IT- und Medientechnik

IT- und Medientechnik

Vorlesung 3: 01.11.2021

Wintersemester 2021/2022 h_da

Heiko Weber, Lehrbeauftragter

IT- und Medientechnik – Vorlesung 3 am 01.11.20212 Heiko Weber

Teil 1: IT- und MedientechnikThemenübersicht der Vorlesung

Hardware und Software Hardware: CPU, Speicher, Bus, I/O, ... Software: System-, Unterstützungs-, Anwendungssoftware

Software-Entwicklung Quellcode, Programmiersprachen, Dokumentation Software-Entwicklungsphasen, -Entwicklungsmethoden, -Komponenten, -Lizenzen

Digitalisierung von Inhalten und Informationen Daten: Informationen, Bits, Bytes, Binärsystem, Hexadezimalsystem Dateien, Dateisysteme, Datenformate, Kompression

Netzwerke und Internet Netzwerk-Strukturen, Geschichte des Internets, Techniken der Datenübertragung Protokolle und Technologien, Standards, WWW, Cloud, IoT

Weitere Technologien Datensicherung, Virtuelle Maschinen


DevOps

DevOps = Development + Operations

Zusammenlegung bzw. Enge Integration zwischen Software-Entwicklung (Development) und Betrieb (Operations) einer Softwareanwendung.

Insbesondere in Cloud-basierten Softwareanwendungen (SaaS) häufig eingesetzt.

Gemeinsame oder eng aufeinander abgestimmte Prozessaufläufe zwischen Dev und Ops.

Folgt den agilen Prinzipien und hat das Ziel Neuentwicklungen und Anpassungen an der Software möglichst schnell und reibungslos (möglichst kurzen Ausfallzeiten) in den Betrieb zu überführen.

Software wird von Anfang so konzipiert, dass sie in der Produktivumgebung schnell und reibungslos zum Einsatz kommen kann.


CI/CD

Zwei agile Software-Entwicklungsansätze, die im Kontext von DevOps oft zum Einsatz kommen – oft auch in Kombination.

CI = Continuous Integration Sobald die Software ein wenig weiterentwickelt wurde (idealerweise täglich), wird direkt getestet

(mittels Integrationstests) ob die Anpassungen mit dem Gesamtsystem noch reibungslos zusammenpassen.

Ziel: möglich früh Probleme zwischen den verschiedenen Komponenten eines Softwaresystems erkennen.

CD = Continuous Delivery Zusätzlich zu den kontinuierlichen Integrationstests werden auch Kriterien festgelegt, die dazu führen,

dass die Weiterentwicklungen direkt in der Produktivsystem überführt (Delivery) werden. Z. B. Eine gewisse Menge von Tests erfolgreich sind, kann die weiterentwickelte Software direkt in das

Produktivsystem installiert werden. Somit ein wichtiger Bestandteil der DevOps-Methode.


Beispiel: einige Third-Party-Libraries im LibreOffice

LibreOffice

...zlib

Kompressionvon Daten

OpenSSLVerschlüsselung

von Daten

icuZeichensätzeSprachregeln

...

spezielle Funktionalität von LibreOffice


Verfügbarkeit von Software und Softwarelizenzen

kommerzielle Software

nicht-kommerzielle Software

Open-Source-Software

Freie Software


Open-Source-Software

Quellcode ist öffentlich verfügbar

meist wird Open-Source-Software in öffentlichen Projekten entwickelt und beliebige Entwickler können ihre Änderungen einarbeiten oder zumindest vorschlagen

Open-Source heißt nicht unbedingt kostenlos z. B. kann in der Lizenz für spezielle Nutzung eine Lizenzgebühr gefordert oder evtl. sogar eine

kommerzielle Nutzung ausgeschlossen werden

Einsicht in den Quellcode >> mehr Vertrauen und Sicherheit keine Geheimnisse und unwahrscheinlicher, dass Hintertüren im Programm enthalten sind

Beispiele: OpenOffice/LibreOffice, Firefox-Browser, Thunderbird E-Mail-Programm,

Linux-Betriebssystem (Ubuntu, Mint, Fedora, SuSE, ...), ...


