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Lehrende: Dr. Daniel Moldt
Veranstaltungsart:
Vorlesung
Anzeige im Stundenplan:
MAKS - VL
Semesterwochenstunden:
4
Unterrichtssprache:
Deutsch
Min. | Max. Teilnehmerzahl:
- | 120
Kommentare/ Inhalte:
Interessieren Dich grundlegende Kenntnisse und Fertigkeiten in der Informatik?
Wie lassen sich menschengerechte informatische Systeme erstellen?
Welche Konzepte, Methoden, Techniken oder Werkzeuge unterstützen die in der und für die Informatik Tätigen?
Wie verstehen wir die Welt und was benötigen wir um in Zukunft die Herausforderungen der Informatik zu bewältigen?
Mit welchen Mitteln werden Systems-of-Systems, so genannte Ultra-Large Scale Systems erfasst, verstanden und realisiert?
Modellierung ist zur Beantwortung obiger Fragen eine der zentralen Tätigkeiten in der Informatik. So erfolgt Erfassen, Analysieren, Bewerten, Entwerfen, Umsetzen, Erhalten und Ablösen als Tätigkeiten der Beteiligten immer auf der Basis der internalisierten, erlernten und verfügbaren Modelle. Systeme und Systemmodelle enthalten Eigenschaften, die oft nicht sofort ersichtlich sind, so das die Behandlung nicht trivial ist.
Analyse komplementiert die Modellierung durch die Bereitstellung formaler und informaler Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften der Systeme und Modelle.
Mit den Mitteln der Informatik werden Lebenswelten in Form von soziotechnischen Systemen geschaffen. Damit wir in der stetig wachsenden komplexen Umwelt die richtigen Lösungen bereitstellen können, benötigen wir umfangreiche Mittel zur Modellierung und Analyse. Daher wird in diesem Modul ein Schwerpunkt auf Prozesse und Nebenläufigkeit paralleler und verteilter Systeme gelegt, da sie von zunehmender Bedeutung in Anwendungen aller Art sind. Solche Systeme sind wegen der Komplexität ihres Verhaltens besonders anfällig für fehlerbehaftete Behandlung aufgrund unpräziser Methoden. Formale Ansätze sind aus diesem Grund seit langem fester Bestandteil dieses Gebiets. Folgerichtig betrachtet dieses Modul Modellierungsansätze und deren Analyse-, Verifikations- und Entwicklungsverfahren von parallelen und verteilten Systemen. Die zur präzisen Bearbeitung zwingend notwendigen Modelle werden mittels ausreichend ausdrucksstarker Modellierungstechniken behandelt. Exemplarisch werden neben dem Schwerpunkt der (höheren) Petrinetzen daher Büchi-Automaten, Temporallogik und Prozessalgebra vorgestellt. Dazugehörige Methoden der Analyse und Verifikation (Model-Checking, Komposition, Algorithmenentwurf, Berechenbarkeits- und Komplexitätsbetrachtungen, strukturelle und dynamische Analyse, Simulationen etc.) werden zielgerichtet behandelt.
Diese Themenblöcke stehen exemplarisch für Grundlagen in der Modellierung, so dass die Teilnehmenden eine solide Basis zur Bewältigung zahlreicher zukünftiger Aufgabenstellungen erhalten.
Allgegenwärtige Konzepte der Informatik, wie Nebenläufigkeit, Synchronisation, Konflikt, Nicht-Determinismus, Verteilung, Verklemmungsfreiheit, Lebendigkeit, Fairness etc. werden vertieft, da diese für die Entwicklung komplexer, verteilter Systeme zwingend notwendig sind. Ohne Kenntnis dieser Konzepte können heutige Systeme nur laienhaft entwickelt werden. In diesem Modul werden die üblicherweise implizit vorausgesetzten Grundlagen systematisch explizit aufbereitet, so dass für Programme und Systeme Modelle mit konkreten Aussagen bezüglicher ihrer Eigenschaften erstellt werden können. Fragen zur Termination, Korrektheit oder Vollständigkeit werden explizit thematisiert. Wesentliche Phänomene von Web-Anwendungen, Programmiersprachen, Datenbanken, Betriebssystemen etc. werden somit grundlegend aufbereitet, um für die Modellierung, Analyse, Gestaltung und Bewertung von sogenannten Systemen-in-Systemen / Ultra-Large Scale Systems im Laufe des Studiums und der späteren Berufspraxis vorbereitet zu sein.
