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Über dieses Buch

Dieses reich bebilderte Sachbuch bietet Ihnen einen einfachen, aber fundierten Einstieg in das Gebiet der Informatik und erklärt Schritt für Schritt, wie Computer und Internet funktionieren. In 18 Kapiteln werden die Schlüsselbegriffe, die der Computertechnologie zugrunde liegen, in überschaubaren Portionen erläutert.

Dabei wird bewusst auf technische Details, Formeln und komplizierte Definitionen verzichtet, der Fokus liegt auf dem Verstehen der Ideen. Es geht um digital und analog, die innere Funktionsweise und den Aufbau von Computern, um Codierung, Programmiersprachen, Algorithmen und Datenstrukturen, um die Prinzipien und die Nutzung des Internets sowie um Künstliche Intelligenz, Verschlüsselung und Sicherheit.

Das Buch ist in drei Teile untergliedert und führt vom Einsteigen über das Vertiefen zum Durchdringen. Es richtet sich an alle, die ein Basiswissen in Informatik erwerben und hinter die Kulissen der digitalen Welt schauen wollen. Damit die Computerwissenschaft kein Buch mit sieben Siegeln bleibt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Einsteigen

Frontmatter

Kapitel 1. Das Werkzeug mit dem Zeug zu mehr – der Rechner

Zusammenfassung
Die Informatik beschäftigt sich mit dem wohl vielseitigsten Werkzeug, das der Mensch je entwickelt hat: dem Computer. Computer können Texte analysieren, Musik wiedergeben, Strategiespiele wie Schach und Go spielen, Gebäude überwachen, Autos steuern, Gesichter erkennen und sogar Stimmungen darin lesen. In nahezu allen Bereichen des Alltags sind Computer beteiligt, ob wir nun mit anderen kommunizieren, nach Informationen suchen oder uns fortbewegen. Und sie begegnen uns in verschiedensten Formen, vom Smartphone und dem Laptop über den Staubsauger und die Nähmaschine bis zum Ticketautomaten und zum Aufzug. Bei dieser Vielfalt drängt sich die Frage auf: Was ist eigentlich ein Computer, was macht sein Wesen aus?
Eckart Zitzler

Kapitel 2. Hier rein, dort raus – vom Wesen der Informationsverarbeitung

Zusammenfassung
Ein Computer ist eine Fabrik, in der Informationen in Form von Daten verarbeitet werden. Damit ist aber noch nichts darüber ausgesagt, was diese Fabrik tut und was ihre Aufgabe ist. Gut, beim Rechnen ist es klar: Da werden Zahlen entgegengenommen, gemäß einer festgelegten Abfolge von Rechenschritten bearbeitet und das so produzierte Ergebnis wird ausgegeben. Doch wenn wir uns andere Aufgaben anschauen, sei es nun ein Computerspiel oder der Autopilot in einem Flugzeug, dann ist es nicht mehr so offensichtlich. Zwar werden auch hier Informationen verarbeitet, doch was macht ein Computer dabei eigentlich genau?
Eckart Zitzler

Kapitel 3. Alles nach Programm

Zusammenfassung
Was einen Computer universell macht, ist die Möglichkeit, einen Berechnungsvorgang flexibel einstellen zu können – mittels eines Programms. Mit einem Programm lässt sich das gleiche Gerät auf verschiedenste Aufgaben zuschneiden, ohne dass wir den Computer selbst verändern müssten: telefonieren, fotografieren, Nachrichten versenden, Musik aufnehmen, Texte bearbeiten usw. Aber was ist eigentlich ein Programm, wie wird so ein Berechnungsvorgang beschrieben und wie gibt man ihn ein?
Eckart Zitzler

Kapitel 4. Die Kunst der Codierung

Zusammenfassung
Wollen wir einen Computer für eine bestimmte Aufgabe einsetzen, dann müssen wir uns nicht nur überlegen, wie der Verarbeitungsablauf in Form eines Programms beschrieben werden kann. Es geht auch darum, das, was eigentlich verarbeitet werden soll, darzustellen. Informationen müssen in Form von Daten verpackt werden. Daten können alles Mögliche repräsentieren, von Zahlen und Texten über Bilder und Tönen bis zu Finanztransaktionen oder Auswertungen von Gesteinsproben. Da jedoch Computer intern nur mit den zwei Symbolen 0 und 1 operieren, müssen wir uns überlegen, wie Informationen damit beschrieben werden können. Wie sieht eine Zahl aus, die nur aus Nullen und Einsen besteht – oder ein Text oder ein Bild?
Eckart Zitzler

