PS Grundlagen wissenschaftlichen Arbeitens Gruppe 2.

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1 PS Grundlagen wissenschaftlichen Arbeitens Gruppe 2

2 Themen: Datenkompression Peter Mihalik Betriebssysteme Christoph Friedl Verteilte Systeme Thomas Hofbauer

3 Datenkompression

4 Datenkompression Wieso überhaupt Datenkompression? Hauptverwendung: Transport von Nachrichten über Netze. Nachrichten: Daten unterschiedlicher Typen Netze: z.B. das Internet

5 Datenkopression Es ist nicht möglich beliebige Dateien sinnvol zu komprimieren. Kompressionsgrad: Datenvolumen urspr. / Datenvolumen kompr.

6 Datenkompression 2 Typen von Kompression: Verlustfreie (Daten, Programmcode) Verlustbehaftete (Bilder, Töne)

7 Datenkompression Vier wichtigsten Kriterien des Kompresionsverfahrens sind: Kompressionsrate Zeitaufwand (Kompress., Dekompress.) Hardware/Software Aufwand Standardisierung des Verfahrens

8 Modellierung ModellgenauigkeitAdaptivität –Statisch –Dynamisch

9 Umformungen der Quelle ErweiterungDifferenzbildung Lauflängencodierung (RLC) Strukturierung

10 Verlustfreie Codierung Huffman-Algorithmus Arithmetische Codierung Lempel-Ziv-Codierung

11 Verlustbehaftete Codierung Audio (eindimensionale Tonschwingung) Festbild (zweidimensional; horizontale*vertikale Auflösung) Video (dreidimensional; Festbild*Zeit)

12 Betriebssysteme Christoph Friedl

13 Betriebssysteme Einleitung Abstraktion –Kapselung von Hardware vor Benutzer Schnittstelle –API application programming interface; der Programmierer nutzt hiermit die Dienste des Betriebssystems Verwaltung von Betriebsmitteln/Prozessen BenutzerschutzBedienschnittstelle –Grafische Benutzeroberfläche oder Kommando- Interpretier (shell)

14 Betriebssysteme Prozessverwaltung Monoprozessor –nur ein Prozess zu einem Zeitpunkt verarbeiten Prozesse können 3 wichtige Zustände haben –rechenbereit –rechnend –abgeblockt; ein anderer Prozess wird abgearbeitet

15 Betriebssysteme Prozesskommunikation Prozesse in getrennten Speicherbereichen müssen kooperieren; bestimmte Kommunikationsmechanismen sind notwendig Kommunikation erfolgt über: –gemeinsame Dateien –gemeinsame Speicherbereiche; gemeinsame Variable, Pufferbereiche,... –Pipes; Kommunikationskanal zwischen zwei Prozessen

16 Betriebssysteme Ablaufplanung Vergabe von Betriebsmitteln an Prozesse nach verschiedenen Zielen: –Auslastung der Betriebsmittel; minimierte Rechenzeiten –Durchsatz; viele Prozesse in kurzer Zeit –Antwortzeiten; Arbeitszeit des Anwenders minimieren Zuteilungsstrategien: –Eingangsreihenfolge; FCFS, first come, first served –prioritätsbasiertes Verfahren; je höher die Priorität desto schneller ausgeführt

17 Betriebssysteme Speicherverwaltung Speicherverwaltung ohne Mehrprozessbetrieb ohne großen Aufwand realisierbar Speicherverwaltung mit Mehrprozessbetrieb; besondere Lösungen erforderlich: –Dynamische Freispeicherverwaltung - swapping; Prozesse auslagern –Dynamische Adress- und Speicherverwaltung; den Adressbereich der Prozesse verändern

18 Betriebssysteme Ein-/Ausgabe Ein-/Ausgabe; eine der wichtigsten Aufgaben in Betriebssystemen: –Ansteuerung der E-/A Geräte; Systemintern, z.B. über das Bios –Verständigung von Programmen und E-/A Geräten sicherstellen –Koordination, wenn mehrere Anwendungen das gleiche Gerät benutzen

19 Betriebssysteme Dateisystem Aufgaben des Dateisystems: –Abstraktionsmechanismus; Daten im Betriebssystem dem Anwender zugänglich machen –Schutz der Daten vor unbefugten Lese- und Schreibaktionen –Verschiedene Systeme; verschiedene physische Datenstrukturen; legen fest, wie Daten auf der Festplatte gespeichert werden –Logische Datenstruktur; für den Anwender sichtbar und auch wichtiger; ordnet Verzeichnisse und Dateien; hält Informationen für Lese und Schreiberlaubnis

20 Betriebssysteme Schutzmechanismen Schutzmechanismen sollen verhindern: –beabsichtigten Bedrohungen wie Spionage oder Computervieren –unbeabsichtigte Bedrohungen wie falsche Bedienung oder auch fehlerhafte Programme Entwurfsprinzipien für Sicherheitsmaßnahmen –Sicherheitskonzept muss übersichtlich sein –das Konzept muss geschlossen sein –Zugriff auf Betriebsmittel so gering wie möglich halten –Die Benutzbarkeit darf nicht unzumutbar einge- schränkt werden

21 Betriebssysteme Echtzeitbetriebssysteme Zum Einsatz in technischen Systemen vorgesehen; Anforderungen: –Reaktionszeit des Computers ist bekannt; Aktionen dürfen vom Betriebssystem nicht wesentlich verzögert werden –Arbeiten auf Rechnern mit beschränkten Betriebs- mitteln –Stabil im Dauerbetrieb arbeiten

