IT- und Medientechnik
Vorlesung 3: 01.11.2021
Wintersemester 2021/2022 h_da
Heiko Weber, Lehrbeauftragter
Teil 1: IT- und Medientechnik
Themenübersicht 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
IT- und Medientechnik – Vorlesung 3 am 01.11.2021
3 Heiko Weber
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.
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5 Heiko Weber
Beispiel: einige Third-Party-Libraries im LibreOffice LibreOffice
...
zlib
Kompression von Daten
OpenSSL Verschlüsselung
von Daten
icu
Zeichensätze Sprachregeln
...
spezielle Funktionalität von LibreOffice
Verfügbarkeit von Software und Softwarelizenzen
kommerzielle Software
nicht-kommerzielle Software
Open-Source-Software
Freie Software
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7 Heiko Weber
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
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9 Heiko Weber
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
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11 Heiko Weber
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).
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13 Heiko Weber
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...
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15 Heiko Weber
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
z n z n-1 … z 2 z 1 z 0 (n ∈ ℕ, z
i{0,1}) ∈
Z = Σ z
i· 2
iBinärzahlen
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
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17 Heiko Weber
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
z n z n-1 … z 2 z 1 z 0 (n ∈ ℕ, z
i{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F}) ∈
Z = Σ z
i· 16
iHexadezimalzahlen
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
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19 Heiko Weber
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)
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21 Heiko Weber
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
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23 Heiko Weber
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
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25 Heiko Weber
RGB-Farbwerte
Farbe wird aus 3 Farbwerten gemischt, wobei jeder Wert die Lichthelligkeit der Farbe angibt
R = rot G = grün B = 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
Weiterbearbeitung im Grafikprogramm
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27 Heiko Weber
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 Bild 800 x 600 Pixel
1407 kB 8 kB 29 kB
Foto
800 x 600 Pixel
1407 kB 1017 kB 429 kB
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29 Heiko Weber
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
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31 Heiko Weber
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)
IT- und Medientechnik – Vorlesung 3 am 01.11.2021
33 Heiko Weber
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 99
Größe: 9303 Bytes Größe: 2645 Bytes Größe: 1101 Bytes
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35 Heiko Weber
