Grundlagen der Informatik: Software, Netzwerke und Digitale Bilder

Software-Lizenzmodelle und -Arten

• Freie Software: Kann frei verwendet, verteilt und kopiert werden. Der Quellcode muss zugänglich gemacht werden.
• Unfreie Software (Proprietäre Software): Die Nutzung ist nur Lizenzinhabern gestattet. Die Lizenzgebühr muss bezahlt werden. Die Rechte des Autors dürfen nicht geändert oder die Software verteilt werden.
• Shareware: Wird zur Bewertung mit begrenzter Gültigkeit verteilt.
• Freeware: Eine kostenlose Lizenz wird erteilt. Sie kann von Benutzern frei genutzt werden, aber der Quellcode ist möglicherweise nicht bekannt. Wenn bekannt, dürfen Benutzer ihn nicht ändern.
• Public Domain Software: Wird kostenlos und ohne Lizenz für gemeinnützige Zwecke verteilt.
• Demos: Dienen nur zu Testzwecken und sind nach Ablauf einer bestimmten Zeit nicht mehr nutzbar.

Internet-Grundlagen und Datenübertragung

Historie und Datenübertragung

Das Internet entstand ursprünglich als militärisches Kommunikationsnetz.

Informationsübertragung:

1. Jede Datei wird in einzelne Pakete unterteilt. Jedes Paket wählt eine unabhängige Route, um das Ziel zu erreichen.
2. Die Router empfangen die Pakete und rekonstruieren die gewünschte Datei aus der Reihenfolge der Pakete.

Kommunikationsprotokolle

• TCP (Transmission Control Protocol): Wird verwendet, um Verbindungen aufzubauen und Dateien zu rekonstruieren.
• IP (Internet Protocol): Stellt die eindeutige Adresse für jeden Computer und Internetanschluss bereit.

Internet-Anschluss und Dienste

• Provider (ISP): Bietet den IP-Transit an.
• Festverbindungen (DRSC) / Statische IP:
  1. Telekommunikationsnetz (RBT).
  2. Modem: Konvertiert Signale (Analog/Digital und Digital/Analog).

Zugriff auf Ressourcen und Plattformen

1. Elektronischer Geschäftsverkehr (E-Commerce): Der Prozess des Kaufs und Verkaufs von Dienstleistungen, einschließlich Lieferung und Zahlungsbedingungen.
2. Fernunterricht (E-Learning).

Netzwerk-Hardware und Übertragungsmedien

Netzwerkgeräte

• Switch (Vermittler): Verbindet mehrere Netzwerkgeräte über serielle Ports. Er erstellt eine Tabelle im Speicher, um gezielt den Empfänger der Verbindung auszuwählen.
• Hub (Verteiler): Erzeugt keine Tabelle und hat keinen Speicher. Er leitet das Signal an alle Ports weiter und wählt kein spezifisches Gerät aus. Technologisch ist er weniger anspruchsvoll.

Übertragungsmedien und Hardware

1. Verdrillte Kabel (Twisted Pair): Besteht aus 4 unabhängig voneinander verdrillten Adernpaaren (UTP). An jedem Ende wird ein RJ45-Stecker verwendet.
2. Drahtlos: Benötigt eine WLAN-Netzwerkkarte und einen WLAN-Zugangspunkt (Access Point), der Funksignale sammelt und im Netzwerk verteilt.

Hardware für den Internet-Anschluss

1. Modem: Wandelt digitale und analoge Signale für die Übertragung um.
2. Router: Leitet Daten zwischen lokalen Netzwerken weiter. Er kann mit einem Switch verbunden werden und ermöglicht die Verbindung zum Internet.

Netzwerkprotokolle (Regelwerk für den Datenaustausch)

Protokolle unter Windows XP

1. NetBEUI-Protokoll: Für lokale Netzwerke (LAN) unter Windows 95 und NT verwendet, ohne Kommunikation mit anderen lokalen Netzen.
2. IPX/SPX: Wird von Microsoft unterstützt.
3. TCP/IP: Besteht aus 5 Schichten (Layern):
   • Schicht 5 (Anwendungsschicht): Wird verwendet, um Inhalte anzuzeigen, Dateien zu übertragen etc.
   • Schicht 4 (Transportschicht): Interne Transporte.
   • Schicht 3 (Vermittlungsschicht/Netzwerkschicht).
   • Schicht 2 (Sicherungsschicht/Link-Schicht).
   • Schicht 1 (Physikalische Schicht): Elektrische und physikalische Aspekte.

IP-Adressierung und Netzwerk-Klassifizierung

Die IP-Adresse

Eine IP-Adresse ist eine Folge von vier durch Punkte getrennten Zahlen, wobei jede Zahl einen Wert zwischen 0 und 255 annehmen kann.

