Marc Schwärzli

SS 2012

Grundlagen der IuK-Technologien

Informationstechnologie

• Informationstechnologie ist prozessorientiert – der Ablauf steht im Vordergrund

• Informationstechnik ist geräteorientiert• Information technology ist ein

Sammelbegriff für beides

Träger der Information sind Signale• Signale können verschieden übertragen

werden oder gespeichert werden:– Ladungen, Magnetisierungszustände, Schall,

elektromagnetische Wellen genauso wie über bedrucktes Papier oder Gerüche.

• Im mathematischen Sinne sind Signale Funktionen– x-Achse die Zeit, y-Achse die Ausprägung

Analoge und digitale Signale

• Analoge Signale sind stetig (kontinuierlich), sie können jeden beliebigen Wert annehmen.

• Digitale Signale sind diskret, die Ausprägungen sind endlich, also zählbar. Die Werte können sich nur an bestimmten Stellen ändern.

• Analoge Signale können in digitale umgewandelt werden.

Vorteile digitaler Signale

• Sie sind geordnet und können einfach verarbeitet werden

• Übertragung ist nicht störanfällig• Kopien entsprechen dem Original (eine

endliche Zahlenmenge wird übertragen)

Die digitale Auflösung

• Räumliche Auflösung: – Abtastpunkte pro Längeneinheit, Einheit dpi

(dots per inch), zum Beispiel 300 dpi sind 300 Abtastpunkte pro Zoll (2,56 cm)

• Zeitliche Auflösung: – Abtastpunkte pro Sekunde, werden in Hertz

(Hz) angegeben, zum Beispiel eine Audio-CD hat eine Abtastfrequenz von 44,1 KHz.

Genauigkeit der Digitalisierung• Gibt an wie viele

diskrete Werte zur Verfügung stehen

• Sie wird üblicherweise in bit angegeben

Der Analog-Digital-Umsetzer• Parameter: Genauigkeit, Abtastfrequenz

und Umsetzungsgeschwindigkeit

mit Spannungsvergleich

Das Nyquist-Kriterium

• Damit ein Ursprungssignal korrekt wiederhergestellt werden kann, dürfen im Signal nur Frequenzanteile vorkommen, die kleiner sind als die halbe

Abtastfrequenz: fAbtast > 2fSignal

• Folgen können Bildstörungen wie nicht-lineare Verzerrungen, Marmorierung (Moiré-Effekt) sein.

Der Digital-Analog-Umsetzer• Digitale Signale werden, zum Beispiel, vor einem

Lautsprecher in analoge umgesetzt• Einem Zahlenwert am Eingang entsprechend soll

eine Spannung am Ausgang erzeugt werden.• Das digitale Signal besteht aus Nullen und Einsen,

eine Möglichkeit besteht darin allen Einsen eine Spannung zuzuordnen und diese dann zu einer Ausgangsspannung zu addieren.

Prinzip des Digital-Analog-Umwandlers

Ausgangsspannung

Digitaler Zahlenwert

Einem Zahlenwert wird eine Spannung zugeordnet

Zeichen und Kodierungen

• Ein Alphabet ist eine endliche, geordnete Menge von Zeichen (auch Leerzeichen), zB Morsealphabet

• Mit Zeichen können Wörter gebildet werden (zB 0=A, 1=B, 00=C, …)

• Ein Code ist eine Zuordnungsvorschrift, Kodierung ist die Anwendung dieser Vorschrift

• Binäre Kodierung: Null=0000, Eins=0001• ASCII-Code: Mit 8 bit können 256 Werte dargestellt

werden, das reicht für alle Zeichen einer Tastatur.

ASCII-Code (American Standard Code for Information Interchange)

Stellenwertsysteme

• Der Wert einer Ziffer hängt von der Position ab

• Jede Stelle hat eine b-mal höhere Wertigkeit als die benachbarte niedrigere Stelle

Das Stellenwertsystem

Stellen inkl. NullBasisZahlenwert

0 = Null, A=10, F = Fünzehn

• Am Beispiel des Dualsystems

• Am Beispiel des Hexadezimalsystems

4FE =

Datenmengen und Datenraten

• 1 Byte sind 8 bit• Laut IEC sind:

– Präfixe K, M, G, T dezimal zu interpretieren– und Ki, Mi, Gi, … dual zu interpretieren

• 1 Kilobyte (KB) = 10 ³ = 1.000 Byte• 1 Kibibyte (KiB) = 2 Exp 10 = 1.024 Byte• 1 Mibibyte (MiB) = 2 Exp 20 = 1.048.576 Byte

Bitanzahl und darstellbare WerteMit n Bits können 2 Exp n Zeichen dargestellt werden

Durch Computer lösbare Aufgaben

• Ein Algorithmus ist ein System von Operationen in einer bestimmten Reihenfolge, eine endliche Verfahrensvorschrift. Dadurch sind alle Aufgaben eines gegebenen Typus lösbar.

• Beispiele für einen Algorithmus sind:

– Kochrezepte – Montageanleitungen– Bedienungsanleitungen– Herstellungsverfahren– Berechnungsvorschriften

Problemlösung mittels Algorithmus

• Die Problemlösungskapazität eines Algorithmus hängt von der Komplexität der zu lösenden Aufgabe ab.

• So gesehen gibt es unendlich viele Probleme die nicht durch einen Algorithmus gelöst werden können.

