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

37

1.2.1 Die Vorgeschichte

39

1.2.2 Die Entwicklung der elektronischen Rechner

41

1.2.3 Die Entwicklung der Programmiersprachen

50

1.3 Digitale Speicherung und Verarbeitung von Informationen

57

1.3.1 Digitale Bilddaten

58

1.3.2 Digitale Audiodaten

59

1.3.3 Digitale Speicherung von Text

60

1.4 Übungsaufgaben

61

2 Mathematische Grundlagen

65

2.1 Einführung in die Logik

65

2.1.1 Aussagen

66

2.1.2 Aussageformen

67

2.1.3 Logische Verknüpfungen

67

2.2 Mengenlehre und diskrete Mathematik

78

2.2.1 Mengenoperationen

78

2.2.2 Abbildungen

84

2.2.3 Folgen und Reihen

88

2.2.4 Beweise

90

2.3 Mathematische Verfahren im Alltag

93

2.3.1 Dreisatz

93

2.3.2 Lösen von Gleichungen und Gleichungssystemen

94

2.4 Grundlagen der Stochastik

97

2.4.1 Wahrscheinlichkeitsrechnung

97

2.4.2 Statistik

100

2.5 Grundlagen der linearen Algebra

104

2.5.1 Vektoren

106

2.5.2 Matrizen

110

2.6 Grundlagen der Analysis

118

2.6.1 Arten von Funktionen

119

2.6.2 Nullstellen und Ableitungen

121

2.7 Informationsspeicherung im Computer

123

2.7.1 Zahlensysteme

124

2.7.2 Bits und Bytes

129

2.8 Übungsaufgaben

134

2.8.1 Praktische Übungen

134

2.8.2 Kontrollfragen

136

3 Elektronische und technische Grundlagen

141

3.1 Elektronische Grundlagen

141

3.1.1 Einfache Schaltungen

142

3.1.2 Zusammengesetzte Schaltungen

145

3.2 Automatentheorien und -simulationen

149

3.2.1 Algorithmen

149

3.2.2 Die Turingmaschine

157

3.2.3 Der virtuelle Prozessor

162

3.3 Übungsaufgaben

168

3.3.1 Praktische Übungen

168

3.3.2 Kontrollfragen

168

4 Hardware

171

4.1 Grundlagen

171

4.2 Die Zentraleinheit

175

4.2.1 Aufbau und Aufgaben des Prozessors

177

4.2.2 Der Arbeitsspeicher

187

4.2.3 Das BIOS

189

4.2.4 Bus- und Anschlusssysteme

193

4.3 Die Peripherie

203

4.3.1 Massenspeicher

204

4.3.2 Eingabegeräte

218

4.3.3 Ausgabegeräte

221

4.3.4 Soundhardware

227

4.4 Übungsaufgaben

228

5 Netzwerkgrundlagen

235

5.1 Einführung

235

5.1.1 Was ist ein Netzwerk?

235

5.1.2 Entstehung der Netzwerke

237

5.2 Funktionsebenen von Netzwerken

243

5.2.1 Das OSI-Referenzmodell

243

5.2.2 Das Schichtenmodell der Internetprotokolle

246

5.2.3 Netzwerkkommunikation über die Schichten eines Schichtenmodells

248

5.3 Klassifizierung von Netzwerken

252

5.3.1 Die Reichweite des Netzwerks

252

5.3.2 Die Netzwerktopologie

254

5.3.3 Der Zentralisierungsgrad des Netzwerks

255

5.4 Netzwerkkarten, Netzwerkkabel und Netzzugangsverfahren

261

5.4.1 Die verschiedenen Ethernet-Standards

262

5.4.2 Drahtlose Netze

267

5.5 Datenfernübertragung

271

5.5.1 DSL-Dienste

273

5.5.2 Internetzugänge über Mobilfunk

274

5.6 Die TCP/IP-Protokollfamilie

275

5.6.1 Netzzugang in TCP/IP-Netzwerken

277

5.6.2 IP-Adressen, Datagramme und Routing

278

5.6.3 Transportprotokolle

305

5.6.4 Das Domain Name System (DNS)

311

5.6.5 Verschiedene Internetanwendungsprotokolle

315

5.7 Übungsaufgaben

327

6 Betriebssysteme

341

6.1 Entwicklung der Betriebssysteme

342

6.1.1 Die Vorgeschichte

342

6.1.2 Die Geschichte von Unix

344

6.1.3 PC-Betriebssysteme

346

6.2 Aufgaben und Konzepte

350

6.2.1 Allgemeiner Aufbau von Betriebssystemen

351

6.2.2 Prozessverwaltung

