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

38

1.2.1 Die Vorgeschichte

40

1.2.2 Die Entwicklung der elektronischen Rechner

42

1.2.3 Die Entwicklung der Programmiersprachen

51

1.3 Digitale Speicherung und Verarbeitung von Informationen

58

1.3.1 Digitale Bilddaten

60

1.3.2 Digitale Audiodaten

61

1.3.3 Digitale Speicherung von Text

62

1.4 Übungsaufgaben

62

2 Mathematische Grundlagen

67

2.1 Einführung in die Logik

67

2.1.1 Aussagen

68

2.1.2 Aussageformen

69

2.1.3 Logische Verknüpfungen

70

2.2 Mengenlehre und diskrete Mathematik

81

2.2.1 Mengenoperationen

82

2.2.2 Abbildungen

88

2.2.3 Folgen und Reihen

92

2.2.4 Beweise

94

2.3 Mathematische Verfahren im Alltag

97

2.3.1 Dreisatz

97

2.3.2 Lösen von Gleichungen und Gleichungssystemen

98

2.4 Grundlagen der Stochastik

101

2.4.1 Wahrscheinlichkeitsrechnung

101

2.4.2 Statistik

104

2.5 Grundlagen der linearen Algebra

109

2.5.1 Vektoren

110

2.5.2 Matrizen

114

2.6 Grundlagen der Analysis

123

2.6.1 Arten von Funktionen

124

2.6.2 Nullstellen und Ableitungen

125

2.7 Informationsspeicherung im Computer

128

2.7.1 Zahlensysteme

128

2.7.2 Bits und Bytes

134

2.8 Übungsaufgaben

139

2.8.1 Praktische Übungen

139

2.8.2 Kontrollfragen

141

3 Technische und theoretische Grundlagen

147

3.1 Elektronische Grundlagen

147

3.1.1 Einfache Schaltungen

148

3.1.2 Zusammengesetzte Schaltungen

151

3.2 Automatentheorien und -simulationen

156

3.2.1 Algorithmen

156

3.2.2 Die Turingmaschine

164

3.2.3 Der virtuelle Prozessor

169

3.3 Übungsaufgaben

175

3.3.1 Praktische Übungen

175

3.3.2 Kontrollfragen

176

4 Hardware

179

4.1 Grundlagen

179

4.2 Die Zentraleinheit

183

4.2.1 Aufbau und Aufgaben des Prozessors

185

4.2.2 Der Arbeitsspeicher

195

4.2.3 Das BIOS

197

4.2.4 Bus- und Anschlusssysteme

201

4.3 Die Peripherie

212

4.3.1 Massenspeicher

213

4.3.2 Eingabegeräte

226

4.3.3 Ausgabegeräte

230

4.3.4 Soundhardware

235

4.4 Übungsaufgaben

236

5 Netzwerkgrundlagen

243

5.1 Einführung

243

5.1.1 Was ist ein Netzwerk?

243

5.1.2 Entstehung der Netzwerke

245

5.2 Funktionsebenen von Netzwerken

251

5.2.1 Das OSI-Referenzmodell

251

5.2.2 Das Schichtenmodell der Internetprotokolle

254

5.2.3 Netzwerkkommunikation über die Schichten eines Schichtenmodells

256

5.3 Klassifizierung von Netzwerken

260

5.3.1 Die Reichweite des Netzwerks

260

5.3.2 Die Netzwerktopologie

262

5.3.3 Der Zentralisierungsgrad des Netzwerks

263

5.4 Netzwerkkarten, Netzwerkkabel und Netzzugangsverfahren

269

5.4.1 Die verschiedenen Ethernet-Standards

270

5.4.2 Drahtlose Netze

275

5.5 Datenfernübertragung

280

5.5.1 DSL-Dienste

281

5.5.2 Internetzugänge über Mobilfunk

283

5.6 Die TCP/IP-Protokollfamilie

284

5.6.1 Netzzugang in TCP/IP-Netzwerken

286

5.6.2 IP-Adressen, Datagramme und Routing

287

5.6.3 Transportprotokolle

313

5.6.4 Das Domain Name System (DNS)

319

5.6.5 Verschiedene Internetanwendungsprotokolle

324

5.7 Übungsaufgaben

336

6 Betriebssysteme

