Softwareaspekte in Geo-Informationssystemen (GIS)

Softwareaspekte in
Geo-Informationssystemen (GIS)
Prof. Dr.-Ing. Ralf Bill
Universität Rostock
Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät
Professur für Geodäsie und Geoinformatik
GI-Software
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Anliegen
 Klärung wesentlicher Begriffe
 Einführung in Systemarchitekturen
 Was sind wesentliche Softwarekomponenten für die Geoinformatik?
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Inhalte




Software – Begriff
Grundsoftware
Structured Query Language (SQL)
GIS-Architektur
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Software - Begriff
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Software
- Definition
 Nach ISO/IEC-Norm 27465 Programme und ggf. die zugehörige Dokumentation und weitere Daten, die zum Betrieb eines Computers notwendig sind.
 Alle einsetzbaren Programme und Daten zusammengefasst (z.B.
Betriebssystem, Programmiersprachen, Graphik, Datenbanken usw.)
 Der Begriff „Software“ wird in unterschiedlicher Bedeutung genutzt:
 für konkret benannte Komponenten wie ein Programm,
 als Sammelbegriff für Mengen von Programmen (z. B. die GIS-Software) oder
 als Typ-/Gattungsbegriff für unterschiedliche Arten von Software (wie Graphiksoftware,
Standardsoftware, Systemsoftware).
Im Sinne des Systembegriffs
Hardware
Software
aufgaben-, sinn- oder zweckgebundene Einheit
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Software-Gliederung
- ISO/IEC 2382
 Systemsoftware: Anwendungsunabhängige Software, die das Ausführen von
Anwendungssoftware ermöglichen bzw. unterstützen (z. B. Betriebssystem sowie
Gerätetreiber und Dienstprogramme).
 Unterstützungssoftware, d. h. Programme, die bei der Entwicklung oder
Wartung helfen oder eine nichtanwendungsspezifische Leistung erbringen (z. B.
Editoren, Compiler, Virenscanner, Datenbankmanagementsysteme, . . . ).
 Anwendungssoftware, die den Benutzer bei der Ausführung seiner Aufgaben
unterstützt und ihm dadurch erst den eigentlichen, unmittelbaren Nutzen stiftet (z.
B. ein GIS-Programm).
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Grundsoftware
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Gängige Betriebssysteme
für GIS-Software
 Das Betriebssystem (engl. Operating System) ist die Summe derjenigen
Programme, die als residenter Bestandteil einer EDV-Anlage für den Betrieb
der Anlage und für die Ausführung der Anwendungsprogramme erforderlich
sind. Es verwaltet Betriebsmittel wie Speicher, Ein- und Ausgabegeräte und
steuert die Ausführung von Programmen.
Server
Linux
Microsoft
Windows –
Arbeitsplatzrechner
Server
Mobile/stationäre
Unix-Varianten
Clients
Microsoft Windows
7/8/10
Mobile personenApple Mac OS X
bezogene IuKUnix-Varianten
Geräte
Linux
Windows-CE
Windows mobile/phone
Android
iOS
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Programmierumgebungen
in GIS
 Eine Programmiersprache ist ein
 Serverseitige Scriptsprachen
künstliches Sprachsystem für die
 Perl, Python, PHP
Erstellung von Programmen für
 Active Server Pages (ASP)
Datenverarbeitungsanlagen. Zur
 Java Server Pages (JSP)
Übersetzung in eine für den Rechner
 Clientseitige Scriptsprachen
verständliche Sprache werden
 JavaScript
Übersetzer (Compiler) oder Interpreter
 Plug-ins zur clientseitigen
für die entsprechende
Funktionserweiterung
Programmiersprache benötigt.