Softwarelizenzen

regeln die Nutzung der Software bzw. der Softwarebibliotheken

geregelt wird meistens wie und von wem darf die Software genutzt werden (zu welchem Zweck, auf welcher Hardware, ...)

darf die Software modifiziert werden wie darf die Software verteilt werden (kommerziell, inkl. Quellcode, inkl. Lizenztext, ...)

gängige Softwarelizenzen GNU General Public License (GPL)

● erlaubt kostenlose Nutzung und Modifizierung des Codes – offener Quellcode● wenn GPL-Softwarebibliotheken eingesetzt werden, muss die resultierende Software auch als GPL angeboten

werden Apache License & BSD License

● erlaubt kostenlose Nutzung und Modifizierung des Codes● erlaubt zudem Nutzung in kommerzieller und Closed-Source-Software


Freie Software

„Frei“ in „Freie Software“ bezieht sich auf Freiheit, nicht auf den Preis

die Freiheit, das Programm für jeden Zweck auszuführen die Funktionsweise eines Programms zu untersuchen, und es an seine Bedürfnisse anzupassen Kopien weiterzugeben und damit seinen Mitmenschen zu helfen ein Programm zu verbessern und die Verbesserungen an die Öffentlichkeit weiterzugeben, sodass die

gesamte Gesellschaft profitiert

Free Software Foundation Europe: http://fsfe.org/


Freie Software

K touch

TrisquelOpenBSD

Apache,

(O ASIS

Stif tungen wie die FSFE,

EVENTS: BLOGOSPHERE:

FOREN:

E-MAIL-VERTEILER:

97% der TOP500 Supercompute r

Li nuxTag,

GHM

pl anet gnu,blog.o fse t. org

Linuxforen.de,Linux Questi ons

debian-users-de, blag- users

G NU Herds

PostgreSQL,

Sc ribus, Inksc ape,K3b

Fire fox,

Blender,

Icecat

Audac ity,

G IMP,

100%fr ei

Ubuntu

OpenSola ris

Debian gNewSense

Ututo

FrOSCon, CLT461(D E),

EmacsWi ki ,wik i.debian. orgOFTC, freenode

X.org,My SQ L

PHP,Apache,

Gnome,Window Maker,Linux -Kernel,

KDE,Enlightenment,

GNU,

GPLBSD,

Creative Commons (SA)

(Copyle ft ),

und Pro jekte w ie:

Ber kel ey

ExtremaduraDeutschland, Frankreich, Brasil ien, China

MIT,

IBMGoogle,NASA

Wi kipedia , G reenpeaceUNESCO,

und ISO)OD F(W3C)HTML,XML

UTF- 8

Autor : René M érou ( 201 2-06-04

ORGANISATIONEN:

faqs.org l ist >1800, davon 166 in D-A- CHBERATER:

TREFFEN:LUGS :

WIKIS:IRC (Chats):(IETF) aKademy,

) did akt isches Mater ial

Anl eitungen

mit

braucht

BENUTZENVERTEILEN

WEITER

DISTRIBUTIONEN

Freihei t für j eden Zwec k

damit das Programm mac ht was D u wil lst

(Freiheit 1)

Kopien für Jedermann (Freihei t 2)

OFFENE STANDARDS

LERNE ANZUPASSEN

FREIE LIZENZEN

QUELLCODE

BINÄRPROGRAMMEFREIE

INHALTE

zusa mmengefasst in

FREIE SOFTWARE

ist

für

UNTERSTÜTZUNG

kooperieren(Netiquette)

wählen aus

so dass die ganze Community profitiert

(Freiheit 3)

EIN ETHISC HER WEG SOFTWARE ZU VERSTEHENi n i hre r Entwick lung, Kommerzi al isierung,

Ve rte ilung und Benutzung

Lokal isie rungen, Vorlagen, Geräusc he, Handbücher und Informationen,

Sc hri ftarten, Überse tzungen, Bil dern, FAQs , Anleitungen

ENTWICKLER

erstellen und debuggen

VERBESSERUNGEN WERTE

BENUTZER

geben und bekommen

Ethi k, Krea ti vität, keine D iskriminierung, E ffi zienz, Wi ssenscha ft, Wettbewerb, Priva tsphäre , Koopera tion, Transparenz, Si cherhe it, Sol idarität und

am wic htigsten Frei hei t

NGOs:INSTITUTIONEN:

