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\chapter{Prototyp}
\label{ch:prototyp}
Um die wissenschaftliche Frage, nicht nur zu beantworten, sondern zu beweisen, wird in dieser Arbeit die Methode des Prototypings genutzt. Der Prototyp dient zum experimentellen Arbeiten und sichert eine strukturell fundierte Umsetzung des darauf folgenden Endprodukts. Der Fokus liegt dabei zunächst auf der Funktionalität der Anwendung. Prototyping wird als bevorzugte Methode gewählt um schnell ein Ergebnis zu erzielen (vgl. [Abr16]). Zudem soll aufbauend auf Diesem ein Produkt realisiert werden, das als Erweiterung in das Netzwerk der Hochschule integriert werden soll.

\section{Forschungsdesign}
Das Kapitel zeigt eine kurze Übersicht der Vorgehensweise und den Leitfaden an den sich die Implementierung des Prototyps anlehnt (vgl. Abbildung 3.1.). 
Zu Beginn der Arbeit wird, des sich aus der Forschungsfrage ergebenden Problems analysiert und alle wichtigen Anforderungen erfasst. Dies bildet die Basis für alle weitern notwendigen Schritte um am Ende eine sinnvolle Lösung bereitstellen zu können. Die Recherche dient der Sammlung aller notwendigen Werkzeuge und gibt einen Überblick über verschiedene Hilfsbibliotheken. Das Implementieren der Applikation kann nun auf Basis der Recherche durchgeführt werden. Dazu gehört das Testen verschiedener Bibliotheken und Erweiterungen um die bestmögliche Ergebnis zu eruieren. Abschlie"send wird die Funktionalität des Prototypen getestet und evaluiert ob die Forschungsfrage ausreichend beantwortet wird. Handlungsempfehlungen und mögliche Funktionen zum Erweitern finalisieren die Arbeit.

\begin{figure}[!h]
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\includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/forschungsdesign}
\caption{Forschungsdesign}
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\end{figure} 

\section{Organisation}

Zum Entwickeln des Prototypen wird die Open-Source-Entwicklungsumgebung Visual Studio Code von Microsoft verwendet. Die dynamische Oberfläche ist sehr performant, da sie wenig Speicherplatz bedarf und zunächst ohne grö"sere Ergänzungen sofort einsetzbar ist. Um den Code mit Shortcuts übersichtlicher zu gestalten und auf Python und Django abstimmen zu können werden aus der Extension-Bibliothek Erweiterungen eingebunden. Unter Anderem sind die folgenden Add-on's während der Arbeit zum Einsatz gekommen (vgl. [Mic18]):

\begin{itemize}
\item Python von Microsoft (Linting und Debugging)
\item MagicPython von MagicStack Inc. (Syntax-Highlighter)
\item Python Extension Pack (Django Code-Vervollständigung)
\end{itemize}

Der entwickelte Syntax wird regelmä"sig auf das hochschulinterne Git-Repository geladen. Hier kann man mit Hilfe der verwendeten \textit{IDE} \footnote{ IDE bedeutet Integrierte Entwicklungs Umgebung, die verschiedenste Sprachen vereinen kann. }
während der Überarbeitung im \texttt{Working-Tree} die Änderungen visuell einsehen und wenn nötig bearbeiten. Es wird ausschlie"slich auf den \textit{Master-Branch} \textit{gepusht}, da nur ein Entwickler am Prototyp tätig ist. Lediglich zum Testen experimenteller Bibliotheken werden neue Branches angelegt und diese, falls Sie sich als hilfreich erweisen, mit dem Master-Branch fusionieren.


