PS Grundlagen PS Grundlagen wissenschaftlichen Arbeitenswissenschaftlichen Arbeitens

Gruppe 2Gruppe 2

Themen:Themen:

DatenkompressionDatenkompressionPeter MihalikPeter Mihalik

BetriebssystemeBetriebssystemeChristoph FriedlChristoph Friedl

Verteilte SystemeVerteilte SystemeThomas HofbauerThomas Hofbauer

DatenkompressionDatenkompression

DatenkompressionDatenkompression

Wieso Wieso überhaupt Datenkompression?überhaupt Datenkompression?

Hauptverwendung: Transport von Hauptverwendung: Transport von Nachrichten über Netze.Nachrichten über Netze.

Nachrichten: Daten unterschiedlicher Nachrichten: Daten unterschiedlicher TypenTypen

Netze: z.B. das InternetNetze: z.B. das Internet

DatenkopressionDatenkopression

Es ist nicht möglich beliebige Dateien Es ist nicht möglich beliebige Dateien sinnvol zu komprimieren.sinnvol zu komprimieren.

Kompressionsgrad:Kompressionsgrad:

DatenvolumenDatenvolumenurspr.urspr. / Datenvolumen / Datenvolumenkompr.kompr.

DatenkompressionDatenkompression

2 Typen von Kompression:2 Typen von Kompression:

VerlustfreieVerlustfreie (Daten, Programmcode) (Daten, Programmcode)

VerlustbehafteteVerlustbehaftete (Bilder, Töne) (Bilder, Töne)

DatenkompressionDatenkompression

Vier wichtigsten Kriterien des Vier wichtigsten Kriterien des Kompresionsverfahrens sind:Kompresionsverfahrens sind:

KompressionsrateKompressionsrate

Zeitaufwand (Kompress., Dekompress.)Zeitaufwand (Kompress., Dekompress.)

Hardware/Software AufwandHardware/Software Aufwand

Standardisierung des VerfahrensStandardisierung des Verfahrens

ModellierungModellierung

ModellgenauigkeitModellgenauigkeit

AdaptivitätAdaptivität– StatischStatisch– DynamischDynamisch

Umformungen der QuelleUmformungen der Quelle

ErweiterungErweiterung

DifferenzbildungDifferenzbildung

Lauflängencodierung (RLC)Lauflängencodierung (RLC)

StrukturierungStrukturierung

Verlustfreie CodierungVerlustfreie Codierung

Huffman-AlgorithmusHuffman-Algorithmus

Arithmetische CodierungArithmetische Codierung

Lempel-Ziv-CodierungLempel-Ziv-Codierung

Verlustbehaftete CodierungVerlustbehaftete Codierung

AudioAudio (eindimensionale Tonschwingung) (eindimensionale Tonschwingung)

FestbildFestbild (zweidimensional; (zweidimensional; horizontale*vertikale Auflösung)horizontale*vertikale Auflösung)

VideoVideo (dreidimensional; Festbild*Zeit) (dreidimensional; Festbild*Zeit)

BetriebssystemeBetriebssysteme

Christoph FriedlChristoph Friedl

BetriebssystemeBetriebssystemeEinleitungEinleitung

AbstraktionAbstraktion– Kapselung von Hardware vor BenutzerKapselung von Hardware vor Benutzer

SchnittstelleSchnittstelle– API application programming interface; der API application programming interface; der

Programmierer nutzt hiermit die Dienste des Programmierer nutzt hiermit die Dienste des BetriebssystemsBetriebssystems

Verwaltung von Betriebsmitteln/ProzessenVerwaltung von Betriebsmitteln/ProzessenBenutzerschutzBenutzerschutzBedienschnittstelleBedienschnittstelle– Grafische Benutzeroberfläche oder Kommando-Grafische Benutzeroberfläche oder Kommando-

Interpretier (shell)Interpretier (shell)

BetriebssystemeBetriebssystemeProzessverwaltungProzessverwaltung

MonoprozessorMonoprozessor– nur ein Prozess zu einem Zeitpunkt verarbeitennur ein Prozess zu einem Zeitpunkt verarbeiten

Prozesse können 3 wichtige Zustände habenProzesse können 3 wichtige Zustände haben– rechenbereitrechenbereit– rechnendrechnend– abgeblocktabgeblockt; ein anderer Prozess wird abgearbeitet; ein anderer Prozess wird abgearbeitet

