Verteiltes Rechnen

Verteiltes Rechnen ist eine leistungsstarke Technologie, die es ermöglicht, komplexe Aufgaben auf mehrere Computer zu verteilen, um sie schneller zu lösen. Durch die Nutzung dieses Ansatzes können Projekte wie die Erforschung des Weltraums, die Vorhersage von Klimaveränderungen und sogar die Suche nach Heilmitteln für Krankheiten effizienter vorangetrieben werden. Merke dir, dass verteilter Rechenaufwand zur Lösung eines gemeinsamen Ziels beiträgt, indem er die Aufgabenlast auf viele unterschiedliche Computer verteilt.

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsangabe

    Einführung in verteilte Systeme

    Verteilte Systeme sind ein zentraler Bereich der Informatik, der sich mit der Vernetzung und Koordination von Computern beschäftigt, um eine Aufgabe gemeinsam zu bearbeiten. Diese Einführung bietet einen Überblick über das Konzept des Verteilten Rechnens und dessen Vorteile.

    Was ist Verteiltes Rechnen?

    Verteiltes Rechnen bezeichnet eine Methode der Informationsverarbeitung, bei der mehrere Computer zusammenarbeiten, um ein gemeinsames Ziel zu erreichen. Die Aufgaben werden dabei auf verschiedene Computer verteilt, wodurch komplexe Rechenoperationen schneller und effizienter durchgeführt werden können.

    Ein klassisches Beispiel für Verteiltes Rechnen ist das Seti@Home Projekt, bei dem Freiwillige ungenutzte Rechenkapazitäten ihres PCs bereitstellen, um Radiosignale aus dem Weltraum nach Hinweisen auf außerirdisches Leben zu durchsuchen.

    Die Vorteile verteilter Systeme

    Verteilte Systeme bieten zahlreiche Vorteile gegenüber traditionellen, zentralisierten Systemen. Sie verbessern die Leistung durch Parallelisierung von Prozessen und erhöhen die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Diensten, da Ausfälle eines einzelnen Systems nicht das gesamte System lahmlegen.

    • Leistungssteigerung durch Parallelverarbeitung
    • Erhöhte Ausfallsicherheit
    • Bessere Skalierbarkeit
    • Kostenreduktion durch Nutzung vorhandener Ressourcen
    • Flexibilität bei der Datenverarbeitung

    Verteiltes Rechnen ermöglicht es, große Datenmengen schneller zu verarbeiten, indem Aufgaben auf mehrere Computersysteme aufgeteilt werden.

    Die Anwendung verteilter Systeme reicht von wissenschaftlichen Berechnungen über Big Data und Cloud Computing bis hin zu alltäglichen Anwendungen wie E-Mail Distributed Services und sozialen Netzwerken. Diese Vielfalt unterstreicht die vielseitige Einsetzbarkeit und Bedeutung verteilter Systeme in der modernen Informatik.

    Grundlagen des verteilten Rechnens

    Verteiltes Rechnen ist eine fundamentale Technologie, die es ermöglicht, dass mehrere Computerressourcen zusammenarbeiten, um ein gemeinsames Ziel zu erreichen. Diese Technik ist besonders wichtig in der Informatik und ermöglicht eine effiziente Datenverarbeitung und Problemlösung.

    Kernelemente und Architekturen

    Die Kernelemente verteilter Systeme umfassen eine Vielzahl von Techniken und Methoden, die es ermöglichen, Rechenaufgaben auf mehrere Computer zu verteilen. Zu den wichtigsten Architekturen gehören client-server, peer-to-peer und cloud-basierte Systeme. Jede Architektur hat ihre spezifischen Eigenschaften und Einsatzgebiete.

    Client-Server-Architektur: In diesem Modell fordern Client-Computer Dienste von einem zentralen Server an, der die Anfragen bearbeitet.

    Peer-to-Peer-Architektur: Hierbei kommunizieren alle Computer direkt miteinander, ohne eine zentrale Koordinationsinstanz.

    Cloud-basierte Systeme: Dabei werden Ressourcen und Anwendungen über das Internet von einem Anbieter bereitgestellt, wodurch Skalierbarkeit und Flexibilität erhöht werden.

    Ein Beispiel für die Anwendung einer client-server Architektur ist eine Webseite, die von einem Webserver bereitgestellt wird und von einem Browser als Client angefordert wird.