349

6.1 Entwicklung der Betriebssysteme

350

6.1.1 Die Vorgeschichte

350

6.1.2 Die Geschichte von Unix

352

6.1.3 PC-Betriebssysteme

354

6.2 Aufgaben und Konzepte

358

6.2.1 Allgemeiner Aufbau von Betriebssystemen

359

6.2.2 Prozessverwaltung

366

6.2.3 Speicherverwaltung

371

6.2.4 Dateisysteme

373

6.3 Windows

380

6.3.1 Allgemeine Informationen

380

6.3.2 Die Windows-Eingabeaufforderung

386

6.3.3 Die PowerShell

389

6.3.4 Windows-Server

401

6.4 Linux und Unix

402

6.4.1 Arbeiten mit der Shell

405

6.4.2 Die wichtigsten Systembefehle

417

6.4.3 Automatisierung

426

6.5 Übungsaufgaben

433

7 Grundlagen der Programmierung

443

7.1 Python

445

7.1.1 Das erste Beispiel

447

7.1.2 Grundelemente von Python

448

7.1.3 Objektorientierung in Python

496

7.1.4 Die Python-Standardbibliothek einsetzen

525

7.2 Java

533

7.2.1 Einführungsbeispiel

535

7.2.2 Wichtige Merkmale von Java

538

7.2.3 Objektorientierte Programmierung mit Java

556

7.2.4 Weitere Java-Elemente

567

7.3 Übungsaufgaben

583

8 Algorithmen und Datenstrukturen

587

8.1 Algorithmen erarbeiten und implementieren

588

8.1.1 Einen Algorithmus planen

588

8.1.2 Den Algorithmus implementieren

591

8.1.3 Ein effizienterer GGT-Algorithmus

593

8.2 Datensammlungen sortieren

595

8.2.1 Bubblesort implementieren

595

8.2.2 Quicksort einsetzen

600

8.3 Nach Daten suchen

602

8.3.1 In Listen suchen

602

8.3.2 Nicht sequenzielle Datenstrukturen durchsuchen

604

8.4 Bäume und Graphen

623

8.4.1 Bäume verwenden

624

8.4.2 Graphen verwenden

634

8.5 Bedingungserfüllungsprobleme

646

8.5.1 Den Algorithmus für Bedingungserfüllungsprobleme implementieren

647

8.5.2 Anwendungsbeispiel: Ein Sudoku lösen

650

8.6 Übungsaufgaben

657

9 Weitere Konzepte der Programmierung

659

9.1 Reguläre Ausdrücke

659

9.1.1 Muster für reguläre Ausdrücke schreiben

661

9.1.2 Programmierung mit regulären Ausdrücken

664

9.2 Systemnahe Programmierung

677

9.2.1 Prozesse und Pipes

677

9.2.2 Threads

681

9.3 Einführung in die Netzwerkprogrammierung

685

9.3.1 Die Berkeley Socket API

685

9.3.2 Ein praktisches Beispiel

691

9.4 Externe Module und Abhängigkeiten

694

9.4.1 Externe Python-Module installieren

694

9.4.2 NumPy verwenden

695

9.4.3 Das Java-Build-Tool Maven

701

9.5 Übungsaufgaben

704

10 Datenanalyse, Machine Learning, künstliche Intelligenz

707

10.1 Einführung

708

10.1.1 Was ist künstliche Intelligenz?

708

10.1.2 Machine Learning im Überblick

712

10.2 Daten auswählen, aufbereiten und analysieren

715

10.2.1 Textdaten aufbereiten

715

10.2.2 Bilddaten vorbereiten

720

10.2.3 Numerische Daten visualisieren

724

10.2.4 Datenanalyse mit pandas und die Visualisierung mit Seaborn

731

10.3 Konkrete Machine-Learning-Verfahren

739

10.3.1 Lineare Regression

740

10.3.2 Logistische Regression

746

10.3.3 K-Means-Clustering

751

10.4 Künstliche neuronale Netzwerke

758

10.4.1 Arten künstlicher neuronaler Netzwerke

758

10.4.2 Large Language Models

762