FIRMEN:LÄNDER/REGIONEN:

UNIVERSITÄTEN:

Neust e Vers ion dieser K onzep t-Kar te der Fr ei en Software (G FD L) unt er : es .gnu .or g/~ r en eme/fsmap/de) Übersetzung: A xel Beckert (abe@d eu xch evaux.or gh @es.gn u.org

Über set zu ngen und K ommentare

(Freiheit 0 )

und 17(AT)14(CH)

siehe auch Li nux-Verband.de

erlauben

Li breO ffice,


Die ersten Computer

Bild: Venusianer (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Z3_Deutsches_Museum.JPG), „Z3 Deutsches Museum“, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode

Der Z3, der erste funktionsfähige Digitalrechner weltweit, wurde 1941 gebaut. Er bestand aus 600 Relais für das Rechenwerk und 1400 Relais für das Speicherwerk.

Relais sind elektromagnetische Schalter, die entweder eingeschaltet sind (der Strom fließt) oder ausgeschaltet sind (der Strom fließt nicht).


Binärzahlen

intern kennt auch ein moderner Computer nur 0 (Schalter aus) und 1 (Schalter ein)

Speicher besteht aus vielen kleinen Schaltern (Transistoren), die jeweils entweder an oder aus sind

also eine Reihenfolge von 0 und 1

z. B. 00101011110101

>> Binärsystem


Bits und Bytes und Words

Bit ein einzelner Wert von 0 oder 1

Byte ein Wert, der aus 8 Bits besteht (Zahlen von 0 bis 255 können dargestellt werden) z. B. 00010111

● kB = kilobyte = 1 000 Bytes● MB = megabyte = 1 000 000 Bytes● GB = gigabyte = 1 000 000 000 Bytes● TB = terabyte = 1 000 000 000 000 Bytes● PB = petabyte = 1 000 000 000 000 000 Bytes

Word die kleinste adressierbare Einheit in einem Computer die meisten Computer heute sind 64-Bit-Systeme also wäre ein Word typischerweise 64 Bit oder 8 Byte lang Hinweis: da viele Jahre lang 16-Bit-Systeme der Stand der Technik waren und zu der Zeit auch die meisten Programmiersprachen

entstanden sind, wird häufig auch heute noch 16 Bit als Word bezeichnet...


Binärzahlen

Zahlensystem zur Darstellung von Werten, die nur aus 2 verschiedenen Ziffern bestehen – im Gegensatz zum gewohnten Dezimalsystem, welches 10 verschiedene Ziffern nutzt

Ziffern: 0 und 1

Stellenwertsystem mit der Basis 2

i = 0

n

zn zn-1 … z2 z1 z0 (n ∈ ℕ, zi {0,1})∈

Z = Σ zi · 2i


Binärzahlen

Dezimal Binär

0 0

1 1

2 10

3 11

4 100

5 101

6 110

7 111

Dezimal Binär

8 1000

9 1001

10 1010

11 1011

12 1100

13 1101

14 1110

15 1111


Hexadezimalzahlen

Zahlensystem zur Darstellung von Werten, die aus 16 verschiedenen Ziffern bestehen – im Gegensatz zum gewohnten Dezimalsystem, welches 10 verschiedene Ziffern nutzt

Ziffern: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F

A=10, B=11, C=12, D=13, E=14, F=15

Stellenwertsystem mit der Basis 16

i = 0

n

zn zn-1 … z2 z1 z0 (n ∈ ℕ, zi {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F})∈

Z = Σ zi · 16i


Hexadezimalzahlen

Dezimal Binär Hexadez.

0 0 0

1 1 1

2 10 2

3 11 3

4 100 4

5 101 5

6 110 6

7 111 7

Dezimal Binär Hexadez.