Kapitel 5. Die Kopplung der Welten

Zusammenfassung
In der Innenwelt des Computers werden Nullen und Einsen verschoben, verrechnet und gespeichert. Dass dies keinerlei Einschränkung bedeutet, wissen wir bereits: Töne, Bilder und beliebige andere Informationen lassen sich durch 0-1-Muster codieren. Die Außenwelt eines Computers sieht natürlich ganz anders aus: Da sind Töne in Schwingungen versetzte Luftmoleküle und Bilder reflektierte Lichtstrahlen. Doch wie sind diese zwei Welten gekoppelt, d. h., wie kommt die Außenwelt in die Innenwelt und umgekehrt? Oder anders ausgedrückt: Wie wird ein Computer in die Umwelt eingebettet?
Eckart Zitzler

Kapitel 6. Das Netz der Netze

Zusammenfassung
Wenn Computer mittels Leitungen oder über Funk miteinander verbunden werden, lassen sich auf schnelle und einfache Art und Weise Daten austauschen. Welche enormen Möglichkeiten sich damit eröffnen, zeigt das Internet. In diesem Computernetzwerk können auf dem ganzen Globus Mitteilungen in verschiedenster Form verschickt, Ressourcen geteilt und Geräte gesteuert werden. Dieses sich permanent verändernde Gebilde hat sich zu einem Nervensystem der Welt herausgebildet, das in fast allen Lebensbereichen in der einen oder anderen Art genutzt wird. Doch was ist das Internet eigentlich und wie werden darin Daten übermittelt?
Eckart Zitzler

Vertiefen

Frontmatter

Kapitel 7. Von Hirn und Herz – Computeranatomie

Zusammenfassung
So wie ein Mensch Herz, Hirn, Leber, Niere und weitere Organe besitzt, besteht ein Computer aus verschiedenen spezialisierten Komponenten, die im Zusammenspiel ein Informatiksystem bilden. Da gibt es Sinnesorgane für die Aufnahme von Informationen, ein Gehirn für deren Verarbeitung, eine Vielzahl von Extremitäten, um in die Umwelt einzugreifen, Nervenbahnen für die innere Kommunikation und Stimmorgane für die Kommunikation nach außen. Ja selbst eine innere Uhr gibt es, auch wenn die nichts mit Tag und Nacht zu tun hat, sondern das Zusammenspiel der Komponenten zeitlich koordiniert. In diesem Kapitel schauen wir uns die einzelnen Bestandteile und ihr Zusammenspiel genauer an: Was sind und können Prozessor, Hauptspeicher, Bus und der ganze Rest?
Eckart Zitzler

Kapitel 8. Der Meister des Betriebs

Zusammenfassung
Ein Computer ist ein universelles Werkzeug zur automatisierten Informationsverarbeitung. Bevor wir ihn aber für eine bestimmte Aufgabe einsetzen können, muss er mittels eines Programms darauf eingestellt werden. Das heißt: Die Computerhardware, die ja zunächst mal nur die Infrastruktur zur Verfügung stellt, ist ohne Software nicht nutzbar; erst das Programm bringt Schwung in die Verarbeitung. Doch wie kommt das Programm in den Computer, wie können wir zwischen verschiedenen Programmen umschalten oder diese sogar gleichzeitig laufen lassen? Auch dafür braucht es Software, eine Art Facility-Manager, der einen Computer überhaupt erst bedienbar macht und seinen Betrieb ermöglicht. Diese Software heißt Betriebssystem, und in diesem Kapitel schauen wir uns an, was ein Betriebssystem ist und welche Aufgaben es bewerkstelligt.
Eckart Zitzler

Kapitel 9. Sprachenwelten

Zusammenfassung
Programme werden zumeist als Texte formuliert, doch wie wir gesehen haben, gibt es auch ganz andere Formen der Darstellung, z. B. als grafische Blöcke. Letztlich hängt das von der Programmiersprache ab, die wir verwenden. Sie stellt den Rahmen zur Verfügung, um Programme zu beschreiben. Doch wie kann ein Computer all die verschiedenen Beschreibungen verstehen und letztlich in automatisierte Abläufe umsetzen? Oder anders gefragt: Wie ist es möglich, dass ein Computer mehrere Programmiersprachen versteht? Ist er von Natur aus ein Sprachenkünstler oder muss man ihm die verschiedenen Ausdrucksformen erst beibringen? In diesem Kapitel werden wir sehen, dass ein Computer an sich von seiner Hardware her nur eine Sprache beherrscht. Weitere Programmiersprachen müssen ihm vermittelt werden – und zwar über spezielle darauf ausgerichtete Übersetzerprogramme.
Eckart Zitzler