BetriebssystemeBetriebssystemeProzesskommunikationProzesskommunikation

Prozesse in getrennten Speicherbereichen Prozesse in getrennten Speicherbereichen müssen kooperieren; bestimmte müssen kooperieren; bestimmte Kommunikationsmechanismen sind notwendigKommunikationsmechanismen sind notwendig

Kommunikation erfolgt über:Kommunikation erfolgt über:– gemeinsame gemeinsame DateienDateien– gemeinsame gemeinsame SpeicherbereicheSpeicherbereiche; gemeinsame ; gemeinsame

Variable, Pufferbereiche, ...Variable, Pufferbereiche, ...– PipesPipes; Kommunikationskanal zwischen zwei ; Kommunikationskanal zwischen zwei

ProzessenProzessen

BetriebssystemeBetriebssystemeAblaufplanungAblaufplanung

Vergabe von Betriebsmitteln an Prozesse nach Vergabe von Betriebsmitteln an Prozesse nach verschiedenen Zielenverschiedenen Zielen::– Auslastung der BetriebsmittelAuslastung der Betriebsmittel; minimierte Rechenzeiten; minimierte Rechenzeiten

– DurchsatzDurchsatz; viele Prozesse in kurzer Zeit; viele Prozesse in kurzer Zeit

– AntwortzeitenAntwortzeiten; Arbeitszeit des Anwenders minimieren; Arbeitszeit des Anwenders minimieren

Zuteilungsstrategien:Zuteilungsstrategien:– EingangsreihenfolgeEingangsreihenfolge; FCFS, first come, first served; FCFS, first come, first served

– prioritätsbasiertesprioritätsbasiertes Verfahren; je höher die Priorität Verfahren; je höher die Priorität desto schneller ausgeführtdesto schneller ausgeführt

BetriebssystemeBetriebssystemeSpeicherverwaltungSpeicherverwaltung

Speicherverwaltung Speicherverwaltung ohneohne Mehrprozessbetrieb Mehrprozessbetrieb ohne großen Aufwand realisierbarohne großen Aufwand realisierbar

Speicherverwaltung Speicherverwaltung mitmit Mehrprozessbetrieb; Mehrprozessbetrieb; besondere Lösungen erforderlich:besondere Lösungen erforderlich:– Dynamische Freispeicherverwaltung -Dynamische Freispeicherverwaltung - swapping; swapping;

Prozesse auslagernProzesse auslagern– Dynamische Adress- und Speicherverwaltung; den Dynamische Adress- und Speicherverwaltung; den

Adressbereich der Prozesse verändernAdressbereich der Prozesse verändern

BetriebssystemeBetriebssystemeEin-/AusgabeEin-/Ausgabe

Ein-/Ausgabe;Ein-/Ausgabe; eine der wichtigsten Aufgaben in eine der wichtigsten Aufgaben in Betriebssystemen:Betriebssystemen:– AnsteuerungAnsteuerung der E-/A Geräte; Systemintern, z.B. der E-/A Geräte; Systemintern, z.B.

über das Biosüber das Bios– VerständigungVerständigung von Programmen und E-/A Geräten von Programmen und E-/A Geräten

sicherstellensicherstellen– KoordinationKoordination, wenn mehrere Anwendungen das , wenn mehrere Anwendungen das

gleiche Gerät benutzengleiche Gerät benutzen

BetriebssystemeBetriebssystemeDateisystemDateisystem

Aufgaben des Dateisystems:Aufgaben des Dateisystems:– AbstraktionsmechanismusAbstraktionsmechanismus; Daten im Betriebssystem ; Daten im Betriebssystem

dem Anwender zugänglich machendem Anwender zugänglich machen– SchutzSchutz der Daten vor unbefugten Lese- und der Daten vor unbefugten Lese- und

SchreibaktionenSchreibaktionen– Verschiedene Systeme; verschiedene Verschiedene Systeme; verschiedene physische physische

Datenstrukturen;Datenstrukturen; legen fest, wie Daten auf der legen fest, wie Daten auf der Festplatte gespeichert werdenFestplatte gespeichert werden