 SVG, VRML, PDF
 Klassische Programmiersprachen
 Seitenbeschreibungssprache/
 Prozedurale Sprachen
Auszeichnungssprache
- C
 Objektorientierte Sprachen
- Java, C++, C#, Objective C, PHP,
Python, Ruby, Perl
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 Hypertext Markup Language (HTML),
aktuell HTML 5
 Extensible Markup Language (XML)
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Netzwerke als Infrastruktur für
GIS-Anwendungen
 Computernetzwerke




LAN (Local Area Network)
WLAN (Wireless Local Area Network)
WAN (Wide Area Network)
WPAN (Wireless Personal Area
Network)
 Mobilfunknetze
 GSM, UMTS, LTE
 Übertragungsraten von kbit/s bis Gbit/s
Funkzelle
 Folgen dem OSI/ISO 7-Ebenenmodell
 Nutzen TCP/IP als De-factoProtokollstandard
 Übertragungsraten von Mbit/s bis
Gbit/s
Sender
Empfänger
http://de.wikipedia.org
Internet
82689_m3t1w525h247q75s1v43387_handynutzer_670.jpg
stimmt.de
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Internet
 globales Informations- und Kommunikationsnetz
 Basistechnologie auch im GIS-Bereich
 Dienste
 Email zum Versenden und Empfangen elektronischer Nachrichten
 File Transfer Protocol (FTP) zum Transferieren von Dateien (Files) von einem Computer
zu einem andern
Internet
 Trend zum Internet of Things (IoT) = vernetzte miteinander agierende Objekte, bei
denen sich bestimmte Funktionalitäten erst aus der Vernetzung der Einzelteile und
durch Cloud-Computing ergeben.
 3 Kernelemente
- Netzknoten (Things): Erfassen von kleinen Datenmengen (Little Data) mithilfe von Sensoren
- Middleware: Die Konsolidierung und Vorverarbeitung der in den Netzknoten erzeugten Daten.
- Cloud: Übertragung, Speicherung und Analyse großer Datenmengen (Big Data).
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World Wide Web
(WWW)
 Hypermediasystem zur Erschließung beliebiger Informationen über das Internet
 Seitenbeschreibungssprache/Auszeichnungssprache
 Hypertext Markup Language (HTML), aktuell HTML 5
 Extensible Markup Language (XML)
 Kommunikationsprotokoll
 Hypertext Transport Protocol (HTTP)
 Suchmaschinen zur gezielten Suche nach Informationen weltweit (auf Serverseite)
 Google, Yahoo! u.v.a.
 Browser zur Betrachtung der erschlossenen Informationsbestände (auf Clientseite)
 Microsoft Internet Explorer (ab Windows 10 Microsoft Edge genannt), Mozilla Firefox,
Opera, Safari und Google's Chrome u.v.a.
 Kann i.d.R. Texte und Bilder darstellen
 Für alles weitere benötigt der Browser Erweiterungen wie z.B. Plug-ins
 Web 2.0 => Neue Interaktions- und Kollaborationselemente
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Location-based Services
(LBS)
Internet
Positionierung
Kommunikationsnetzwerk
Inhalteanbieter
Datenprovider
Nutzer/Endgerät
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Diensteanbieter
•Restaurantfinder
•Navigation
•Best friend locator
•Stadtführer
•Schnäppchenjäger
•...
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Structured Query Language
(SWL)
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Datenbanksprache
SQL
 Heute sind im GIS-Bereich relationale Datenbanken gängig wie z. B. Oracle,
Ingres, Informix, Microsoft SQL Server, MySQL oder PostGreSQL.
 Diese unterstützen eine standardisierte Datenbankabfragesprache namens
Structured Query Language (SQL).
 seit 1999 als ISO/IEC 9075 genormt und um objektrelationale Konstrukte erweitert und
aktuell als SQL 7 oder SQL:2011 verabschiedet.
 SQL-Erweiterung ISO 9075 SQL Part 15: Multi-Dimensional Arrays lassen sich 1DSensordaten, 2D-Satellitenkarten, 3D-x/y/t-Bild- und Zeitreihen sowie 3D geologische
Voxeldaten sowie 4D atmosphärische Daten verwalten.
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Structured Query Language
(SQL)
 DDL (Data Definition Language - Datenbeschreibung) zur Definition realer und
virtueller Tabellen des Datenbankschemas (Befehl: CREATE).
 DML (Data Manipulation Language - Datenmanipulation) zum Dateneintrag, zur
Abfrage, zur Veränderung und zum Löschen von Daten (Befehle: INSERT,
SELECT, UPDATE, DELETE).
 DCL (Data Control Language - Steuerungsverwaltung) zur Festlegung der
Transaktionseinheiten, Sperren und Rechte (Befehle: COMMIT, ROLLBACK).
 Einbindung in gängige Programmiersprachen (Befehle: EXEC SQL, DECLARE,
OPEN, FETCH, EXECUTE, CLOSE).
 DBA (Data Base Administrator - Datenbankadministration), die die Verteilung der
Daten überwacht.
 DBMS (Data Base Management System - Datenbank-Verwaltungssystem), das
den Zugriff auf die Daten kontrolliert.