Lernziel:
Diese Lehrveranstaltung verzahnt in besonderer Weise bestimmte am Fachbereich Informatik angebotene Inhalte der theoretischen mit solchen der praktischen Informatik; insbesondere solchen, die aus der Befassung mit verteilter Software und verteilten Systemen entstehen. So ist diese Veranstaltung, wie alle grundlegenden Veranstaltungen einerseits stark auf die Vermittlung von Methoden ausgerichtet, deckt aber andererseits zentrale Inhalte des Gebietes ab.
Lernziel ist die Kenntnis, Beurteilung und Verwendung von aussagekräftigen Modellierungsansätzen als Grundlage zur Programm- und Systementwicklung.
Mit diesem Modul werden zentrale Konzepte der Informatik insbesondere zur Beherrschung von Nebenläufigkeit und Verteilung erlernt. Mittels der vorgestellten Konzepte, Prinzipien, Methoden, Techniken und Werkzeuge können formale Eigenschaften von Systemen präzise modelliert, analysiert und realisiert werden.
Vorgehen:
Im Rahmen des gesamten Moduls werden Modellierungs- und Analyseverfahren systematisch in der Vorlesung vorgestellt und detailliert diskutiert. In den zugehörigen, genau auf den Stoff abgestimmten Übungen werden neben den theoretischen Kenntnissen sowohl konzeptionelle als auch praktische Fähigkeiten im Bereich der Modellierung, Analyse und Entwicklung komplexer Systeme erworben und vertieft.
Aufgrund des verstärkten Bedarfs an Modellen werden thematisch abgestimmt Modelle und deren konkrete Erstellung anhand von Beispielen in den Übungen aufgegriffen. Dabei wird schrittweise, neben einzelnen exemplarischen konzeptionellen Vertiefungen, ein durchgehendes komplexes Modell eines Unternehmens und seiner Umgebung aufgebaut, so dass schrittweise die Komplexität und deren Mittel zur zielgerichteten Beherrschung deutlich werden.
Das Vorgängermodul FGI-2 wurde in den letzten Jahren durch das Lehrlabor gefördert. Dadurch stehen uns nun besonders anspruchsvoll überarbeitete Lernhilfen zur Förderung des Lernerfolgs zur Verfügung. Dabei werden zum einen ein kooperatives Übungsgruppenkonzept und zum anderen ein begleitendes Lernen durch Online-Werkzeuge (Olat-Tests) unterstützt. Alle Materialien (Folien, Skript, Übungsaufgaben mit Musterlösungen etc.) werden durchgängig zur Verfügung gestellt und um frühere Lecture2Go Aufzeichnungen und einen gemeinsamen Lernraum sowie zwei Repetitorien unterstützt.
Literatur:
Ausgewählte Inhalte aus
- C. Baier, J.-P. Katoen. Principles of Model Checking, The MIT Press, Cambridge, 2008.
- W. Fokkink. Introduction to Process Algebra. Springer-Verlag, 1999.
- C. Girault and R. Valk. Petri Nets for Systems Engineering - A Guide to Modeling, Verification, and Applications. Springer-Verlag, Berlin, 2003.
- J. Gruska. Foundations of Computing, Thomson Computer Press, London, 1997.
- M. Huth, D. Ryan, Logic in Computer Science - Modelling and Reasoning about Systems, Cambridge University Press, 1999
- E.M. Clarke, J.O. Grumberg, D.A. Peled: Model Checking, The MIT Press, Cambridge, 1999.
- K. Jensen: Coloured Petri Nets, EATCS-Monographs, Springer, Berlin 1992
- E. Jessen und R. Valk: Rechensysteme -- Grundlagen der Modellbildung, Springer, 1987
- W. Reisig: Petrinetze: Modellierungstechnik, Analysemethoden, Fallstudien, Vieweg+Teubner, Berlin 2010
Zur Unterstützung der Veranstaltung und des Übungsbetriebes werden verschiedene Programme eingesetzt, die im Rahmen der Veranstaltung bekannt gegeben werden.
Zusätzliche Hinweise zu Prüfungen:
Diese Veranstaltung eignet sich auch als Ersatz für die F4 Veranstaltung (Prüfungsordnung Diplom Wirtschaftsinformatik) und PNL (Prüfungsordnung Diplom Informatik).
Weiterhin kann MAKS als Ersatz für die FGI-2 Veranstaltung gewählt werden.
Das Modul MAKS eignet sich für alle Studiengänge, nicht nur als Wahlmodul im Bachelorstudiengang „Informatik“, sondern auch in den Bachelorstudiengängen „Software-System-Entwicklung“, „Computing in Science“, „Mensch-Computer-Interaktion“ und "Wirtschaftsinformatik".
Vertieft werden vergleichbare Inhalte in dem nachfolgenden Bachelor/Master-Wahlpflichtmodul „Modellierung verteilter Systeme (MVS)“ regelmäßig im Sommersemester.
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