Kersken IT-Handbuch für Fachinformatiker*innen

Der Ausbildungsbegleiter
12. Auflage 2025
ISBN: 978-3-367-11254-8
Verlag: Rheinwerk
Format: EPUB
Kopierschutz: 0 - No protection

E-Book, Deutsch, 1420 Seiten

Reihe: Rheinwerk Computing

Dieses Handbuch vermittelt alle Grundlagen der Informationstechnik, die angehende Fachinformatiker in ihrer Ausbildung benötigen: Computerhardware, Betriebssysteme, Netzwerktechnik, -protokolle und -anwendungen sowie Grundlagen der Programmierung, Datenbanken und Multimedia. Mit vielen Prüfungsfragen und Praxisübungen.

Aus dem Inhalt:

• Überblick IT-Ausbildung
• Mathematische und technische Grundlagen
• Hardware und Betriebssysteme
• Datenbanken
• Windows, Linux, macOS - Grundlagen und Praxis
• Netzwerktechnik und Netzwerkpraxis
• IT-Sicherheit
• Datenanalyse, Machine Learning, Künstliche Intelligenz (KI)
• Programmierung in Java, Python, JavaScript und PHP
• Software-Engineering
• Algorithmen und Datenstrukturen
• Prozessanalyse
• Internet- und Webtechnologien

Die Fachpresse zur Vorauflage:
c't: »Das riesige bis unüberschaubare Themenspektrum versteht Kersken gut transparent zu machen. Mit seinen verständlich und eingängig präsentierten umfassenden Informatik-Inhalten spricht sein Buch nicht nur Auszubildende an.«

Autoren/Hrsg.

Kersken, Sascha

Inhaltsverzeichnis

Materialien zum Buch ... 17  Vorwort ... 19  1.  Einführung ... 27  1.1 ... Informationstechnik, Informatik und EDV ... 27  1.2 ... Die Geschichte der Rechenmaschinen und Computer ... 38  1.3 ... Digitale Speicherung und Verarbeitung von Informationen ... 58  1.4 ... Übungsaufgaben ... 62  2.  Mathematische Grundlagen ... 67  2.1 ... Einführung in die Logik ... 67  2.2 ... Mengenlehre und diskrete Mathematik ... 81  2.3 ... Mathematische Verfahren im Alltag ... 97  2.4 ... Grundlagen der Stochastik ... 101  2.5 ... Grundlagen der linearen Algebra ... 109  2.6 ... Grundlagen der Analysis ... 123  2.7 ... Informationsspeicherung im Computer ... 128  2.8 ... Übungsaufgaben ... 139  3.  Technische und theoretische Grundlagen ... 147  3.1 ... Elektronische Grundlagen ... 147  3.2 ... Automatentheorien und -simulationen ... 156  3.3 ... Übungsaufgaben ... 175  4.  Hardware ... 179  4.1 ... Grundlagen ... 179  4.2 ... Die Zentraleinheit ... 183  4.3 ... Die Peripherie ... 212  4.4 ... Übungsaufgaben ... 236  5.  Netzwerkgrundlagen ... 243  5.1 ... Einführung ... 243  5.2 ... Funktionsebenen von Netzwerken ... 251  5.3 ... Klassifizierung von Netzwerken ... 260  5.4 ... Netzwerkkarten, Netzwerkkabel und Netzzugangsverfahren ... 269  5.5 ... Datenfernübertragung ... 280  5.6 ... Die TCP/IP-Protokollfamilie ... 284  5.7 ... Übungsaufgaben ... 336  6.  Betriebssysteme ... 349  6.1 ... Entwicklung der Betriebssysteme ... 350  6.2 ... Aufgaben und Konzepte ... 358  6.3 ... Windows ... 380  6.4 ... Linux und Unix ... 402  6.5 ... Übungsaufgaben ... 433  7.  Grundlagen der Programmierung ... 443  7.1 ... Python ... 445  7.2 ... Java ... 533  7.3 ... Übungsaufgaben ... 583  8.  Algorithmen und Datenstrukturen ... 587  8.1 ... Algorithmen erarbeiten und implementieren ... 588  8.2 ... Datensammlungen sortieren ... 595  8.3 ... Nach Daten suchen ... 602  8.4 ... Bäume und Graphen ... 623  8.5 ... Bedingungserfüllungsprobleme ... 646  8.6 ... Übungsaufgaben ... 657  9.  Weitere Konzepte der Programmierung ... 659  9.1 ... Reguläre Ausdrücke ... 659  9.2 ... Systemnahe Programmierung ... 677  9.3 ... Einführung in die Netzwerkprogrammierung ... 685  9.4 ... Externe Module und Abhängigkeiten ... 694  9.5 ... Übungsaufgaben ... 704