8 1000 8

9 1001 9

10 1010 A

11 1011 B

12 1100 C

13 1101 D

14 1110 E

15 1111 F

16 10000 10


Daten und Dateien

Daten

letztendlich sind Daten eine Reihenfolge von 0 und 1, die einen entsprechenden Inhalt darstellen

grob wird unterschieden zwischen: Binärdaten: die Reihenfolge von 0 und 1 hat eine spezielle Semantik für einen speziellen Anwendungsfall Textdaten: die Reihenfolge von 0 und 1 stellt Zeichen dar, die anwendungsunabhängig dargestellt werden

können, aber die Zeichen haben normalerweise auch eine spezielle Semantik für einen speziellen Anwendungsfall

Dateien

Daten werden in Container zusammengefasst, damit sie einfacher gespeichert und geladen werden können - diese werden als Dateien bezeichnet

oft gibt die Endung einer Datei an, von welchem Typ die Daten sind z. B. mp3, doc, xls, txt, html, png


Dateisysteme

damit Dateien in einem Speicher abgelegt und von dort wieder gelesen werden können, muss der Speicher eine spezielle Struktur haben, um die Dateien zu adressieren (z.B. über den Namen)

eine solche Speicher-Struktur für Dateien wird als Dateisystem bezeichnet

es gibt viele verschiedene Dateisysteme, die für spezielle Anwendungen optimiert sind (z.B. für sehr große Dateien, für schnelles Lesen, für schnelles Schreiben, für wenig Speicherverbrauch, …)

gängige Dateisysteme: NTFS – New Technology File System (gängig auf Windows) ext4 – fourth extended file sytem (gängig auf Linux) HFS+ - Hierarchical File System Plus (gängig auf Mac) FAT – File Allocation Table (kompatibel zu vielen Betriebssystemen)


Medienformate

für spezielle Typen von Daten gibt es verschiedene Medienformate – hier sind einige beispielhaft aufgeführt:

Video MPEG – Motion Picture Experts Group (*.mpg, *.mpeg) AVI – Audio Video Interleave (*.avi) WMV – Windows Media Video (*.wmv)

Audio MP3 – MPEG Audio Layer 3 (*.mp3) WAVE (*.wav)

Textverarbeitung Word Document (*.doc) OpenDocument-Text (*.odt)


Medienformate im Internet

Media-Types verwaltet von der IANA:

http://www.iana.org/assignments/media-types/media-types.xhtml unterteilt in 9 Kategorien:

application, audio, example, image, message, model, multipart, text, video

wird im HTTP-Header, Mail-Header etc. mitgeschickt, damit das verarbeitende Programm (z.B. der Webbrowser) mitgeteilt bekommt, was für Daten geschickt werden

Syntax: Kategorie/Typ

Beispiele PNG-Grafiken: image/png HTML-Seiten: text/html


Speicherformate

Daten sind immer nur Nummern, die aber je nach Anwendung eine spezielle Semantik haben

für Textdaten werden Zeichencodes gespeichert, bei denen jeder Code einem Zeichen zugeordnet ist z. B. ASCII-Zeichensatz

für Bild- und Video-Daten werden für Pixel (Bildpunkte) oder andere Objekte in einem Bild die Farbwerte gespeichert z. B. RGB für Bilder, die am Bildschirm angezeigt werden z. B. CMYK für Bilder, die gedruckt werden


druckbare Zeichen im ASCII-Zeichensatz


RGB-Farbwerte

Farbe wird aus 3 Farbwerten gemischt, wobei jeder Wert die Lichthelligkeit der Farbe angibt

R = rotG = grünB = blau

normalerweise Werte von 0 bis 255 (1 Byte) pro Farbe

(0,0,0) = Hexadezimal = (0,0,0) #000000

(255,0,0) = Hexadezimal = (FF,0,0) #FF0000

(0,0,255) = Hexadezimal = (0,0,FF) #0000FF

(255,255,0) = Hexadezimal = (FF,FF,0) #FFFF00


Verschiedene Grafikformate

es gibt verschiedene Grafikformate, weil: unterschiedliche Bildtypen sich mit unterschiedlichen Verfahren optimal speichern lassen für unterschiedliche Zwecke auch unterschiedliche Informationen in den Grafik-Dateien gespeichert

werden müssen

Bildtypen Fotos Grafiken mit großen einheitlichen Flächen Grafiken mit viel Text Vektorgrafiken