• Durch Einschränkungen können eingeschränkte Lösungen gefunden werden

• Alles was durch einen Algorithmus gelöst werden kann, kann einem Automaten, Computer übertragen werden.

Der Digitalrechner

• Technische Baugruppen lassen sich am einfachsten realisieren, wenn nur zwei Zustände zu unterscheiden sind.– Signal – kein Signal– Ton – kein Ton– Spannung – keine Spannung– Licht wird reflektiert – Licht wird nicht reflektiert

• Ein Rechner dessen Bauteile auf nur zwei Zuständen aufbauen, wird Digitalrechner genannt.

Aussagen und deren Verknüpfung• Aussagen sind Behauptungen die entweder wahr oder

falsch sind

• Keine Aussagen sind Interpretationen

Graz liegt in der Steiermark

Rot ist eine schöne Farbe

Aussagenlogik

• Aussagen können negiert oder verknüpft werden• Verknüpfungen sind zum Beispiel:

– und– oder– entweder, oder– wenn, dann– genau dann, wenn

Die Und-Funktion• Die Aussage A und B ist wahr, wenn A zutrifft

und wenn B zutrift.

Die Oder-Funktion• Die Aussage A oder B ist wahr, wenn A

zutrifft oder wenn B zutrifft oder wenn beide zutreffen.

Dieses oder ist kein entweder- oder.

Boolesche Algebra allgemein

• Theorie zur mathematischen Begründung der Aussagenlogik

• Typische Boolesche Funktionen sind: und oder entweder, oder wenn, dann genau dann, wenn

Einstellige Boolesche Funktionen

• Es gibt 4 einstellige Boolesche Funktionen:

– Die Konstante 0: Der Wert ist immer gleich 0– Die Konstante 1: Der Wert ist immer gleich 1– Die Identität: Der Wert ist gleich der Eingangsvariablen– Die Negation: Der Wert ist nicht gleich der

Eingangsvariablen

Zweistellige Boolesche Funktionen

• Die wichtigsten zweistelligen Booleschen Funktionen sind:

Technische Realisierung der Und- bzw. Oder-Funktion

Die Und-Funktion:

Die Oder-Funktion:

Reihen- und Parallelschaltungen

• Für die Nutzung weiterer Booleschen Funktionen nutzt man die mathematisch beweisbare Aussage, dass jede Boolesche Funktion allein unter Verwendung von Negation sowie Reihen- und Parallelschaltung realisiert werden kann.

Boolesche Funktionen

• Jede Boolesche Funktion kann allein unter der Verwendung von:– Nicht, Und, Oder– Nicht, Und– Nicht, Oder– Nand– Nor

dargestellt werden

Grundlagen der Informations- und Kommunikationstechnologie

Aufbau und Funktionsweise von Computern

Verbindungswege werden Busse genannt• Austausch von Daten oder Steuersignalen zwischen

den Komponenten des Systems– Datenbus – bidirektional– Adressbus – unidirektional Systembus– Steuerbus - beides

Die CPU = Prozessor• Verarbeitung von Operanden durch ein Programm• Rechenwerk= ALU (Aritmetic Logic Unit)

Das Rechenwerk• Im Rechenwerk werden 2 binäre Operanden logisch

oder arithmetisch miteinander verknüpft.

Operanden

Einstellung der Operation erfolgt durch das Steuerwerk

Das Steuerwerk

• Im Programmzähler (PC) steht die Adresse des nächsten abzuarbeitenden Befehls:

Hauptspeicher

Der HauptspeicherSpeicherung von Programmbefehlen, Operanden und den

Ergebnissen der Operation.

• Der Hauptspeicher ist in Speicherzellen mit eigener Adresse unterteilt.

Durch Aufrufen der Adresse kann der Speicherinhalt ausgelesen oder neu beschrieben werden.

Ein- und Ausgabebaugruppen• Einlesen und Ausgabe von Daten oder Programmen von und zu

externen Speichern oder Ein-/Ausgabegeräten

Maschinenbefehle• Ein Maschinenbefehl ist eine binär kodierte

Informationen, die der Prozessor unmittelbar ausführen kann.

– Welche Operation soll ausgeführt werden.– Wo sind die entsprechenden Operanden.– Wo wird das Ergebnis hingeschrieben.– Wie wird nach der Operation die Bearbeitung fortgesetzt.

Der Befehlszyklus

1. Start im PC (Program counter)

2. Adressen werden ausgelesen

3. Inhalt der Seicherzelle wird ins Befehlsregister geladen

4. Dekodierung und Anweisungen an das Rechenwerk

5. Die Adressen der Operanden sind direkt oder indirekt im Befehl enthalten. Sie werden über den Datenbus ins Register geladen.

6. Ergebnis der Operation wird ins Register A geladen, Start eines neuen Ablaufs.

Bussysteme

• Busse sind Daten- und Stromautobahnen zwischen Komponenten eines Rechners.

• Busse sind in der Regel parallel verlaufende Leiter auf denen binäre Worte übertragen werden.

• Je höher der Bustakt ist, umso mehr Adressen, Daten und Steuersignale können pro Zeiteinheit zB pro Sekunde ausgetauscht werden.

• Die Busbreite gibt an wie viele Bits parallel pro Zeiteinheit übertragen werden können. ZB 8, 16, 32, 64 Bit (Gesamte Bits zB 2 Exp 64)

Master, Slave,Busarbitration

• Jede Baugruppe an einem Bus hat eine Adresse

• Empfangende Bauteil heißt Slave und kann zu jeder Zeit empfangen.