10.  Datenanalyse, Machine Learning, künstliche Intelligenz ... 707  10.1 ... Einführung ... 708  10.2 ... Daten auswählen, aufbereiten und analysieren ... 715  10.3 ... Konkrete Machine-Learning-Verfahren ... 739  10.4 ... Künstliche neuronale Netzwerke ... 758  10.5 ... Übungsaufgaben ... 777

11.  Software-Engineering ... 779  11.1 ... Überblick ... 780  11.2 ... Werkzeuge ... 797  11.3 ... Übungsaufgaben ... 831

12.  Geschäftsprozessanalyse ... 835  12.1 ... Überblick ... 835  12.2 ... Prozesse modellieren mit BPMN ... 841  12.3 ... Mit einem ERP- und CRM-System arbeiten ... 851  12.4 ... Übungsaufgaben ... 858

13.  Datenbanken ... 859  13.1 ... Die verschiedenen Datenbanktypen ... 860  13.2 ... Mit relationalen Datenbanken arbeiten ... 873  13.3 ... Mit NoSQL-Datenbanken arbeiten ... 887  13.4 ... Grundlagen der Datenbankprogrammierung ... 891  13.5 ... Übungsaufgaben ... 896

14.  Server für Webanwendungen ... 901  14.1 ... HTTP im Überblick ... 901  14.2 ... Der Webserver Apache 2 ... 914  14.3 ... Übungsaufgaben ... 937

15.  Weitere Internet-Serverdienste ... 941  15.1 ... Namens- und Verzeichnisdienste ... 941  15.2 ... Die »Meta-Server« inetd und xinetd ... 956  15.3 ... Übungsaufgaben ... 960

16.  Virtualisierung, Container und Cloud Computing ... 963  16.1 ... Virtualisierung ... 963  16.2 ... Container-Infrastrukturen ... 969  16.3 ... Cloud Computing ... 975  16.4 ... Übungsaufgaben ... 977

17.  Datei- und Datenformate ... 979  17.1 ... Textdateien und Zeichensätze ... 979  17.2 ... Textbasierte Dateiformate ... 988  17.3 ... Binäre Dateiformate ... 1014  17.4 ... Übungsaufgaben ... 1026

18.  Webseitenerstellung mit HTML und CSS ... 1031  18.1 ... HTML und XHTML ... 1032  18.2 ... Cascading Style Sheets (CSS) ... 1067  18.3 ... Webseiten-Layout und -Design ... 1081  18.4 ... Übungsaufgaben ... 1091

19.  Webserveranwendungen ... 1099  19.1 ... PHP ... 1099  19.2 ... Eine REST-API implementieren ... 1166  19.3 ... Übungsaufgaben ... 1195

20.  JavaScript und Ajax ... 1199  20.1 ... Grundlagen ... 1200  20.2 ... Das Document Object Model (DOM) ... 1240  20.3 ... Ajax und die Fetch API ... 1253  20.4 ... Die JavaScript-Bibliothek React.js ... 1264  20.5 ... Übungsaufgaben ... 1286

21.  Sicherheit ... 1289  21.1 ... Endgeräte schützen ... 1290  21.2 ... Netzwerk- und Serversicherheit ... 1303  21.3 ... Übungsaufgaben ... 1317  Anhang ... 1321  A ... Glossar ... 1323  B ... Zweisprachige Wortliste ... 1337  C ... Kommentiertes Literatur- und Linkverzeichnis ... 1349  Index ... 1363

Leseproben

Vorwort

Wenn der Wind der Veränderung weht, bauen die einen Mauern und die anderen Windmühlen.
– Chinesisches Sprichwort

Liebe Leserin, lieber Leser,

falls Sie gerade eine Ausbildung zur Fachinformatikerin oder zum Fachinformatiker absolvieren oder beginnen, tun Sie dies in einer Zeit des Umbruchs. Die für die IT bestimmenden Themen sind dabei die Revolution durch die künstliche Intelligenz und die politische Situation in den USA, deren Firmen und Produkte bisher die internationale IT-Szene dominierten.

