1 Einführung

25

1.1 Informationstechnik, Informatik und EDV

25

1.1.1 Fachrichtungen der Informatik

26

1.1.2 Überblick über die IT-Ausbildung

27

1.2 Die Geschichte der Rechenmaschinen und Computer

35

1.2.1 Die Vorgeschichte

37

1.2.2 Die Entwicklung der elektronischen Rechner

39

1.2.3 Die Entwicklung der Programmiersprachen

48

1.3 Digitale Speicherung und Verarbeitung von Informationen

55

1.3.1 Digitale Bilddaten

56

1.3.2 Digitale Audiodaten

57

1.3.3 Digitale Speicherung von Text

58

1.4 Übungsaufgaben

59

2 Mathematische Grundlagen

63

2.1 Einführung in die Logik

63

2.1.1 Aussagen

64

2.1.2 Aussageformen

65

2.1.3 Logische Verknüpfungen

66

2.1.4 Mengenoperationen

75

2.1.5 Folgen und Reihen

80

2.2 Weitere mathematische Verfahren

83

2.2.1 Dreisatz

83

2.2.2 Lösen von Gleichungssystemen

83

2.2.3 Grundlagen der Stochastik

86

2.2.4 Grundlagen der linearen Algebra

93

2.2.5 Grundlagen der Analysis

100

2.3 Informationsspeicherung im Computer

105

2.3.1 Zahlensysteme

105

2.3.2 Bits und Bytes

111

2.4 Übungsaufgaben

115

2.4.1 Praktische Übungen

115

2.4.2 Kontrollfragen

117

3 Elektronische und technische Grundlagen

121

3.1 Elektronische Grundlagen

121

3.1.1 Einfache Schaltungen

122

3.1.2 Zusammengesetzte Schaltungen

125

3.2 Automatentheorien und -simulationen

129

3.2.1 Algorithmen

129

3.2.2 Die Turing-Maschine

136

3.2.3 Der virtuelle Prozessor

140

3.3 Übungsaufgaben

146

3.3.1 Praktische Übungen

146

3.3.2 Kontrollfragen

147

4 Hardware

149

4.1 Grundlagen

149

4.2 Die Zentraleinheit

153

4.2.1 Aufbau und Aufgaben des Prozessors

155

4.2.2 Der Arbeitsspeicher

165

4.2.3 Das BIOS

167

4.2.4 Bus- und Anschlusssysteme

172

4.3 Die Peripherie

181

4.3.1 Massenspeicher

182

4.3.2 Eingabegeräte

196

4.3.3 Ausgabegeräte

199

4.3.4 Soundhardware

205

4.4 Übungsaufgaben

206

5 Netzwerkgrundlagen

213

5.1 Einführung

213

5.1.1 Was ist ein Netzwerk?

213

5.1.2 Entstehung der Netzwerke

215

5.2 Funktionsebenen von Netzwerken

220

5.2.1 Das OSI-Referenzmodell

221

5.2.2 Das Schichtenmodell der Internetprotokolle

223

5.2.3 Netzwerkkommunikation über die Schichten eines Schichtenmodells

226

5.3 Klassifizierung von Netzwerken

230

5.3.1 Die Reichweite des Netzwerks

230

5.3.2 Die Netzwerktopologie

232

5.4 Netzwerkkarten, Netzwerkkabel und Netzzugangsverfahren

239

5.4.1 Die verschiedenen Ethernet-Standards

241

5.4.2 Drahtlose Netze

246

5.5 Datenfernübertragung

251

5.5.1 DSL-Dienste

252

5.5.2 Internetzugänge über Mobilfunk

253

5.6 Die TCP/IP-Protokollfamilie

254

5.6.1 Netzzugang in TCP/IP-Netzwerken

256

5.6.2 IP-Adressen, Datagramme und Routing

257

5.6.3 Transportprotokolle

284

5.6.4 Das Domain Name System (DNS)

289

5.6.5 Verschiedene Internetanwendungsprotokolle

294

5.7 Übungsaufgaben

306

6 Betriebssysteme

319

6.1 Entwicklung der Betriebssysteme

320

6.1.1 Die Vorgeschichte

320

6.1.2 Die Geschichte von Unix

322

6.1.3 PC-Betriebssysteme

324

6.2 Aufgaben und Konzepte

328