• Ein Master ist Sendeberechtigt und darf nur zu einem bestimmten Zeitpunkt senden.

• Wollen mehrere Master gleichzeitig senden kommt es zu einer Auswahl nach bestimmten Prinzipien.(Busarbitration)

Bushierarchie

• Prozessorbus (schnellster Bus auf dem Rechner)

• On-Board-Bus (zB zwischen CPU und Hauptspeicher,)

• Systembus (verbindet verschiedene Boards)• Peripheriebus (zB CD-Laufwerk, Festplatte• Nachrichtenbus (in der Regel seriell),

Verbindung von Rechnersystemen.

Speicherarten in einem Computer

Grundsätzlich werden 2 Speicherarten unterschieden

– ROM (Read only Memory), ist ein nicht flüchtiger Speicher. Daten auf diesen Bausteinen bleiben auch bei einem Stromausfall erhalten. Beispiel PROM – Programmable ROM

– RAM (Random Access Memory), ist ein flüchtiger Speicher, dient zur Speicherung veränderlicher Daten. Der Hauptspeicher eines Computer ist ein RAM.

PROMS

• Programmable ROM– PROM, einmalige Programmierung– EPROM, Löschung durch UV-Licht möglich

Erasable PROM

– EEPROM, elektrich programmierbar und löschbar

Electrically PROM

– EAPROM, bitweises Löschen ist möglich Electrically Alternable PROM

Der RAM-Speicher

• SRAMS sind statisch – DRAMS sind dynamisch, sie müssen daher ständig aufgefrischt werden, sind langsamer aber kleiner und kostengünstiger

• SDRAMS, 64 Bit Datenbus, synchroner Zugriff pro Systemakt ist möglich.

• DDR SDRAMS (Double Data Rate), nutzt beide Flanken des Taktsignals für die Datenübertragung. DDR SDRAMS sind heute Standard-Hauptspeicher.

• DDR3-SDRAMS – 8 Verbindungen zwischen Speicherkern und Ein- Ausgaberegister. Dieses taktet mit der viefachen Frequenz des Kerns.

Speicherebenen

Speicherkapazität: Cache < Hauptspeicher < Festplatte (Massenspeicher)

Cache-Speicher

• Kleine, schnelle Zwischenspeicher• Von der CPU schnell benötigte Informationen werden

zwischengespeichert gespeichert

Die Ein- und Ausgabe

• Alle Vorgänge zur Übertragung von Daten zwischen dem Hauptspeicher und der Peripherie des Rechners– Festplatte, Bildschirm, Drucker, …

• Es gibt serielle (nacheinander) Übertragung und parallele Übertragung (erfolgt gleichzeitig)

Interface dient zur Pufferung und Synchronisation

Schnittstellen

• zB Universal Serial Bus (USB) dient zur Verbindung eines Rechners mit externen Geräten.

• Sternförmige Architektur• Zentraler Hostcontroller

(steuert max. 127 Peripheriegeräte)

• Hubs dienen als Sternverteiler

• Peripheriegeräte als Clients

Schnittstellen dienen zur Verbindung des Rechners mit Peripheriegeräten.

Schnittstellen

Die USB-Eigenschaften• Pro Anschluss 5 V Gleichspannung bei 500 mA• Hot-Plugging ist möglich• Ab USB 3.0 bis zu 5Gbit/s, bis 900 mA

Schnittstellen FireWire

• Hot-Plugging• Seriell zur Übertragung großer Datenmengen• Seit 2008 bis 3,2 Gbit/s• 8 bis 33 V Gleichspannung bei 1,5 A, dadurch können auch

externe Festplatten über FireWire betrieben werden.

Schnittstellen

Bluetooth

• Datenschnittstelle über Funk mit kurzer Reichweite (max. 20m)• Aus Skandinavien, ursprünglich zur Verbindung von Handy und

Zubehör• Durch Frequenzsprungverfahren relativ störunanfällig• Übertragung im 2,4 Ghz-Bereich• Ab Version 2.0 2,1 Mbit/s Übertragungsgeschwindigkeit

Vergleich zwischen seriellen und parallelen Schnittstellen

Parallel Seriell

Datenrate Höhere Datenrate, da immer mehrere Bits gleichzeitig übertragen werden.

Geringere Datenrate, da alle Bits nacheinander übertragen werden.

Signalpegel Kleinere Signalpegel da enge Leitungen gegenseitig stören.

Größere Signalpegel

Leitungslänge

Kurze Leitungslänge, wegen geringerer Signslpegel.

Längere Leitungen wegen größerer Signalpegel

Kostenfaktor Teurer wegen des großen Leitungsbündels

Günstiger, da nur wenige Leitungen nötig.

Bewertung von Prozessoren und Rechnern

• Wesentliche Merkmale sind:– Verarbeitungsbreite, zB 64 Bit– Geschwindigkeit, zB interne und externe Taktung– Parallelverarbeitung durch Mehrkernprozessoren– Arbeitsspeicher– Koprozessoren, zB Grafikprozessor– Stromverbrauch und Betriebsspannung

Zusammenfassung

• Welche grundsätzlichen Komponenten enthält ein Rechner?

• Was ist das Register?• Was ist ein Bus?• Wie kann man Busse hierarchisch einteilen?• Beschreiben Sie eine Schnittstelle (Interface)

und geben sie einige Beispiele dazu!