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Structured Query Language
(SQL)
 Standarddatentypen (Character, Integer, Float usw.), logisch mit Boole'schen
Operatoren AND, OR, NOT etc. in WHERE-Klauseln verknüpfbar.
 Verschiedene Anfragemechanismen (Projektionen, Selektionen, Join,
Verschachtelungen (IN-Bedingung)).
 Standardoperatoren (sogenannte Aggregatfunktionen wie COUNT, AVERAGE,
MIN, MAX oder Gruppierungen zur Bedienung der Standarddatentypen).
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SQL-Beispiel Data Definition Language
y
3
2
2
1 125
1
1




5
5
4
126
2
3
4
6
7
6 x




Zweispaltige Tabelle Objekt (PNr, Nummer)
Zweispaltige Tabelle Polygon (PNr, KNr)
Dreispaltige Tabelle Kante (KNR, von, nach)
Dreispaltige Tabelle Punkte (Pkt, x, y)
CREATE table Objekt (PNr integer not null, Nummer integer);
CREATE table Polygon (PNr integer not null, KNr integer);
CREATE table Kante (KNR integer not null, von integer, nach integer);
CREATE table Punkte (Pkt integer not null, x float , y float ) ;
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SQL-Beispiel –
Data Manipulation Language
objekt.dat: polygon.dat: kante.dat:
--------------------------------1 125
11
112
2 126
12
223
13
314
14
443
24
535
25
656
26
746
27
punkte.dat:
-----------1 0,0 0,0
2 0,0 5,0
3 5,0 5,0
4 5,0 0,0
5 10,0 5,0
6 10,0 0,0




INSERT into Objekt from "objekt.dat";
INSERT into Polygon from "polygon.dat";
INSERT into Kante from "kante.dat";
INSERT into Punkte from "punkte.dat";
 SELECT * from Objekt;
PNr Nummer
1 125
2 126
 SELECT Knr from Polygon where PNr =
(SELECT PNr from Objekt where Nummer = 125);
Knr
1
2
3
4
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GIS-ARCHITEKTUREN
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Verteilte Systeme
 Menge von Funktionseinheiten oder Komponenten, die in einer Client-ServerBeziehung zueinander stehen und eine Funktion erbringen, die nicht durch die
Komponenten allein erbracht werden kann. Ein solcher Zusammenschluss
präsentiert sich für den Benutzer als ein einzelnes System. Für den Benutzer
sowie für die Applikation eines verteilten Systems ist die Art der Verteilung nicht
relevant und idealerweise auch nicht ersichtlich. Das System verhält sich
transparent, als hätte der Nutzer es mit einem Gesamtsystem zu tun (G. Bengel
(2004)).
 Verteilung der graphischen Präsentation, der Benutzeroberfläche (Graphical User
Interface (GUI)), der Datenverarbeitung, des Datenmanagements und der
persistenten Datenspeicherung zwischen Client und Server (P. Korduan und M.L.
Zehner (2008)) in einer mehrschichtigen Architektur.
 0-Tier-Modell (Terminalserver)
 2-Tier-Modell (Client-Server)
 Multi-Tier-Modell
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Three-Tier-Modell
Clients (Frontend)
 Präsentationsschicht
 Webbrowser, Mail- oder FTP-Clients,
desktopbasierte GIS und browserbasierte
Mapping-Anwendungen
Netzwerk
Applikationsserver (Middletier)
 Kommunikationsschicht
 standardisierte, weitverbreitete
Serverapplikationen (wie HTTP-Server), die der
Kommunikation im Netzwerk dienen.
Netzwerk
Datenbankserver (Backend)
 Geschäftslogikschicht
 Für spezifischere Ressourcenanforderungen
und Aufgabenverteilung, z.B. DBServer,
MapServer.
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Verteiltes System –
Lastverteilung Client-Server
Client-Statisch
(Thin Client)
Client-Dynamisch
(Thick Client)
Server-Dynamisch
Web-Client
Web-Client
Web-Client
Plug-in Viewer
JavaScript Andere
Internet
Internet
Internet
Web-Server
Web-Server
Internet
Web-Server
DB-/Map-Server
CGI
Servlets Server-API Andere
Middleware
DB-Server
GeoDBMS
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GeoDBMS
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Serverarten
im GIS-Bereich
 Web Server
 Stellt Kontakt zwischen Client (Browser) und Server her und liefert
Webseiten an Client
 File Server
 Bietet Daten zum Download
 Map Server
 Stellt Karten zusammen und liefert diese als Bild an den Webbrowser
aus.