6.2.1 Allgemeiner Aufbau von Betriebssystemen

329

6.2.2 Prozessverwaltung

336

6.2.3 Speicherverwaltung

340

6.2.4 Dateisysteme

343

6.3 Windows

349

6.3.1 Allgemeine Informationen

349

6.3.2 Windows im Einsatz

355

6.3.3 Die Windows-Eingabeaufforderung

355

6.3.4 Die Windows PowerShell

358

6.3.5 Windows-Server

370

6.4 Linux und Unix

372

6.4.1 Arbeiten mit der Shell

374

6.4.2 Die wichtigsten Systembefehle

386

6.4.3 Automatisierung

394

6.4.4 Editoren

401

6.4.5 Grafische Benutzeroberflächen

407

6.5 Übungsaufgaben

409

7 Grundlagen der Programmierung

419

7.1 Python

421

7.1.1 Das erste Beispiel

423

7.1.2 Grundelemente von Python

424

7.1.3 Objektorientierung in Python

471

7.1.4 Die Python-Standardbibliothek einsetzen

500

7.2 Java

508

7.2.1 Einführungsbeispiel

510

7.2.2 Wichtige Merkmale von Java

513

7.2.3 Objektorientierte Programmierung mit Java

530

7.2.4 Weitere Java-Elemente

541

7.3 Übungsaufgaben

554

8 Algorithmen und Datenstrukturen

557

8.1 Algorithmen erarbeiten und implementieren

557

8.1.1 Einen Algorithmus planen

558

8.1.2 Den Algorithmus implementieren

561

8.1.3 Ein effizienterer GGT-Algorithmus

562

8.2 Datensammlungen sortieren

564

8.2.1 Bubblesort implementieren

565

8.2.2 Quicksort einsetzen

570

8.3 Nach Daten suchen

571

8.3.1 In Listen suchen

572

8.3.2 Nicht sequenzielle Datenstrukturen durchsuchen

574

8.4 Bäume und Graphen

593

8.4.1 Bäume verwenden

594

8.4.2 Graphen verwenden

604

8.5 Bedingungserfüllungsprobleme

616

8.5.1 Den Algorithmus für Bedingungserfüllungsprobleme implementieren

616

8.5.2 Anwendungsbeispiel: Ein Sudoku lösen

620

8.6 Übungsaufgaben

626

9 Weitere Konzepte der Programmierung

629

9.1 Reguläre Ausdrücke

629

9.1.1 Muster für reguläre Ausdrücke schreiben

631

9.1.2 Programmierung mit regulären Ausdrücken

634

9.2 Systemnahe Programmierung

647

9.2.1 Prozesse und Pipes

647

9.2.2 Threads

651

9.3 Einführung in die Netzwerkprogrammierung

654

9.3.1 Die Berkeley Socket API

655

9.3.2 Ein praktisches Beispiel

661

9.4 Externe Module und Abhängigkeiten

664

9.4.1 Externe Python-Module installieren

664

9.4.2 NumPy verwenden

665

9.4.3 Das Java-Build-Tool Maven

671

9.5 Übungsaufgaben

674

10 Datenanalyse, Machine Learning, künstliche Intelligenz

675

10.1 Einführung

676

10.1.1 Was ist künstliche Intelligenz?

676

10.1.2 Machine Learning im Überblick

679

10.2 Daten auswählen und aufbereiten

681

10.2.1 Textdaten aufbereiten

681

10.2.2 Bilddaten vorbereiten

688

10.2.3 Numerische Daten visualisieren

692

10.3 Konkrete Machine-Learning-Verfahren

699

10.3.1 Lineare Regression

700

10.3.2 Logistische Regression

705

10.3.3 K-Means-Clustering

708

10.3.4 Künstliche neuronale Netzwerke

709

10.4 Übungsaufgaben

713

11 Software-Engineering

715

11.1 Überblick

716

11.1.1 Der Entwicklungszyklus

717

11.1.2 Planung und Analyse

718

11.1.3 Entwurf

724

11.1.4 Implementierung und Test

725

11.1.5 Dokumentation

727

11.1.6 Konkrete Entwicklungsverfahren

728

11.2 Werkzeuge

731

11.2.1 UML