358

6.2.3 Speicherverwaltung

363

6.2.4 Dateisysteme

365

6.3 Windows

371

6.3.1 Allgemeine Informationen

371

6.3.2 Windows im Einsatz

378

6.3.3 Die Windows-Eingabeaufforderung

378

6.3.4 Die Windows PowerShell

381

6.3.5 Windows-Server

392

6.4 Linux und Unix

394

6.4.1 Arbeiten mit der Shell

396

6.4.2 Die wichtigsten Systembefehle

408

6.4.3 Automatisierung

417

6.5 Übungsaufgaben

424

7 Grundlagen der Programmierung

433

7.1 Python

435

7.1.1 Das erste Beispiel

437

7.1.2 Grundelemente von Python

438

7.1.3 Objektorientierung in Python

486

7.1.4 Die Python-Standardbibliothek einsetzen

516

7.2 Java

524

7.2.1 Einführungsbeispiel

525

7.2.2 Wichtige Merkmale von Java

528

7.2.3 Objektorientierte Programmierung mit Java

545

7.2.4 Weitere Java-Elemente

556

7.3 Übungsaufgaben

569

8 Algorithmen und Datenstrukturen

573

8.1 Algorithmen erarbeiten und implementieren

574

8.1.1 Einen Algorithmus planen

574

8.1.2 Den Algorithmus implementieren

577

8.1.3 Ein effizienterer GGT-Algorithmus

579

8.2 Datensammlungen sortieren

581

8.2.1 Bubblesort implementieren

581

8.2.2 Quicksort einsetzen

586

8.3 Nach Daten suchen

588

8.3.1 In Listen suchen

588

8.3.2 Nicht sequenzielle Datenstrukturen durchsuchen

590

8.4 Bäume und Graphen

610

8.4.1 Bäume verwenden

610

8.4.2 Graphen verwenden

621

8.5 Bedingungserfüllungsprobleme

632

8.5.1 Den Algorithmus für Bedingungserfüllungsprobleme implementieren

633

8.5.2 Anwendungsbeispiel: Ein Sudoku lösen

636

8.6 Übungsaufgaben

643

9 Weitere Konzepte der Programmierung

645

9.1 Reguläre Ausdrücke

645

9.1.1 Muster für reguläre Ausdrücke schreiben

647

9.1.2 Programmierung mit regulären Ausdrücken

650

9.2 Systemnahe Programmierung

663

9.2.1 Prozesse und Pipes

663

9.2.2 Threads

667

9.3 Einführung in die Netzwerkprogrammierung

671

9.3.1 Die Berkeley Socket API

671

9.3.2 Ein praktisches Beispiel

677

9.4 Externe Module und Abhängigkeiten

680

9.4.1 Externe Python-Module installieren

680

9.4.2 NumPy verwenden

681

9.4.3 Das Java-Build-Tool Maven

687

9.5 Übungsaufgaben

690

10 Datenanalyse, Machine Learning, künstliche Intelligenz

693

10.1 Einführung

694

10.1.1 Was ist künstliche Intelligenz?

694

10.1.2 Machine Learning im Überblick

698

10.2 Daten auswählen und aufbereiten

699

10.2.1 Textdaten aufbereiten

700

10.2.2 Bilddaten vorbereiten

705

10.2.3 Numerische Daten visualisieren

708

10.3 Konkrete Machine-Learning-Verfahren

716

10.3.1 Lineare Regression

717

10.3.2 Logistische Regression

723

10.3.3 K-Means-Clustering

725

10.3.4 Künstliche neuronale Netzwerke

727

10.4 Übungsaufgaben

730

11 Software-Engineering

733

11.1 Überblick

734

11.1.1 Der Entwicklungszyklus

735

11.1.2 Planung und Analyse

736

11.1.3 Entwurf

742

11.1.4 Implementierung und Test

743

11.1.5 Dokumentation

745

11.1.6 Konkrete Entwicklungsverfahren

746

11.2 Werkzeuge

750

11.2.1 UML

750

11.2.2 Entwurfsmuster

757

11.2.3 Unit-Tests

772

11.2.4 Weitere nützliche Software

779

11.3 Übungsaufgaben

784

12 Geschäftsprozessanalyse

787

12.1 Überblick

787

12.1.1 Historische Entwicklung

788

12.1.2 Geschäftsprozesse

790

12.1.3 Einteilung der Aufgabenbereiche im Prozessmanagement

791

12.2 Prozesse modellieren mit BPMN

