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Informatik ist die Wissenschaft von der systematischen Verarbeitung von Informationen und gliedert sich in theoretische Informatik (Algorithmen, Berechenbarkeit), praktische Informatik (Softwareentwicklung, Datenbanken), technische Informatik (Hardware, Rechnerarchitektur) und angewandte Informatik (Wirtschaftsinformatik, Bioinformatik). Sie befasst sich mit der Entwicklung, Anwendung und Bewertung von IT-Systemen. Die Informatik ist Grundlage der Digitalisierung und durchdringt nahezu alle Lebensbereiche.

IT-Systeme bestehen aus Hardware (physische Komponenten wie Prozessor, Speicher, Ein-/Ausgabegeräte), Software (Betriebssystem, Anwendungen) und Netzwerkkomponenten (Router, Switches, Kabel). Die Architektur folgt meist dem Von-Neumann-Prinzip mit CPU, Arbeitsspeicher, Massenspeicher und I/O-Einheiten. Moderne IT-Systeme sind oft verteilt (Client-Server, Cloud) und verwenden Virtualisierung zur effizienten Ressourcennutzung.

Ein Betriebssystem (OS) verwaltet Hardware-Ressourcen, stellt Schnittstellen für Anwendungen bereit und ermöglicht die Interaktion zwischen Benutzer und Computer. Kernaufgaben sind Prozessverwaltung (Multitasking), Speicherverwaltung (RAM, virtueller Speicher), Dateisystemverwaltung, Gerätetreiberverwaltung und Benutzerverwaltung. Bekannte Betriebssysteme sind Windows, Linux, macOS, Android und iOS. Das OS sorgt für Stabilität, Sicherheit und effiziente Ressourcennutzung.

Zentrale Hardware-Komponenten sind: CPU (Prozessor für Berechnungen), RAM (Arbeitsspeicher für laufende Prozesse), Mainboard (Verbindung aller Komponenten), Massenspeicher (HDD, SSD für dauerhafte Datenspeicherung), Grafikkarte (Bildausgabe), Netzteil (Stromversorgung), Peripheriegeräte (Tastatur, Maus, Monitor). Die Komponenten kommunizieren über Busse (PCIe, SATA, USB). Moderne CPUs sind Multi-Core-Prozessoren mit hoher Taktfrequenz.

Netzwerkprotokolle sind standardisierte Regeln für die Kommunikation zwischen Geräten in einem Netzwerk und definieren Format, Reihenfolge und Fehlerbehandlung von Nachrichten. Wichtige Protokolle sind TCP/IP (Internetkommunikation), HTTP/HTTPS (Webseiten), FTP (Dateiübertragung), SMTP/IMAP (E-Mail), DNS (Namensauflösung). Protokolle arbeiten auf verschiedenen OSI-Schichten und ermöglichen die Interoperabilität heterogener Systeme.

Programmierung ist die Erstellung von Anweisungen (Code) in einer Programmiersprache, die von einem Computer ausgeführt werden können, um bestimmte Aufgaben zu lösen. Sie umfasst Problemanalyse, Algorithmenentwicklung, Implementierung, Testen und Debugging. Programmiersprachen können kompiliert (C, Java) oder interpretiert (Python, JavaScript) sein. Moderne Programmierung folgt Paradigmen wie objektorientiert, funktional oder deklarativ.

Die Softwareentwicklung gliedert sich typischerweise in Anforderungsanalyse (Was soll entwickelt werden?), Design/Entwurf (Architektur, Datenmodell), Implementierung (Programmierung), Testing (Qualitätssicherung), Deployment (Bereitstellung) und Wartung (Fehlerbehebung, Weiterentwicklung). Methodiken wie Wasserfall (sequenziell) oder agile Methoden (Scrum, Kanban mit iterativen Zyklen) strukturieren den Prozess. Moderne Entwicklung nutzt DevOps-Ansätze für kontinuierliche Integration und Auslieferung.

