutzeroberfläche

332

6.2.2 Die Windows-Konsole

339

6.2.3 Die Windows PowerShell

343

6.2.4 Windows-Konfiguration

354

6.3 Windows-Netzwerkkonfiguration

359

6.3.1 Allgemeine Einstellungen

359

6.3.2 TCP/IP-Dienstprogramme

361

6.3.3 Datei- und Druckserver unter Windows

364

6.3.4 Windows-Server

365

6.4 Übungsaufgaben

367

7 Linux

373

7.1 Arbeiten mit der Shell

375

7.1.1 Booten und Log-in

376

7.1.2 Virtuelle Terminals

379

7.1.3 Grundfunktionen der Shell

380

7.1.4 Hilfefunktionen

386

7.1.5 Pipes und Ein-/Ausgabeumleitung

389

7.1.6 Die wichtigsten Systembefehle

392

7.2 Konfigurations- und Administrationsaufgaben

406

7.2.1 Syslog und Log-Dateien

407

7.2.2 Programme automatisch starten

408

7.2.3 Software installieren

410

7.3 Automatisierung

412

7.3.1 Shell-Skripte

412

7.3.2 Weitere Hilfsmittel

416

7.4 Editoren

418

7.4.1 vi

419

7.4.2 Emacs

427

7.5 Grafische Benutzeroberflächen

433

7.5.1 Der X-Server

433

7.5.2 Desktops

435

7.6 Netzwerkkonfiguration unter Linux

439

7.6.1 Grundeinstellungen

439

7.6.2 TCP/IP-Dienstprogramme

441

7.6.3 Datei- und Druckserver unter Linux

441

7.7 Übungsaufgaben

446

7.7.1 Praktische Übungen

446

7.7.2 Kontrollfragen

446

8 macOS

451

8.1 Mit Aqua arbeiten

455

8.1.1 Die Menüleiste

457

8.1.2 Das Dock

459

8.1.3 Der Finder

460

8.1.4 Mission Control und Dashboard

462

8.2 Systemkonfiguration

464

8.2.1 Besonderheiten der Mac-Dateisysteme

465

8.3 macOS-Netzwerkkonfiguration

466

8.3.1 Serverdienste unter macOS

468

8.4 Übungsaufgaben

469

9 Grundlagen der Programmierung

473

9.1 Die Programmiersprache C

475

9.1.1 Das erste Beispiel

476

9.1.2 Elemente der Sprache C

479

9.1.3 Die C-Standardbibliothek

498

9.2 Java

504

9.2.1 Grundlegende Elemente der Sprache Java

507

9.2.2 Objektorientierte Programmierung mit Java

512

9.2.3 Weitere Java-Elemente

518

9.3 Python

530

9.3.1 Das erste Beispiel

532

9.3.2 Grundelemente von Python

533

9.3.3 Objektorientierung in Python

567

9.3.4 Die Python-Standardbibliothek

590

9.4 Übungsaufgaben

595

10 Konzepte der Programmierung

599

10.1 Algorithmen und Datenstrukturen

599

10.1.1 Ein einfaches Praxisbeispiel

599

10.1.2 Sortieralgorithmen

602

10.1.3 Suchalgorithmen

607

10.1.4 Ausgewählte Datenstrukturen

608

10.2 Reguläre Ausdrücke

625

10.2.1 Muster für reguläre Ausdrücke

627

10.2.2 Programmierung mit regulären Ausdrücken

630

10.3 Systemnahe Programmierung

643

10.3.1 Prozesse und Pipes

643

10.3.2 Threads

648

10.4 Einführung in die Netzwerkprogrammierung

652

10.4.1 Die Berkeley Socket API

652

10.4.2 Ein praktisches Beispiel

658

10.5 GUI- und Grafikprogrammierung

661

10.5.1 Zeichnungen und Grafiken erstellen

662

10.5.2 Animation

668

10.5.3 Programmierung fensterbasierter Anwendungen

672

10.6 Übungsaufgaben

686

11 Mobile Development

689

11.1 iOS-Apps mit Xcode und Swift

690

11.1.1 iOS im Schnellüberblick

690

11.1.2 Xcode und Swift

691

11.1.3 Swift-Grundlagen

693

11.2 Eine iOS-App entwickeln

699

11.2.1 Das Projekt einrichten

699

