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Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II 18.06.2013 Gliederung 1 1. Wissenschaft Informatik 2. Modularisierung 3. Grundstrukturen 6. Kommunikation in.

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1 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Gliederung 1 1. Wissenschaft Informatik 2. Modularisierung 3. Grundstrukturen 6. Kommunikation in Netzen 4. Datenstrukturen 5. Algorithmen Kurshalbjahr 11/I Datei klasse11I.pptx muss sich im selben Ordner befinden.

2 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Gliederung 2 5. Algorithmen 5.1. Sortieralgorithmen 5.2. Iteration und Rekursion 5.3. Aufwandsbetrachtungen 5.4. Berechenbarkeit 6. Kommunikation in Netzen 6.1. Kommunikationsebenen 6.2. Strukturen vernetzter Systeme (Topologie) 6.4. Datenübertragung in lokalen Netzen 6.5. Datenübertragung in Weitverkehrsnetzen 6.3. Adressierungen 6.6. Schichtenmodell (Referenzmodell)

3 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Algorithmen | GliederungAlgorithmen Gliederung 5.2. Iteration und Rekursion Sortiere(1,8) 531 Sortiere(1,3) Sortiere(5,8) Sortiere(7,8) Der Sortieralgorithmus Quick-Sort arbeitet nach dem Prinzip der Rückführung eines Problems auf ein vergleichbares Problem geringerer Größenordnung. So wird im Beispiel die Sortierung einer Liste der Länge 8 auf die Sortierung zweier Listen der Länge 3 bzw. 4 zurückgeführt. rekursiv arbeitende Algorithmen Aufwände

4 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II "Als Rekursion (lat. recurrere zurücklaufen) bezeichnet man die Technik in Mathematik, Logik und Informatik, eine Funktion durch sich selbst zu definieren (rekursive Definition)." 1 1 Rekursion am Beispiel der Potenzberechnung entsprechendes Struktogramm potenz ( b, e ) e = 0 ? Rückgabe : 1Rückgabe : b * potenz ( b, e-1 ) AbbruchRekursiver Aufruf Algorithmen | GliederungAlgorithmen Gliederung 5.2. Iteration und Rekursion

5 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II p ( b, e ) e = 0 ? 1 b * p (b, e-1) Algorithmen | GliederungAlgorithmen Gliederung Potenz f ( n ) n = 0 oder n=1? 1 f (n-1) + f (n-2) Fibonaccizahl p(2,4) 2*p(2,3) 2*p(2,2) 2*p(2,1) 2*p(2,0) f(4) f(3) f(1) 1 f(2) f(1) 1 f(0) 1 f(2) f(1) 1 f(0) 1 Lineare RekursionBaumrekursion 5.2. Iteration und Rekursion

6 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Zusammenfassung 6 Algorithmen | GliederungAlgorithmen Gliederung Iteration 2 2 Methode, sich der exakten Lösung eines Rechenproblems schrittweise anzunähern wiederholte Anwendung desselben Rechenverfahrens Ergebnisse eines Iterationsschrittes werden als Ausgangswerte des jeweils nächsten Schrittes genommen Umsetzung i.Allg. durch Schleifen Rekursion 1 1 Zurückführen einer Aufgabe auf eine einfachere Aufgabe der selben Klasse Rekursiver Aufruf (Definition einer Funktion durch sich selbst) Rekursionsabbruch (Abbruchbedingung) Umsetzung i.Allg. durch ineinander geschachtelte Funktionsaufrufe 5.2. Iteration und Rekursion

7 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Aufwandsbetrachtungen Algorithmen | GliederungAlgorithmen Gliederung Komplexität ZeitkomplexitätSpeicherplatzkomplexität wird im Allgemeinen in Abhängigkeit von der Problemgröße n angegeben Turm von Hanoi: Anzahl n der Scheiben Sortierungen: Anzahl n der Elemente Berechnungen: Eingabegrößen n!, b n, Rundreiseproblem: Anzahl n zu verbindender Städte 7