Datenstrukturen organisieren und speichern Daten effizient für den Zugriff und die Verarbeitung. Grundlegende Strukturen sind Arrays (indexierter Zugriff), Listen (verkettete Elemente), Stacks (LIFO), Queues (FIFO), Trees (hierarchisch), Hashmaps (Schlüssel-Wert-Paare), Graphen (Knoten und Kanten). Die Wahl der Datenstruktur beeinflusst Laufzeit und Speicherbedarf von Algorithmen. Kenntnisse über Datenstrukturen sind essentiell für performante Softwareentwicklung.

Algorithmen sind eindeutige, schrittweise Handlungsanweisungen zur Lösung eines Problems oder zur Durchführung einer Berechnung. Sie werden nach Korrektheit (liefern das richtige Ergebnis), Effizienz (Zeit- und Speicherkomplexität, z.B. O(n), O(log n), O(n²)) und Verständlichkeit bewertet. Wichtige Algorithmen sind Sortieralgorithmen (QuickSort, MergeSort), Suchalgorithmen (Binary Search), Graph-Algorithmen (Dijkstra). Gute Algorithmen sind effizient, robust und wartbar.

Frameworks sind wiederverwendbare Software-Gerüste, die Struktur, Basisfunktionalität und Best Practices für die Anwendungsentwicklung bereitstellen. Sie beschleunigen die Entwicklung, fördern konsistenten Code und bieten getestete Komponenten (z.B. Spring für Java, Django für Python, React/Angular für Frontend). Frameworks folgen meist dem Inversion-of-Control-Prinzip. Der Entwickler füllt die vorgegebene Struktur mit anwendungsspezifischem Code.

Skriptsprachen sind meist interpretierte, dynamisch typisierte Sprachen für Automatisierung, Prototyping und schnelle Entwicklung, wie Python, JavaScript, Bash, PowerShell. Sie eignen sich für Systemadministration (automatisierte Deployments, Log-Auswertung), Web-Entwicklung (JavaScript), Datenanalyse (Python) und DevOps-Aufgaben. Skriptsprachen sind oft einfacher zu lernen als kompilierte Sprachen, haben aber meist geringere Performance.

Webentwicklung ist die Erstellung von Webanwendungen und Webseiten und gliedert sich in Frontend-Entwicklung (Benutzeroberfläche im Browser), Backend-Entwicklung (serverseitige Logik, Datenverwaltung) und Full-Stack-Entwicklung (beides). Zentrale Technologien sind HTML (Struktur), CSS (Styling), JavaScript (Interaktivität), sowie Backend-Sprachen (PHP, Python, Java, Node.js). Moderne Webentwicklung nutzt Frameworks (React, Vue, Angular), RESTful APIs und responsives Design.

Das Frontend umfasst HTML5 (semantische Struktur), CSS3 (Styling, Animationen, Grid/Flexbox), JavaScript (Interaktivität, DOM-Manipulation) und Frontend-Frameworks (React, Vue, Angular, Svelte). Zusätzlich kommen Build-Tools (Webpack, Vite), Präprozessoren (Sass, Less) und State-Management-Libraries (Redux, Vuex) zum Einsatz. Responsives Design (Media Queries) und Accessibility (ARIA) sind Qualitätsmerkmale. Das Frontend kommuniziert über APIs mit dem Backend.

Das Backend verarbeitet die Geschäftslogik, verwaltet Daten, authentifiziert Benutzer und stellt Schnittstellen (APIs) für das Frontend bereit. Es läuft auf einem Server und nutzt Technologien wie Node.js, Python (Django, Flask), Java (Spring Boot), PHP oder Ruby. Typische Aufgaben sind Datenbankzugriff, Validierung, Session-Management, Berechtigungsprüfung und externe API-Anbindungen. Das Backend kommuniziert über HTTP/HTTPS mit dem Frontend.