 Feature Server
 Liefert Objekte aus z.B. in GML (Geometrie und Attributdaten)
 Datenbank Server
 Stellt Datenbankzugang her und liefert SQL-Abfrageergebnisse
zurück, z.B. über Schnittstellen wie ODBC/JDBC
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Serverarten
im GIS-Bereich
 E-Commerce Server
 Stellt Abrechnungsmodelle bereit und organisiert Bestellungen auf Geodaten
 Application Server
 Führt Programme zur Geodatenverarbeitung (Analyse) und liefert Ergebnisse
aus
 Terminal Server
 Ermöglicht schlichte Clients (Browser/Terminal), da sämtliche Aktionen auf
dem Server durchgeführt warden. Tauscht Bildschirmzustand,
Tastatureingabe und Mausereignisse aus.
 Service Registry Server
 Registriert Webdienste wie z.B. WMS, WFS, … und ermöglicht den zugang
zu diesen.
 Authentication Server
 Ermöglicht verschiedenste Verfahren der Nutzerauthentifizierung
 Authorization Server
 Offeriert Information über Zugangsrechte der Nutzer
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Client-Server-Architektur
- mobile Anwendungen
Client
Zusätzliche Funktionalitäten
Web-Browser
Grafik
Anfrage
Mobiles
Internet
Server
Web-Server
Web-Map-Server
Zugriff
GeoDB
Datenbank
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GIS als verteiltes System
DB-Server
File-Server Processing-Server
Map-Server
Billing-Server
Netzwerk
Portal-Server
Netzwerk
Desktop-GIS
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Mobiles Abfragesystem Mobiles Feldgerät
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SERVICE ORIENTED
ARCHITECTURE (SOA)
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Service-Oriented
Architecture (SOA)
 Service-Oriented Architecture (SOA): Ein Satz von Prinzipien und
Methoden zur Entwicklung von Software in Form interoperabler Dienste.
 Diese Dienste bieten klar definierte Funktionalitäten in Form von für viele
Zwecke wiederverwendbaren Softwarekomponenten (diskrete
Codestücke und/oder Datenstrukturen).
 SOA definiert wie Dienste zu integrieren sind. Im Unterschied zu einer
API (Application Programming Interface) beschreibt SOA die
Schnittstellen im Sinne von Protokollen und Funktionalitäten und
den Einstiegspunkt.
 Serviceorientierung benötigt eine lose Kopplung von Diensten mit
Betriebssystemen und anderen zugrundeliegenden Technologien.
 SOA separiert Funktionen in kleine Einheiten oder Dienste, die von
Entwicklern über das Netz für Nutzer verfügbar gemacht werden, die
diese dann in ihren Anwendungsentwicklungen nachnutzen können.
 Diese Dienste kommunizieren miteinander, indem sie Daten in einem
klar definierten Format oder indem sie Aktivitäten zwischen zwei oder
mehr Diensten austauschen.
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Enterprise Service
Layer
Domain Service
Layer
Application
Service Layer
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SOA principle
 Service oriented architecture (SOA): Publish – find – bind – execute
 Generelles Vorgehen:
Registry service
UDDI
Service user
Bind
SOAP
Service provider
Identifizieren der relevanten Anbieter / Anbieter und Daten / Dienste
Eindeutige Beschreibung der Daten durch Metadaten
Eindeutige Modellierung von heterogenen Datensätzen mit gleichen thematischen Inhalt
Erstellen des Zugriffs auf die Daten über standardisierte Services (Web Service
Description Language)
 Erstellen einer zentralen Infrastrukturkomponente (Registry) als Einstiegspunkt für die
Datensuche und Dienste (Universal Description, Discovery and Integration)
 Kommunikation über das Simple Object Access Protocol (SOAP)




Quelle: GDI-DE, Bill (2010)
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Aktuelle Entwicklungen
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Cloud-Computing
 neue Form der Bereitstellung von Rechnerressourcen.
 Benötigte Ressourcen (Hardware, Datenbanken, Speicher, Rechenleistung etc.)
werden bei Bedarf verfügbar gemacht.
 beruht auf Servervirtualisierung, Webdiensten und verteilter Rechnertechnologie.