Grundlagen der Informations- und Kommunikationstechnologie

Betriebssysteme

SS 2011

Schichten eines Rechnersystems

Arten von Betriebssystemen

Schichtenmodell eines Betriebssystems

Für Anwendungen

Zugriff auf Funktionsangebote

Anpassung an Hardware

Systemprozesse werden durch Multitasking gesteuert

Aufgaben eines Betriebssystems

• Normierte Schnittstellen für die Benutzung• Verwaltung und Steuerung von Prozessen• Verwaltung der Ressourcen eines

Rechners• Verwaltung von Dateisystemen• Gewährleistung der

Kommunikationsfunktion

Multitasking als Aufgabe des Betriebssystems

• Durch schnelles Aktivieren der Prozesse nacheinander entsteht der Eindruck der Gleichzeitigkeit

• Beim kooperativen Multitasking gibt Prozess Rechenleistung an einen anderen Prozess ab (zB wenn er eine Eingabe erwartet). Der Prozess blockiert die CPU bis er diese freiwillig abgibt.

• Beim präemptiven Multitasking teilt das Betriebssystem nacheinander den Prozessen die Rechenleistung in kleinen Zeitscheiben zu. Während einer Zuteilung sind andere Prozesse inaktiv. Bei Echtzeitbetriebssystemen kommt es zu einer Prioritätssteuerung bei Taskwechseln. Beispiel: Echtzeitbetriebssystem.

Virtuelle Speicherverwaltung

• Die CPU kann nur mit dem physikalisch vorhandenen Hauptspeicher arbeiten.

• Bei einer realen Speicherverwaltung dürfte der Prozess nur so groß wie der Hauptspeicher sein.

• Da im Hauptspeicher meist nicht genug Platz für aktive Prozesse ist, werden diese auf der Festplatte gespeichert und bei Bedarf dynamisch in den Hauptspeicher zurückgeholt.

• Virtueller Speicher ist der dem Prozess zu Verfügung gestellte Speicherplatz

Verschiedene Betriebssysteme• MS-DOS• MS-Windows – grafisch, mit Maus, Fenster• Unix – wird oft von Programmierern verwendet• Linux – freie Plattform, weltweite Entwicklergemeinde• Mac OS

Grundlagen der Informations- und Kommunikationstechnologie

Die Peripherie

SS 2011

Externe und interne Peripheriegeräte

Massenspeicher

Durch den Wechsel der Magnetisierungsrichtung werden 0.Bits und 1-Bits erzeugt

• Magnetische Speicher (Festplatte, auch Hard-Disk)

Massenspeicher• Optische Speicherung

Ein halbdurchlässiger Spiegel lenkt den Lichtstrahl auf eine Fotodiode, die ein lichtstärkenabhängiges Spannungssignal erzeugt.

Massenspeicher• Flash-Speicherung• Flash-Speicher sind EEPROMs• Im Gegensatz zu klassischen EEPROMs (Bits und

Bytes können einzelnen gelöscht/ beschrieben werden) werden Flash-Speicher in Teilen der Gesamtkapazität gelöscht.

• Der Speicher ist nicht flüchtig, Stom wird nur zum Bearbeiten benötigt.

• Flash-Speicher sind deutlich langsamer als DRAMs• USB, PC-Cards, Speicherkarten für Digitalkameras

Grafikkarten• Grafikkarten sind Subsysteme, die Daten so

aufbereiten, dass sie über den Bildschirm angezeigt werden können.

Aufbau: Anschlüsse:

Monitore• Wichtige Darstellungsparameter sind:

– Auflösung (Pixel/ Zeile x Anzahl der Zeilen)– Seitenverhältnis zB 4:3– Bildschirmdiagonale zB 21‘

Monitore - Funktionsprinzip

Elektronen aus der Kathode werden auf einen mit Phosphor beschichteten Bildschirm gelenkt.

Darstellungsparameter von Röhrenmonitoren

• Bildwiederholungsfrequenz, zB 72 Hz als Minimum, 100 Hz oder 120 Hz

• Zeilenfrequenz: Anzahl der Zeilen die pro Sekunde geschrieben werden.

LCD-Bildschirm• Hintergrundlicht wird unterschiedlich gefiltert• Flüssige Kristalle beeinflussen die

Polarisationsrichtung von Licht, wenn eine Spannung angelegt wird

Pixel mit Farbfilter:

Plasmabildschirme• Pixel leuchten beim Plasmabildschirm selbst• Brauchen mehr Energie als LCD-Bildschirme Gasentladungsstrecke

mit grünen, blauen, oder roten Phosphor.

Projektoren• Beamer

– Elektronenstrahlenröhre strahlt durch Farbfilter• LCD-Projektoren

– Funktionieren wie Dia-Projektoren mit Flüssigkristallelementen in 3 Farben

• DLP-Projektoren:

Kleine Spiegel können mikromechanisch gekippt werden.