Klassen von IP-Adressbereichen

1. Klasse A:
   • Bereich: 0.0.0.0 bis 127.255.255.255
   • Standard-Subnetzmaske: 255.0.0.0
2. Klasse B:
   • Bereich: 128.0.0.0 bis 191.255.255.255
   • Standard-Subnetzmaske: 255.255.0.0
3. Klasse C:
   • Bereich: 192.0.0.0 bis 223.255.255.255
   • Standard-Subnetzmaske: 255.255.255.0

Netzwerk-Computing und Vorteile

Ein Netzwerk ist eine Reihe von miteinander verbundenen Computern, die den Zugriff auf gemeinsame Ressourcen (Hardware und Software) ermöglichen.

Vorteile von Netzwerken: Video-Sharing, Informationsaustausch, Kontrolle von Sicherheitskopien, schnellere und sicherere Prozesse.

Arten von Netzwerken (nach Reichweite)

• PAN (Personal Area Network): Wenige Meter entfernt (persönlicher Bereich).
• LAN (Local Area Network): Lokale Bereiche (z. B. Klassenzimmer, Büro).
• CAN (Campus Area Network): Verschiedene Gebäude.
• MAN (Metropolitan Area Network): Stadtgebiet.
• WAN (Wide Area Network): Verschiedene Länder (große, weitreichende Netze).

Drahtlose Netzwerke (WLAN) und Sicherheit

Netzwerkverbindung

Der Netzwerkanschluss ermöglicht es dem Computer, sich mit einem bestehenden Netzwerk oder dem Internet zu verbinden. Jede Netzwerkkarte stellt eine Netzwerkverbindung her.

WLAN (Wireless Local Area Networks)

WLANs zeichnen sich dadurch aus, dass die Übertragung drahtlos erfolgt, was im Vergleich zur Verkabelung erhebliche Einsparungen ermöglicht, wenn mehrere Geräte miteinander verbunden werden.

Wichtige Drahtlos-Technologien

1. Infrarot: Ermöglicht die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation zwischen zwei Geräten mittels LED-Infrarot-Sender/Empfänger. Nachteilig ist, dass die Geräte einander zugewandt sein müssen. Die Übertragungsrate ist gering.
2. Bluetooth: Eine Technologie, die es drahtlosen Geräten im persönlichen Bereich ermöglicht, sich zu verbinden.
   • Ermöglicht die Integration des Geräts in ein lokales Netzwerk und den Zugriff auf dessen Speicher.
   • Die Übertragungsgeschwindigkeit beträgt bis zu 400 KByte/s, die Reichweite liegt zwischen 10 und 29 Metern.
   • PIM-Dateiübertragung: Ermöglicht den Austausch von Daten wie Kalendereinträgen und Kontakten.
   • Dateiübertragung: Führt Dateioperationen in einem Verzeichnis des Geräts durch.
   • Netzwerk-Fernzugriff: Ermöglicht die Freigabe der Netzwerkverbindung, sodass angeschlossene Geräte ein privates Netzwerk bilden können.
   • Serielle Schnittstellen: Ermöglichen die Verbindung entfernter Geräte über einen drahtlosen seriellen Anschluss.
   • Audio-Gateway: Ermöglicht die Nutzung entfernter Audiogeräte (z. B. Lautsprecher, Mikrofone).
   • Headset: Ermöglicht die Nutzung von Eingabe- und Ausgabegeräten, die nicht dem eigenen Gerät zugeordnet sind.
3. Wi-Fi: Ein System, das die Verbindung über die Luft als Übertragungsmedium ermöglicht.

Drahtlose Verbindungsmodi

1. Ad-Hoc-Modus: Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen drahtlosen Geräten, typischerweise für die direkte Kommunikation zwischen zwei Computern.
2. Infrastruktur-Modus: Die Kommunikation wird über drahtlose Access Points organisiert, die als Vermittler zwischen allen Punkten des Netzes dienen.

Netzwerksicherheit

Firewall: Eine Sicherheitsbarriere, die Informationen filtert und unbekannte Software prüft. Sie erlaubt oder reduziert den Datenverkehr abhängig von ihrer Konfiguration.

Digitale Bilder und Farbmodelle

Netzwerkkabel-Belegung (Standard T568B)

Reihenfolge der Adern: Weiß-Orange, Orange, Weiß-Grün, Blau, Weiß-Blau, Grün, Weiß-Braun, Braun.

Grundlagen Digitaler Bilder

Digitale Bilder werden mit einem Scanner oder einer Digitalkamera erfasst und in Bits gespeichert. Sie können mit Bildverarbeitungssoftware (z. B. GIMP) bearbeitet werden.

Pixel und Farbtiefe

Pixel: Dies sind die Einheiten, aus denen das Bild besteht. Ein digitales Farbbild besteht aus Pixeln, die durch die Dimensionen (Höhe und Breite) und die Farbtiefe definiert sind.

Die Farbtiefe (oder Bittiefe) ist die Maßeinheit, die angibt, wie viele Bits pro Pixel zur Verfügung stehen. Sie bestimmt die Anzahl der darstellbaren Farben.

