Dozent:
Prof. Dr. Guido Wirtz

Otto-Friedrich-Universität Bamberg
Fakultät Wirtschaftsinformatik und Angewandte Informatik
Lehrstuhl für Praktische Informatik
https://www.uni-bamberg.de/pi/

Turnus & Dauer:
Wintersemester / 1 Semester

Einordnung:
Basistechnologien

Sprache:
Deutsch

Dieses Modul steht exklusiv den Studierenden des VAWi-Studiengangs zur Verfügung.

Lehr- & Medienformen

Für dieses Modul steht eine internetbasierte Lernumgebung für die Durchführung der Lehr-/Lernprozesse und der Lernunterstützungsprozesse zur Verfügung. Dabei erfolgt die Betreuung der Studierenden durch die Lehrenden über asynchrone (Foren, E-Mail) und synchrone (Chat, Telefon, Online-Konferenzen) Kommunikationswerkzeuge. Diese stehen auch für die Kommunikation der Studierenden untereinander zur Verfügung.

Die Studierenden werden beim Wissenserwerb durch folgende elektronische Selbstlernmedien unterstützt:
Skript, ergänzende Literatur, Glossar, teilweise Videocasts auf Wunsch.

Zudem wird der Aufbau von Fertigkeiten und Kompetenzen insbesondere gefördert durch:
Übungen/Transferaufgaben zur Selbstkontrolle, tutoriell betreute Aufgabenstellungen.

Das als wichtigste Grundlage des Kurses dienende umfassende (und sehr umfangreiche) Skript enthält zahlreiche Beispiele und führt ‚self-contained‘ alle Inhalte ohne Verweise auf Zusatzliteratur ein und erläutert diese. Im Skript sind alle eingeführten Begriffe und Definitionen wie auch Beispiele und Abbildungen durch Hyperlinks bei Auftreten im Text sowie aus einem umfangreichen Glossar direkt per Mausklick erreichbar, was ein einfaches Navigieren im pdf-Text erlaubt. Zu einigen komplexeren Themen gibt es bei Bedarf zusätzlich Videocasts, die wichtige Aspekte verdeutlichen oder Beispiele schrittweise durchsprechen.

Der Aufbau von Fertigkeiten und Kompetenzen wird durch semesterbegleitende Übungen gefördert. Hier werden den Studierenden praxisbezogene Aufgaben gestellt, welche mit Hilfe der erlernten Methoden und Theorien gelöst werden können. Regelmäßige, zeitnahe Forumsbetreuung sowie bei Bedarf zusätzlich angebotene aufgezeichnete Sequenzen mit Erläuterungen und Beispielen zu einzelnen sich im Modul als schwierig erweisenden Themen vervollständigen die Veranstaltung.

Teilnehmer des Moduls haben die Möglichkeit, während des Semesters insgesamt drei optionale Studienleistungen abzulegen, die in Form von Übungsaufgaben gestellt, bearbeitet und zeitnah korrigiert werden, so dass auch schon während des Semesters angemessenes Feedback für Teilnehmer/Innen und Veranstalter verfügbar ist.

Zur Prüfungsvorbereitung steht zusätzlich ein gegenüber dem o.g. Glossar deutlich reduzierter Index zu den ‚prüfungsrelevanten‘ Begriffen im Skript zur Verfügung. Zusätzlich sind die Aufgabenstellungen zu den Klausuren aus den Vorjahren verfügbar, deren Lösung zur Unterstützung der Prüfungsvorbereitung im Forum moderiert und diskutiert wird.

Arbeitsaufwand:
135-150 h: Selbststudium, Aufgabenbearbeitung & Abschlussprüfung

ECTS-Credits:
5

Zuordnung:
5 % Wirtschaftswissenschaften
65 % Informatik
20 % Kerngebiete der Wirtschaftsinformatik
10 % Allg. Grundlagen & Schlüsselqualifikationen

Voraussetzungen

keine

Angestrebte Lernergebnisse

Absolventinnen und Absolventen des Moduls können:

1. ihr vorhandenes Wissen über den grundlegenden Aufbau und die Funktionsweise aktueller Rechnersysteme erneuern, vertiefen und erweitern.
2. die für moderne Betriebssysteme typischen Aufgaben, Randbedingungen und Lösungstechniken erklären und kritisch diskutieren.
3. die enge Bindung zwischen Hardware-/Netzwerk-Architekturen und systemnahen Lösungen begründen.
4. Monolithische Systeme vom Arbeitsplatzrechner bis zum Server, wie auch verteilte Systeme mit ihren wichtigsten Charakteristika und Einsatzmöglichkeiten jeweils mit ihren Vorteilen und Problemen benennen.
5. die Grundprinzipien sequentieller, paralleler und verteilter Systemmodelle im betrieblichen Umfeld auf neue Fragestellungen anwenden.
6. selbständig wissenschaftlich arbeiten und durch den Umgang mit offenen Fragestellungen ihr systemanalytisches Denken, sowie ihre Abstraktionsfähigkeit verbessern.

Der Überblick über die Arbeitsweise monolithischer wie auch vernetzter bzw. verteilter Architekturen mit den jeweiligen Vor- und Nachteilen soll neben einem besseren Verständnis der täglich benutzten Infrastruktur die Fähigkeit zur fundierten Auswahl von geeigneten Gesamtsystem-Architekturen, sowie die fachlichen Grundlagen zur Hardware- und Betriebssystemselektion abhängig von der jeweils zu unterstützenden Aufgabe in der Praxis vermitteln.