8 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Algorithmen | GliederungAlgorithmen Gliederung 8 Aufwands- bzw. Komplexitätsklassen …O(n b )…O(b n ) linear (potenziell) exponentiell (permutativ) O(n) Fakultät Potenz O(n²) Bubble-Sort O(2 n ) Turm von Hanoi Fibonacci (rekursiv) O(n!) Rundreise- problem polynomialer Aufwand überpolynomialer Aufwand Testen Aufwandsbetrachtungen

9 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Algorithmen | GliederungAlgorithmen Gliederung Aufwandsbetrachtungen

10 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Algorithmen | GliederungAlgorithmen Gliederung 10 Aufwandsklassen: logarithmisch linear polynomial überpolynomial Bubble-Sort: Aufwand A(n²) Quick-Sort: Aufwand A(n*log 2 n) 5.3. Aufwandsbetrachtungen

11 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Algorithmen | GliederungAlgorithmen Gliederung 5.4. Berechenbarkeit 11 Frage, welche Probleme mit Hilfe einer Maschine (Computer) lösbar sind Statische Finitheit Ausführbarkeit Terminiertheit Dynamische Finitheit Determinismus Determiniertheit Allgemeingültigkeit Voraussetzung: Algorithmus "Intuitiv versteht man unter 'Berechenbarkeit' alles, was sich algorithmisch lösen lässt." 4 4 (endliche Beschreibung des Verfahrens ) (bezüglich jedes Verfahrensschrittes) (Verfahren darf nur endlich viele Schritte benötigen ) (Verfahren benötigt endlich viel Speicherplatz) (jeder Schritt eindeutig festgelegt) (gleiche Eingaben liefern gleiche Ergebnisse) (bezüglich vergleichbarer Probleme)

12 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Algorithmen | GliederungAlgorithmen Gliederung 12 Algorithmus bekannt? vertretbare Abarbeitungszeit? Problem praktisch berechenbar Problem theoretisch berechenbar nachweisbar kein Algorithmus vorhanden? Problem nicht berechenbar Problem derzeitig nicht entscheidbar JA NEIN AckermannfunktionHalteproblemSatz von Fermat bis 1995 ! 5.4. Berechenbarkeit

13 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Kommunikation (in Netzen) 13 Kommunikation in Netzen | Algorithmen | GliederungKommunikation in NetzenAlgorithmenGliederung

14 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Kommunikation in Netzen | Algorithmen | GliederungKommunikation in NetzenAlgorithmenGliederung 6.1. Kommunikationsebenen Mensch Nachricht Daten Maschine RepräsentationInterpretation Sprache verbal (Inhalt) nonverbal (Interpretation) face-to-face Kommunikation Information Mensch computervermittelte Kommunikation CVK

15 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Kommunikationsebenen 15 Kommunikation in Netzen | Algorithmen | GliederungKommunikation in NetzenAlgorithmenGliederung computervermittelte Kommunikation (CVK) weitestgehendes Fehlen nonverbaler Kommunikation angenommene Anonymität asynchrone CVK synchrone CVK positive Effekte negative Effekte

16 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Strukturen vernetzter Systeme 16 Kommunikation in Netzen | Algorithmen | GliederungKommunikation in NetzenAlgorithmenGliederung Abbildungen aus WIKIPEDIA, Die freie Enzyklopädie: Topologie (Rechnernetz), URL: [Stand: ] lineare Busstruktur Ringstruktur Baumstruktur Sternstruktur vermaschte Struktur

17 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Strukturen vernetzter Systeme 17 Kommunikation in Netzen | Algorithmen | GliederungKommunikation in NetzenAlgorithmenGliederung Ein Graph besteht aus einer Menge von Elementen (Knoten), die mittels Verbindungen (Kanten) miteinander verbunden sind. Ein geschlossener Zug aus Kanten und Knoten heißt Masche. Mathematisches Modell Graph 5 5