Drucker

• Bringt Zeichen und Bilder zu Papier• Tintenstrahldrucker

– Drop on Demand: Tintentröpfchen werden aus einer Düse ausgestoßen

• Laserdrucker, bedruckt Papier seitenweise:

5. Beheizte Walzen fixieren die Partikel

1. Trommel wird aufgeladen

2. Neutralisation durch Laser

3. Geladene Partikel werden von neutralen Stellen angezogen

4. Übertragung auf eine Papierseite

Grundlagen der Informations- und Kommunikationstechnologie

Rechnernetze

SS 2011

Einteilungsmöglichkeiten eines Rechnernetzes

• Organisatorische Abdeckung, territoriale Ausdehnung:– Lan, Wan, Internet, VPN

• Art der Kommunikation: – Host-Terminal-System, Client-Server-System, Peer-to-peer-Verbindung

• Topologie: – Bus, Baum, Stern, Ring

• Übertragungsweg – drahtgebunden, drahtlos, Ad-hoc-Netze:– Lan über Ethernet – UMTS, WLAN – WLAN, Bluetooth)

Ein Rechnernetz ist eine Zusammenschaltung mehrerer Rechner mittels eines Übertragungssystems zum Zwecke des

Datenaustausches.

Rechnernetze Nach Organisation der Kommunikation

Host-Terminal-System Client-Server-System Peer-to-Peer-System

Rechnernetze Nach der Topologie

Hierarchisch verbundene Sterntopologie.

LAN – WAN – InternetNach der Ausdehnung

Bezeichnung LANLocal Area Network

WANWide Area Network

Internet (WWW)

Ausdehnung Mehrere Räume, selten mehr als ein Grundstück, max. wenige Kilometer

Großer geografischer Bereich

Weltweit

Betreiber Privatpersonen, Büros, Unternehmen,Teilnehmer begrenzt

Gehört Tele=kommunikations=gesellschaften, viele Teilnehmer

Weltweiter Zusammenschluss

Datenrate Wesentlich höhere Datenrate

Geringere Datenrate

Zugang Nicht öffentlich Nicht öffentlich Öffentlich

Rechnernetze Nach dem Übertragungsweg

Art des Netzes:

Drahtgebunde Netze

Drahtlose Netze

Ad-hoc-Netze

Netz: LAN GSM, UMTS, WLAN, WiMAX

Bluetooth,WLAN, Sensornetze

Beispielezu Rechnernetzen

• Ethernet-Verbindung• Ist das gängigste LAN• Datenraten bis zu einem 1 Gbit/s

Beispiel Token-Ring-Netzwerk

• Ringtopologie• Nachricht wird an Freizeichen (Token)

gehängt und im Kreis geschickt.• Empfänger (Adressat) bestätigt Empfang,

beim nächsten Durchlauf nimmt Sender Nachricht vom Netz.

• Wird von Ethernet-Verbindung verdrängt.

Beispiel Intranet• Das Intranet ist ein Rechnernetz innerhalb einer

Organisation, das auf den gleichen Prinzipien beruht wie das Internet, aber einen begrenzten Benutzerkreis hat.

• Ein nicht öffentliches Netz aber genauso:» TCP/IP als Netzwerkprotokoll» Nutzung von Webbrowsern» Angebot von Internet-Diensten (E-Mail,

Dateiverwaltung, …)

• Ein Extranet erweitert das Intranet für festgelegte Benutzergruppen (externe Partner).

BeispielVPN – Virtual Private Network

• Ist eine abgesicherte Tunnelverbindung für ein Rechnernetzwerk zwischen Teilnehmern.

• Die verschlüsselte Information wird über ein öffentliches Netz übertragen.

• Tunnelsoftware bei Server wie Client notwendig

BeispielWLAN – Drahtloses lokales Netzwerk

• Über einen Access Point kann eine Verbindung mit einem kabelgebundenen Netzwerk hergestellt werden. (Wireless Local Area Network)

• Anpassungen der Schichten 1 und 2 des ISO/OSI-Referenzmodells.

• Reichweite: 30 – 100 m• ~ 54 Mbitps Datenrate

Beispiel Internet über WiMAX

• Alternative zu WLAN und UMTS• Basisstation entscheidet wer senden darf und

wer nicht. • Anpassung der Schichten eins und zwei

(Verbindungsschicht, physikalische Schicht)• Reichweiten zwischen 2 und 3 km• Übertragungsraten ca. 108Mbitps

Netzwerkprotokolle

• Ein Netzwerkprotokoll ist eine Vereinbarung, nach der Daten zwischen Computern (oder Prozessen) in einem Netzwerk ausgetauscht werden.

• Netzwerkprotokolle orientieren sich am ISO/OSI-Referenzmodell als Standard für Rechnernetzwerke

• ISO/OSI-Modell untergliedert den Kommunikationsvorgang in 7 hierarchische Schichten -> Schichtenmodell

Das Schichtenmodell

Schichten=nummer

Schichtenname Funktion Einordnung Protokollbeispiel

7 Anwendungs=schicht

Schnittstelle für Anwendungsprogramme (zB E-Mail, Remote login)

Anwendungsorientiert

HTTP,FTP,HTTPS

6 Darstellungs=schicht

Kodevereinbarung zur einheitlichen Datendarstellung

5 Sitzungsschicht Eröffnung, Beendigung und Durchführung der Kommunikationsbeziehung

4 Transport=schicht

Aufbau des Transports, Paketversand Transport=orientiert

TCP

3 Netzwerk=Schicht (Vermittlungsschicht)

Verbindungsaufbau, Routing (Wegsuche) IP

2 Verbindungs=schicht

Fehlerbehandlung, Prüfsummenverfahren Ethernet,Tokenring

1 Physikalische Schicht

Übertragungsmedium, Datenrate, Signalpegel

Schichtenmodell• Übertragenen Informationen durchlaufen auf der Sendeseite die

Schichten immer von oben nach unten. Dabei kommen in jeder Schicht Zusatzinformationen hinzu, wie eine Verpackung, die die jeweilige Handhabung des Inhalts beschreiben.