Um einen Einblick in den Aufbau eines Django-Projektes zu erlangen wird dies im folgenden genauer beschrieben. Die unterste Projektebene wird durch  \texttt{manage.py} gebildet. Sie wird unter Anderem genutzt um den lokalen Server starten zu können. In der Ebene darüber findet sich im Ordner \texttt{mysite} die Datei \texttt{settings.py}. Hier werden die allgemeinen Einstellungen der Website vorgenommen, wie zum Beispiel das Integrieren der Erweiterungen und der Pfad zu den hinterlegten Templates. Au"serdem ist die \texttt{urls.py} dort zu finden, deren Funktion bereits im Kapitel Django erläutert wurde. Die Dateien \texttt{\_\_init\_\_.py} und \texttt{wsgi.py} sind trivial und deshalb wird hier nicht weiter darauf eingegangen. Im Ordner \texttt{thisisenv} sind alle Bibliotheken und Add-on's der virtuellen Umgebung hinterlegt. Der relevanteste Teil dieser Arbeit liegt im Ordner \texttt{application}. Hier sind die Datenbank-Migrationen, die Static-Files wie bootstrap und css, und alle Templates abgelegt. Zudem befindet sich hier die Logik des Prototypen, auf die im Kapitel \texttt{Funktionen} weiter eingegangen wird.


\subsection{Datenmodellierung}
Die Struktur der bereits bestehenden Datenbank im Django-Framework und die Erweiterungen dessen werden genauer erläutert. Zunächst wird auf die Ergänzung des bestehenden \texttt{UserModel} eingegangen, nachdem veranschaulicht der Abschnitt das \texttt{PostModel} und abschlie"send werden die Zusammenhänge dieser dargestellt.

Alle Modelle werden als Django-Modelle deklariert um beim kompilieren des Codes dem Compiler mitzuteilen, dass eine Integration stattfinden muss (vgl. [Dja18a]). Mit der folgenden Eingabe
\\
\begin{addmargin}[0pt]{0pt} 
\noindent\hspace*{10mm}%
\texttt{ \$ python3 manage.py makemigrations}
\\
\end{addmargin}
werden die neun Tabellen der Modelle erstellt. Um diese anwenden zu können, muss der Befehl 
\\
\begin{addmargin}[0pt]{0pt} 
\noindent\hspace*{10mm}%
\texttt{ \$ python3 manage.py migrate}
\\
\end{addmargin}
 darauffolgend ebenso in die Kommandozeile eingegeben werden.\\ 


\textbf{UserModel:}
\begin{addmargin}[25pt]{0pt} 
Hierbei ist das Authentifizierungssystem von Django mit einem \texttt{UserModel} bereits angelegt. Dies muss für den Prototyp um das Feld \texttt{tags} erweitert werden, sodass ein Benutzer folgende Felder aufweist (vgl. [Fou18a]):
\begin{itemize}
\item username, fist\_name, last\_name, email, groups, user\_permissions, is\_staff, is\_active, is\_superuser, last\_login, date\_joined, tags
\end{itemize}
Das Feld \texttt{groups} wird in dieser Arbeit nicht verwendet und deshalb im Folgenden ignoriert.

In models.py ist der \texttt{CustomUser} dafür verantwortlich das neue Feld mit dem \texttt{Default-User} zu verknüpfen. Durch das \texttt{OneToOneField} (siehe Abbildung 3.2.) wird die Verbindung zum schon bestehenden Modell hergestellt. \texttt{OneToOne} bildet eine einzigartige Zuordnung von zwei Objekten, sodass der Rückgabewert eindeutig ist (vgl. [Fou18a]). Das hei"st, dass hier keine Rekursiven, also auf sich selbst verlinkende oder \texttt{lazy} Beziehungen möglich sind um Konflikte bei der Authentifizierung zu vermeiden. Dies ist die übliche Vorgehensweise um mit einem Primärschlüssel das Default-Model zu erweitern. \\
\begin{figure}[!h]
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\includegraphics[width=1\textwidth]{figures/custommodelcode}
\caption{CustomUserModel in models.py}
\hfill
\end{figure} 


\end{addmargin}

\textbf{PostModel:}
\begin{addmargin}[25pt]{0pt} 
Das \texttt{PostModel} beschreibt alle Felder die ein Artikel enthalten kann. Basierend auf der Blog-Lösung von Djangogirls.com gehören dazu folgende:
\begin{itemize}
\item author, title, text, created\_date, published\_date, tags
\end{itemize}
Der Autor ist durch einen \texttt{ForeignKey} mit dem \texttt{UserModel} verbunden. Diese \texttt{ManyToOne} Verbindung reicht hier aus um einem Post einem Autor, also dem eingeloggten User, zuzuweisen. \texttt{Title} ist ein \texttt{CharField} und wird mit einer Zeichenbegrenzung festgelegt. Der Text hingegen kann eine beliebige Menge an Zeichen enthalten und wir deshalb als \texttt{TextField} deklariert. Erstellungsdatum und Publikation sind beides \texttt{DateTimeFields}. Ersteres muss vom Ersteller angegeben werden, Zweiteres kann zunächst durch die Zusatzangabe \texttt{null=True} offen gelassen werden. Ein weiteres Feld wird hinzugefügt um Artikeln unabhängig von Usern Tags zuordnen zu können.
\\
\end{addmargin}