– Logische Datenstruktur;Logische Datenstruktur; für den Anwender sichtbar für den Anwender sichtbar und auch wichtiger; ordnet Verzeichnisse und Dateien; und auch wichtiger; ordnet Verzeichnisse und Dateien; hält Informationen für Lese und Schreiberlaubnishält Informationen für Lese und Schreiberlaubnis

BetriebssystemeBetriebssystemeSchutzmechanismenSchutzmechanismen

SchutzmechanismenSchutzmechanismen sollen verhindern: sollen verhindern:– beabsichtigten Bedrohungenbeabsichtigten Bedrohungen wie Spionage oder wie Spionage oder

ComputervierenComputervieren– unbeabsichtigte Bedrohungenunbeabsichtigte Bedrohungen wie wie falsche falsche

Bedienung oder auch fehlerhafte ProgrammeBedienung oder auch fehlerhafte Programme

Entwurfsprinzipien für Entwurfsprinzipien für SicherheitsmaßnahmenSicherheitsmaßnahmen – Sicherheitskonzept muss übersichtlich seinSicherheitskonzept muss übersichtlich sein– das Konzept muss geschlossen seindas Konzept muss geschlossen sein – Zugriff auf Betriebsmittel so gering wie möglich haltenZugriff auf Betriebsmittel so gering wie möglich halten– Die Benutzbarkeit darf nicht unzumutbar einge- Die Benutzbarkeit darf nicht unzumutbar einge-

schränkt werdenschränkt werden

BetriebssystemeBetriebssystemeEchtzeitbetriebssystemeEchtzeitbetriebssysteme

Zum Einsatz in Zum Einsatz in technischen Systementechnischen Systemen vorgesehen; Anforderungen:vorgesehen; Anforderungen:– ReaktionszeitReaktionszeit des Computers ist des Computers ist bekannt;bekannt; Aktionen Aktionen

dürfen vom Betriebssystem nicht wesentlich verzögert dürfen vom Betriebssystem nicht wesentlich verzögert werdenwerden

– Arbeiten auf Rechnern mit Arbeiten auf Rechnern mit beschränkten Betriebs- beschränkten Betriebs- mittelnmitteln

– Stabil im DauerbetriebStabil im Dauerbetrieb arbeiten arbeiten

BetriebssystemeBetriebssystemeVerteilte RechensystemeVerteilte Rechensysteme

Ein Ein verteiltes Systemverteiltes System besteht aus mehreren besteht aus mehreren Computern; Verteilt organisierte Funktionen: Computern; Verteilt organisierte Funktionen: – DateisystemDateisystem – BenutzerverwaltungBenutzerverwaltung – gemeinsame Datengemeinsame Daten

Idealfall: Das verteiltes System verhält sich wie Idealfall: Das verteiltes System verhält sich wie ein ein EinzelsystemEinzelsystem

BetriebssystemeBetriebssystemeBetriebssysteme für parallele RechensystemeBetriebssysteme für parallele Rechensysteme

Architektur des Betriebssystems hängt von der Architektur des Betriebssystems hängt von der Architektur des Rechensystems ab:Architektur des Rechensystems ab:– Symmetrische Multiprozessoren:Symmetrische Multiprozessoren: ein gemeinsamer ein gemeinsamer

Speicher liegt vor; alle Prozessoren greifen darauf zuSpeicher liegt vor; alle Prozessoren greifen darauf zu– Lokale SpeicherLokale Speicher: Zustandsinformationen werden : Zustandsinformationen werden

verteilt; die Betriebssysteme arbeiten verteilt; die Betriebssysteme arbeiten unabhängig unabhängig voneinandervoneinander

BetriebssystemeBetriebssystemeArchitekturen von BetriebssystemenArchitekturen von Betriebssystemen

Unterschiedliche Anforderungen - Unterschiedliche Anforderungen - unterschiedliche Architekturen:unterschiedliche Architekturen:– Das Betriebssystem als Programmbibliothek:Das Betriebssystem als Programmbibliothek: nur nur

einen Satz von Funktionen zur Verfügungeinen Satz von Funktionen zur Verfügung– Das Betriebssystem als Scheduler:Das Betriebssystem als Scheduler: Das Betriebs- Das Betriebs-

system besteht im wesentlichen aus der Prozess-system besteht im wesentlichen aus der Prozess-verwaltungverwaltung

– Das Betriebssystem als privilegierte Instanz: Das Betriebssystem als privilegierte Instanz: System hat die Kontrolle über die Betriebsmittel; System hat die Kontrolle über die Betriebsmittel; Programme verwenden Dienste des SystemsProgramme verwenden Dienste des Systems

Verteilte SystemeVerteilte Systeme

Was ist ein verteiltes System?Was ist ein verteiltes System?

