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
Das 8-Bit-Muster 0010 0000 speichert eine vorzeichenbehaftete Ganzzahl im Zweierkomplement. Welchen Wert N hat sie im Dezimalsystem?
0010 00008 bit
N =
2.ZahlensystemeSchwer
Setze die Bits auf das 8-Bit-Ergebnis von 1010 0101 << 3. Welchen Wert R hat das Ergebnis dezimal?
1010 0101<< 3
R =
3.Aussagenlogik & BeweiseMittel
Ist p → (p ∨ q) eine Tautologie, eine Kontradiktion oder eine Kontingenz? Klicke deine Antwort an.
p → (p ∨ q)
1Tautologie
2Kontradiktion
3Kontingenz
4.Aussagenlogik & BeweiseSchwer
Die Prämissen (r ∧ p) → q; r; ¬q sind gegeben. Welche Konklusion folgt daraus? Klicke sie an.
Ein 4-Bit-Binär-Aufwärtszähler startet bei 14 (dezimal, Q = 1110). Welchen Zählerstand Q (dezimal) zeigt er nach 19 Taktimpulsen?
Q0 = 1419n = 4
Q =
7.Zahlentheorie & modulare ArithmetikMittel
Bestimme die kleinste positive ganze Zahl x mit x ≡ 8 (mod 10) und x ≡ 6 (mod 13).
x ≡ 8 (mod 10)x ≡ 6 (mod 13)
x =
8.Zahlentheorie & modulare ArithmetikSchwer
79 ist eine Primzahl. Bestimme 535726 mod 79 mit dem kleinen Satz von Fermat.
p = 79k = 35726
535726 mod 79 =
9.Algorithmen & KomplexitätMittel
Was ist die Lösung der Rekursionsgleichung T(n) = T(n/2) + O(1)?
AO(log n)
BO(1)
CO(n log n)
DO(n)
10.Algorithmen & KomplexitätSchwer
Ein Problem ist NP-vollständig, wenn es:
AIn NP liegt und sich jedes NP-Problem in Polynomialzeit darauf reduzieren lässt
BUnmöglich zu lösen ist
CIn Polynomialzeit lösbar ist
DAußerhalb von NP liegt, aber schwerer als alle NP-Probleme ist, wie das Halteproblem
11.DatenstrukturenMittel
Wie viele Knoten hat ein perfekter Binärbaum der Höhe h, wenn die Höhe in Kanten gezählt wird?
A2h
B2h + 1
C2h+1 − 1
Dh2
12.DatenstrukturenSchwer
Welches Paar von Traversierungen bestimmt immer einen eindeutigen Binärbaum mit verschiedenen Schlüsseln?
APre-Order und In-Order
BLevel-Order allein
CPre-Order allein
DPre-Order und Post-Order
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| = 7|E| = 10
1Euler-Kreis
2Euler-Weg, kein Kreis
3keines von beiden
14.GraphentheorieSchwer
Der Kruskal-Algorithmus baut einen minimalen aufspannenden Baum auf. Klicke die Kante an, die er als Kante Nummer 4 hinzufügt; übersprungene Kanten zählen nicht.
k = 4
1Kante AB
2Kante AC
3Kante BD
4Kante CE
5Kante DE
6Kante DF
7Kante EF
8Kante BE
15.Datenbanken & SQLMittel
Warum werden Indizes auf Spalten angelegt?
AUm NULL-Werte zu verhindern
BUm Einfügungen und Aktualisierungen auf diesen Spalten schneller zu machen
CUm Speicherplatz zu sparen
DUm Suchen und Joins auf diesen Spalten zu beschleunigen
16.Datenbanken & SQLSchwer
Es gibt einen zusammengesetzten Index auf (last_name, first_name). Welche Bedingung kann ihn am wirksamsten nutzen?
AWHERE UPPER(first_name) = 'EVA'
BWHERE first_name LIKE '%a'
CWHERE first_name = 'Eva'
DWHERE last_name = 'Jansen'
17.RechnernetzeMittel
Was gibt ein MX-Eintrag im DNS an?
ADie IPv4-Adresse eines Webservers
BDie Mailserver, die E-Mails für eine Domain annehmen
CEinen Aliasnamen für einen anderen Host
DDie Nameserver einer Zone
18.RechnernetzeSchwer
Ein DNS-Cache-Poisoning-Angriff zielt darauf ab:
AEinen Resolver dazu zu bringen, eine falsche IP-Adresse für eine Domain zu speichern
BDNS-Server zu löschen
CWLAN-Passwörter zu stehlen
DEinen Server mit Verkehr zu überlasten, sodass er keine Anfragen mehr beantwortet
19.IPv4-SubnettingMittel
Ein Subnetz verwendet die Maske 255.255.248.0. Wie viele nutzbare Hostadressen H hat es?
255.255.248.0
H =
20.IPv4-SubnettingSchwer
Ein Host hat die Adresse 10.20.240.62/26. Welches ist das vierte Oktett x der letzten nutzbaren Hostadresse in seinem Subnetz?
10.20.240.62/26
x =
3Lösungen
1.Zahlensysteme
Antwort: N = 32
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.
Stellenwerte addieren
Die übrigen Bits behalten ihre normalen positiven Werte.
32 = 32
Antwort
N = 32
2.Zahlensysteme
Antwort: R = 40
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.