Logisch gesehen kommunizieren immer Schichten gleicher Ebene miteinander.

Kommunikationsdienste

Alle kommerziellen Dienstleistungen zur inhaltlichen Durchführung des Datenaustausches über Kommunikationsnetze.

Quality of Service beschreibt die Güte von Kommunikationsdiensten. Parameter der Dienstgüte sind Verlustrate, Verfügbarkeit, Durchsatz, Latenz (Verzögerung), Paketverlust.

Grundlagen der Informations- und Kommunikationstechnologie

Das Internet

WS 10/11

Etappen des Internets• 70er Jahre: US-Verteidigungsministerium entwickelt ein heterogenes,

weil ausfallsicheres Netzwerk mit Paketvermittlung• 1983: Umstellung der Übermittlung auf TCP/IP (Überwachung/ Routing,

Paketaufteilung)• Entwicklung von Netzwerkdiensten und Integration in ein

Betriebssystem (E-Mail, FTP)• Schnelle Verbreitung an Universitäten, Vernetzung überregionaler

Rechenzentren• 1989: Entwicklung des HTTP (Internetprotokoll) und von HTML

(Dokumentenauszeichnungssprache)• 1993: Erster Browser (Mosaik) zum navigieren über eine grafische

Benutzeroberfläche • Entwicklung leistungsstarker Browser, Kommerzialisierung des

Internets, koordiniert durch das World Wide Web Consortium W3C• Künftige Anforderungen: zB: Dienstgüte, Mobilität, Sicherheit

Das Internet

• Kurzbeschreibung: Verbundnetz zwischen Computern, die mittels TCP/IP miteinander kommunizieren. Auf Basis des Client-Server-Modells werden unterschiedliche Dienste angeboten.

• Das Internet hat keinen Besitzer, die Leitungen gehören Unternehmen oder Behörden.

• Entwicklung wird in Diskussionen erarbeitet, koordiniert durch die amerikanische Internet Society ISOC

Das Internet beruht auf dem Client-Server-Modell

Adressierung

• TCP in der Transportschicht regelt die Überwachung.• IP in der Vermittlungsschicht erstellt die Pakete und

sorgt für das Routing.• IPv4 Adressen

– 4 Zahlen zwischen 0 und 255– 4 x 8 Bit also 2 Exp 32 Möglichkeiten– Zum Beispiel: 145.96.224.225

• IPv6 Adressen– 8 Zahlen zwischen 0 und 65535 in Hexadezimal– 8 x 16 Bit also 2 Exp 128 Möglichkeiten– Zum Beispiel: ae70:221:0:7033:fe3d:1968:b44f:22ff

Domain Name System

Systematik der Domain-Namen

Rechte an Domain-Namen können gekauft werden (siehe zB http://www.nic.at)

Dienste im Internet: E-Mail

• Nachrichten zwischen Einzelpersonen oder Personengruppen• E-Mail-Client sendet oder empfängt, E-Mail-Server leitet weiter• Protokolle SMTP, POP3, IMAP• Vorteile:

– Schnell, orts- und zeitunabhängig– Gleichzeitiger Versand an mehrere Personen– Einfache Sende- und Empfangsprotokollierung

• Nachteile:– Leicht zu missbrauchen -> Spam– Schutzmaßnahmen für vertrauliche Maßnahmen notwendig– Kein Tonfall, Blickkontakt in der Kommunikation

Dienste im Internet: FTP – File Transfer Protocol

• FTP ermöglicht die Übertragung von Dateien zum Server – upload und die Übertragung zum Client – download

• Wird verwendet wenn auf Dateien eines öffentlichen Servers zugegriffen werden soll, oder wenn Websites auf einen Webserver transferiert werden sollen.

Dienste im Internet: Das WWW – World Wide Web

• Das WWW, Web, W3 ist ein Netzwerk mit– einheitlicher Adressierung (URL)– einheitlichen Bedienprinzipien– einem standardisiertem Dokumentenformat (HTML)

• Webseiten (HTML-Dokumente) werden über Webserver verwaltet und mit dem HTTP übertragen

• Webseiten werden über Browser angezeigt zB Internet Explorer, Opera, Mozilla, Google Chrome

• Die Adressierung erfolgt über das allgemeine Muster:

Dienste im Internet: Das Web 2.0

• Das Web 1.0– Statisch, E-Mail, Hyperlinks, Unternehmen nutzen Websites

als Angebotskataloge

• Das Web 2.0– Dynamisch, Webseiten als Plattform, Individualisierung,

Kunden werden als Partner gesehen– Websites bieten sozialen Raum– Weblogs laden zum Mitmachen ein– Durch Tagging machen Anwender Inhalte leichter auffindbar– Das Web 2.0 wird auch als „Mitmach-Web“ bezeichnet

Recherchieren und Publizieren• Eingabe eines URLs – Trial and Error• Recherchieren über eine Suchmaschine:

1. Anwender gibt Suchanfrage ein

2.

3.

Recherche mit Suchmaschinen

• Durch unterschiedliches Ranking liefern unterschiedliche Suchmaschinen unterschiedliche Ergebnisse.

• Viele Ergebnisse werden ausgegeben• Brauchbare Informationen müssen von unbrauchbaren

getrennt werden.• Beispiele für Suchmaschinen:

– Google, Altavista, Bing, Yahoo.