793

12.2.1 BPMN 2.0 im Überblick

794

12.2.2 Beispiele für BPMN-Diagramme

798

12.3 Übungsaufgaben

803

13 Datenbanken

805

13.1 Die verschiedenen Datenbanktypen

806

13.1.1 Einzeltabellendatenbanken

808

13.1.2 Relationale Datenbanken

809

13.1.3 Objektorientierte Datenbanken

817

13.2 MySQL - ein konkretes RDBMS

820

13.2.1 MySQL installieren und konfigurieren

821

13.2.2 Erste Schritte mit dem »mysql«-Client

824

13.3 SQL-Abfragen

825

13.3.1 Datenbanken und Tabellen erzeugen

826

13.3.2 Auswahlabfragen

831

13.3.3 Einfüge-, Lösch- und Änderungsabfragen

835

13.3.4 Transaktionen

837

13.4 MySQL-Administration

838

13.4.1 »mysqladmin«

838

13.4.2 Zugangsverwaltung

839

13.4.3 Import und Export von Daten, Backups

844

13.4.4 Konfigurationsdateien

847

13.4.5 Log-Dateien

848

13.4.6 Replikation

849

13.5 Grundlagen der Datenbankprogrammierung

851

13.6 CouchDB im Überblick

856

13.6.1 Das Konzept von CouchDB

857

13.6.2 Praktischer Einstieg in CouchDB

857

13.7 Übungsaufgaben

860

13.7.1 Praktische Übungen

860

13.7.2 Kontrollfragen

861

14 Server für Webanwendungen

865

14.1 HTTP im Überblick

865

14.1.1 Ablauf der HTTP-Kommunikation

866

14.1.2 HTTP-Statuscodes

870

14.1.3 HTTP-Header

874

14.2 Der Webserver Apache

879

14.2.1 Apache im Überblick

880

14.2.2 Apache-Module

881

14.2.3 Apache installieren

883

14.2.4 Apache konfigurieren

886

14.2.5 Andere Webserver im Überblick

898

14.3 PHP installieren und einrichten

899

14.3.1 PHP installieren

899

14.3.2 Die PHP-Konfigurationsdatei »php.ini«

903

14.4 Virtualisierung und Container

906

14.4.1 Virtualisierungslösungen im Überblick

907

14.4.2 VirtualBox als konkretes Beispiel

908

14.4.3 Container-Virtualisierung mit Docker

912

14.4.4 Cloud Computing

915

14.5 Übungsaufgaben

917

14.5.1 Praktische Übungen

917

14.5.2 Kontrollfragen

918

15 Weitere Internet-Serverdienste

921

15.1 Namens- und Verzeichnisdienste

921

15.1.1 Der DNS-Server BIND

921

15.1.2 Der Verzeichnisdienst OpenLDAP

928

15.2 Die »Meta-Server« inetd und xinetd

938

15.2.1 »inetd«

938

15.2.2 »xinetd«

939

15.3 Übungsaufgaben

941

16 XML

945

16.1 Der Aufbau von XML-Dokumenten

947

16.1.1 Die grundlegenden Bestandteile von XML-Dokumenten

948

16.1.2 Wohlgeformtheit

955

16.2 DTDs und XML Schema

958

16.2.1 Document Type Definitions (DTDs)

958

16.2.2 Namensräume

969

16.2.3 XML Schema

971

16.3 XSLT

974

16.3.1 Ein einfaches Beispiel

976

16.3.2 Wichtige XSLT- und XPath-Elemente

978

16.4 Grundlagen der XML-Programmierung

981

16.4.1 XML-Verarbeitungsmethoden im Überblick

982

16.4.2 Das Python-Modul »xml.etree«

984

16.5 Übungsaufgaben

987

16.5.1 Praktische Übungen

987

16.5.2 Kontrollfragen

988

17 Weitere Datei- und Datenformate

993

17.1 Textdateien und Zeichensätze

993

17.1.1 Das Problem des Zeilenumbruchs

994

17.1.2 Zeichensätze

996

17.1.3 Textbasierte Dateiformate

1003

17.2 Binäre Dateiformate

1015

17.2.1 Datenkomprimierung

1017

17.2.2 Bilddateiformate

1018

17.2.3 Multimedia-Dateiformate

1022

17.2.4 Archivdateien verwenden

1024

17.3 Übungsaufgaben

1027

18 Webseitenerstellung mit HTML und CSS

1031

18.1 HTML und XHTML

1032

18.1.1 Die Grundstruktur von HTML-Dokumenten

1033

18.1.2 Textstrukturierung und Textformatierung