APIs (Application Programming Interfaces) sind Schnittstellen, die die Kommunikation zwischen Softwarekomponenten ermöglichen, indem sie definierte Funktionen und Datenformate bereitstellen. RESTful APIs nutzen HTTP-Methoden (GET, POST, PUT, DELETE) und JSON/XML für Datenübertragung. Sie folgen dem Client-Server-Prinzip und sind zustandslos. APIs ermöglichen Modularität, Wiederverwendbarkeit und die Integration von Drittdiensten (z.B. Zahlungsanbieter, Cloud-Services).

Wichtige Architekturen sind Monolithisch (alle Komponenten in einer Anwendung), Microservices (unabhängige, lose gekoppelte Dienste), Schichtenarchitektur (Präsentation, Logik, Daten), MVC (Model-View-Controller) und Serverless (Function-as-a-Service). Die Wahl hängt von Skalierbarkeit, Wartbarkeit, Team-Größe und Anforderungen ab. Microservices eignen sich für große, verteilte Systeme, während Monolithen für kleinere Projekte ausreichen können.

Datenbanken sind strukturierte Systeme zur dauerhaften Speicherung, Verwaltung und Abfrage von Daten. Man unterscheidet relationale Datenbanken (SQL: MySQL, PostgreSQL, Oracle - tabellenbasiert mit Beziehungen) und NoSQL-Datenbanken (MongoDB, Redis, Cassandra - dokumentenorientiert, Key-Value, spaltenorientiert, graphbasiert). Relationale DBs eignen sich für strukturierte Daten und komplexe Abfragen, NoSQL für flexible Schemas und horizontale Skalierung.

SQL (Structured Query Language) ist eine standardisierte Abfragesprache für relationale Datenbanken und umfasst DDL (Data Definition Language: CREATE, ALTER, DROP für Strukturen), DML (Data Manipulation Language: SELECT, INSERT, UPDATE, DELETE für Daten), DCL (Data Control Language: GRANT, REVOKE für Berechtigungen) und TCL (Transaction Control Language: COMMIT, ROLLBACK). SQL ermöglicht komplexe Abfragen mit JOINs, Aggregationen, Unterabfragen und Views.

Netzwerktechnik befasst sich mit der Verbindung von Computern und Geräten zur Datenübertragung und umfasst Netzwerktopologien (Stern, Ring, Bus), Übertragungsmedien (Kupfer, Glasfaser, Funk), Netzwerkgeräte (Router, Switch, Firewall), Protokolle (TCP/IP, Ethernet) und Netzwerkdienste (DNS, DHCP). Man unterscheidet LAN (Local Area Network), WAN (Wide Area Network) und WLAN (Wireless LAN). Kenntnisse über IP-Adressierung, Subnetting und Routing sind essentiell.

Server sind leistungsstarke Computer, die Dienste, Anwendungen oder Ressourcen für Clients bereitstellen und rund um die Uhr verfügbar sind. Typen sind Webserver (Apache, Nginx - liefern Webseiten), Datenbankserver (MySQL, PostgreSQL), Mailserver (Exchange, Postfix), Fileserver (Samba, NFS) und Applikationsserver (Tomcat, IIS). Server benötigen hohe Verfügbarkeit, Sicherheit, Performance und Skalierbarkeit. Virtualisierung ermöglicht die Konsolidierung mehrerer virtueller Server.

Das Client-Server-Modell ist ein Netzwerkarchitekturkonzept, bei dem Clients (Anwender-PCs, Apps) Dienste anfordern und Server diese bereitstellen. Die Kommunikation erfolgt über definierte Protokolle (HTTP, FTP, SQL). Vorteile sind zentrale Datenhaltung, Wartung und Sicherheit sowie Lastverteilung. Der Server verwaltet Ressourcen, authentifiziert Clients und verarbeitet Anfragen. Moderne Architekturen verwenden oft mehrere Server-Schichten (Webserver, Applikationsserver, Datenbankserver).

