n Bit: 2ⁿ Zustände; Mod-N: kleinstes n mit 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Asynchronzähler
fmax = 1/(n·tpd)
Ring- und Johnson-Zähler
n und 2n Zustände
Methode
Gehe bei einer Schaltung von den Eingängen zum Ausgang vor, ein Gatter nach dem anderen, und schreibe den Wert an jede Leitung, oder schreibe ihren Ausdruck auf und fülle die Wahrheitstabelle aus.
Trage zum Vereinfachen die Einsen (und die Don’t-Cares als X) in ein Karnaugh-Diagramm mit Zeilen und Spalten im Gray-Code ein: 00, 01, 11, 10.
Decke die Einsen mit möglichst wenigen und möglichst großen Gruppen aus 1, 2, 4, 8 oder 16 Feldern ab, auch über den Rand hinweg; jede Gruppe ist ein Produktterm aus den Variablen, die konstant bleiben. Fasse für die POS-Form die Nullen zusammen.
Lies bei Flipflops und Zählern die Eingänge an jeder aktiven Taktflanke ab, schreibe den Zustand nach jeder Flanke auf und denke daran, dass ein n-Bit-Zähler nach 2ⁿ Zuständen überläuft.
Zahlentheorie & modulare Arithmetik
Division mit Rest
a = q·n + r, 0 ≤ r < n
Euklid
gcd(a, b) = gcd(b, a mod b)
Kleinstes gemeinsames Vielfaches
lcm(a, b) = a·b/gcd(a, b)
Inverse
a·a⁻¹ ≡ 1 (mod n), gcd(a, n) = 1
Lineare Kongruenz
a·x ≡ b → x ≡ a⁻¹·b (mod n)
Eulersche φ-Funktion
φ(n) = n·∏(1 − 1/p), φ(pᵏ) = pᵏ − pᵏ⁻¹
Fermat
aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p)
RSA
n = pq, φ = (p − 1)(q − 1), d = e⁻¹ mod φ, c = mᵉ mod n, m = cᵈ mod n
Methode
Reduziere zuerst jede Zahl modulo n; die Reste liegen zwischen 0 und n − 1.
Teile für einen ggT wiederholt mit dem euklidischen Algorithmus; der letzte Rest ungleich null ist der ggT.
Führe für ein Inverses den erweiterten Algorithmus aus und behalte den Koeffizienten von a; addiere n, falls er negativ ist.
Löse a·x ≡ b, indem du mit a⁻¹ multiplizierst; kombiniere zwei Kongruenzen, indem du x = r₁ + m₁k schreibst.
Schreibe bei Potenzen den Exponenten binär und quadriere wiederholt; bei RSA gilt d = e⁻¹ mod φ(n) mit φ(n) = (p − 1)(q − 1).
Graphentheorie
Handschlaglemma
Σ deg(v) = 2|E|
Vollständige Graphen
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
Regulärer Graph
|E| = n·k/2
Baum und Wald
|E| = n − 1, |E| = n − c
Blätter eines Baums
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
Euler
Kreis: alle Grade gerade; Weg: genau 2 ungerade Grade
Hamilton-Kreise in Kn
(n − 1)!/2
Dijkstra-Aktualisierung
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
Wege der Länge L
(Mᴸ)ij
Methode
Schreibe den Grad jedes Knotens auf; die Grade summieren sich zum Doppelten der Kantenzahl.
Prüfe bei Euler-Aufgaben, ob der Graph zusammenhängend ist, und zähle die Knoten mit ungeradem Grad.
Verwende bei Bäumen n − 1 Kanten und das Handschlaglemma.
Führe bei Dijkstra eine Tabelle der vorläufigen Abstände und schließe in jeder Runde den kleinsten noch offenen Knoten ab.
Sortiere für einen minimalen aufspannenden Baum die Kanten nach Gewicht und überspringe jede Kante, die einen Kreis schließt (Kruskal), oder lass einen Baum von einem Startknoten aus wachsen (Prim).