    Kommunikationsmodelle im verteilten Rechnen

    Die Kommunikation zwischen den Knoten in einem verteilten System ist essenziell für dessen Funktionsfähigkeit. Kommunikationsmodelle definieren, wie Daten zwischen den Knoten ausgetauscht werden. Zu den wichtigsten Modellen gehören das Nachrichtenaustauschmodell und das gemeinsame Speichermodell.

    Nachrichtenaustauschmodell: In diesem Modell kommunizieren Knoten, indem sie Nachrichten über Netzwerkverbindungen senden und empfangen.

    Gemeinsamer Speichermodell: Hierbei greifen mehrere Prozessoren auf einen gemeinsamen Speicherbereich zu, wodurch der Datenaustausch erleichtert wird.

    Das Nachrichtenaustauschmodell wird beispielsweise in verteilten Datenbanksystemen verwendet, bei denen Queries über das Netzwerk an verschiedene Datenbankserver gesendet werden, um eine hohe Verfügbarkeit und Leistung zu gewährleisten.

    Moderne verteilte Systeme nutzen häufig eine Kombination aus verschiedenen Kommunikationsmodellen, um die Vorteile jedes Modells optimal zu nutzen.

    In der Praxis werden verteilte Systeme oft für komplexe Anwendungen wie Big Data Analysen, Online-Transaktionsverarbeitung oder für das Hosting von Webanwendungen verwendet. Die Wahl der Architektur und des Kommunikationsmodells hat dabei einen entscheidenden Einfluss auf die Performance, Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit des Systems.

    Parallele Algorithmen im verteilten Rechnen

    Parallele Algorithmen spielen eine entscheidende Rolle im Feld des verteilten Rechnens. Sie ermöglichen es, dass Aufgaben effizient auf mehrere Prozessoren oder Computer verteilt und dadurch schneller gelöst werden können.

    Grundkonzepte paralleler Algorithmen

    Die Grundkonzepte paralleler Algorithmen umfassen Paralleles Verarbeiten und Parallelitätsebenen. Paralleles Verarbeiten bezieht sich auf die simultane Ausführung von Algorithmen oder Prozessen auf verschiedenen Prozessoren. Die Parallelität kann auf verschiedenen Ebenen stattfinden, einschließlich Daten, Aufgaben und Instruktionen.

    • Datenparallelität: Aufteilung von Daten auf mehrere Verarbeitungseinheiten, sodass jede Einheit an einem Teilstück der Daten arbeitet.
    • Aufgabenparallelität: Aufteilung der Gesamtaufgabe in kleinere Aufgaben, die dann auf verschiedenen Prozessoren bearbeitet werden.
    • Instruktionsparallelität: Parallelisierung auf der Ebene der Instruktionen innerhalb eines Prozesses.

    Synchronisation: Ein wichtiger Aspekt paralleler Algorithmen ist die Synchronisation der parallelen Prozesse, um Datenkonsistenz und korrekte Ausführung zu gewährleisten.

    for (int i = 0; i < n; i++) {
       parallelTask(i);
    }

    In diesem Pseudocode-Beispiel wird parallelTask für jeden Wert von i parallel ausgeführt, was demonstriert, wie eine Aufgabe in parallele Segmente unterteilt werden kann.

    Die Leistungsfähigkeit paralleler Algorithmen hängt stark von der Art des Problems und der Verfügbarkeit paralleler Ressourcen ab.

    Anwendungsbereiche und Beispiele

    Parallele Algorithmen finden Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen, von wissenschaftlichen Berechnungen bis hin zu Echtzeitsystemen. Beispiele hierfür sind:

    AnwendungsbereichBeispiel
    Wissenschaftliche SimulationenWettervorhersagemodelle
    Bild- und VideoverarbeitungEchtzeitbildbearbeitung
    Big Data AnalyseDatenmining in riesigen Datensätzen
    Machine LearningTraining von Neuronalen Netzen

    Eines der faszinierendsten Anwendungsbeispiele paralleler Algorithmen ist das Training von Neuronalen Netzen im Deep Learning. Durch den Einsatz paralleler Algorithmen auf hochleistungsfähigen GPUs können enorme Datensätze verarbeitet und Modelle trainiert werden, die in der Lage sind, komplexe Probleme in Bereichen wie Bilderkennung, natürliche Sprachverarbeitung und autonomes Fahren zu lösen.

    Implementierung verteilter Systeme

    Die Implementierung verteilter Systeme steht vor einzigartigen Herausforderungen, die von den Entwicklern eine sorgfältige Planung und Auswahl geeigneter Werkzeuge verlangen. Diese Systeme ermöglichen es, komplexe Aufgaben über mehrere Computer zu verteilen, um Effizienz, Skalierbarkeit und Fehlertoleranz zu verbessern.