11.2.2 Die Benutzeroberfläche vorbereiten

702

11.2.3 Die Swift-Klasse für die Datenausgabe erstellen

702

11.2.4 Letzte Schritte

707

11.3 Übungsaufgaben

709

12 Software-Engineering

711

12.1 Überblick

712

12.1.1 Der Entwicklungszyklus

713

12.1.2 Planung und Analyse

714

12.1.3 Entwurf

720

12.1.4 Implementierung und Test

721

12.1.5 Dokumentation

723

12.1.6 Konkrete Entwicklungsverfahren

724

12.2 Werkzeuge

728

12.2.1 UML

728

12.2.2 Entwurfsmuster

734

12.2.3 Unit-Tests

749

12.2.4 Weitere nützliche Software

754

12.3 Übungsaufgaben

759

13 Datenbanken

763

13.1 Die verschiedenen Datenbanktypen

764

13.1.1 Einzeltabellendatenbanken

766

13.1.2 Relationale Datenbanken

767

13.1.3 Objektorientierte Datenbanken

775

13.2 MySQL - ein konkretes RDBMS

778

13.2.1 MySQL installieren und konfigurieren

779

13.2.2 Erste Schritte mit dem »mysql«-Client

782

13.3 SQL-Abfragen

783

13.3.1 Datenbanken und Tabellen erzeugen

784

13.3.2 Auswahlabfragen

788

13.3.3 Einfüge-, Lösch- und Änderungsabfragen

792

13.3.4 Transaktionen

793

13.4 MySQL-Administration

794

13.4.1 »mysqladmin«

795

13.4.2 Benutzerverwaltung

795

13.4.3 Import und Export von Daten, Backups

800

13.4.4 Konfigurationsdateien

803

13.4.5 Log-Dateien

804

13.4.6 Replikation

805

13.5 Grundlagen der Datenbankprogrammierung

807

13.6 CouchDB im Überblick

811

13.6.1 Das Konzept von CouchDB

811

13.6.2 Praktischer Einstieg in CouchDB

812

13.7 Übungsaufgaben

815

13.7.1 Praktische Übungen

815

13.7.2 Kontrollfragen

816

14 Server für Webanwendungen

821

14.1 HTTP im Überblick

821

14.1.1 Ablauf der HTTP-Kommunikation

822

14.1.2 HTTP-Statuscodes

825

14.1.3 HTTP-Header

829

14.2 Der Webserver Apache

835

14.2.1 Apache im Überblick

835

14.2.2 Apache-Module

837

14.2.3 Apache installieren

839

14.2.4 Apache-Konfiguration

842

14.3 PHP installieren und einrichten

857

14.3.1 Installation

857

14.3.2 Die PHP-Konfigurationsdatei »php.ini«

861

14.4 Virtualisierung und Container

864

14.4.1 Virtualisierungslösungen im Überblick

865

14.4.2 VirtualBox als konkretes Beispiel

866

14.4.3 Container-Virtualisierung mit Docker

869

14.5 Übungsaufgaben

873

14.5.1 Praktische Übungen

873

14.5.2 Kontrollfragen

873

15 Weitere Internet-Serverdienste

877

15.1 Namens- und Verzeichnisdienste

877

15.1.1 Der DNS-Server BIND

877

15.1.2 Der Verzeichnisdienst OpenLDAP

884

15.2 Sonstige Server

893

15.2.1 »vsftpd«, ein FTP-Server

893

15.2.2 »inetd« und »xinetd«

895

15.3 Übungsaufgaben

898

16 XML

901

16.1 Der Aufbau von XML-Dokumenten

903

16.1.1 Die grundlegenden Bestandteile von XML-Dokumenten

904

16.1.2 Wohlgeformtheit

911

16.2 DTDs und XML Schema

913

16.2.1 Document Type Definitions (DTDs)

914

16.2.2 Namensräume

925

16.2.3 XML Schema

926

16.3 XSLT

929

16.3.1 Ein einfaches Beispiel

930

16.3.2 Wichtige XSLT- und XPath-Elemente

932

16.4 Grundlagen der XML-Programmierung

935

16.4.1 SAX

937

16.4.2 DOM

945

16.4.3 Das Python-Modul »xml.etree«

947

16.5 Übungsaufgaben

950

16.5.1 Praktische Übungen

950

16.5.2 Kontrollfragen