\textbf{Gesamtmodellierung:}

\begin{addmargin}[25pt]{0pt} 
Die Abbildung 3.3. zeigt die Modellierung der Tabelle \texttt{User} und  \texttt{Post}. Au"serdem verdeutlicht es die Erweiterung des User-Modells von Django mit dem in der Applikation angelegtem CustomUser. Die im User vorkommenden \textit{booleschen Felder} \footnote{ Boolesche Felder können eines von zwei Werten enthalten, Wahr oder Fasch. }
werden im Kapitel Berechtigungen der User genauer erörtert. 


\begin{figure}[!h]
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\includegraphics[width=0.9\textwidth]{figures/datamodel}
\caption{Datenmodellierung von \texttt{User} und \texttt{Post}}
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\end{figure} 
\end{addmargin}
	

\subsection{Verwaltung im Administrator-Back-end}
In diesem Kapitel wird beschrieben wie das Administrations-back-end genutzt werden kann. Es ist jedoch zu beachten, dass die Applikation vorwiegend von Dozenten und Angestellten der Hochschule ohne Administratorrechte verwendet werden soll. Die gestaffelten Berechtigungen werden im Kapitel Berechtigung der User genauer beschreiben.

Ein Django-Projekt bildet bereits beim Einrichten, \texttt{per Default}, eine Administrator-Oberfläche um die Inhalte der Website kontrollieren zu können. Nach der Migration von den oben genannten Modellen wird diese erweitert. Nich zu vergessen sind die externen Tabellen der installierten Add-on's, die nach der Migration das Back-end expandieren.

---eevtl kapitel löschen 


\subsection{Berechtigungen der User}
Im Allgemeinen verwendet man Berechtigungen um Benutzern Zugang zu bestimmten Resourcen in einem Netzwerk einzuräumen. Au"serdem bestimmt es die Art des Zugangs, also ob der User die Resourcen nur lesen oder auch verändern oder löschen darf (vgl. [Com18]). Die Rechte werden meist einzelnen Individuen oder einer Gruppe zugeordnet.

Das gestaffelte Berechtigungsmanagement ist im Prototyp notwendig um den Umgang mit Informationen so sicher wie möglich zu gestalten und um die Nachhaltigkeit dieser zu bewahren. Des Weiteren soll der Prototyp als Vorlage für die Erweiterung der Hochschulwebsite dienen und daher ist eine ähnliche Verteilung der Zugangsberechtigungen sinnvoll. 

Studenten sollen zunächst Informationen weder einpflegen, noch editieren dürfen. Die einzigen Änderungen die sie vornehmen können sind auf Ihre eigene Datenbank fokussiert. Das Hinzufügen von Tags um die damit verbunden Posts auf dem persönlichen Dashboard zu sehen wird ihnen gewährleistet. Dies soll verhindern, dass Informationen nicht zu leichtfertig geändert oder gelöscht werden. 

Dozenten und Angestellte der Hochschule sind dazu berechtigt, Posts zu erstellen, zu editieren und wieder zu löschen. Zudem können sie, wie Studenten, Tags abonnieren und somit ebenso das persönliche Dashboard gestalten. Das Einloggen in die Administratoroberfläche kann vorgenommen werden, jedoch sind der Gruppe noch keinerlei Rechte zugewiesen. Möchte man dies ändern, kann man das von Django bereitgestellte Feld \texttt{User Permissions} im Admin-back-end unter Users, und dem Namen der Person, die gewünschte Berechtigung zuteilen. Diese sind von Django vorgegeben und betreffen alle vorhandenen Modelle der Applikation.
Durch das Setzen des booleschen Wert \texttt{is\_staff} auf \texttt{True} beim Erstellen der Benutzer, ist es möglich im Code der Applikation Abfragen durchzuführen. Dadurch lassen sich bestimmte Views an die eingeloggte Personengruppe anpassen. So ist unter Anderem das Menü der Dozenten und Angestellte ein umfangreicheres als das, der Studenten.