IPv4-Subnetting
Hosts pro Subnetz
2(32 − prefix) − 2 (/31: 2, /32: 1)
Blockgröße
256 − (mask octet)
Netzadresse
IP AND Maske
Broadcast-Adresse
IP OR (NOT Maske): alle Host-Bits auf 1
Subnetze aus n geliehenen Bits
2n
2Übungsaufgaben
1.ZahlensystemeMittel
Setze die Bits so, dass sie −64 im 8-Bit-Zweierkomplement speichern. Welchen Wert U hat das Muster, wenn man es als vorzeichenlose Zahl liest?
N = −648 bit
U =
2.ZahlensystemeSchwer
Ein System muss jedem von 4878 Elementen einen eigenen Binärcode gleicher Länge geben. Wie viele Bits b braucht es mindestens?
4878
b = bit
3.Aussagenlogik & BeweiseMittel
Ist ¬(a ∨ ¬a) eine Tautologie, eine Kontradiktion oder eine Kontingenz? Klicke deine Antwort an.
¬(a ∨ ¬a)
1Tautologie
2Kontradiktion
3Kontingenz
4.Aussagenlogik & BeweiseSchwer
Das Argument mit den Prämissen r → q; q und der Konklusion r ist ungültig. Klicke die Zeile der Wahrheitstafel an, die ein Gegenbeispiel ist.
Bestimme mit dem Karnaugh-Diagramm die minimale Summe von Produkten (SOP) von F(A, B, C) = Σm(1, 5, 7). Wie viele Literale L enthält sie insgesamt (eine Variable mit Strich zählt als ein Literal)?
Ein 4-Bit-Johnson-Zähler Q₃Q₂Q₁Q₀ startet bei 0000. Bei jeder Taktflanke werden die Bits um eine Stelle nach rechts geschoben (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀), und Q₃ erhält das Inverse von Q₀. Gib den Zustand Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ nach 9 Taktflanken als Dezimalzahl an.
Q₃Q₂Q₁Q₀ = 00009
Q =
7.Zahlentheorie & modulare ArithmetikMittel
Bestimme die Eulersche φ-Funktion φ(275), die Anzahl der ganzen Zahlen von 1 bis 275, die zu 275 teilerfremd sind.
n = 275 = 52·11
φ(275) =
8.Zahlentheorie & modulare ArithmetikSchwer
Ein RSA-Schlüssel verwendet die Primzahlen p = 7 und q = 19 und den öffentlichen Exponenten e = 11. Bestimme den privaten Exponenten d (0 < d < φ(n)).
p = 7q = 19e = 11
d =
9.Algorithmen & KomplexitätMittel
Ein Greedy-Algorithmus:
ALiefert immer die optimale Lösung
BTrifft in jedem Schritt die lokal beste Wahl
CProbiert jede mögliche Lösung aus
DVerwendet ausschließlich Rekursion
10.Algorithmen & KomplexitätSchwer
Welche Zeit- und Speicherkosten hat die Berechnung der n-ten Fibonacci-Zahl mit einer Schleife, die nur die letzten beiden Werte behält?
AO(n) Zeit und O(n) Speicher
BO(2ⁿ) Zeit und O(1) Speicher
CO(log n) Zeit und O(n) Speicher
DO(n) Zeit und O(1) Speicher
11.DatenstrukturenMittel
Ein Trie (Präfixbaum) ist besonders effizient für:
ADas Sortieren von Zahlen
BPräfixsuchen wie Autovervollständigung
CDas Speichern von Matrizen
DDas Finden kürzester Wege
12.DatenstrukturenSchwer
Durch das Einfügen eines Schlüssels in einen AVL-Baum wird der linke Teilbaum eines Knotens zu hoch, und der neue Schlüssel landete im linken Teilbaum seines linken Kindes (Links-links-Fall). Welche Korrektur wird angewendet?