Definition:Definition:

Ein Ein verteiltes (Software–) System verteiltes (Software–) System ist ein ist ein System das aus mehreren KomponentenSystem das aus mehreren Komponenten

besteht, die auf vernetzten Rechnern besteht, die auf vernetzten Rechnern installiert sind und das seinen Benutzerninstalliert sind und das seinen Benutzern

als einheitliches zusammenhals einheitliches zusammenhäängendes ngendes System gegenSystem gegenüüber tritt.ber tritt.

Was ist ein verteiltes SystemWas ist ein verteiltes System??

Einheitliches SystemEinheitliches System

Die Aufteilung in Komponenten ist fDie Aufteilung in Komponenten ist füür den r den Benutzer transparent.Benutzer transparent.

Vernetzte RechnerVernetzte Rechner

Die Komponenten kommunizieren durch Die Komponenten kommunizieren durch Nachrichtenaustausch. Es gibt keinen Nachrichtenaustausch. Es gibt keinen gemeinsamengemeinsamen Speicher oder andere Speicher oder andere gemeinsamen Ressourcen.gemeinsamen Ressourcen.

Warum verteilte SystemeWarum verteilte Systeme??

Verteilte AnwendungenVerteilte Anwendungen

Manche Anwendungen sind naturgemManche Anwendungen sind naturgemääß ß verteilt, z.B. Everteilt, z.B. E--MailMail

Verteilte FunktionalitVerteilte Funktionalitäätt

Komponenten unterschiedlicher Komponenten unterschiedlicher FunktionalitFunktionalitäät arbeiten zusammen, z.B. t arbeiten zusammen, z.B. File–Server und ClientFile–Server und Client

Warum verteilte SystemeWarum verteilte Systeme??

LastverteilungLastverteilungDie gleiche FunktionalitDie gleiche Funktionalitäät wird auf mehrere t wird auf mehrere Komponenten verteiltKomponenten verteilt,, um die Leistung zu um die Leistung zu erherhööhen.hen.

RisikoverteilungRisikoverteilungDie Ausfallwahrscheinlichkeit kann durch Die Ausfallwahrscheinlichkeit kann durch Replikation gesenkt werden.Replikation gesenkt werden.

BeispielBeispiele für verteilte e für verteilte SystemeSysteme

InternetInternetVerteiltes weltweites System von gleichberechtigten Verteiltes weltweites System von gleichberechtigten Rechnern die Nachrichten austauschenRechnern die Nachrichten austauschen und und Kommunikationsverbindungen aufbauen.Kommunikationsverbindungen aufbauen.

IntranetIntranetInternet–Technologie in abgegrenzten (Firmen–) Internet–Technologie in abgegrenzten (Firmen–) Netzen.Netzen.

BeispielBeispiele für verteilte e für verteilte SystemeSysteme

Das WebDas WebVerteiltes System von Clients (Browser) und Verteiltes System von Clients (Browser) und Servern (Web–Server) die Daten zurServern (Web–Server) die Daten zurVerfVerfüügung stellen und abrufen.gung stellen und abrufen.

Klassische TransaktionssystemeKlassische TransaktionssystemeFlug–, Hotel–, Bahn–, Flug–, Hotel–, Bahn–, Reisebuchungssysteme, ...Reisebuchungssysteme, ...

Klassische und neuKlassische und neueere Handelssystemere HandelssystemeHandelssysteme: fHandelssysteme: füür Aktien (z.B. Xetra), r Aktien (z.B. Xetra), Rohstoffe, FrachtkapazitRohstoffe, Frachtkapazitäät,E–Shops,t,E–Shops,......