\section{Funktionen}
Um die wichtigsten Funktionen des Prototypen festlegen zu können werden User Stories erstellt (vgl. Abbildung 3.4.). Diese bestehen aus kurzen Sätzen und beschreiben aus Sicht des Nutzers das Verwenden einer Funktion. Die Priorisierung bezieht sich hierbei auf die Relevanz der Funktion, wobei die Funktionen mit einem rotem Punkt sehr wichtig für den Prototypen sind, Orang wichtige Funktionen sind aber nicht unbedingt notwendig und Grün kaum Relevanz haben. \\

\begin{figure}[!h]
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\includegraphics[width=0.9\textwidth]{figures/userstories}
\caption{User Stories}
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\subsection{Verwalten}
Das Verwalten der Artikel soll von berechtigten Nutzern im Front-end stattfinden, hingegen die prozessuale Logik im Code-Back-end passiert. Der Vorgang des Erstellens, des Löschens und des Editierens der einzelnen Einträge wird im Folgenden konkretisiert.
\\
\\
\textbf{Einen neuen Artikel erstellen: }

Das \texttt{+} in der Menüleiste leitet den Benutzer zu einer Unterseite. Hier können alle Felder befüllt werden, die im \texttt{PostForm}-Formular in der Datei \texttt{forms.py} festgelegt wurden. Dazu gehören der Titel und der Text, die als Pflichtfelder gelten. Das Feld \texttt{Tags} muss ebenfalls mindestens einen Wert enthalten um die Validierung der Eingaben sichern zu können. Eine Ausnahme bildet das Datum der Veröffentlichung. Bleibt das Feld leer so wird der Post automatisch der Liste der Entwürfe beigefügt. 

Speichert der Benutzer nun den Artikel, so werden im Back-end die Daten wir folgt verarbeitet. In der View \texttt{post\_new} wird zunächst die Validität aller Eingaben geprüft. Falls dies der Fall ist, wird der Post als Objekt zurückgegeben, jedoch durch das optionale Keywort \texttt{commit=false} noch nicht in der Datenbank abgelegt. Das ist notwendig um dem Objekt spezifische Informationen mitzugeben. In diesem Kontext wird der aktuell eingeloggte User als Autor hinterlegt. Jedoch birgt die Vorgehensweise eine Problematik im Speichervorgang einer \texttt{ManyToMany} Relation zwischen zwei Modellen. Da Informationen nur auf ein bereits in der Datenbank bestehendes Objekt gesichert werden können ist dies zunächst nicht möglich (vgl. [Fou18b]).
Im Prototyp nutzt das \texttt{PostModel} die \texttt{ManyToMany} Konnektivität mit dem Modell des \texttt{TaggabelManagers}. Um die Eingabe des Tag-Felds trotzdem im neuen Artikel speichern zu können, wird zunächst das Objekt gespeichert, um nachdem explizit das von Django zur Verfügung gestellte \texttt{form.save\_m2m()} aufrufen zu können. Dieser Befehl zwingt die Daten der \texttt{ManyToMany} Relation zu speichern.

Die eindeutige Zuordnung der Eingabe im Front-end zur Verarbeitung der Artikel im Back-end ist mit einem \texttt{Primary Key} realisiert. Das \texttt{PostModel} bekommt beim Anlegen keinen solchen Schlüssel zu einem Feld zugewiesen. Django erstellt automatisiert beim Speichern der Tabelle diesen als \texttt{AutoField} im Feld \texttt{Id} und identifiziert automatisch bei jedem neu Erstellen eines Objekts. Somit sind alle Objekte eindeutig zuordenbar und können mit dem Kommando \texttt{post.pk} jederzeit aufgerufen werden.
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\\
\textbf{Einen bereits vorhandenen Artikel löschen: }