1035

18.1.3 Listen und Aufzählungen

1043

18.1.4 Hyperlinks

1046

18.1.5 Bilder in Webseiten einbetten

1051

18.1.6 Tabellen

1055

18.1.7 Formulare

1062

18.1.8 Einbetten von Multimedia-Dateien

1070

18.1.9 Metatags und Suchmaschinen

1071

18.2 Cascading Style Sheets (CSS)

1074

18.2.1 Stylesheets platzieren

1075

18.2.2 Stylesheet-Wertangaben

1078

18.2.3 Stylesheet-Eigenschaften

1080

18.2.4 Layer erzeugen und positionieren

1085

18.3 Übungsaufgaben

1094

19 Webserveranwendungen

1103

19.1 PHP

1103

19.1.1 Sprachgrundlagen

1104

19.1.2 Klassen und Objekte

1122

19.1.3 Include-Dateien, Autoloader und Namespaces

1141

19.1.4 Webspezifische Funktionen

1143

19.1.5 Auf MySQL-Datenbanken zugreifen

1149

19.1.6 Unit-Tests mit PHPUnit

1161

19.1.7 PHP als Kommandozeilensprache verwenden

1170

19.2 Eine REST-API implementieren

1171

19.2.1 Die API im Überblick

1172

19.2.2 Die Grundarchitektur der API

1175

19.2.3 Der komplette Quellcode

1177

19.2.4 Die API testen

1199

19.3 Übungsaufgaben

1200

20 JavaScript und Ajax

1203

20.1 Grundlagen

1204

20.1.1 JavaScript im HTML-Dokument

1204

20.1.2 Fehler suchen mit der JavaScript-Konsole

1207

20.1.3 Ausdrücke und Operationen

1208

20.1.4 Funktionen

1213

20.1.5 Objektorientiertes JavaScript

1217

20.1.6 Formulare und Event-Handler

1220

20.1.7 Datum und Uhrzeit verwenden

1232

20.1.8 Bilder manipulieren

1235

20.1.9 Browser- und Fensteroptionen

1238

20.2 Das Document Object Model (DOM)

1244

20.2.1 W3C-DOM im Überblick

1245

20.2.2 Eine DOM-Baum-Anzeige

1248

20.2.3 DOM in der Praxis anwenden

1251

20.2.4 Dokumentinhalte verändern und austauschen

1253

20.2.5 »data«-Attribute verwenden

1256

20.3 Ajax

1257

20.3.1 Die erste Ajax-Anwendung

1258

20.3.2 Datenaustauschformate: XML und JSON

1264

20.4 Die JavaScript-Bibliothek React.js

1265

20.4.1 Einführungsbeispiel

1265

20.4.2 Eigene React-Child-Komponenten definieren

1271

20.4.3 Einen API-Client mit React schreiben

1275

20.4.4 Der REST-Client im Detail

1278

20.5 Übungsaufgaben

1290

21 Computer- und Netzwerksicherheit

1293

21.1 PC-Gefahren

1294

21.1.1 Viren und Würmer

1294

21.1.2 Trojaner und Backdoors

1300

21.1.3 Weitere Schädlinge

1301

21.2 Netzwerk- und Serversicherheit

1307

21.2.1 Servergefahren

1307

21.2.2 Wichtige Gegenmaßnahmen

1309

21.2.3 Kryptografie

1315

21.3 Übungsaufgaben

1318

B Zweisprachige Wortliste

1333

B.1 Englisch - Deutsch

1333

B.2 Deutsch - Englisch

1338

C Kommentiertes Literatur- und Linkverzeichnis

1345

C.1 Allgemeine Einführungen und Überblicke

1345

C.2 Mathematische Grundlagen

1346

C.3 Elektronische und technische Grundlagen

1347

C.4 Hardware

1348

C.5 Netzwerkgrundlagen

1348

C.6 Betriebssysteme

1348

C.7 Grundlagen der Programmierung

1350

C.8 Algorithmen und Datenstrukturen

1350

C.9 Weitere Konzepte der Programmierung

1351

C.10 Datenanalyse, Machine Learning, künstliche Intelligenz

1351

C.11 Software-Engineering

1353

C.12 Geschäftsprozessanalyse

1354

C.13 Datenbanken

1354

C.14 Server für Webanwendungen

1355

C.15 XML

1355

C.16 Webseitenerstellung mit HTML und CSS

1355

C.17 Webserveranwendungen

1356

C.18 JavaScript und Ajax

1356

C.19 Computer- und Netzwerksicherheit

1357