AUmfärben des Knotens und seines Kindes
BEine einfache Linksrotation am unbalancierten Knoten
CEine einfache Rechtsrotation am unbalancierten Knoten
DEine Linksrotation am Kind, dann eine Rechtsrotation am Knoten
13.GraphentheorieMittel
Hat der zusammenhängende Graph einen Euler-Kreis, einen Euler-Weg, der kein Kreis ist, oder keines von beiden? Klicke deine Antwort an.
|V| = 6|E| = 6
1Euler-Kreis
2Euler-Weg, kein Kreis
3keines von beiden
14.GraphentheorieSchwer
Der Dijkstra-Algorithmus läuft von A aus. Klicke den Knoten an, der in Runde 5 abgeschlossen (endgültig gemacht) wird; A selbst ist Runde 1.
Start: ARunde 5
1A
2B
3C
4D
5E
6F
15.Datenbanken & SQLMittel
Welche Abfrage liefert die Anzahl der Bestellungen pro Kunde?
ASELECT DISTINCT COUNT(*) FROM orders
BSELECT customer_id, COUNT(*) FROM orders GROUP BY customer_id
CSELECT customer_id, COUNT(*) FROM orders ORDER BY customer_id
DSELECT customer_id FROM orders WHERE COUNT(*) > 0
16.Datenbanken & SQLSchwer
Die Punktzahlen sind 90, 90 und 80. Welche Werte liefert RANK() OVER (ORDER BY score DESC)?
A1, 1, 3
B1, 2, 3
C1, 1, 2
D2, 2, 3
17.RechnernetzeMittel
Welche Sicherheitseigenschaften bietet TLS für HTTPS?
ASchutz vor jeglicher Malware und Phishing auf der besuchten Website
BVertraulichkeit, Integrität und Server-Authentifizierung
CNur schnelleres Laden
DAnonymität des Benutzers
18.RechnernetzeSchwer
Ein DNS-Cache-Poisoning-Angriff zielt darauf ab:
ADNS-Server zu löschen
BEinen Server mit Verkehr zu überlasten, sodass er keine Anfragen mehr beantwortet
CEinen Resolver dazu zu bringen, eine falsche IP-Adresse für eine Domain zu speichern
DWLAN-Passwörter zu stehlen
19.IPv4-SubnettingMittel
Das Netz 10.123.0.0/20 wird in gleich große Subnetze mit dem Präfix /24 aufgeteilt. Wie viele Subnetze N gibt es?
10.123.0.0/20/24
N =
20.IPv4-SubnettingSchwer
Ein Host hat die Adresse 10.20.14.29/26. Welche ist die letzte Zahl (viertes Oktett) x der Broadcast-Adresse seines Subnetzes?
10.20.14.29/26
x =
3Lösungen
1.Zahlensysteme
Antwort: U = 192
Bits setzen: Jedes Bit hat den Wert einer Zweierpotenz (128, 64, …, 1). Eine Hexadezimalziffer entspricht genau vier Bits, und im 8-Bit-Zweierkomplement hat das linke Bit den Wert −128. Bitweise Operationen wirken auf jede Bitposition einzeln.
Invertieren und eins addieren
64 = 0100 0000
invertiert: 1011 1111
+1 → 1100 0000
Vorzeichenlos lesen
1100 0000₂ = 256 − 64 = 192
Antwort
U = 192
2.Zahlensysteme
Antwort: b = 13 bit
Stellenwertsysteme: Jede Ziffer ist ihren Wert mal eine Potenz der Basis wert. Im Binärsystem sind die Stellen 1, 2, 4, 8, 16, … wert, im Hexadezimalsystem 1, 16, 256, …, wobei A–F für 10–15 stehen. Im 8-Bit-Zweierkomplement ist das linke Bit −128 statt +128 wert; so werden negative Zahlen gespeichert.
Zweierpotenzen
212 = 4096 < 4878
213 = 8192 ≥ 4878
Antwort
b = 13
3.Aussagenlogik & Beweise
Antwort: Kontradiktion
Logische Äquivalenz: Zwei Formeln sind äquivalent (≡), wenn sie in jeder Zeile der Wahrheitstafel denselben Wert haben. Eine Tautologie ist in jeder Zeile 1, eine Kontradiktion in jeder Zeile 0, und eine Kontingenz ist keines von beiden. Nützliche Gesetze: De Morgan, ¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b und ¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b; a → b ≡ ¬a ∨ b ≡ ¬b → ¬a (Kontraposition); ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b; und die Distributivgesetze, a ∨ (b ∧ c) ≡ (a ∨ b) ∧ (a ∨ c).