IT-Sicherheit schützt IT-Systeme, Daten und Netzwerke vor unbefugtem Zugriff, Manipulation, Ausfall und Verlust und umfasst Vertraulichkeit (nur Berechtigte haben Zugriff), Integrität (Daten sind unverändert), Verfügbarkeit (Systeme sind erreichbar) und Authentizität (Identitätsnachweis). Maßnahmen sind Firewalls, Verschlüsselung, Zugriffskontrollen, Antivirus, Backups, Security-Updates und Awareness-Schulungen. IT-Sicherheit ist ein kontinuierlicher Prozess.

Die DSGVO (Datenschutz-Grundverordnung) regelt die Verarbeitung personenbezogener Daten in der EU und verpflichtet Unternehmen zu Rechtmäßigkeit (Einwilligung oder gesetzliche Grundlage), Zweckbindung, Datenminimierung, Transparenz, Löschpflicht und technisch-organisatorischen Maßnahmen. Betroffene haben Auskunfts-, Berichtigungs- und Löschrechte. Verstöße können hohe Bußgelder nach sich ziehen. IT-Systeme müssen Privacy by Design und Privacy by Default umsetzen.

Verschlüsselung wandelt Daten in eine unleserliche Form um, die nur mit dem richtigen Schlüssel wieder entschlüsselt werden kann. Man unterscheidet symmetrische Verschlüsselung (gleicher Schlüssel zum Ver- und Entschlüsseln: AES, DES) und asymmetrische Verschlüsselung (Schlüsselpaar aus öffentlichem und privatem Schlüssel: RSA, ECC). HTTPS nutzt asymmetrische Verschlüsselung für den Schlüsselaustausch und symmetrische für die Datenübertragung. Verschlüsselung schützt Vertraulichkeit und Integrität.

IT-Recht umfasst rechtliche Regelungen für den IT-Bereich wie Datenschutz (DSGVO, BDSG), Urheberrecht (Softwareschutz), Vertragsrecht (IT-Verträge, SLAs), Haftung (Produkthaftung, Datenpannen), Strafrecht (Computerbetrug, Hacking), Telekommunikationsrecht und E-Commerce-Recht. IT-Verantwortliche müssen rechtliche Rahmenbedingungen kennen, Compliance sicherstellen und Risiken minimieren. Verstöße können zivil-, straf- und aufsichtsrechtliche Folgen haben.

Lizenzmodelle regeln die Nutzung von Software und umfassen proprietäre Lizenzen (kommerziell, Nutzungsrechte beschränkt: Windows, Adobe), Open-Source-Lizenzen (Quellcode verfügbar, verschiedene Bedingungen: GPL, MIT, Apache), Freeware (kostenlos, aber proprietär), Shareware (Testversion, dann kostenpflichtig) und SaaS (Software-as-a-Service, Abonnement). Lizenzen definieren Nutzungsrechte, Weitergabe, Haftung und Gewährleistung. Lizenzverstöße können rechtliche Konsequenzen haben.

IT-Projektmanagement plant, steuert und überwacht IT-Projekte von der Initiierung bis zum Abschluss und umfasst Projektdefinition (Ziele, Scope), Planung (Zeit, Kosten, Ressourcen), Durchführung, Controlling und Abschluss. Methoden sind klassisches Projektmanagement (Wasserfall, V-Modell) und agile Methoden (Scrum, Kanban mit Sprints, Iterationen). Wichtige Werkzeuge sind Gantt-Diagramme, Risikoanalyse, Stakeholder-Management und Projektdokumentation. Erfolgsfaktoren sind klare Ziele, Kommunikation und Stakeholder-Einbindung.