10.4.3 Grundlegende Funktionsweise

764

10.4.4 Deep Learning

774

10.5 Übungsaufgaben

777

11 Software-Engineering

779

11.1 Überblick

780

11.1.1 Der Entwicklungszyklus

781

11.1.2 Planung und Analyse

782

11.1.3 Entwurf

788

11.1.4 Implementierung und Test

789

11.1.5 Dokumentation

791

11.1.6 Konkrete Entwicklungsverfahren

792

11.2 Werkzeuge

797

11.2.1 UML

797

11.2.2 Entwurfsmuster

804

11.2.3 Unit-Tests

819

11.2.4 Weitere nützliche Software

826

11.3 Übungsaufgaben

831

12 Geschäftsprozessanalyse

835

12.1 Überblick

835

12.1.1 Historische Entwicklung

836

12.1.2 Geschäftsprozesse

838

12.1.3 Einteilung der Aufgabenbereiche im Prozessmanagement

839

12.2 Prozesse modellieren mit BPMN

841

12.2.1 BPMN 2.0 im Überblick

842

12.2.2 Beispiele für BPMN-Diagramme

847

12.3 Mit einem ERP- und CRM-System arbeiten

851

12.3.1 Gängige Fähigkeiten von Unternehmenssoftware

851

12.3.2 Das Open-Source-ERP-System dolibarr

853

12.4 Übungsaufgaben

858

13 Datenbanken

859

13.1 Die verschiedenen Datenbanktypen

860

13.1.1 Relationale Datenbanken

862

13.1.2 Objektorientierte Datenbanken

870

13.2 Mit relationalen Datenbanken arbeiten

873

13.2.1 MySQL im Einsatz

873

13.2.2 SQL-Abfragen im Überblick

874

13.2.3 Datenbanken und Tabellen erzeugen

875

13.2.4 Auswahlabfragen

880

13.2.5 Einfüge-, Lösch- und Änderungsabfragen

884

13.2.6 Transaktionen

886

13.3 Mit NoSQL-Datenbanken arbeiten

887

13.3.1 CouchDB als konkretes Beispiel

887

13.3.2 Praktischer Einstieg in CouchDB

888

13.4 Grundlagen der Datenbankprogrammierung

891

13.4.1 Die Java-Datenbankschnittstelle JDBC

891

13.4.2 Mit dem MySQL-Server kommunizieren

892

13.5 Übungsaufgaben

896

13.5.1 Praktische Übungen

896

13.5.2 Kontrollfragen

897

14 Server für Webanwendungen

901

14.1 HTTP im Überblick

901

14.1.1 Ablauf der HTTP-Kommunikation

901

14.1.2 HTTP-Statuscodes

905

14.1.3 HTTP-Header

909

14.2 Der Webserver Apache 2

914

14.2.1 Apache im Überblick

915

14.2.2 Apache-Module

916

14.2.3 Apache starten und steuern

918

14.2.4 Apache konfigurieren

919

14.2.5 PHP einrichten

931

14.2.6 Andere Webserver im Überblick

935

14.3 Übungsaufgaben

937

14.3.1 Praktische Übungen

937

14.3.2 Kontrollfragen

937

15 Weitere Internet-Serverdienste

941

15.1 Namens- und Verzeichnisdienste

941

15.1.1 Der DNS-Server BIND

941

15.1.2 Der Verzeichnisdienst OpenLDAP

947

15.2 Die »Meta-Server« inetd und xinetd

956

15.2.1 »inetd«

957

15.2.2 »xinetd«

958

15.3 Übungsaufgaben

960

16 Virtualisierung, Container und Cloud Computing

963

16.1 Virtualisierung

963

16.1.1 Überblick

964

16.1.2 VirtualBox als konkretes Beispiel

965

16.2 Container-Infrastrukturen

969

16.2.1 Docker-Grundlagen

969

16.2.2 Praxisbeispiel: eine PHP-Anwendung als Container bereitstellen

972

16.3 Cloud Computing

975

16.4 Übungsaufgaben

977

17 Datei- und Datenformate

979

17.1 Textdateien und Zeichensätze

979

17.1.1 Das Problem des Zeilenumbruchs

980

17.1.2 Zeichensätze

981