732

11.2.2 Entwurfsmuster

738

11.2.3 Unit-Tests

753

11.2.4 Weitere nützliche Software

759

11.3 Übungsaufgaben

765

12 Geschäftsprozessanalyse

769

12.1 Überblick

769

12.1.1 Historische Entwicklung

770

12.1.2 Geschäftsprozesse

772

12.1.3 Einteilung der Aufgabenbereiche im Prozessmanagement

773

12.2 Prozesse modellieren mit BPMN

774

12.2.1 BPMN 2.0 im Überblick

776

12.2.2 Beispiele für BPMN-Diagramme

780

12.3 Übungsaufgaben

784

13 Datenbanken

785

13.1 Die verschiedenen Datenbanktypen

786

13.1.1 Einzeltabellendatenbanken

788

13.1.2 Relationale Datenbanken

789

13.1.3 Objektorientierte Datenbanken

797

13.2 MySQL – ein konkretes RDBMS

800

13.2.1 MySQL installieren und konfigurieren

800

13.2.2 Erste Schritte mit dem »mysql«-Client

804

13.3 SQL-Abfragen

805

13.3.1 Datenbanken und Tabellen erzeugen

806

13.3.2 Auswahlabfragen

810

13.3.3 Einfüge-, Lösch- und Änderungsabfragen

814

13.3.4 Transaktionen

815

13.4 MySQL-Administration

816

13.4.1 »mysqladmin«

817

13.4.2 Zugangsverwaltung

817

13.4.3 Import und Export von Daten, Backups

823

13.4.4 Konfigurationsdateien

825

13.4.5 Log-Dateien

826

13.4.6 Replikation

828

13.5 Grundlagen der Datenbankprogrammierung

830

13.6 CouchDB im Überblick

835

13.6.1 Das Konzept von CouchDB

835

13.6.2 Praktischer Einstieg in CouchDB

836

13.7 Übungsaufgaben

839

13.7.1 Praktische Übungen

839

13.7.2 Kontrollfragen

839

14 Server für Webanwendungen

843

14.1 HTTP im Überblick

843

14.1.1 Ablauf der HTTP-Kommunikation

844

14.1.2 HTTP-Statuscodes

847

14.1.3 HTTP-Header

851

14.2 Der Webserver Apache

857

14.2.1 Apache im Überblick

857

14.2.2 Apache-Module

858

14.2.3 Apache installieren

860

14.2.4 Apache konfigurieren

863

14.2.5 Andere Webserver im Überblick

875

14.3 PHP installieren und einrichten

876

14.3.1 PHP installieren

876

14.3.2 Die PHP-Konfigurationsdatei »php.ini«

880

14.4 Virtualisierung und Container

883

14.4.1 Virtualisierungslösungen im Überblick

884

14.4.2 VirtualBox als konkretes Beispiel

885

14.4.3 Container-Virtualisierung mit Docker

888

14.4.4 Cloud Computing

892

14.5 Übungsaufgaben

893

14.5.1 Praktische Übungen

893

14.5.2 Kontrollfragen

894

15 Weitere Internet-Serverdienste

899

15.1 Namens- und Verzeichnisdienste

899

15.1.1 Der DNS-Server BIND

899

15.1.2 Der Verzeichnisdienst OpenLDAP

906

15.2 Die »Meta-Server« inetd und xinetd

915

15.2.1 »inetd«

916

15.2.2 »xinetd«

916

15.3 Übungsaufgaben

919

16 XML

923

16.1 Der Aufbau von XML-Dokumenten

925

16.1.1 Die grundlegenden Bestandteile von XML-Dokumenten

926

16.1.2 Wohlgeformtheit

933

16.2 DTDs und XML Schema

936

16.2.1 Document Type Definitions (DTDs)

936

16.2.2 Namensräume

947

16.2.3 XML Schema

949

16.3 XSLT

952

16.3.1 Ein einfaches Beispiel

954

16.3.2 Wichtige XSLT- und XPath-Elemente

956

16.4 Grundlagen der XML-Programmierung

959

16.4.1 XML-Verarbeitungsmethoden im Überblick

960

16.4.2 Das Python-Modul »xml.etree«

962

16.5 Übungsaufgaben

965

16.5.1 Praktische Übungen