Die künstliche Intelligenz verbreitet sich im Eiltempo, getrieben ebenso durch schnelle Fortschritte wie durch Marketing – nicht nur in der IT-Branche selbst, sondern auch in zahlreichen anderen Branchen. Neben der Hoffnung, beispielsweise im Büro oder in der Arztpraxis langweilige Routineaufgaben den Maschinen zu überlassen, wie es in der Industrie schon lange der Fall ist, steht die Angst, dass unzählige Menschen ihre Arbeitsplätze an die KI verlieren.

Besonders die Welt der Kunst und Kultur wird durch die neuen Technologien eher bedroht als bereichert; echte Kreativität ist eine genuin menschliche Leistung und wird es bleiben, egal wie gut bestimmte Schreib-, Mal- oder Kompositionsstile durch Algorithmen nachgeahmt werden können. Kreative werden schon bisher nicht immer fair vergütet, und nun droht vielen von ihnen, dass sie gar keine Aufträge mehr erhalten. Zudem werden KI-Modelle – oft ohne Lizenzierung oder gar Bezahlung – mit ihrer bisherigen Arbeit trainiert.

Ein weiteres Problem ist die Verbreitung ungekennzeichneter und immer perfekterer Deep Fakes, die längst zu einem der gefährlichsten Werkzeuge im Wahlkampf und in internationalen Konflikten geworden sind. Zudem haben moderne KI-Systeme, die auf Clustern aus sehr vielen Computern laufen, einen enormen Ressourcenverbrauch. Dieser fördert in manchen Ländern den Ausbau der Kernenergie, die große Risiken birgt: die Gefahr von Unfällen und das Problem der Endlagerung von Atommüll. Andere Methoden der Energiegewinnung tragen zur Klimakrise bei – dem allergrößten Problem unserer Zeit, das jedoch angesichts der zahlreichen anderen Krisen oft beinahe in Vergessenheit gerät. Der umfassende Ausbau der erneuerbaren Energien ist der beste Ausweg; er macht zugleich Schluss mit der Abhängigkeit von Öl, Gas oder Uran liefernden Staaten, die wenig von Demokratie und Menschenrechten halten.

Eine ähnliche Abhängigkeit besteht im Bereich der IT, sowohl der Hardware als auch der Software, von den Vereinigten Staaten von Amerika. Die dortige Regierung hat deutlich gemacht, dass sie für Europa kein verlässlicher Partner mehr ist, und droht ständig mit immer höheren Zöllen, die den gegenseitigen Handel erheblich verteuern. Es wird daher wichtiger, sich nach europäischen Alternativen für Hardware, Software und Dienstleistungen umzusehen. Eine durchsuchbare Datenbank dafür finden Sie unter european-alternatives.eu.

Trotz aller berechtigten Sorgen können Sie diese Zeit des Umbruchs in Ihrer Ausbildung auch als Chance begreifen: Sie werden in den nächsten Jahren völlig neue Dinge lernen und können diese dann in einem der gefragtesten Berufe einsetzen. Im Übrigen hilft Wissen dabei, die Welt besser zu verstehen und sich darin zurechtzufinden, und es ist etwas, das Ihnen niemand wegnehmen kann und das Sie überallhin mitnehmen können. Insofern wünsche ich Ihnen viel Freude und Erfolg beim Lernen im Ausbildungsbetrieb, in der Berufsschule und mit diesem Buch.

Worum geht es in diesem Buch?

Dieses Buch beschreibt die wesentlichen Ausbildungsinhalte im Fachkunde-Unterricht für Fachinformatiker*innen der vier Fachbereiche Anwendungsentwicklung, Systemintegration, Digitale Vernetzung sowie Daten- und Prozessanalyse. Für die kaufmännischen und elektronisch orientierten Ausbildungsgänge ist das Buch ebenfalls geeignet, muss dort jedoch stärker als bei der Fachinformatik um speziellere Lektüre ergänzt werden. Anders als in herkömmlichen Büchern handelt es sich bei dem vorliegenden Band nicht um eine Tabellensammlung zum Auswendiglernen, sondern um praxisorientierte Anleitungen, die Sie weit über Ihre Ausbildung hinaus bei Ihrer alltäglichen Arbeit mit Computersystemen einsetzen können.

Sie lernen in den folgenden Kapiteln zahlreiche Geräte, Betriebssysteme, Programmiersprachen und Anwendungsprogramme kennen und erfahren viel Wissenswertes über Netzwerke und das Internet. Bei allen Themen habe ich versucht, die Balance zwischen Theorie und Praxis zu wahren: Es werden weder die technischen und theoretischen Details verschwiegen, wie in zahlreichen Büchern für absolute Einsteiger*innen, noch kommen die praktischen Anwendungsbeispiele zu kurz, was in manchen akademischen Lehrwerken der Fall ist.