Die Anforderungsanalyse ermittelt systematisch, welche Funktionen und Eigenschaften ein System haben soll, und gliedert sich in Anforderungserhebung (Interviews, Workshops, Beobachtung), Anforderungsdokumentation (Lastenheft, Pflichtenheft, User Stories), Anforderungsprüfung (Vollständigkeit, Konsistenz, Realisierbarkeit) und Anforderungsfreigabe. Man unterscheidet funktionale Anforderungen (Was soll das System tun?) und nicht-funktionale Anforderungen (Performance, Sicherheit, Usability). Eine gute Anforderungsanalyse ist Grundlage für erfolgreiche Projekte.

Dokumentation erfasst systematisch Informationen über Software, Systeme, Prozesse und Projekte und dient der Wissensbewahrung, Einarbeitung, Wartung, Fehlersuche und Kommunikation. Wichtige Dokumentationstypen sind technische Dokumentation (Architektur, API-Dokumentation), Benutzerdokumentation (Handbücher, Online-Hilfe), Code-Kommentare, Projektdokumentation (Anforderungen, Entscheidungen) und Betriebshandbücher. Gute Dokumentation ist aktuell, verständlich, vollständig und gut strukturiert.

Systemadministratoren (SysAdmins) installieren, konfigurieren, warten und überwachen IT-Systeme (Server, Netzwerke, Datenbanken) und sichern deren Verfügbarkeit, Performance und Sicherheit. Aufgaben umfassen Benutzerverwaltung, Backup/Recovery, Patch-Management, Monitoring, Kapazitätsplanung, Troubleshooting und Automatisierung (Skripte). SysAdmins arbeiten mit Betriebssystemen (Linux, Windows), Virtualisierung, Netzwerktechnik und Sicherheitstools. Sie sind oft im Bereitschaftsdienst für kritische Systeme.

IT-Service-Management (ITSM) organisiert die Bereitstellung und Verwaltung von IT-Services nach strukturierten Prozessen, häufig nach ITIL (IT Infrastructure Library). Kernprozesse sind Incident Management (Störungsbehandlung), Problem Management (Ursachenanalyse), Change Management (Änderungen), Configuration Management (Inventar), Service-Level-Management (Qualität). ITSM zielt auf hohe Servicequalität, Kundenzufriedenheit, Effizienz und kontinuierliche Verbesserung. Ticket-Systeme unterstützen den Prozess.

Der IT-Support (Helpdesk, Support-Team) unterstützt Anwender bei technischen Problemen und Fragen und gliedert sich in First-Level-Support (Hotline, einfache Störungen), Second-Level-Support (komplexe Probleme, Fernwartung) und Third-Level-Support (Spezialisten, Hersteller). Aufgaben sind Anfrageannahme, Fehlerdiagnose, Problemlösung, Eskalation, Dokumentation und Anwenderschulung. Wichtig sind Freundlichkeit, Geduld, technisches Wissen und strukturiertes Vorgehen. Ticket-Systeme erfassen und priorisieren Anfragen.

Versionskontrolle (Version Control System, VCS) verwaltet Änderungen an Dateien (meist Quellcode) über die Zeit und ermöglicht Nachvollziehbarkeit, Zusammenarbeit und Wiederherstellung früherer Versionen. Zentrale Systeme (SVN) nutzen einen zentralen Server, verteilte Systeme (Git, Mercurial) speichern die gesamte Historie lokal. Versionskontrolle verhindert Datenverlust, Konflikte und ermöglicht paralleles Arbeiten durch Branching und Merging. Sie ist essentiell für professionelle Softwareentwicklung.

Git ist ein verteiltes Versionskontrollsystem, bei dem jeder Entwickler eine vollständige Kopie der Repository-Historie hat. Wichtige Konzepte sind Commit (Snapshot speichern), Branch (parallele Entwicklungszweige), Merge (Branches zusammenführen), Pull (Änderungen herunterladen), Push (Änderungen hochladen), Clone (Repository kopieren). Plattformen wie GitHub, GitLab und Bitbucket bieten gehostete Git-Repositories mit Collaboration-Features (Pull Requests, Code Reviews, CI/CD). Git ermöglicht flexible, dezentrale Workflows.