In der Detailansicht eines Artikels ist es möglich diesen zu entfernen. Die View \texttt{post\_remove} selektiert über den im Template mitgegebenen \texttt{Primary Key} das Objekt und speichert dies in der Variable \texttt{post}. Um dem Benutzer zu vergewissern, welcher Artikel entfernt wird, wird vor dem Löschen eine Nachricht mit dem Titel dessen generiert. Nachdem wird dieser gelöscht (\texttt{post.remove()}) und eine Umleitung am Ende der View-Definition schickt den Benutzer auf die Seite der Artikelliste. Hier wird die vorher erstellte Nachricht aus informellen Gründen visualisiert.
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\textbf{Einen bereits vorhandenen Artikel bearbeiten: }

Ähnlich wie beim Löschen eines Artikel, kann man diesen in der Detailansicht bearbeiten. Dazu wird in der View über den \texttt{Primary Key} der Artikel einer Variable \texttt{post} zugeordnet. Die bedingte Anweisung rendert zunächst die \texttt{PostForm}, mit dem bereits eingepflegten Inhalt durch eine GET-Abfrage (vgl. Abbildung 3.5.). 

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\includegraphics[width=0.9\textwidth]{figures/postedit}
\caption{Prototyp Artikel-Editor.}
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Veranlasst der Benutzer die Speicherung des Artikels im Front-end, wird die bedingte Abfrage der Abbildung 3.6. in Zeile 91 erfüllt. Die POST-Abfrage ist hier notwendig, da Django nur so Daten in der Datenbank verändert. Eine Begründung hierfür ist die Art der Übertragung der Daten an den Server. \texttt{POST-Requests} bündeln alle Daten, verschlüsseln diese und senden sie dann an der Server (vgl. [Fou18c]). Dadurch ist der Vorgang einfacher kontrollierbar und mit einem \texttt{csrf-Token} im Template ebenfalls gegen Cross-Site-Request-Fälschung abgesichert. Die weitere Vorgehensweise der Funktion ist identisch zum bereits erwähnten neu Erstellen eines Artikels und muss nicht weiter beschrieben werden.\\

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\includegraphics[width=0.9\textwidth]{figures/post-edit-view}
\caption{Funktion post\_edit, Auszug aus views.py.}
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\subsection{Abonnieren}

Das Abonnieren bestimmter Themengebiete ist eines der wichtigsten Funktionen im Prototyp um die eingepflegten Informationen zielgerichtet anzeigen zu können.

Nach längerer Recherche im Netz wird unter Berücksichtigung aller Vor- und Nachteile ein Tag-Modell zur Umsetzung hierfür gewählt. Wie bereits in der Datenmodellierung angedeutet, besitzt jeder Artikel beschreibende Tags. Hierbei handelt es sich um kurze stichwortartige Beschreibungen, die den diesen so gut wie möglich charakterisieren. Abhängig vom Umfang des Blogsystems sollte die Anzahl der Tags immer in einem gewissen Rahmen vorhanden sein. Das bedeutet zum Einen, dass Ersteller von Artikeln immer die gleich Menge der Schlagwörter verwenden, wobei geringe Abweichungen möglich sind (vgl. [Gmb18]). Hat das System bereits einen grö"seren Umfang angenommen, sollten zum Anderen keine neuen Tags erstellt werden um die Übersicht für Autoren und Leser zu bewahren. \\

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\includegraphics[width=1\textwidth]{figures/filtern}
\caption{Prototyp Suche- und Abonnier-Seite}
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\end{figure} 

Im Prototyp findet man die Abonnier-Funktion in der Menüleiste unter \texttt{Suche}. Hier erscheint ein zwei-geteiltes Layout, welches auf der rechten Seite alle bereits abonnierten Tags auflistet und darunter die Eingabe eines neuen Tags ermöglicht. Um den Benutzer alle bereits existierenden Tags offen zu legen, befindet sich auf der linken Seite des Layouts eine \textit{Tag-Cloud} \footnote{ Tag-Cloud ist eine Visualisierung eines Schalgwortverzeichnisses.}
, die diese darstellt (vgl. Abbildung 3.7.).


Die Eingabe des zu abonnierenden Tags wird durch ein Formular realisiert. Dieses ist in der \texttt{forms.py} Datei konfiguriert und enthält nur ein Eingabefeld. Der Ablauf verläuft gleichartig zum oben dargestellten Erstellen eines Artikels, wird aber hier nochmals beschrieben um die Struktur des \texttt{Taggable Managers} zu verdeutlichen. 