Soweit es möglich ist, habe ich versucht, konkrete Software aus dem Open-Source-Bereich auszuwählen. Zum einen, weil ich selbst seit vielen Jahren Open-Source-Software einsetze und entwickle, vor allem aber auch, weil Sie auf diese Weise fast jedes in diesem Buch behandelte Programm kostenlos und ohne jegliche Einschränkungen herunterladen, installieren und benutzen können.

Der Ausbildungsberuf Fachinformatiker*in sowie viele weitere IT-Berufe enthalten neben den fachspezifischen Inhalten auch Aspekte wie Wirtschafts- und Sozialwissenschaften, Rechtskunde oder Betriebsorganisation. Solche Themen können in diesem Buch nicht berücksichtigt werden. Für das Fach »Technisches Englisch« finden Sie in Anhang B, »Zweisprachige Wortliste«, immerhin eine Stichwortliste in beide Richtungen.

Jedes Kapitel enthält am Ende eine Reihe von Übungsaufgaben und/oder Multiple-Choice-Fragen. Die Lösungen dazu finden Sie auf der Webseite des Verlags unter https://www.rheinwerk-verlag.de/6064. Dort können Sie auch alle Codebeispiele aus dem Buch herunterladen. Jeweils aktualisierte Fassungen der Listings und Lösungen finden Sie ebenfalls in meinem GitHub-Repository zum Buch unter https://github.com/SaschaKersken/ITHandbuch12/.

Neu in dieser Auflage

Im vorliegenden Buch gibt es gegenüber den vorigen Auflagen wie immer einige Neuerungen, insbesondere folgende:

• Virtualisierung, Container und Cloud Computing haben nun ihr eigenes Kapitel mit mehr Praxisbezug, da moderne IT-Infrastrukturen wesentlich mit diesen Technologien arbeiten.

• Das Kapitel zu Machine Learning und künstlicher Intelligenz wurde gegenüber der Vorauflage stark erweitert, weil das Thema zu den wichtigsten in der aktuellen IT-Landschaft gehört.

• Im HTML-Kapitel gibt es neue Abschnitte zu den Themen Webseiten-Layout und Barrierefreiheit.

Damit das Buch nicht noch dicker wird als bisher, wurde das eigenständige Kapitel über XML entfernt; die Auszeichnungssprache wird nun kürzer als Teil des Kapitels über Datei- und Datenformate behandelt. Das ist gerechtfertigt, weil JSON in den letzten Jahren die dominierende Datenaustauschsprache geworden ist.

Ebenfalls weggefallen sind in manchen Kapiteln die ausführlichen Installationsanleitungen für diverse Open-Source-Software. Die Installation unter verschiedenen Betriebssystemen ist auf den jeweils angegebenen Projektwebsites in der Regel gut dokumentiert.

Kapitelübersicht

Die einzelnen Kapitel dieses Buchs widmen sich den folgenden Themen:

• Kapitel 1, »Einführung«, behandelt die Geschichte und die grundlegende Funktionsweise des Computers. Außerdem werden einige wichtige Grundlagen der Informationstechnik erläutert; sie bilden die Voraussetzung für das Verständnis späterer Kapitel. Abgerundet wird das Kapitel durch einen Überblick über die verschiedenen IT-Ausbildungsgänge und die Relevanz der verschiedenen Teile dieses Buchs für jeden von ihnen.

• In Kapitel 2, »Mathematische Grundlagen«, erhalten Sie eine solide Einführung in verschiedene Aspekte der Mathematik, die in der Informatik wichtig sind. Die behandelten Themen sind Grundlagen in Logik und Mengenlehre, Stochastik, linearer Algebra und Analysis. Darüber hinaus werden die internen Formate beschrieben, in denen Zahlen und andere Werte in Computern gespeichert werden.

• Anschließend lernen Sie in Kapitel 3, »Technische und theoretische Grundlagen«, die wichtigsten elektrotechnischen Grundbausteine eines Computers kennen. Hinzu kommen die Themen Berechenbarkeit und Komplexität sowie Automatentheorien und Rechnersimulationen.

• Kapitel 4, »Hardware«, beschäftigt sich mit den diversen Bauteilen, aus denen ein Computer besteht, sowie mit zahlreichen wichtigen Peripheriegeräten. Sie erfahren die wichtigsten technischen Details über Elemente wie...