Farbmodelle und Bittiefe

• Bitmap (Schwarz-Weiß): Ein Bild, bei dem jedes Pixel nur einen Bitwert (Farbe, Weiß oder Schwarz) hat.
• Graustufen: 8 Bit pro Pixel, was 256 Graustufen ermöglicht.
• Indizierte Farben: Ein Kanal mit 8 Bit pro Pixel, der 256 verwendete Farben ermöglicht (häufig für Multimedia).
• RGB (Rot, Grün, Blau): Bietet eine hohe Farbauflösung. Die Summe der drei Farben ergibt weißes Licht. Dieses System verwendet 3 Kanäle mit einer Tiefe von 24 Bit pro Pixel und reproduziert 16,7 Millionen Farben.
• CMYK (Cyan, Magenta, Gelb, Schwarz): Wird im Druckwesen und bei Pigmenten verwendet. Nutzt 4 Kanäle mit 32 Bit pro Pixel.
• HSB (Farbton, Sättigung, Helligkeit):
  • Farbton (Hue): Die Farbe (Rot, Grün, Blau), ausgedrückt in Grad.
  • Sättigung: Die Reinheit der Farbe.
  • Helligkeit (Brightness): Die Lichtintensität und Farbstärke.

Bildauflösung

Die Auflösung wird durch die Anzahl der Pixel pro Flächeneinheit angegeben (z. B. Pixel pro Zoll). Die Standardauflösung für PC-Bildschirme beträgt 72 Pixel pro Zoll (ppi).

Die Bildschirmauflösung wird üblicherweise durch die Gesamtpixelanzahl gemessen (z. B. 600x430, 1800x600 und 1024x768, wobei die letzten beiden am häufigsten sind). Je höher die Bildschirmauflösung, desto kleiner die Pixelgröße und desto höher die Bildschärfe.

Digitale Bildformate

Es wird zwischen Bitmap- und Vektorgrafiken unterschieden.

Bitmap-Formate (Rastergrafiken)

• BMP: Hohe Qualität, aber sehr große Dateien.
• TIFF: Wird für hochwertige Druckbilder verwendet.
• XCF: Das native GIMP-Dateiformat. Ermöglicht das Speichern von Bildern mit Ebenen.
• PICT: Ein charakteristisches Format für die MAC-Plattform. Ermöglicht verlustfreie Komprimierung.
• JPG/JPEG: Das am weitesten verbreitete Format im Internet aufgrund des geringen Dateigewichts, verliert jedoch bei der Komprimierung an Qualität.
• GIF: Sehr verbreitet im Internet. Ermöglicht verlustfreie Komprimierung, animierte Grafiken und Transparenz.
• PNG: Vereint die Vorteile von JPG und GIF. Wird häufig wegen seiner Komprimierungskapazität mit geringem Verlust und der Möglichkeit der Transparenz verwendet.

Kompressionsverfahren für Bilder

• RLE (Run-Length Encoding): Gängiges Verfahren, oft in Windows-Formaten verwendet.
• LZW (Lempel-Ziv-Welch): Wird von GIF und TIFF verwendet, besonders effektiv bei Bereichen mit einer einzigen Farbe.
• JPEG-Kompression: Bietet die besten Ergebnisse für fotografische Bilder, da der Komprimierungsgrad wählbar ist.

Vektor-Bildformate

• WMF (Windows Metafile): Weit verbreitet.
• SMF: Vektor-Animationsbilder für Webseiten.
• EPS (Encapsulated PostScript): Format für den Export von Bildern.
• PDF (Portable Document Format): Bietet Kompatibilität zwischen Mac- und PC-Plattformen.

Netzwerk-Architektur und Komponenten

Grundlagen des Network Computing

Network Computing liegt vor, wenn zwei oder mehr Computer miteinander verbunden sind, um Informationen auszutauschen. Durch die Verbindung mehrerer Computer kann ein kleines Computernetzwerk aufgebaut werden.

Netzwerktopologie

Die in den meisten kleinen Netzwerken verwendete Technologie ist die Stern-Topologie. Hier laufen alle Kabel zu einem zentralen Punkt. Wenn ein Kabel bricht, fällt nur der betroffene Computer aus.

Wichtige Komponenten

• Netzwerkkarte: Fungiert als Vermittler zwischen dem Netzwerk und dem Computer.
• Netzwerkkarten-Treiber: Integrierte Programme, die die Netzwerkkarte funktionsfähig machen.
• Netzwerkprogramm: Ein Programm, das auf einem Computer installiert wird und von anderen Computern im Netzwerk genutzt werden kann.
• Netzwerk-Datenbank: Speichert alle Informationen über die im Netzwerk verbundenen Computer.
• Server: Ein Computer, der Dienste bereitstellt.
• Spezielle Server-Computer: Ähneln normalen Computern, verfügen jedoch über hochwertigere Komponenten und sind darauf ausgelegt, lange Zeit ohne Ausfall zu funktionieren.

Spezielle Verbindungen

• Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (drahtlos): Werden häufig verwendet, wenn zwei Computer über ihre Wireless-Karten direkt miteinander kommunizieren sollen.
• Modem-Anschluss: Die isolierte Verbindung eines einzelnen Computers mit dem Internet.