ProblemstellungenProblemstellungenKoordinationKoordinationDie Komponenten agieren Die Komponenten agieren nebenlnebenlääufig ufig und mund müüssen dementsprechend ssen dementsprechend synchronisiert werden. (Ohne gemeinsamen Speicher und ohne gemeinsame synchronisiert werden. (Ohne gemeinsamen Speicher und ohne gemeinsame Uhr!)Uhr!)FehlerFehlerEinzelne Komponenten kEinzelne Komponenten köönnen ausfallen, ohne dass das Gesamtsystem nnen ausfallen, ohne dass das Gesamtsystem ausfausfäällt. D.h.: Dasllt. D.h.: DasGesamtsystem muss weiterarbeitenGesamtsystem muss weiterarbeiten,, auch bei Ausfall einzelner Komponenten. auch bei Ausfall einzelner Komponenten.HeterongenitHeterongenitäättKomponenten auf unterschiedliche Plattformen und in unterschiedlichen Komponenten auf unterschiedliche Plattformen und in unterschiedlichen ImplementierungstechnikenImplementierungstechniken mmüüssen interagieren.ssen interagieren.SicherheitSicherheitDie notwendige Kommunikation der Komponenten erhDie notwendige Kommunikation der Komponenten erhööht ihre Gefht ihre Gefäährdung.hrdung.

HerausforderungenHerausforderungenTransparenzTransparenz Aspekte:Aspekte:

– Zugriff:Zugriff: Nutzung einer Ressource ohne Wissen Nutzung einer Ressource ohne Wissen ddarüarüberber,, ob sie lokal oder entfernt istob sie lokal oder entfernt ist

– Ort:Ort: Nutzung ohne Wissen Nutzung ohne Wissen üüber die genaue Positionber die genaue Position– NebenläufigkeitNebenläufigkeit: Nutzung ohne Rücksicht auf andere : Nutzung ohne Rücksicht auf andere

NutzerNutzer– Replikation:Replikation: Nutzung eines Systems von vielen, als sei Nutzung eines Systems von vielen, als sei es das einzigees das einzige– Fehler:Fehler: Nutzung ohne Wissen/Beachtung von Fehlern. Nutzung ohne Wissen/Beachtung von Fehlern.

(z.B. Automatische Wiederholung)(z.B. Automatische Wiederholung)– Mobilität:Mobilität: Nutzung ohne Beachtung der Bewegung (z.B. Nutzung ohne Beachtung der Bewegung (z.B.

Handy)Handy)– Leistung:Leistung: Automatische Anpassung des Systems an die Automatische Anpassung des Systems an die

LastLast– Skalierung:Skalierung: Nutzung des Systems verändert sich nicht Nutzung des Systems verändert sich nicht

mit dessen Wachstummit dessen Wachstum

HerausforderungenHerausforderungen

OffenheitOffenheit

– – InteroperalitInteroperalitäät: Komponenten t: Komponenten unterschiedlicherunterschiedlicher Technologie/Technologie/ HerstellerHersteller kooperierenkooperieren

– – Portierbarkeit: KomponePortierbarkeit: Komponennten ten kköönnen nnen auf andere Plattformen auf andere Plattformen transferiert transferiert werdenwerden

HerausforderungenHerausforderungen

SkalierbarkeitSkalierbarkeit

Skalierbarkeit: Das System kann ohne Skalierbarkeit: Das System kann ohne Modifikation vergrModifikation vergröößert werden.ßert werden.

Dimensionen der Skalierbarkeit:Dimensionen der Skalierbarkeit:

– – GrGrööße: Benutzer, Komponenten, etc.ße: Benutzer, Komponenten, etc.

– – Ausdehnung: lokal, regiAusdehnung: lokal, regioonal, weltweitnal, weltweit

– – Adminstrativ: ein, mehrere, vieleAdminstrativ: ein, mehrere, viele

verantwortlicheverantwortliche BetreiberBetreiber

Architektur verteilterArchitektur verteilter Systeme Systeme

Schicht–ArchitekturSchicht–Architektur

– – Grundidee: Das System besteht aus mehreren Grundidee: Das System besteht aus mehreren Schichten die jeweils aufeinander aufbauenSchichten die jeweils aufeinander aufbauen

– – Schichten lieferSchichten liefernn der n der näächst hchst hööheren Schicht heren Schicht einen einen DienstDienst

– – Dieser Dienst kann mit Hilfe des Dienstes der Dieser Dienst kann mit Hilfe des Dienstes der darunter liegenden Schicht implementiertdarunter liegenden Schicht implementiert werdenwerden