Recherche mit Web-Katalogen

Suche nach Kategorien ,weniger Adressen, Angebote (besser) sortiert, Beispiele: web.de, allesklar.de.

Recherche mit Meta-Suchmaschinen

• Fragt gleichzeitig über mehrere Suchmaschinen/ Kataloge ab.

• Nutzt Datenbanken anderer Suchmachinen, eventuell eigene Sortierung

• Recherche ist umfangreicher, gründlicher• Weniger Kriterien einstellbar, höherer Aufwand beim

aussortieren unrelevanter Informationen• Beispiele: metager.de, appolo7.de, metacrawler.de

Erfolgsfaktoren beim Publizieren

• Einige Erfolgsfaktoren sind:– Hochwertige Inhalte

• Interessantheit, Korrektheit der Information, Mehrwert des Beitrags, Verständlichkeit gemäß der Zielgruppe, angemessener Umfang.

– Aktualität der Inhalte• Regelmäßige Überarbeitung der Informationen

– Originalität der Präsentation• Benutzerfreundlichkeit, gelungenes Verhältnis von

Schönheit und Funktionalität, Barrierefreiheit

Übungsfragen:

• Beschreiben Sie drei Formen der Recherche im Internet?

• Worauf kommt es beim Publizieren im Internet an?

Kommerzielle Nutzungsmöglichkeitendes Internets

• E-Business– Durchführung von Geschäftsprozessen mittels

IuK-Technologie -> elektronisches Unternehmen, beinhaltet E-Commerce

• E-Learning– Lehren- und Lernen mittels IuK-Technologie

• E-Goverment– Verwalten und Regieren mit IuK-Technologien

Kommerzielle Nutzungsmöglichkeiten: Angebote zur Geschäftsanbahnung, Unternehmenskommunikation, direkter Absatzkanal.

E-Commerce – elektronischer Handel

• Betrifft den Verkaufsvorgang– Anbahnung, Vereinbarung und Erbringung der Leistung

• Online Shop: Software zur Abwicklung vonE-Commerce– Produktdarstellung, Werbung– Bestellvorgang, oft ein Warenkorb– Bezahlfunktion– Administrationsfunktion für Betreiber

• Bezahlsysteme: Vorkasse, Rechnung, Bankeinzug, Kreditkarte, … , oder zB Paypal, Giropay

E-Commerce, Klassifikationen

• C2C: Verbraucher an Verbraucher, – zB Auktionshandel, Plattformen

• B2B: Unternehmen an Unternehmen, Handel zwischen Unternehmen und Lieferanten, älteste Form des E-Commerce.– Beschaffung, zB Rohstoffe, elektronische Bauteile, etc.

• B2C: Unternehmer an Verbraucher,– zB Versandhandel

• B2A: Unternehmen an öffentliche Verwaltung, – zB Websites von Behörden

• Rechtliche Bestimmungen:– Fernabsatzgesetz (Widerruf), Telemediengesetz (regelt Internet), E-

Commerce-Gesetz, Konsumentenschutzgesetz.

Rechtsfragen zur Internetnutzung

• Telemediengesetz– Rahmenbedingungen– Kennzeichnungspflicht für Websites– Bekämpfung von Spam– Haftung für gesetzeswidrige Inhalte– Datenschutz, Regelung der Herausgabe von Daten

• Urheberrechtsgesetz– Rechte eines Urhebers an seinem Werk und die Persönlichkeitsrechte

• Bundesdatenschutzgesetz– Regelt den Umgang mit personenbezogener Daten.

§Websites sind Medien, es gelten das:

Datenschutz - Datensicherheit

• Datenschutz– Geregelt im Datenschutzgesetz– Beinhaltet den Umgang mit personenbezogenen Daten– Speicherung, Weitergabe, Löschung – Informationelle Selbstbestimmung

• Datensicherheit– Technische Integrität der Systeme– Sichert die Vertraulichkeit beim Versand und bei der Speicherung von

Daten– Schutz der Daten im technischen Sinn

Internetrecht§Das Internetrecht ist Teil des Medienrechts:

Das Telemediengesetz

• Telemedien sind:– Elektronische Informations- und Kommunikationsdienste– Webshops, Suchmaschinen, Webportale, Podcasts, Chatrooms, und

private Websites.– Ausnahmen: Livestreaming, Internettelefonie, Webradios

• Ausgewählte Bestimmungen:– Telemedien sind zulassungsfrei.– Aufsicht obliegt dem Land der Niederlassung des Anbieters.– Datennutzung ist an rechtliche Bestimmungen oder an die

ausdrückliche Einwilligung der Nutzer gebunden.

§

Das Datenschutzgesetz

• Personenbezogene Daten:– Name, Adresse, Alter, Telefon, Beruf, Geburtsdatum.– Sensible Daten: Gesundheit, rassische ethnische Herkunft, Religion,

politische Überzeugung, Gewerkschaftszugehörigkeit, Sexualität.– Daten von juristischen Personen sind ausgenommen.

• Grundprinzipien:– Datensparsamkeit, Datenvermeidung.– Prinzip der Erforderlichkeit von Daten.– Datensicherheit.– Löschung der Daten bei Wegfall der Erfordernis.