Wahrheitstafel Zeile für Zeile
a = 1: ¬a = 0, a ∨ ¬a = 1, ¬(a ∨ ¬a) = 0
a = 0: ¬a = 1, a ∨ ¬a = 1, ¬(a ∨ ¬a) = 0
Einordnen
¬(a ∨ ¬a): 0, 0
In jeder Zeile 0: eine Kontradiktion.
Antwort
Kontradiktion
4.Aussagenlogik & Beweise
Antwort: q = 1, r = 0
Quantoren und Argumente: ¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x) und ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x). Ziehe eine Negation nach innen, vertausche jeden Quantor, den sie passiert, und negiere die innere Formel mit den aussagenlogischen Gesetzen, etwa ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b. Ein Argument ist gültig, wenn die Konklusion in jeder Zeile 1 ist, in der alle Prämissen 1 sind. Eine einzige Zeile mit wahren Prämissen und falscher Konklusion ist ein Gegenbeispiel und zeigt, dass das Argument ungültig ist.
Prämissen und Konklusion Zeile für Zeile
q = 1, r = 1: 1 1 | 1
q = 1, r = 0: 1 1 | 0
q = 0, r = 1: 0 0 | 1
q = 0, r = 0: 1 0 | 0
Gegenbeispiel
q = 1, r = 0
Antwort
q = 1, r = 0
Ein Argument dieser Form sieht aus wie eine gültige Regel, aber eine Zeile genügt, um zu zeigen, dass sie es nicht ist.
Karnaugh-Diagramme: Die Felder sind im Gray-Code (00, 01, 11, 10) angeordnet, benachbarte Felder, auch die über den Rand hinweg, unterscheiden sich also in genau einer Variablen. Fasse die Einsen in Rechtecken aus 1, 2, 4, 8 oder 16 Feldern zusammen, so groß und so wenige wie möglich, bis jede 1 abgedeckt ist. Jede Gruppe ist ein Produktterm: die Variablen, die in ihr konstant bleiben. Eine Gruppe aus 2ᵏ Feldern verliert k Variablen. Don’t-Cares (X) dürfen genutzt werden, um Gruppen zu vergrößern, müssen aber nie abgedeckt werden. Fasst du stattdessen die Nullen zusammen, erhältst du die minimale POS-Form.
Die Einsen zusammenfassen
Jede Gruppe ist ein Rechteck aus 2ᵏ Feldern; Randfelder sind Nachbarn der Felder am gegenüberliegenden Rand.
Flipflops und Zähler: Ein Flipflop ändert sich nur bei der aktiven Taktflanke. D übernimmt seinen Eingang (Q⁺ = D); T kippt bei T = 1; JK hält bei 00, setzt bei 01 zurück, setzt bei 10 und kippt bei 11. Ein n-Bit-Binärzähler hat 2ⁿ Zustände und zählt modulo 2ⁿ; ein Mod-N-Zähler läuft 0, 1, …, N − 1 und wieder auf 0 und braucht die kleinste Anzahl n von Flipflops mit 2ⁿ ≥ N. Jede Stufe eines Asynchronzählers halbiert die Frequenz, daher läuft der letzte Ausgang eines Mod-N-Zählers mit fclk/N. Ein Johnson-Zähler aus n Flipflops hat 2n Zustände, ein Ringzähler n.
Inverse und Kongruenzen: a hat genau dann ein Inverses modulo n, wenn ggT(a, n) = 1. Der erweiterte euklidische Algorithmus schreibt 1 = s·n + t·a, und dann ist a⁻¹ ≡ t (mod n). Eine Kongruenz a·x ≡ b (mod n) mit ggT(a, n) = 1 hat die Lösung x ≡ a⁻¹·b. Zwei Kongruenzen x ≡ r₁ (mod m₁) und x ≡ r₂ (mod m₂) mit teilerfremden Moduln haben eine Lösung modulo m₁·m₂ (chinesischer Restsatz). Eulers φ(n) zählt die Zahlen von 1 bis n, die zu n teilerfremd sind: φ(n) = n·∏(1 − 1/p).