    Herausforderungen in der Implementierung

    Die Entwicklung verteilter Systeme geht mit spezifischen Herausforderungen einher, die von der Kommunikation zwischen den Knoten bis hin zur Datenkonsistenz reichen. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Bewältigung von Latenzzeiten, der Handhabung von Ausfällen und der Sicherung der Skalierbarkeit.

    Latenz bezieht sich auf die Verzögerung bei der Kommunikation zwischen Knoten in einem verteilten System.

    Ausfalltoleranz ist die Fähigkeit eines Systems, selbst bei Ausfall eines oder mehrerer seiner Komponenten weiterhin korrekt zu funktionieren.

    Die effektive Handhabung von Ausfällen erfordert redundante Systeme und sorgfältig entworfene Ausfallerkennungsmechanismen.

    Ein wesentlicher Aspekt ist die Datenkonsistenz, bei der es darum geht, sicherzustellen, dass alle Knoten des Systems eine einheitliche Sicht auf die Daten haben. Dies wird insbesondere in verteilten Datenbanken und bei Transaktionen über mehrere Dienste zu einer komplexen Herausforderung.

    Werkzeuge und Technologien für Entwickler

    Um die genannten Herausforderungen zu bewältigen, stehen Entwicklern verschiedenste Werkzeuge und Technologien zur Verfügung. Von verteilten Datenbanksystemen bis hin zu Frameworks für Mikroservices, die Auswahl der richtigen Technologien ist entscheidend für den Erfolg eines verteilten Systems.

    Ein wichtiges Werkzeug sind Container-Orchestrierungstools wie Kubernetes, die das Deployment, die Skalierung und das Management von Containern in verteilten Systemen vereinfachen.

    Für die Realisierung von Mikroservices bieten sich Frameworks wie Spring Boot oder Express.js an, die die Entwicklung und das Deployment von unabhängigen, leichtgewichtigen Services erleichtern.

    • Distributed Caching wie Redis ermöglicht es, Latenzzeiten zu reduzieren und die Leistung von Anwendungen zu verbessern.
    • Fault Detection und Recovery-Lösungen sind wesentlich, um die Ausfalltoleranz zu erhöhen.
    • Message Queuing Services wie Apache Kafka unterstützen die effiziente Datenübertragung zwischen den Diensten.

    Die Verwendung von Cloud-basierten Diensten kann ebenfalls zur Lösung von Skalierbarkeits- und Ausfalltoleranzproblemen beitragen.

    Bei der Auswahl der Technologien ist es wichtig, die spezifischen Anforderungen des zu implementierenden Systems zu berücksichtigen. Die Eignung einer Technologie hängt unter anderem von der gewünschten Skalierbarkeit, den Sicherheitsanforderungen und der Notwendigkeit zur Datenkonsistenz ab.

    Fallstudien zum verteilten Rechnen

    Das Studium von Fallstudien im Bereich des verteilten Rechnens bietet Einblick in die realen Szenarien, in denen diese Technologien entscheidende Probleme lösen. Es werden nicht nur die Konzepte veranschaulicht, sondern auch die vielfältigen Herausforderungen und Lösungsansätze in der Praxis aufgezeigt.

    Echte Projekte verstehen

    Die Untersuchung echter Projekte im Bereich des verteilten Rechnens ermöglicht es Dir, die Theorie in einen praktischen Kontext zu setzen. Von großen wissenschaftlichen Forschungsprojekten bis hin zu kommerziellen Anwendungen, diese Systeme spielen eine Schlüsselrolle in vielen Bereichen.

    Ein beeindruckendes Beispiel ist das BOINC-Projekt (Berkeley Open Infrastructure for Network Computing), das Freiwilligen die Möglichkeit bietet, ihre ungenutzte Rechenkapazität für wissenschaftliche Forschungen zur Verfügung zu stellen. Projekte wie SETI@home, das nach außerirdischem Leben sucht, oder Folding@home, das an der Erforschung von Proteinfaltungen arbeitet, sind hier aktiv.

    BOINC und ähnliche Plattformen sind ausgezeichnete Beispiele dafür, wie verteiltes Rechnen zur Lösung komplexer wissenschaftlicher Probleme beiträgt, die sonst nicht realisierbar wären.