17.2 Textbasierte Dateiformate

988

17.2.1 XML

989

17.2.2 CSV

1002

17.2.3 JSON

1006

17.2.4 Markdown

1008

17.2.5 LaTeX

1011

17.3 Binäre Dateiformate

1014

17.3.1 Datenkomprimierung

1016

17.3.2 Bilddateiformate

1017

17.3.3 Multimedia-Dateiformate

1020

17.3.4 Archivdateien verwenden

1022

17.4 Übungsaufgaben

1026

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

1040

18.1.4 Hyperlinks

1044

18.1.5 Bilder in Webseiten einbetten

1049

18.1.6 Tabellen

1052

18.1.7 Formulare

1055

18.1.8 Einbetten von Multimedia-Dateien

1063

18.1.9 Metatags und Suchmaschinen

1063

18.2 Cascading Style Sheets (CSS)

1067

18.2.1 Stylesheets platzieren

1067

18.2.2 Selektoren

1069

18.2.3 Stylesheet-Wertangaben

1071

18.2.4 Stylesheet-Eigenschaften

1073

18.2.5 Layer erzeugen und positionieren

1078

18.3 Webseiten-Layout und -Design

1081

18.3.1 Grundlagen

1081

18.3.2 Layouts und Element-Anzeigemodi

1085

18.3.3 Media Queries und Responsive Design

1088

18.3.4 Barrierefreiheit

1089

18.4 Übungsaufgaben

1091

19 Webserveranwendungen

1099

19.1 PHP

1099

19.1.1 Sprachgrundlagen

1100

19.1.2 Klassen und Objekte

1118

19.1.3 Include-Dateien, Autoloader und Namespaces

1136

19.1.4 Webspezifische Funktionen

1139

19.1.5 Auf MySQL-Datenbanken zugreifen

1144

19.1.6 Unit-Tests mit PHPUnit

1156

19.1.7 PHP als Kommandozeilensprache verwenden

1165

19.2 Eine REST-API implementieren

1166

19.2.1 Die API im Überblick

1167

19.2.2 Die Grundarchitektur der API

1170

19.2.3 Der komplette Quellcode

1172

19.2.4 Die API testen

1194

19.3 Übungsaufgaben

1195

20 JavaScript und Ajax

1199

20.1 Grundlagen

1200

20.1.1 JavaScript im HTML-Dokument

1200

20.1.2 Fehler suchen mit der JavaScript-Konsole

1204

20.1.3 Ausdrücke und Operationen

1204

20.1.4 Funktionen

1209

20.1.5 Objektorientiertes JavaScript

1213

20.1.6 Formulare und Event-Handler

1216

20.1.7 Datum und Uhrzeit verwenden

1228

20.1.8 Bilder manipulieren

1231

20.1.9 Browser- und Fensteroptionen

1234

20.2 Das Document Object Model (DOM)

1240

20.2.1 W3C-DOM im Überblick

1241

20.2.2 Eine DOM-Baum-Anzeige

1244

20.2.3 DOM in der Praxis anwenden

1247

20.2.4 Dokumentinhalte verändern und austauschen

1250

20.2.5 »data«-Attribute verwenden

1252

20.3 Ajax und die Fetch API

1253

20.3.1 Ajax

1253

20.3.2 Die Fetch API als moderne Alternative

1261

20.4 Die JavaScript-Bibliothek React.js

1264

20.4.1 Einführungsbeispiel

1264

20.4.2 Eigene React-Child-Komponenten definieren

1270

20.4.3 Einen API-Client mit React schreiben

1274

20.5 Übungsaufgaben

1286

21 Sicherheit

1289

21.1 Endgeräte schützen

1290

21.1.1 Viren und Würmer

1290

21.1.2 Trojaner und Backdoors

1296

21.1.3 Weitere Schädlinge

1297

21.2 Netzwerk- und Serversicherheit

1303

21.2.1 Servergefahren

1303

21.2.2 Wichtige Gegenmaßnahmen

1305

21.2.3 Kryptografie

1311

21.3 Übungsaufgaben

1317

Anhang

1321

A Glossar

1323

B Zweisprachige Wortliste

1337

C Kommentiertes Literatur- und Linkverzeichnis

1349