§

Domainrecht

• Topleveldomain-Name– Eigentumsrecht vertraglich festlegen

• Domain-Name– Vergabe nach dem Prioritätsprinzip– Beachtung von Namensrecht, Markenrecht und Wettbewerbsrecht

• Domain Grabbing– Registrierung von Domains, um sie später an interessierte Unternehmen zu

verkaufen.– Unterlassungs- und Schadenersatzanspruch bei Behinderung des

geschäftlichen Verkehrs durch einen Domain Grabber

Vertragsabschlussim Internet

• Zwei übereinstimmende Willenserklärungen, meist über E-Mail, Web-Formulare, oder Online-Auktionen.

Vertragsabschluss über das Internet

• Signaturen dienen zur:– Eindeutigen Zuordnung zu einem Absender– Absicherung, dass Daten unverfälscht vorliegen

• Einfache elektronische Signatur:– Daten sind logisch mit der Signatur verknüpft (freie

Beweiswürdigung)• Fortgeschrittene elektronische Signatur:

– Nur dem Inhaber zuordenbar, nur der Inhaber kann Signatur erstellen.

– Nachträgliche Veränderung der Daten, die mit der Signatur verbunden sind, wird erkannt.

• Qualifizierte elektronische Signatur:– Mit gültigem Zertifikat (Bescheinigung, die Zuordnung ermöglicht)– Entspricht eigenhändiger Unterschrift, gleich vor dem Gesetz.

Rechtliche Aspekte beim E-Commerce

• Allgemeinen Geschäftsbeziehungen (AGB), gelten für gegenwärtige und zukünftige Geschäftsbeziehungen.– Wahrnehmung durch Vertragspartner muss abgesichert sein

• Verbraucherschutz– Zwischen Unternehmen und Privatpersonen– Informationspflichten bezüglich Rückgaberechten etc.– Kund muss angemessene Hilfsmittel zum Erkennen von Eingabefehlern

haben.– Technische Schritte bis zum Vertragsabschluss erklären– Den Zugang einer Bestellung umgehend bestätigen

• Besondere Rechte des Verbrauchers– Widerruf bei Verbraucherverträgen innerhalb von 2 Wochen– Rückgaberecht bei Verbraucherverträgen

Grundlagen der IuK-Technologie

Sicherheit in Netzen

SS 2011

Grundlegendes zur Sicherheit in Netzen

• Der Sicherheitsbegriff– Funktionssicherheit– Informationssicherheit – Datensicherheit– Datenschutz

• Phishing– Der Versuch über gefälschte Websites zu Daten eines Nutzers zu

kommen

• Minimum an Sicherheit: – Virenschutz, Firewall, Ausbildung des Personals

Kryptographie

• Ein Code ist die Zuordnung eines Zeichenvorrates zu einem anderen Zeichenvorrat – Also eine Zuordnungsvorschrift für eine Codierung.

• Kodierung ist die Zuordnung eines Alphabets A zu anderen Alphabeten A1, A2,…, mit denen die selben Informationen dargestellt werden können.

• Dekodierung heißt der umgekehrte Vorgang.

Kryptoanalyse

• Brute-Force-Verfahren: Durchprobieren von Schlüsseln.• Wörterbuch-Angriff: Schlüssel aus Passwortsammlungen werden

nacheinander durchprobiert.• Site Channel Attack: Gewinnung weiterer Informationen aus dem

Klartext, dem Schlüssel oder dem verschlüsselten Text.• Lineare Kryptoanalyse: Lineare Annäherung an den

wahrscheinlichsten Schlüssel.

Der Versuch Informationen aus verschlüsselten Texten zu gewinnen.

Symmetrische Verfahren der Kryptographie

• Schlüssel zur Verschlüsselung wie zur Entschlüsselung sind gleich und geheim.

• Berechnungssicherheit von Schlüssellänge abhängig• Schlüssel müssen geheim bleiben

Asymmetrische Verfahren der Kryptographie

• Verschlüsselung mit öffentlichem Schlüssel, Entschlüsselung mit einem privaten, geheimen Schlüssel.

• Eingesetzt bei E-Mail-Verschlüsselung und bei Signaturen• Einfache Schlüsselweitergabe aber höherer

Verschlüsselungsaufwand

Authentifikation als Anwendung

• Durch Passwörter• Durch Chip-Karten• Biometrische Daten

Überprüft die Korrektheit einer behaupteten Identität

Weitere Anwendungen• PGP-Programm zur E-Mail-Verschlüsselung, asymmetrisches

Verfahren (Nur der Schlüssel wird asymmetrisch verschlüsselt)• Digitale Signatur mit Prüfsummenverfahren (asymmetrisch) –

kein Schutz vor Einsicht in die Daten, lediglich unveränderte Übermittlung wird kontrolliert.

• TLS/SSL (Transport Layer Security/ Secure Sockets Layer)– Verschlüsselungsprotokoll zur sicheren Datenübertragung– In Ergänzung von Protokollen ab Schicht 4.– Authentifizierung unter Nutzung asymmetrischer Verschlüsselung

und Zertifikate.– Datenübertragung mit symmetrischer Verschlüsselung– Sicherstellung der Integrität der Übertragung.– Protokolle zB: HTTPS, POP3S, FTPS

• VPN: Sichere Übertragung über ein unsicheres Netzwerk mit öffentlichen Schlüsseln und einem digitalen Zertifikat.

Übungsfragen

• Welche Punkte umfasst der Sicherheitsbegriff?

• Erklären Sie die Begriffe Code, Kodierung und Dekodierung.

• Erklären Sie die Unterschiede zwischen symmetrischer und asymmetrischer Verschlüsselung?

• Was ist eine Authentifizierung?