18 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Adressierungen 18 Kommunikation in Netzen | Algorithmen | GliederungKommunikation in NetzenAlgorithmenGliederung a) MAC-Adressen 6 (Media-Access-Control-Adresse) 6 48 Bit lange Hardwareadresse (physische Adresse), Bestandteil jeder Netzwerkkarte - wird in einem PROM gespeichert und kann nicht verändert werden Eindeutige Adressierung jeder Netzwerkkarte Herstellerkennung (24 Bit) und Adapterkennung (24 Bit) hexadezimale Schreibweise mit 6 Blöcken à 8 Bit Beispiel: AE-FD-7E … Verwendung in drahtgebundenen Netzen, in denen im klassischen Ethernet gleichberechtigte Datenstationen angeschlossen werden = 2,81*10 14 mögliche MAC-Adressen

19 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Adressierungen 19 Kommunikation in Netzen | Algorithmen | GliederungKommunikation in NetzenAlgorithmenGliederung b) IPv4-Adressen 8 (Internet-Protocol-Adresse) 8 32 Bit lange Adresse in Computernetzen, die auf dem Internetprotokoll (IP) basieren (logische Adresse) Trennung in Netzwerk- und Geräteteil (Hostteil) durch Subnetzmaske Aufbau von IP-Adressen (IPv4) IP-Adresse NetzkennungHostkennung Subnetzmaske = 4,3*10 9 mögliche IPv4-Adressen c) IPv6-Adressen 128 Bit lange Adresse (64 Bit Netzsegmentpräfix, 64 Bit Interface Identifier) = 3,4*10 38 mögliche IPv6-Adressen

20 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Datenübertragung in lokalen Netzen 20 Kommunikation in Netzen | Algorithmen | GliederungKommunikation in NetzenAlgorithmenGliederung Größe in Byte Beschreibung 6 Ziel- adresse 6 Quell- adresse 2 Typ- information bis 1500 Nutz- daten 4 Prüf- summe maximal 1566 Byte ETHERNET-PROTOKOLL (Rahmen) MAC-Adressen (Media-Access-Control-Adresse) IEEE für drahtgebundene lokale Netze (LAN)

21 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Adressierungen 6.5. Datenübertragung in Weitverkehrsnetzen 21 Kommunikation in Netzen | Algorithmen | GliederungKommunikation in NetzenAlgorithmenGliederung IP-PROTOKOLL (Paket) internet protocol / zielorientiert maximal Byte (theoretisch) 4 Quell- adresse 8 Headerlänge Paketlänge … 1 Time to life bis Nutz - daten 3 Folgeprot. Prüfsumme (Header) 4 Ziel- adresse Größe in Byte Beschreibung bei Version IPv4 (32-Bit-Adressen) IP-Adressen

22 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Datenübertragung in Weitverkehrsnetzen 22 Kommunikation in Netzen | Algorithmen | GliederungKommunikation in NetzenAlgorithmenGliederung 4 Byte Prüfsumme bis 1500 Byte Nutzdaten ETHERNET14 Byte Header TCP-PROTOKOLL (Segment) transmission control protocol / verbindungsorientiert 4 Quitt.- nummer 2 Quellport 2 Zielport bis Nutzdaten 4 Sequenz- nummer 8 Headerlänge Flags Prüfsumme (komplett) Größe in Byte Beschreibung maximal Byte (theoretisch) i.Allg Byte Adresskomponenten zur Zuordnung der entsprechenden Dienste Beispiele:20FTP-Data 80http 443https Nutzdatenmaximal 1460 Byte TCP20 Byte Header IP20 Byte Header Zusammenspiel der Protokolle

23 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Datenübertragung in Weitverkehrsnetzen 23 Kommunikation in Netzen | Algorithmen | GliederungKommunikation in NetzenAlgorithmenGliederung Aufbau von Routing-Tabellen Netz A Router BA Netzkennung: Netz B Netzkennung: Router B? Zieladresse Nächster Netzknoten (Router) "Ausgang" Netz- bzw. IP- Adresse Netzmaske SchnittstelleHops ??? Gateway bzw. Router