950

17 Weitere Datei- und Datenformate

957

17.1 Textdateien und Zeichensätze

957

17.1.1 Das Problem des Zeilenumbruchs

958

17.1.2 Zeichensätze

960

17.1.3 Textbasierte Dateiformate

967

17.2 Binäre Dateiformate

969

17.2.1 Bilddateiformate

972

17.2.2 Multimedia-Dateiformate

976

17.2.3 Archivdateien verwenden

978

17.3 Übungsaufgaben

982

18 Webseitenerstellung mit HTML und CSS

987

18.1 HTML und XHTML

988

18.1.1 Die Grundstruktur von HTML-Dokumenten

989

18.1.2 Textstrukturierung und Textformatierung

991

18.1.3 Listen und Aufzählungen

999

18.1.4 Hyperlinks

1002

18.1.5 Bilder in Webseiten einbetten

1007

18.1.6 Tabellen

1011

18.1.7 Formulare

1017

18.1.8 Einbetten von Multimedia-Dateien

1025

18.1.9 Metatags und Suchmaschinen

1026

18.2 Cascading Style Sheets (CSS)

1029

18.2.1 Platzieren von Stylesheets

1030

18.2.2 Stylesheet-Wertangaben

1032

18.2.3 Stylesheet-Eigenschaften

1034

18.2.4 Layer erzeugen und positionieren

1038

18.2.5 Die wichtigsten Neuerungen in CSS3

1045

18.3 Übungsaufgaben

1049

19 Webserveranwendungen

1059

19.1 PHP

1059

19.1.1 Sprachgrundlagen

1060

19.1.2 Klassen und Objekte

1077

19.1.3 Include-Dateien, Autoloader und Namespaces

1092

19.1.4 Webspezifische Funktionen

1095

19.1.5 Zugriff auf MySQL-Datenbanken

1100

19.1.6 Unit-Tests mit PHPUnit

1112

19.1.7 PHP als Kommandozeilensprache

1121

19.2 Eine REST-API implementieren

1122

19.2.1 Die API im Überblick

1123

19.2.2 Die Grundarchitektur der API

1125

19.2.3 Der komplette Quellcode

1127

19.2.4 Die API testen

1145

19.3 Übungsaufgaben

1146

20 JavaScript und Ajax

1149

20.1 Grundlagen

1150

20.1.1 JavaScript im HTML-Dokument

1150

20.1.2 Formulare und Event-Handler

1157

20.1.3 Datums- und Uhrzeitfunktionen

1174

20.1.4 Manipulation von Bildern

1180

20.1.5 Browser- und Fensteroptionen

1182

20.2 Das Document Object Model (DOM)

1188

20.2.1 W3C-DOM im Überblick

1189

20.2.2 Eine DOM-Baum-Anzeige

1192

20.2.3 DOM-Anwendung in der Praxis

1195

20.2.4 Dokumentinhalte verändern und austauschen

1198

20.2.5 »data«-Attribute verwenden

1200

20.3 Ajax

1201

20.3.1 Die erste Ajax-Anwendung

1202

20.3.2 Datenaustauschformate: XML und JSON

1208

20.3.3 Größeres Beispiel: eine interaktive Länderliste

1209

20.4 jQuery

1219

20.4.1 jQuery im Überblick

1219

20.4.2 Ein REST-Client mit jQuery

1223

20.5 Die JavaScript-Bibliothek React.js

1233

20.5.1 Einführungsbeispiel

1234

20.5.2 Eigene React-Child-Komponenten definieren

1239

20.5.3 Einen API-Client mit React schreiben

1243

20.5.4 Der REST-Client im Detail

1248

20.6 Übungsaufgaben

1260

21 Computer- und Netzwerksicherheit

1263

21.1 PC-Gefahren

1264

21.1.1 Viren und Würmer

1264

21.1.2 Trojaner und Backdoors

1270

21.1.3 Weitere Schädlinge

1272

21.2 Netzwerk- und Serversicherheit

1277

21.2.1 Servergefahren

1277

21.2.2 Wichtige Gegenmaßnahmen

1279

21.2.3 Kryptografie

1285

21.3 Übungsaufgaben

1288

Anhang

1291

A Glossar

1291

B Zweisprachige Wortliste

1303

C Kommentiertes Literatur- und Linkverzeichnis

1309