Kapitel 10. Gewusst wie – Algorithmen

Zusammenfassung
Überall, wo Computertechnologie zum Einsatz kommt, sind auch Algorithmen nicht weit. Sie sind die Ideen hinter den automatisierten Abläufen, der Hirnschmalz hinter den Programmen. Um sie wird viel Wirbel gemacht – nicht zu Unrecht. Denn wie gut bzw. ob überhaupt ein Computer zur Lösung eines Problems eingesetzt werden kann, hängt zum großen Teil vom Algorithmus ab. Häufig ist es trivial, einen Algorithmus zu finden, viele Informationsverarbeitungsvorgänge sind Routine. Doch hin und wieder kann es schwierig sein, einen geeigneten Algorithmus zu finden, und es gibt sogar Situationen, in denen die Suche von vorneherein hoffnungslos ist. Was also hat es mit den ominösen Algorithmen auf sich und warum spielen sie in der Informatik eine so gewichtige Rolle?
Eckart Zitzler

Kapitel 11. Vom Sinn der Ordnung

Zusammenfassung
Etwas wiederfinden kann ganz schön schwierig sein, insbesondere wenn es sich in einem Gewirr vieler anderer Dinge verbirgt. Das kennen wir ja bestens aus dem Alltag und eigentlich wissen wir auch: Ordnung hilft. Wenn Dinge ihren Platz haben, finden wir sie – meistens – schneller wieder. Aber Ordnung hat ihren Preis, denn sie erfordert Disziplin und Anstrengung, benutzte Dinge müssen wieder aufgeräumt werden. Beim Computer stellen sich ähnliche Fragen, wenn große Datenmengen verarbeitet werden sollen. Dann braucht es gute Ordnungsprinzipien, um im Datenmeer die gewünschten Informationen zu finden. Die Informatik spricht von Datenstrukturen: ohne diese wäre es unmöglich, in Sekundenbruchteilen im Internet nach Schlagworten zu suchen – Algorithmen hin oder her. Wie legt man also geschickt Daten ab und findet sie schnell wieder?
Eckart Zitzler

Kapitel 12. Vom Nebeneinander zum Miteinander

Zusammenfassung
Zusammen geht vieles einfacher. Je mehr Hände anpacken, desto schneller ist der Umzug erledigt, die Küche aufgeräumt und die Weinlese vollzogen. Es ist aber nicht nur so, dass mehrere schneller sein können. Mehrere können auch mehr. Denken wir nur an eine Band, in der unterschiedlich spezialisierte Musikerinnen und Musiker ihr Können für ein gemeinsames Ziel vereinen und auf diese Art etwas kreieren, was ein Einzelner nicht könnte. Die Fähigkeit zu kooperieren ist letztlich die Grundlage unserer Gesellschaft. Und beim Computer ist das ebenso, auch dort bietet das Internet vielfältige Möglichkeiten, Ressourcen zu teilen. Die Rede ist von der ominösen Cloud. Was steckt hinter dieser Wolke und wie kooperieren Computer darin?
Eckart Zitzler

Durchdringen

Frontmatter

Kapitel 13. Warum eigentlich 0 und 1?

Zusammenfassung
Computer arbeiten intern mit 0 und 1 und auf der Basis elektrischer Ströme. Doch warum ist das so und was hat das eine mit dem anderen zu tun? Und wie lässt sich, bitte schön, mit Strom rechnen? Diese Fragen beziehen sich auf das Fundament der Hardware, die in heutigen Computer zum Einsatz kommt. Es ist allerdings keineswegs so, dass automatisierte Informationsverarbeitung nur so betrieben werden könnte: Die ersten Maschinen, die selbstständig Operationen auf Zahlen durchführen konnten, basierten auf Zahnrädern sowie anderen mechanischen Komponenten, und tatsächlich hat man auch mit strombetriebenen Rechnern experimentiert, die Informationen analog darstellen. Warum also hat sich die heute verwendete Technologie durchgesetzt und wie funktioniert sie? Im Folgenden begeben wir uns in die Untiefen des Computers und schauen uns die Mechanismen an, die der Hardware zugrunde liegen.
Eckart Zitzler

Kapitel 14. Der nackte Computer

Zusammenfassung
Der Prozessor ist ein Computer ohne alles, sprich: die Zentrale, in der die Informationsverarbeitung abläuft, ohne die anderen Komponenten wie Tastatur, Bildschirm, Motoren, die die Verbindung zur Umwelt herstellen und Zulieferer bzw. Abnehmer von Daten sind. Er steht für eines der komplexesten Gebilde, die wir Menschen bauen können, und ist daher im Detail nur für Fachleute verständlich. Macht aber nichts, denn im Kern ist ein Prozessor nichts anderes als eine Fabrik, und zwar für Daten. Und wie eine Fabrik oder allgemein eine Verarbeitungsanlage wie z. B. eine Küche funktioniert, wissen wir ja. Also inwiefern ist ein Prozessor eine Datenküche und warum hat er eigentlich Hertz?
Eckart Zitzler

Kapitel 15. Wie funktioniert das Internet?