22 Betriebssysteme Verteilte Rechensysteme Ein verteiltes System besteht aus mehreren Computern; Verteilt organisierte Funktionen: –Dateisystem –Benutzerverwaltung –gemeinsame Daten Idealfall: Das verteiltes System verhält sich wie ein Einzelsystem

23 Betriebssysteme Betriebssysteme für parallele Rechensysteme Architektur des Betriebssystems hängt von der Architektur des Rechensystems ab: –Symmetrische Multiprozessoren: ein gemeinsamer Speicher liegt vor; alle Prozessoren greifen darauf zu –Lokale Speicher: Zustandsinformationen werden verteilt; die Betriebssysteme arbeiten unabhängig voneinander

24 Betriebssysteme Architekturen von Betriebssystemen Unterschiedliche Anforderungen - unterschiedliche Architekturen: –Das Betriebssystem als Programmbibliothek: nur einen Satz von Funktionen zur Verfügung –Das Betriebssystem als Scheduler: Das Betriebs- system besteht im wesentlichen aus der Prozess- verwaltung –Das Betriebssystem als privilegierte Instanz: System hat die Kontrolle über die Betriebsmittel; Programme verwenden Dienste des Systems

25 Verteilte Systeme

26 Was ist ein verteiltes System? Definition: Ein verteiltes (Software–) System ist ein System das aus mehreren Komponenten besteht, die auf vernetzten Rechnern installiert sind und das seinen Benutzern als einheitliches zusammenhängendes System gegenüber tritt.

27 Was ist ein verteiltes System? Einheitliches System Die Aufteilung in Komponenten ist für den Benutzer transparent. Vernetzte Rechner Die Komponenten kommunizieren durch Nachrichtenaustausch. Es gibt keinen gemeinsamen Speicher oder andere gemeinsamen Ressourcen.

28 Warum verteilte Systeme? Verteilte Anwendungen Manche Anwendungen sind naturgemäß verteilt, z.B. E-Mail Verteilte Funktionalität Komponenten unterschiedlicher Funktionalität arbeiten zusammen, z.B. File–Server und Client

29 Warum verteilte Systeme? Lastverteilung Die gleiche Funktionalität wird auf mehrere Komponenten verteilt, um die Leistung zu erhöhen. Risikoverteilung Risikoverteilung Die Ausfallwahrscheinlichkeit kann durch Replikation gesenkt werden.

30 Beispiele für verteilte Systeme Internet Verteiltes weltweites System von gleichberechtigten Rechnern die Nachrichten austauschen und Kommunikationsverbindungen aufbauen. Intranet Internet–Technologie in abgegrenzten (Firmen–) Netzen.

31 Beispiele für verteilte Systeme Das Web Verteiltes System von Clients (Browser) und Servern (Web–Server) die Daten zur Verfügung stellen und abrufen. Klassische Transaktionssysteme Flug–, Hotel–, Bahn–, Reisebuchungssysteme,... Klassische und neuere Handelssysteme Handelssysteme: für Aktien (z.B. Xetra), Rohstoffe, Frachtkapazität,E–Shops,...

32 Problemstellungen Koordination Die Komponenten agieren nebenläufig und müssen dementsprechend synchronisiert werden. (Ohne gemeinsamen Speicher und ohne gemeinsame Uhr!) Fehler Einzelne Komponenten können ausfallen, ohne dass das Gesamtsystem ausfällt. D.h.: Das Gesamtsystem muss weiterarbeiten, auch bei Ausfall einzelner Komponenten. Heterongenität Komponenten auf unterschiedliche Plattformen und in unterschiedlichen Implementierungstechniken müssen interagieren. Sicherheit Die notwendige Kommunikation der Komponenten erhöht ihre Gefährdung.

33 Herausforderungen Transparenz Aspekte: Aspekte: –Zugriff: Nutzung einer Ressource ohne Wissen darüber, ob sie lokal oder entfernt ist – Ort: Nutzung ohne Wissen über die genaue Position – Nebenläufigkeit: Nutzung ohne Rücksicht auf andere Nutzer – Replikation: Nutzung eines Systems von vielen, als sei es das einzige es das einzige – Fehler: Nutzung ohne Wissen/Beachtung von Fehlern. (z.B. Automatische Wiederholung) – Mobilität: Nutzung ohne Beachtung der Bewegung (z.B. Handy) – Leistung: Automatische Anpassung des Systems an die Last – Skalierung: Nutzung des Systems verändert sich nicht mit dessen Wachstum

34 Herausforderungen Offenheit – Interoperalität: Komponenten unterschiedlicher Technologie/ Hersteller kooperieren – Portierbarkeit: Komponenten können auf andere Plattformen transferiert werden

35 Herausforderungen Skalierbarkeit Skalierbarkeit: Das System kann ohne Modifikation vergrößert werden. Dimensionen der Skalierbarkeit: – Größe: Benutzer, Komponenten, etc. – Ausdehnung: lokal, regional, weltweit – Adminstrativ: ein, mehrere, viele verantwortliche Betreiber verantwortliche Betreiber

36 Architektur verteilter Systeme Schicht–Architektur – Grundidee: Das System besteht aus mehreren Schichten die jeweils aufeinander aufbauen – Schichten liefern der nächst höheren Schicht – Schichten liefern der nächst höheren Schicht einen Dienst einen Dienst – Dieser Dienst kann mit Hilfe des Dienstes der darunter liegenden Schicht implementiert werden