Softwaretests prüfen Software auf Funktionsfähigkeit, Korrektheit und Qualität. Man unterscheidet Unit-Tests (einzelne Funktionen/Klassen), Integrationstests (Zusammenspiel von Komponenten), Systemtests (Gesamtsystem), Akzeptanztests (Erfüllung der Anforderungen). Nach Methode gibt es White-Box-Tests (Kenntnis des Codes) und Black-Box-Tests (nur Eingabe/Ausgabe). Automatisierte Tests (mit Tools wie JUnit, Selenium, Jest) ermöglichen kontinuierliches Testen und erhöhen die Codequalität.

Qualitätssicherung (QA) umfasst alle Maßnahmen zur Sicherstellung von Softwarequalität wie Code Reviews (Vier-Augen-Prinzip), automatisierte Tests, statische Code-Analyse (Linter, SonarQube), Continuous Integration (automatisches Bauen und Testen), Coding Standards, Dokumentation und Usability-Tests. Qualitätsmerkmale sind Funktionalität, Zuverlässigkeit, Benutzbarkeit, Effizienz, Wartbarkeit und Portabilität. QA ist ein kontinuierlicher Prozess über den gesamten Entwicklungszyklus.

DevOps ist eine Kultur und Praxis, die Softwareentwicklung (Development) und IT-Betrieb (Operations) vereint, um schnellere, zuverlässigere Software-Auslieferung zu ermöglichen. Kernprinzipien sind Automatisierung (CI/CD-Pipelines), kontinuierliche Integration und Deployment, Infrastructure as Code (Terraform, Ansible), Monitoring, Feedback-Schleifen und Zusammenarbeit. DevOps nutzt Tools wie Jenkins, GitLab CI, Docker, Kubernetes. Ziel ist kürzere Release-Zyklen, höhere Qualität und schnellere Fehlerbehebung.

Cloud Computing ist die bedarfsgerechte Bereitstellung von IT-Ressourcen (Rechenleistung, Speicher, Software) über das Internet als Service. Servicemodelle sind IaaS (Infrastructure as a Service: virtuelle Server, Speicher), PaaS (Platform as a Service: Entwicklungsplattformen), SaaS (Software as a Service: fertige Anwendungen). Bereitstellungsmodelle sind Public Cloud (öffentlich, z.B. AWS, Azure, Google Cloud), Private Cloud (dediziert), Hybrid Cloud (Kombination). Vorteile sind Skalierbarkeit, Flexibilität, Kosteneffizienz und Verfügbarkeit.

Virtualisierung entkoppelt Software von Hardware und ermöglicht den Betrieb mehrerer virtueller Maschinen (VMs) auf einem physischen Server. Ein Hypervisor (Typ 1: direkt auf Hardware wie VMware ESXi, Typ 2: auf Betriebssystem wie VirtualBox) verwaltet die VMs und teilt Ressourcen zu. Virtualisierung erhöht die Auslastung, reduziert Hardwarekosten, ermöglicht schnelle Bereitstellung und erleichtert Backups/Snapshots. Container (Docker) sind eine leichtgewichtige Alternative zu VMs.

Automatisierung reduziert manuelle, wiederkehrende Aufgaben durch Skripte, Tools und Workflows und umfasst Deployment-Automatisierung (CI/CD-Pipelines), Infrastruktur-Automatisierung (Infrastructure as Code mit Terraform, Ansible), Monitoring und Alerting (automatische Benachrichtigungen), Backup-Automatisierung und Task-Scheduling (Cron-Jobs). Automatisierung spart Zeit, reduziert Fehler, erhöht Konsistenz und ermöglicht schnellere Reaktion. Sie ist zentraler Bestandteil von DevOps und modernem IT-Betrieb.