24 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Datenübertragung in Weitverkehrsnetzen 6.6. Schichtenmodell (Referenzmodell) 24 Kommunikation in Netzen | Algorithmen | GliederungKommunikation in NetzenAlgorithmenGliederung Modell zur Realisierung der offenen Kommunikation zwischen heterogenen Netzen Prinzip: verschiedene Aufgaben werden in verschiedenen Schichten angeordnet DoD: "Das Department of Defense (DoD) hatte 1980 mangels standardisierter Protokolle eine Protokollfamilie … ins Leben gerufen, die DoD-Protokolle. Das Architekturmodell der DoD-Protokolle … kennt nur vier Kommunikationsschichten." 9 9 OSI: "Open Systems Interconnection (OSI) beschreibt international vereinbarte Standards, mit denen offene Systeme arbeiten, und definiert die Regeln für die Implementierung dieser Normen." Offene Kommunikationssysteme sollten den freizügigen Informationsaustausch auf der Basis gemeinsamer Protokollvereinbarungen und Schnittstellen erlauben

25 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Schichtenmodell (Referenzmodell) 25 Kommunikation in Netzen | Algorithmen | GliederungKommunikation in NetzenAlgorithmenGliederung packen (Package Assembling) entpacken (Parsen) übertragen (1) Netzzugang (2) Internet (3) Transport (4) Anwendung DoD-Modell (1) Bitübertragung (2) Sicherung (3) Vermittlung (4) Transport (5) Sitzung (6) Darstellung (7) Anwendung OSI-Modell Einheiten Daten Segmente Pakete Rahmen Bits Protokolle TCP IP Ethernet HTTP FTP POP3 SMTP

26 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Quellen Nach: WIKIPEDIA, Die freie Enzyklopädie: Rekursion,2011. URL: [Stand: ]http://de.wikipedia.org/wiki/Rekursion 2 2 Nach: WIKIPEDIA, Die freie Enzyklopädie: Iteration,2011. URL: [Stand: ]http://de.wikipedia.org/wiki/Iteration 4 4 Prof.Dr.J.Rothe, H.Heine-Universität Düsseldorf. URL: [Stand: ]http://ccc.cs.uni-duesseldorf.de/~rothe/INFO4/folien-kapitel-6.pdf Quellen | Kommunikation in Netzen | Algorithmen | GliederungQuellenKommunikation in NetzenAlgorithmenGliederung 3 3 Nach: WIKIPEDIA, Die freie Enzyklopädie: Algorithmus,2011. URL: [Stand: ]http://de.wikipedia.org/wiki/Algorithmus 5 5 Nach: WIKIPEDIA, Die freie Enzyklopädie: Netzwerk,2013. URL: [Stand: ]http://de.wikipedia.org/wiki/Netzwerkstruktur 6 6 Nach: ITWissen, Das große Online-Lexikon für Informationstechnologie: MAC-Adresse. URL: [Stand: ]http://www.itwissen.info/definition/lexikon/MAC-Adresse-MAC-address.html 7 7 Nach: ITWissen, Das große Online-Lexikon für Informationstechnologie: Ethernet. URL: [Stand ]http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Ethernet-Ethernet.html 8 8 Nach: WIKIPEDIA, Die freie Enzyklopädie: IP-Adresse,2013. URL: [Stand: ] 9 9 ITWissen, Das große Online-Lexikon für Informationstechnologie: DoD-Protokoll. URL: [Stand ]http://www.itwissen.info/definition/lexikon/DoD-Protokoll-DoD-protocol.html Nach: ITWissen, Das große Online-Lexikon für Informationstechnologie: OSI (open systems interconnection) URL: [Stand ]http://www.itwissen.info/definition/lexikon/open-systems-interconnection-OSI-Offene-Kommunikation.html

27 Grundkurs Informatik 11 Kurshalbjahr 11/II Jahrgangsstufe Quellen | Kommunikation in Netzen | Algorithmen | GliederungQuellenKommunikation in NetzenAlgorithmenGliederung 7. Sicherheit von InformationenSicherheit von Informationen 8. Datenbanken 9. Computergrafik Kurshalbjahr 12/I. Kurshalbjahr 12/II


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