Primfaktoren
275 = 52·11
φ-Wert
φ(275) = φ(11)·φ(25) = 10·20 = 200
Antwort
φ(275) = 200
8.Zahlentheorie & modulare Arithmetik
Antwort: d = 59
Modulare Potenzen und RSA: Berechne aᵏ mod n durch wiederholtes Quadrieren: Schreibe k binär, quadriere, reduziere nach jedem Schritt und multipliziere die Potenzen, deren Bit 1 ist. Fermat: aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p) für eine Primzahl p, die a nicht teilt, der Exponent lässt sich also modulo p − 1 reduzieren. RSA: Wähle Primzahlen p und q, n = p·q und φ(n) = (p − 1)(q − 1); der öffentliche Exponent e ist teilerfremd zu φ(n), und der private Exponent ist d = e⁻¹ mod φ(n). Verschlüssele mit c = mᵉ mod n und entschlüssele mit m = cᵈ mod n.
Modul und φ-Wert
n = 7·19 = 133
φ(n) = 6·18 = 108
Erweiterter euklidischer Algorithmus
r = 108, t = 0
r = 11, q = 9, t = 1
r = 9, q = 1, t = −9
r = 2, q = 4, t = 10
r = 1, q = 2, t = −49
Privater Exponent
d = 59
Probe: 11·59 = 649 = 6·108 + 1
Antwort
d = 59
9.Algorithmen & Komplexität
Antwort: B · Trifft in jedem Schritt die lokal beste Wahl
Warum das die Antwort ist
Greedy-Algorithmen sind schnell und für manche Probleme optimal (z. B. Dijkstra, Huffman-Codierung), aber nicht im Allgemeinen (z. B. Wechselgeldproblem bei manchen Münzsystemen).
Antwort
B · Trifft in jedem Schritt die lokal beste Wahl
10.Algorithmen & Komplexität
Antwort: D · O(n) Zeit und O(1) Speicher
Warum das die Antwort ist
Jeder Schritt braucht nur die beiden vorherigen Werte, daher kann die Tabelle der Bottom-up-Methode durch zwei Variablen ersetzt werden.
Antwort
D · O(n) Zeit und O(1) Speicher
11.Datenstrukturen
Antwort: B · Präfixsuchen wie Autovervollständigung
Warum das die Antwort ist
Tries speichern Zeichenketten Zeichen für Zeichen entlang von Pfaden, daher dauern Suchen und Präfixabfragen proportional zur Schlüssellänge.
Antwort
B · Präfixsuchen wie Autovervollständigung
12.Datenstrukturen
Antwort: C · Eine einfache Rechtsrotation am unbalancierten Knoten
Warum das die Antwort ist
Im Links-links-Fall hebt eine Rechtsrotation das linke Kind nach oben und stellt die Balance wieder her; Zickzack-Fälle brauchen eine Doppelrotation.
Antwort
C · Eine einfache Rechtsrotation am unbalancierten Knoten
13.Graphentheorie
Antwort: Euler-Weg, kein Kreis
Euler, Hamilton und Bäume: Ein zusammenhängender Graph hat einen Euler-Kreis (jede Kante einmal, zurück zum Start), wenn jeder Knoten geraden Grad hat, und einen Euler-Weg, der kein Kreis ist, wenn genau zwei Knoten ungeraden Grad haben; der Weg verläuft dann von einem ungeraden Knoten zum anderen. Ein Hamilton-Kreis besucht jeden Knoten einmal; Kn hat (n − 1)!/2 davon. Ein Baum mit n Knoten hat n − 1 Kanten, und ein zusammenhängender Graph mit m Kanten behält einen aufspannenden Baum, wenn man m − n + 1 Kanten entfernt.
Der Euler-Weg beginnt an einem ungeraden Knoten und endet am anderen.