    Erfolge und Herausforderungen in der Praxis

    In der Implementierung verteilter Systeme lassen sich deutliche Erfolge verzeichnen, die jedoch nicht ohne Herausforderungen kommen. Die Erhöhung der Rechenkapazitäten, die Verbesserung der Skalierbarkeit und die Reduzierung von Kosten sind zentrale Erfolge. Gleichzeitig stellen Themen wie Datenkonsistenz, Synchronisation, Ausfallsicherheit und Sicherheitsbedenken große Herausforderungen dar.

    ErfolgHerausforderung
    SkalierbarkeitDatenkonsistenz
    Reduzierte KostenSicherheitsbedenken
    Gesteigerte RechenleistungAusfallsicherheit

    Ein Beispiel für die Bewältigung von Herausforderungen in der Praxis ist die Entwicklung von Verteilten Datenbanken, wie Apache Cassandra, die speziell für den Einsatz in verteilten Systemen entwickelt wurde, um die Datenkonsistenz und Ausfallsicherheit zu gewährleisten. Diese Technologie ermöglicht es, sehr große Datenmengen effizient über viele Server hinweg zu verteilen und gleichzeitig schnelle Lese- und Schreibzugriffe zu unterstützen.

    Das Studium von Fallstudien zum verteilten Rechnen offenbart die zunehmende Wichtigkeit dieser Technologie in der modernen Welt. Während der technische Fortschritt voranschreitet, wachsen auch die Herausforderungen. Doch gerade die Überwindung dieser Herausforderungen durch innovative Lösungen treibt die Entwicklung im Bereich der Informatik und Technologie weiter voran.

    Verteiltes Rechnen Projekte

    Die Welt des verteilten Rechnens bietet unzählige Möglichkeiten, innovative und spannende Projekte zu realisieren. Ob es darum geht, komplexe wissenschaftliche Probleme zu lösen oder leistungsstarke Anwendungen für den Alltag zu entwickeln – verteiltes Rechnen hat das Potenzial, die Art und Weise, wie Aufgaben bearbeitet und Probleme gelöst werden, grundlegend zu verändern.

    Projektideen und Inspiration

    Die Suche nach Projektideen im Bereich verteiltes Rechnen kann eine Herausforderung sein, jedoch gibt es zahlreiche Bereiche, in denen solche Projekte einen erheblichen Unterschied machen können. Einige Beispiele umfassen:

    • Die Entwicklung von verteilten Anwendungen zur Datenanalyse großer Datensätze
    • Erstellung von verteilten Simulationen für komplexe Systeme in Physik, Chemie und Biologie
    • Beitrag zu Open-Source-Projekten, die auf verteiltes Rechnen angewiesen sind, wie BOINC oder Folding@Home
    • Entwicklung von verteilten Systemen zur Verarbeitung und Analyse von Echtzeit-Datenströmen aus verschiedenen Quellen
    • Implementierung von verteilten Kryptowährungs-Miningsystemen

    Diese Projektideen können als Ausgangspunkt dienen und je nach Interesse und Fachkompetenz angepasst oder erweitert werden.

    Der Schlüssel zur Ideenfindung liegt oft in der Identifizierung eines Problems, das durch verteiltes Rechnen effektiv gelöst werden kann. Denke über bestehende Engpässe nach, bei denen eine verteilte Lösung Vorteile bieten könnte.

    Von der Theorie zur Praxis: Erste Schritte

    Der Übergang von der Theorie zur Praxis kann zunächst entmutigend erscheinen, doch mit den richtigen Ressourcen und einem systematischen Ansatz ist es durchaus machbar, ein Projekt im Bereich des verteilten Rechnens erfolgreich umzusetzen. Hier sind einige grundlegende Schritte, die Dir helfen, Dein Projekt von der Idee zur Realität zu bringen:

    • Wähle eine Programmiersprache: Sprachen wie Python, Java oder C++ bieten robuste Bibliotheken und Frameworks für verteiltes Rechnen.
    • Einarbeitung in relevante Bibliotheken und Frameworks: Je nach gewählter Sprache, solltest Du Dich mit Tools wie MPI (Message Passing Interface) oder Apache Hadoop für Big Data-Anwendungen vertraut machen.
    • Entwerfe deine Architektur: Entscheide, ob Du eine Peer-to-Peer-Netzwerkstruktur, eine Client-Server-Architektur oder ein anderes Modell verwenden möchtest.
    • Prototyping und Tests: Beginne mit einem einfachen Prototyp Deines Systems und teste es gründlich, um Fehler frühzeitig zu identifizieren und zu beheben.
    • Dokumentation und Weiterentwicklung: Halte Deine Fortschritte und Lösungen gut dokumentiert, damit auch andere von Deiner Arbeit profitieren können.
    import multiprocessing
    
    def worker(number):
        return number * number
    
    if __name__ == '__main__':
        with multiprocessing.Pool(processes=4) as pool:
            results = pool.map(worker, range(10))
            print(results)
    

    Dieser einfache Python-Code verwendet das Modul multiprocessing, um eine Funktion parallel auf mehreren Kernen auszuführen. Dies zeigt, wie du in wenigen Zeilen Code eine Aufgabe parallelisieren kannst.