965

16.5.2 Kontrollfragen

966

17 Weitere Datei- und Datenformate

971

17.1 Textdateien und Zeichensätze

971

17.1.1 Das Problem des Zeilenumbruchs

972

17.1.2 Zeichensätze

974

17.1.3 Textbasierte Dateiformate

981

17.2 Binäre Dateiformate

993

17.2.1 Datenkomprimierung

995

17.2.2 Bilddateiformate

996

17.2.3 Multimedia-Dateiformate

999

17.2.4 Archivdateien verwenden

1001

17.3 Übungsaufgaben

1005

18 Webseitenerstellung mit HTML und CSS

1009

18.1 HTML und XHTML

1010

18.1.1 Die Grundstruktur von HTML-Dokumenten

1011

18.1.2 Textstrukturierung und Textformatierung

1013

18.1.3 Listen und Aufzählungen

1021

18.1.4 Hyperlinks

1024

18.1.5 Bilder in Webseiten einbetten

1029

18.1.6 Tabellen

1033

18.1.7 Formulare

1040

18.1.8 Einbetten von Multimedia-Dateien

1048

18.1.9 Metatags und Suchmaschinen

1049

18.2 Cascading Style Sheets (CSS)

1052

18.2.1 Stylesheets platzieren

1053

18.2.2 Stylesheet-Wertangaben

1055

18.2.3 Stylesheet-Eigenschaften

1057

18.2.4 Layer erzeugen und positionieren

1061

18.2.5 Die wichtigsten Neuerungen in CSS3

1068

18.3 Übungsaufgaben

1072

19 Webserveranwendungen

1081

19.1 PHP

1081

19.1.1 Sprachgrundlagen

1082

19.1.2 Klassen und Objekte

1100

19.1.3 Include-Dateien, Autoloader und Namespaces

1118

19.1.4 Webspezifische Funktionen

1120

19.1.5 Auf MySQL-Datenbanken zugreifen

1126

19.1.6 Unit-Tests mit PHPUnit

1138

19.1.7 PHP als Kommandozeilensprache verwenden

1147

19.2 Eine REST-API implementieren

1148

19.2.1 Die API im Überblick

1149

19.2.2 Die Grundarchitektur der API

1151

19.2.3 Der komplette Quellcode

1153

19.2.4 Die API testen

1171

19.3 Übungsaufgaben

1172

20 JavaScript und Ajax

1175

20.1 Grundlagen

1176

20.1.1 JavaScript im HTML-Dokument

1176

20.1.2 Fehler suchen mit der JavaScript-Konsole

1180

20.1.3 Ausdrücke und Operationen

1180

20.1.4 Funktionen

1185

20.1.5 Objektorientiertes JavaScript

1189

20.1.6 Formulare und Event-Handler

1192

20.1.7 Datum und Uhrzeit verwenden

1204

20.1.8 Bilder manipulieren

1207

20.1.9 Browser- und Fensteroptionen

1210

20.2 Das Document Object Model (DOM)

1216

20.2.1 W3C-DOM im Überblick

1216

20.2.2 Eine DOM-Baum-Anzeige

1220

20.2.3 DOM in der Praxis anwenden

1222

20.2.4 Dokumentinhalte verändern und austauschen

1225

20.2.5 »data«-Attribute verwenden

1228

20.3 Ajax

1229

20.3.1 Die erste Ajax-Anwendung

1230

20.3.2 Datenaustauschformate: XML und JSON

1236

20.4 Die JavaScript-Bibliothek React.js

1237

20.4.1 Einführungsbeispiel

1237

20.4.2 Eigene React-Child-Komponenten definieren

1243

20.4.3 Einen API-Client mit React schreiben

1247

20.4.4 Der REST-Client im Detail

1252

20.5 Übungsaufgaben

1265

21 Computer- und Netzwerksicherheit

1267

21.1 PC-Gefahren

1268

21.1.1 Viren und Würmer

1268

21.1.2 Trojaner und Backdoors

1274

21.1.3 Weitere Schädlinge

1275

21.2 Netzwerk- und Serversicherheit

1280

21.2.1 Servergefahren

1281

21.2.2 Wichtige Gegenmaßnahmen

1283

21.2.3 Kryptografie

1289

21.3 Übungsaufgaben

1292