Zwecke betrachten auf dem Monitor drucken Weiterbearbeitung im Grafikprogramm


BMP, PNG, JPEG – Grafikformate

BMP - Bitmap jeder Pixel wird einzeln abgespeichert verlustfreies Format

PNG – Portable Network Graphics Flächen gleicher Farben werden zusammengefasst verlustfreies Format gut für einfache Bilder

JPEG – Joint Photographic Experts Group Flächen ähnlicher Farben werden zusammengefasst verlustbehaftetes Format gut für komplexe Bilder – z. B. Fotos


BMP, PNG, JPEG – Grafikformate - Größenunterschiede

BMP PNG JPEG

einfaches Bild800 x 600 Pixel

1407 kB 8 kB 29 kB

Foto800 x 600 Pixel

1407 kB 1017 kB 429 kB


was ist Kompression? Datengröße verkleinern, so dass die Daten wieder zurück in den Original-zustand

oder einem äquivalenten Zustand gebracht werden können Verkleinern: Kompression Zurückkonvertieren in Original: Dekompression

wieso Kompression? Platz auf Speichermedien sparen Datenübertragung beschleunigen, weil weniger Daten übertragen werden müssen

z. B. im Internet oder Mobilfunknetz z. B. beim Lesen von oder Speichern auf Festplatte

Einige Daten, z. B. reine Textdaten, lassen sich sehr gut verkleinern – andere Daten, z. B. viele Bild- und Audioformate, lassen sich kaum oder nur wenig verkleinern, weil sie oft schon in ihrem Speicherformat eine Kompression enthalten haben.

Kompression


Kompressionsverfahren

verlustfrei der Originalzustand kann 100% wieder hergestellt werden

Musterersetzung: wiederholende Muster suchen und durch kürzere ersetzen

Entropie-Codes: Huffman-Code, arithmetische Codierung

dynamische Codebuch-Kodierung

verlustbehaftet ja nach Datentyp, muss nicht unbedingt der Originalzustand wieder hergestellt

werden, sondern reichen Daten, die die gleichen Eigenschaften haben (also z. B. ein Bild, welches gleich aussieht, oder eine XML-Datei, die semantisch äquivalent ist)

bei verlustbehafteter Kompression, kann oft auch die Qualität eingestellt werden


Gängige allgemeine Kompressionsprogramme

allgemein = können für beliebige Daten benutzt werden

ZIP (*.zip) gängigstes Format – Quasi-Standard auf Windows kommerzielles Programm: https://www.winzip.de/

7ZIP (*.7z) offene Kompressions-Architektur, die eine Vielzahl an Kompressionsverfahren unterstützt kostenloses Open-Source-Programm: https://www.7-zip.de/

gzip / Gnu ZIP (*.gz) Standard auf Linux-Systemen – eigentlich automatisch dabei

gzip2 (*.bz) höhere Kompressionsrate als GZIP, aber auch langsamer


Anwendungsbereiche für Kompression

eigentlich überall wo Daten gespeichert oder übertragen werden, kann eine Kompression eingesetzt werden

insbesondere wenn größere Datenmengen gespeichert werden, wird Kompression häufig eingesetzt

wenn langsame Datenübertragungskanäle genutzt werden (z. B. Mobilfunknetz)

wenn kleinere Speichermedien eingesetzt werden (z. B. Software-Installation von CD/DVD)


Spezielle Kompression

Bilder größere Farbflächen zusammenfassen ähnliche Farben zusammenfassen Transformationen z. B. JPEG

Audio Frequenzbereiche rausschneiden, die für das menschliche Ohr nicht oder kaum wahrnehmbar sind mathematische Funktionen z. B. MP3

Video (Bildsequenzen+Audio) Kombination aus den Kompressionsverfahren für Bilder und Audio


JPEG-Kompressions-Faktor

Faktor 1 Faktor 50 Faktor 99Größe: 9303 Bytes Größe: 2645 Bytes Größe: 1101 Bytes


PNG-Farbreduktion

24 Bit 8 Bit 4 Bit16,7 Millionen Farben 256 Farben 16 FarbenGröße: 10566 Bytes Größe: 4244 Bytes Größe: 1857 Bytes

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