 Unterscheidung nach Betriebs-, Eigentums- und Organisationsaspekten:
 Private Clouds (für geschlossene Nutzergruppen, Internal Cloud)
 Public Clouds (für eine große Anzahl verschiedener Nutzer, External Cloud)
 Hybride Clouds als Kombination von beidem (besonders schützenswerte Daten in der
Private Cloud, restliche Anwendungen in der Public Cloud.
Quelle: BITKOM (2013)
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Cloud-Dienste- und
-Abrechnungsmodelle
 Infrastructure as a Service (IaaS): Geschäftsmodell, das entgegen dem
klassischen Kaufen von Rechnerinfrastruktur vorsieht, diese on demand zu
mieten. => Amazon Elastic Compute Cloud (EC2) oder Dropbox.
 Platform as a Service (PaaS): Ansatz, eine integrierte Laufzeit- und evtl. auch
Entwicklungsumgebung als einen Dienst zur Verfügung zu stellen, für den der
Nutzer per use zahlt. => Google App Engine oder MS Azure.
 Software as a Service (SaaS): Geschäftsmodell, Software nicht länger als Lizenz
an einen Benutzer zu verkaufen, sondern lediglich die Benutzung selbiger als
Service zur Verfügung zu stellen. => Google Docs, Apple iCloud, Esri ArcGIS
Online, Trimble InSphere oder Hexagon Smart M.App.
 Data as a Service (DaaS) bietet Daten durch einen Dienstleister in Form von
OGC-konformen Diensten oder durch spezielle Übertragungstechnologien an.
 Humans as a Service (HuaaS): Ansatz, bei dem menschliche Intelligenz als
Webservice für Arbeiten genutzt wird (z. B. in Crowdsourcing-Projekten).
 Storage as a Service (StaaS): Anbieter stellt dem Nutzer die benötigten
Speicherkapazitäten für die Speicherung, Archivierung und das Back-up bereit.
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Cloud-Pyramide
Über das Internet nutzbare
Anwendungen und
Dienste
Software
as a
Service
(SaaS)
Programmierumgebung
und Laufzeitplattform für
eigene Anwendungen
Platform
as a
Service
(PaaS)
Virtuelle Rechner mit
CPU-Leistung,
Datenspeicher, Netzwerk
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Infrastructure
as a
Service
(IaaS)
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Geo-Apps
 spezielle Anwendungssoftware im Bereich mobiler Betriebssysteme und mobiler
Endgeräte, sogenannte Mobile Apps oder Web-Apps.
 zunehmend auch in der Geoinformationsbranche in Form schlanker, einfach zu
bedienender Anwendungen, die in Geschäftsprozesse integriert sind (z.B. mobile
Erfassungssoftware)
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Geo-Apps
 Drei Arten von Apps:
 Bereitgestellte Apps: Anwendungen, die von einem App-Hersteller im AppStore zur
Verfügung gestellt werden, ohne dass der Nutzer die App entwickeln oder
konfigurieren muss. Massenmarkt. Apps von GIS-Herstellern sind somit als Ergänzung
zu den Produktfamilien und Cloud-Diensten zu verstehen.
 Web-Apps: Klassische Webanwendungen, die von Webbrowsern auf mobilen Endgeräten dargestellt, meist auf einem Webserver gespeichert und auch größtenteils dort
ausgeführt werden. Web-Apps nutzen i.d.R. Mix von verschiedenen Webtechnologien
wie HTML5, CSS3 und JavaScript, um eine optimale Darstellung auf den verschiedensten Endgeräten zu ermöglichen. Web-Apps können dem Internetbrowser benutzt
werden, daher reicht die Spanne der Endgeräte vom Smartphone über Tablet-PCs
und Notebooks bis hin zu Smart TV‘s.
 Native App: Anwendung, die speziell an die Zielplattform angepasst und sehr leicht
über ein herstellerspezifisches Online-Portal bezogen und installiert wird. Klassische
Ansatz der App-Entwicklung: Ein Anwendungsprogramm für ein entsprechendes Gerät
und auch nur dort ausführbar. Hieraus resultiert ein höherer Entwicklungsaufwand,
möchte man die Anwendung auf mehreren unterschiedlichen Plattformen verteilen,
denn jede mobile Plattform besitzt ihr eigenes SDK (Software Development Kit).
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Selbststudium
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Literaturhinweis
 Bücher:
 Bill (2016): Kapitel 2.3
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