Bit für Bit
Das Linksschieben um 3 verschiebt jedes Bit um 3 Stellen nach links; Bits, die am linken Ende herausfallen, gehen verloren, und rechts kommen Nullen nach.
1010 0101 << 3
= 0010 1000
Wert des Ergebnisses
0010 1000₂ = 40
Antwort
R = 40
3.Aussagenlogik & Beweise
Antwort: Tautologie
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
p = 1, q = 1: p ∨ q = 1, p → (p ∨ q) = 1
p = 1, q = 0: p ∨ q = 1, p → (p ∨ q) = 1
p = 0, q = 1: p ∨ q = 1, p → (p ∨ q) = 1
p = 0, q = 0: p ∨ q = 0, p → (p ∨ q) = 1
Einordnen
p → (p ∨ q): 1, 1, 1, 1
In jeder Zeile 1: eine Tautologie.
Antwort
Tautologie
4.Aussagenlogik & Beweise
Antwort: ¬p
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.
Zeilen, in denen alle Prämissen wahr sind
p = 0, q = 0, r = 1: q = 0, p = 0, p ∧ ¬q = 0, ¬p = 1
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.
Volle Zyklen
Alle 16 Impulse bringen den Zähler in denselben Zustand zurück.
19 = 1·16 + 3
Zählerstand nach den restlichen Impulsen
Q = (14 + 3) mod 16 = 1
Q = 0001₂
Antwort
Q = 1
7.Zahlentheorie & modulare Arithmetik
Antwort: x = 58
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).
Erste Kongruenz
x = 8 + 10k
Zweite Kongruenz
8 + 10k ≡ 6 (mod 13) → 10k ≡ 11 (mod 13)
k ≡ 4·11 ≡ 5 (mod 13)
Ergebnis
x = 8 + 10·5 = 58
x = 58
Probe: 58 mod 10 = 8, 58 mod 13 = 6
Antwort
x = 58
8.Zahlentheorie & modulare Arithmetik
Antwort: 535726 mod 79 = 25
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.
Den Exponenten reduzieren
35726 mod 78 = 2
535726 ≡ 52 (mod 79)
Kleine Potenz
52 mod 79 = 25
Antwort
535726 mod 79 = 25
9.Algorithmen & Komplexität
Antwort: A · O(log n)
Warum das die Antwort ist
Das Problem halbiert sich bei jedem Schritt mit konstantem Aufwand pro Schritt, also gibt es etwa log₂ n Schritte.
Antwort
A · O(log n)
10.Algorithmen & Komplexität
Antwort: A · In NP liegt und sich jedes NP-Problem in Polynomialzeit darauf reduzieren lässt
Warum das die Antwort ist
NP-vollständige Probleme sind die schwersten in NP; ein polynomieller Algorithmus für eines davon würde einen für ganz NP liefern.
Antwort
A · In NP liegt und sich jedes NP-Problem in Polynomialzeit darauf reduzieren lässt
11.Datenstrukturen
Antwort: C · 2h+1 − 1
Warum das die Antwort ist
Die Summe 1 + 2 + 4 + ... + 2h ergibt 2h+1 − 1; zum Beispiel ergibt Höhe 2 genau 7 Knoten.
Antwort
C · 2h+1 − 1
12.Datenstrukturen
Antwort: A · Pre-Order und In-Order
Warum das die Antwort ist
Pre-Order liefert die Wurzel, und ihre Position in der In-Order-Folge trennt linken und rechten Teilbaum; Pre-Order mit Post-Order ist mehrdeutig, wenn ein Knoten nur ein Kind hat.
Antwort
A · Pre-Order und In-Order
13.Graphentheorie
Antwort: keines von beiden
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.
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.
Kruskal-Algorithmus
1. AB (3)
2. DE (5)
3. BD (7)
4. CE (8)
5. DF (9)
Kantennummer 4
CE
Antwort
Kante CE
15.Datenbanken & SQL
Antwort: D · Um Suchen und Joins auf diesen Spalten zu beschleunigen
Warum das die Antwort ist
Indizes (oft B-Bäume) beschleunigen Suchvorgänge, belegen aber Speicher und verlangsamen Einfügungen und Aktualisierungen, die sie pflegen müssen.
Antwort
D · Um Suchen und Joins auf diesen Spalten zu beschleunigen
16.Datenbanken & SQL
Antwort: D · WHERE last_name = 'Jansen'
Warum das die Antwort ist
Ein zusammengesetzter B-Baum-Index ist nach last_name und dann nach first_name geordnet, daher funktioniert eine Suche über die führende Spalte, first_name allein kann die Ordnung aber nicht nutzen.
Antwort
D · WHERE last_name = 'Jansen'
17.Rechnernetze
Antwort: B · Die Mailserver, die E-Mails für eine Domain annehmen
Warum das die Antwort ist
MX-Einträge (Mail Exchange) listen Mailserver mit Prioritäten auf, damit sendende Server wissen, wohin sie Mails für diese Domain zustellen sollen.
Antwort
B · Die Mailserver, die E-Mails für eine Domain annehmen
18.Rechnernetze
Antwort: A · 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
A · Einen Resolver dazu zu bringen, eine falsche IP-Adresse für eine Domain zu speichern
19.IPv4-Subnetting
Antwort: H = 2046
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).
Präfixlänge
255.255.248.0 = /21
Nutzbare Hosts
211 − 2 = 2046
Antwort
H = 2046
20.IPv4-Subnetting
Antwort: x = 62
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).