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\includegraphics[width=1.1\textwidth]{figures/view-search-add}
\caption{Funktion search\_add, Auszug aus views.py.}
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\end{figure} 

Gibt der Benutzer einen Tag ein und sendet durch betätigen des Sichern-Buttons den \texttt{Request}, wird dieser in der \texttt{views.py}, verarbeitet. In Zeile 159 der Abbildung 3.8. wird der eingeloggte Benutzer der Variable \texttt{user\_instance} übergeben. Beim Erstellen der \texttt{Model-Instanz}  (vgl. Abbildung 3.8., Zeile 161) wird \texttt{user\_instance} der Unbekannten \texttt{form} zugeteilt um die Tag-Eingabe im richtigen User-Objekt integrieren zu können. Nach der Abfrage der Formvalidität, wird ein neues Objekt angelegt (vgl. Abbildung 3.8., Zeile 163) und ebenfalls dem aktuellen Benutzer zugeordnet. Die Eingabe der \texttt{form} wird in ein \texttt{Array} zwischengespeichert und mit dem Attribut \texttt{cleaned\_data} in ein für Python kompatiblen Datentyp gecastet. Um prüfen zu können, ob die Eingaben der Form tatsächlich im \texttt{Tag-Model} enthalten sind, wird diese nochmals in einen String umgewandelt und mit den bereits existierenden Tags abgeglichen (vgl. Abbildung 3.8., Zeile 168). Wird die Bedingung erfüllt, speichert die Funktion die Tags. In beiden möglichen Fällen, wird der Benutzer benachrichtigt ob der Vorgang erfolgreich oder die Eingabe nicht valide ist.

Nun werden auf dem Dashboard Artikel der neu hinzugefügten Tags angezeigt (vgl Abbildung 3.9.).\\

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\includegraphics[width=1\textwidth]{figures/newsfeed}
\caption{Prototyp Newsfeed Seite}
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\end{figure} 


\subsection{Filtern}

Für eine effektive Nutzbarkeit des Prototypen ist es wichtig, dass User intuitiv nach Tags suchen und diese selektieren können. Hierfür werden verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung gestellt, die die Usability der Website verbessern sollen.

Im persönlichen Newsfeed des Dashboards sind, die zu den Artikeln zugewiesenen Schlagwörter jeweils mit Verlinkungen versehen. Möchte ein Benutzer weitere Artikel zu einem bestimmten Thema lesen, so muss er lediglich auf den entsprechenden Tag klicken und erhält somit eine Liste aller Posts, die diesen enthalten. Hierfür wird keine eigene \texttt{View} benötigt denn das Erstellen von Listen mit unterschiedlichem Inhalt kann ebenso über sich unterscheidende Urls realisiert werden. Im Template \texttt{post\_list} wird beim klicken auf einen Tag der \textit{Slug} \footnote{ Der Slug dient im Taggable-Manager als eindeutig zuweisbarer Identifikator, ähnlich einer ID.}
dessen mitgegeben. Au"serdem wird nun die Url \texttt{post\_list\_by\_tag} aufgerufen, die auf eine neue Seite verweist. Die View \texttt{post\_list} rendert bei Anfragen mit \textit{Slug} die passende Liste, bei Anfragen ohne, werden alle vorhandenen Artikel geladen.


Der Prototyp bieten zudem die Möglichkeit nach Tags direkt zu suchen. Unter dem Menüpunkt \texttt{Suche} ist auf der linken Seite des geteilten Layouts befindet sich, wie bereits beschrieben, eine \textit{Tag-Cloud}. Darunter ist das Suchfeld, welches durch ein Formular im Template realisiert wird. Da dieses jedoch nur Tags aus der Datenbank abfragt und keine Daten verändert wird hier lediglich ein \texttt{GET-Request} gesendet. Mit der Funktion \texttt{filter} und dem von der taggit-Bibliothek zur Verfügung gestellten \textit{Lookup} \footnote{ Lookup ist eine Art Funktion, die das Wo des darauffolgend Feldes ausgibt.}
\texttt{tags\_\_name\_\_in}, können alle Artikel mit dem enthaltenen Tag, dem Template übergeben werden.