Studienempfehlungen

Für den erfolgreichen Abschluss des Moduls wird die Abgabe der Aufgabenbearbeitung im Rahmen der optionalen semesterbegleitenden Studienleistungen dringend empfohlen.

Inhalte & Gliederung

Die Veranstaltung behandelt die Aufgaben und Architekturmerkmale von monolithischen und verteilten Rechner- und Betriebssystemen. Die Gliederung ist weitgehend an der zunehmenden Komplexität der behandelten Systeme ausgerichtet: Ausgehend von monolithischen Rechner-Systemen und ihren Betriebssystemen wird über die Grundlagen moderner Netzwerke hin zu Verteilten Systemen geführt.

Teil 1: Nach dem Schaffen einiger Grundlagen und der Erläuterung zentraler Begriffe (Repräsentation von Information im Rechnersystemen, Grundbegriffe zu Algorithmen, Systemen und Prozessen) gibt die Veranstaltung als Orientierung einen ersten Einblick in den Aufbau und die Arbeitsweise moderner Rechnerarchitekturen sowie die Aufgaben von Betriebssystemen zur Steuerung solcher Systeme. Vor diesem Hintergrund werden in den folgenden Kapiteln wichtige Aspekte beider Ebenen detaillierter diskutiert. Dazu gehört neben der Funktionsweise der notwendigen Bestandteile eines ‚minimalen‘ Rechners (boolesche Funktionen, Schaltnetze für Arithmetik und Kontrolle, sowie deren Zusammenspiel in einem Mikroprozessor) auch die Darstellung und Manipulation von Daten im Rechner.

Teil 2: Auf Systemseite wird ein Überblick über das Zusammenspiel von Konzepten der Rechnerarchitektur mit den wichtigsten Prinzipien und Komponenten von Systemsoftware (Prozess- und Ressource-Scheduling, Speicher-Verwaltung, Organisation von Hintergrundspeichern, moderne Speichersysteme wie z.B. RAIDs, I/O-Handhabung) gegeben. Die Vorlesung behandelt die Grundprinzipien moderner Techniken der Prozessorarchitektur, wie z.B. RISC-Rechner, Pipelining und Multi-Threading exemplarisch und gibt abschließend einen Ausblick auf Multiprozessorarchitekturen und Virtualisierungstechniken, wie sie in aktuellen Serverkonstellationen zum Einsatz kommen.

Teil 3: Ein Einblick in Rechnernetze, der sich bewusst auf die wichtigsten technischen Verfahren in lokalen wie auch in weltweiten Kommunikationssystemen beschränkt, bildet die Basis für eine erste Einführung in die verschiedenen Arten moderner, verteilter Systeme und ihre Charakteristika, sowie die grundlegenden Methoden der Interaktion in solchen Systemen. Spielt im klassischen Betriebssystem die Konkurrenz von Prozessen um Ressourcen aller Art (Prozessor, Speicher) die zentrale Rolle, tritt hier der Aspekt der Kooperation unter Nutzung verschiedener Interaktionsstile  zwischen Prozessen zur Lösung gemeinsamer Aufgaben in den Vordergrund. Ein erster Einblick in die besonderen Probleme bei Verteilten Systemen (Synchronisation, Konsistenz) und die zu ihrer Lösung genutzten Algorihmen und Architekturen rundet die Darstellung ab.

Die Darstellung ist insgesamt bewusst ausführlich angelegt und erklärt auch allgemeine Grundlagen der Informatik soweit sie zum weiteren Verständnis benötigt werden, so dass auch Teilnehmer/Innen ohne Informatik-Vorkenntnisse das Skript erfolgreich bearbeiten können ohne dabei auf zusätzliche Hintergrund-Literatur angewiesen zu sein. Um den für das Modul vorgesehenen Aufwand nicht zu überschreiten, wird das breite Spektrum an Themen zum Schaffen von Überblick und Einsicht in grundlegende Probleme, Lösungsprinzipien und Zusammenhänge genutzt, so dass viele Aspekte nur exemplarisch und zum Teil (etwas) vereinfacht dargestellt werden können. Soweit dies in einer einführenden Veranstaltung zu einem solch breit angelegten Gebiet möglich ist, wird der Einsatz der verschiedenen Architekturen und Techniken anhand von marktgängigen Rechner- und Betriebssystemen illustriert und bewertet.

Studien- & Prüfungsleistungen

• Klausur [90 Punkte / 100 %]
• Ggf. Bonus durch drei nachgewiesene optionale Studienleistungen [18 Punkte / 20 %]

Der Bonus kann nur angerechnet werden, wenn in der Klausur mindestens 45 Punkte erreicht sind und die optionalen semesterbegleitenden Studienleistungen durch Abgabe / Einreichen der Lösung zur Aufgabenbearbeitung nachgewiesen sind. Die Bestnote (1,0) kann ohne den Bonus erreicht werden.

Literatur

• Andrew S. Tanenbaum / Maarten van Steen: Distributed Systems – Principles and Paradigms. Prentice Hall 2017 (3rd) (FREE Personalized Download possible)
• George Coulouris, Jean Dollimore, Tim Kindberg, Gordon Blair: Distributed Systems – Concepts and Design. Addison-Wesley/Pearson Education 2012 (5. Auflage); ISBN: 0-13-214301-1; 1008 Seiten
  

Hinweise

In den Studienleistungen werden Sie anhand von Übungsaufgaben und komplexen Problemstellungen die in der Lehrveranstaltung besprochene Technologien und ihre Methoden analysieren und Transferaufgaben dazu lösen (schriftliche Ausarbeitung). Die eingereichten Lösungen werden bewertet.