Zusammenfassung
Das Internet ist ein phänomenales Gebilde. Obwohl von Menschenhand geschaffen, weiß niemand, wie es aussieht. In jeder Sekunde flitzen unzählige Datenpakete quer über den Globus und finden zuverlässig ihren Weg in dem riesigen Computernetzwerk. Egal ob wir gerade zu Hause, in den Ferien oder bei der Arbeit sind: Wir können über unseren Computer einen Videoanruf zu unseren Freunden tätigen und sind immer miteinander verbunden. Doch wie kann das gehen, woher weiß mein Computer, wo der andere Computer ist? Und wie werden die Daten transportiert, wenn doch zwischendurch elektrischen Leitungen, Funkantennen, Glasfaser und andere Technologien passiert werden müssen? In diesem Kapitel geht es um das, was das Internet im Innersten zusammenhält. Es geht um Internetadressen, Router und ähnliche Zauberworte, die uns im Alltag immer wieder begegnen, ohne dass wir wissen, was dahintersteckt.
Eckart Zitzler

Kapitel 16. Wie die Intelligenz in den Computer kommt

Zusammenfassung
Wurden Computer anfangs hauptsächlich als Zahlenfresser eingesetzt, so hat sich das Spektrum der Anwendungen mittlerweile enorm erweitert: Sie können Schach spielen, Autos steuern, Gesichter erkennen, sprechen usw. – Dinge, von denen man lange annahm, dass sie nur Menschen vorbehalten sind. All diese Tätigkeiten, bei denen Computer etwas tun, was wir allgemein als intelligent bezeichnen, werden unter dem Begriff Künstliche Intelligenz zusammengefasst. Der Begriff ist etwas nebulös, nicht zuletzt deshalb, weil sich ganz verschiedene Methoden dahinter verstecken. Versuchen wir etwas Licht ins Dunkel zu bringen und schauen uns an, wie Computer lernen, spielen und erfinden können.
Eckart Zitzler

Kapitel 17. Die Meisterschaft der Codes

Zusammenfassung
In der Informatik werden Codes verwendet, um Informationen so darzustellen, dass ein Computer sie verarbeiten kann. Doch es geht dabei noch um viel mehr. Es gibt Codes, mit denen man Unstimmigkeiten, die bei Übertragung von Datenpaketen aufgetreten sind, entdecken und korrigieren kann. Es gibt Codes, die nur sehr wenige Bits brauchen – und es gibt Algorithmen, die aus Daten die Luft rauslassen und die Anzahl der Bits minimieren. Und schließlich gibt es noch Codes, die nur für bestimmte Adressaten lesbar sind und so den Austausch geheimer Nachrichten ermöglichen. Fehlererkennung, Komprimierung und Kryptografie sind die Stichworte dieses Kapitels. Schauen wir uns an, was dahintersteckt.
Eckart Zitzler

Kapitel 18. Warum Computer gefährdet sind – die Frage der Sicherheit

Zusammenfassung
Je mehr Computer unseren Alltag durchdringen, desto mehr sind wir von ihnen abhängig und auf sie angewiesen: bei der Arbeit, zu Hause, auf Reisen, allgemein beim Kommunizieren usw. Das Internet hat sich schon längst als riesiges Nervensystem der Erde etabliert, das unzählige Computer miteinander koppelt, koordiniert und so zu mächtigen Informatiksystemen zusammenschließt. Umso weitreichender können die Auswirkungen sein, wenn diese so selbstverständliche Infrastruktur außer Gefecht gesetzt wird oder nicht mehr das tut, was sie eigentlich soll. Die Gefahren der realen Welt finden sich auch in der virtuellen wieder: Auch dort gibt es Schädlinge, Schaftsoftware, die Computersysteme befällt und dort beträchtlichen Schaden anrichten kann. Doch wie geht das eigentlich? Und wie kann man sich schützen?
Eckart Zitzler

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