    Wenn Du Dich tiefer in die Materie des verteilten Rechnens einarbeiten möchtest, kannst Du Dich spezialisierten Themen zuwenden. Dazu gehören fortgeschrittene Konzepte der Netzwerkkommunikation, Algorithmen zur Lastverteilung und Optimierung von verteilten Datenbanken. Darüber hinaus ist die Auseinandersetzung mit Fallstudien, welche die erfolgreiche Umsetzung verteilter Systeme demonstrieren, eine hervorragende Möglichkeit, Dein Wissen zu vertiefen und Anregungen für Dein eigenes Projekt zu gewinnen.

    Verteiltes Rechnen - Das Wichtigste

    • Verteiltes Rechnen ist die Zusammenarbeit mehrerer Computer zur Zielerreichung durch Aufteilung der Aufgaben.
    • Die Vorteile verteilter Systeme umfassen Leistungssteigerung, Ausfallsicherheit, Skalierbarkeit, Kostenreduktion und Flexibilität.
    • Zu den Architekturen verteilter Systeme zählen Client-Server, Peer-to-Peer und Cloud-basierte Systeme.
    • Wichtige Kommunikationsmodelle im verteilten Rechnen sind das Nachrichtenaustausch- und das gemeinsame Speichermodell.
    • Parallele Algorithmen im verteilten Rechnen steigern durch Datenparallelität, Aufgabenparallelität und Instruktionsparallelität die Effizienz.
    • Herausforderungen bei der Implementierung verteilter Systeme sind Latenz, Ausfalltoleranz und Datenkonsistenz.
    Häufig gestellte Fragen zum Thema Verteiltes Rechnen
    Was ist der Unterschied zwischen verteiltem Rechnen und Cloud Computing?
    Verteiltes Rechnen verteilt Rechenaufgaben auf mehrere Computer in einem Netzwerk, um komplexe Probleme zu lösen. Cloud Computing hingegen bietet über das Internet zugänglichen Speicher und Rechenleistung, wobei die physische Infrastruktur von Anbietern verwaltet wird und die Skalierung flexibel ist.
    Welche Vorteile bietet verteiltes Rechnen gegenüber traditionellen Rechenmodellen?
    Verteiltes Rechnen erhöht die Fehlertoleranz, da bei Ausfall einer Komponente andere die Arbeit übernehmen können. Es ermöglicht Ressourcen- und Lastteilung über mehrere Standorte hinweg und verbessert die Leistung durch Parallelisierung von Prozessen. Zudem ist es besser skalierbar, was Anpassungen an wachsende Anforderungen erleichtert.
    Wie funktionieren Algorithmen im Kontext von verteiltem Rechnen?
    In verteiltem Rechnen werden Algorithmen so entworfen, dass sie Aufgaben auf mehrere Computer verteilen. Jeder Computer bearbeitet einen Teil der Aufgabe parallel zu den anderen, wobei Konzepte wie Nachrichtenaustausch, Synchronisation und Konsensfindung zum Einsatz kommen, um die Gesamtleistung und Effizienz zu verbessern.
    Welche Herausforderungen bringt verteiltes Rechnen mit sich?
    Verteiltes Rechnen führt zu Herausforderungen wie Synchronisation und Koordination zwischen verschiedenen Systemen, Latenzzeiten bei der Datenübertragung, Schwierigkeiten bei der Fehlersuche und -behebung sowie Sicherheitsrisiken durch die Verteilung der Ressourcen über ein Netzwerk.
    Welche Software- und Hardwareanforderungen sind für verteiltes Rechnen notwendig?
    Für verteiltes Rechnen benötigst Du eine Netzwerkverbindung, um verschiedene Geräte zu verbinden, und kompatible Hardware, die rechenintensive Aufgaben bewältigen kann. Auf der Softwareseite sind ein Betriebssystem, das Netzwerkkommunikation unterstützt, und spezialisierte Anwendungen oder Middleware für die Koordination und Verteilung der Rechenaufgaben erforderlich.

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