14.Graphentheorie
Antwort: D
Kürzeste Wege und aufspannende Bäume: Der Dijkstra-Algorithmus schließt in jeder Runde einen Knoten ab: den offenen Knoten mit dem kleinsten vorläufigen Abstand. Sein Abstand ist dann endgültig, und jeder Nachbar v erhält d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)). Der Kruskal-Algorithmus baut einen minimalen aufspannenden Baum auf, indem er die Kanten von leicht nach schwer nimmt und jede Kante überspringt, die einen Kreis schließen würde; der Prim-Algorithmus lässt einen Baum von einem Startknoten aus wachsen, indem er immer die leichteste Kante hinzufügt, die aus ihm herausführt. Ein aufspannender Baum mit n Knoten hat n − 1 Kanten.
Dijkstra Runde für Runde
1. A (0): B: 10, C: 3
2. C (3): E: 12
3. B (10): D: 20
4. E (12): F: 22
5. D (20)
6. F (22)
Runde 5
D
Antwort
D
15.Datenbanken & SQL
Antwort: B · SELECT customer_id, COUNT(*) FROM orders GROUP BY customer_id
Warum das die Antwort ist
GROUP BY customer_id bildet eine Gruppe pro Kunde, und COUNT(*) zählt die Zeilen in jeder Gruppe.
Antwort
B · SELECT customer_id, COUNT(*) FROM orders GROUP BY customer_id
16.Datenbanken & SQL
Antwort: A · 1, 1, 3
Warum das die Antwort ist
RANK gibt gleichrangigen Zeilen denselben Rang und überspringt die folgenden Zahlen (1, 1, 3); DENSE_RANK würde 1, 1, 2 liefern.
Antwort
A · 1, 1, 3
17.Rechnernetze
Antwort: B · Vertraulichkeit, Integrität und Server-Authentifizierung
Warum das die Antwort ist
TLS verschlüsselt den Verkehr, erkennt Manipulationen und authentifiziert den Server mit Zertifikaten (optional auch den Client).
Antwort
B · Vertraulichkeit, Integrität und Server-Authentifizierung
18.Rechnernetze
Antwort: C · Einen Resolver dazu zu bringen, eine falsche IP-Adresse für eine Domain zu speichern
Warum das die Antwort ist
Beim Poisoning werden gefälschte Einträge in den Cache eines Resolvers eingeschleust. DNSSEC fügt Signaturen hinzu, damit Resolver Einträge prüfen können.
Antwort
C · Einen Resolver dazu zu bringen, eine falsche IP-Adresse für eine Domain zu speichern
19.IPv4-Subnetting
Antwort: N = 16
IPv4 subnetting: an address has 32 bits. The prefix /p says how many leading bits identify the network; the remaining 32 − p bits number the hosts. A subnet has 2³²⁻ᵖ addresses, but the first (network address) and last (broadcast address) cannot be given to hosts, so 2³²⁻ᵖ − 2 hosts fit. Exceptions: a /31 (point-to-point link, RFC 3021) uses both of its 2 addresses for hosts, and a /32 is one single address (a single host or a loopback).
Geliehene Bits
24 − 20 = 4
Anzahl der Subnetze
N = 24 = 16
Antwort
N = 16
Jedes /24-Subnetz hat 28 − 2 = 254 nutzbare Hosts.
20.IPv4-Subnetting
Antwort: x = 63
IPv4-Subnetting: Eine Adresse hat 32 Bits. Das Präfix /p gibt an, wie viele führende Bits das Netz bezeichnen; die übrigen 32 − p Bits nummerieren die Hosts. Ein Subnetz hat 2³²⁻ᵖ Adressen, aber die erste (Netzadresse) und die letzte (Broadcast-Adresse) können keinem Host gegeben werden, also passen 2³²⁻ᵖ − 2 Hosts hinein. Ausnahmen: Ein /31 (Punkt-zu-Punkt-Verbindung, RFC 3021) nutzt beide seiner 2 Adressen für Hosts, und ein /32 ist eine einzelne Adresse (ein einzelner Host oder ein Loopback).