Optische Telegrafie. Entwicklung von Erklärungsmodellen für moderne Kommunikationssysteme in der Sekundarstufe I. Jens Jessl 2007

Transkript

1 Optische Telegrafie Entwicklung von Erklärungsmodellen für moderne Kommunikationssysteme in der Sekundarstufe I Jens Jessl 2007

2 2 Überblick Quelle: sechsstündige Unterrichtsreihe meiner pädagogischen Hausarbeit Idee: Erklärung moderner Systeme (Internet) anhand eines historischen Systems (optische Telegrafie) Idee: Nacherfinden eines optischen Telegrafen Teil 1: Einführung Teil 2: Codierung Teil 3: Protokolle Teil 4: Routing Teil 5: Hinweise

3 3 Teil 1 Einführung

4 4 Kommunikation Kommunikation bezeichnet [ ] ein gemeinschaftliches Handeln, in dem Gedanken, Ideen, Wissen, Erkenntnisse, Erlebnisse (mit-) geteilt werden und auch neu entstehen. (Wikipedia) Menschlicher Kommunikation ist beschränkt Wie weit kann man jemanden schreien hören? Wie weit kann man jemanden winken sehen? Folge: Verwendung von Hilfsmitteln Nachricht aufschreiben und einem Boten mitgeben Schneller: den Boten auf ein Pferd setzen Ohne menschlichen Boten: Nachricht an eine Taube binden

5 5 Frühe Telegrafen (1) Aischylos (um 500 v. Chr.) beschreibt sagenhafte Feuersignalkette von Troja nach Mykene (500 km) Idee: Meldung der Eroberung Trojas durch sukzessives Anzünden von Holzstößen auf Bergkuppen Bewertung Botschaft dauerte weniger als ½ Tag Nur eine einzige, vorher vereinbarte Botschaft Wächter mussten 10 Jahre ständig Horizont beobachten Feinde konnten Gegenfeuer zur Verwirrung anzünden 500km

6 6 Frühe Telegrafen (2) Polybios (um v. Chr.) beschreibt Fackeltelegrafen Idee: buchstabenweise Übertragung durch sukzessives Einstellen unterschiedlich vieler Fackeln Bewertung Beliebige Botschaften konnten übertragen werden Fackeln nur bis ca m sichtbar Nur 8 Buchstaben pro Minute D, I, O, T, Z? O! Rechte Mauer Linke Mauer A B C D E F G H I K L M N O P Q R S T U V X Y Z

7 7 Optischer Telegraf (1) Claude Chappe überzeugt 1792 die französische Nationalversammlung vom optischen Telegrafen (auch Flügeltelegraf) Idee: Übertragung von Informationen durch sukzessives Einstellen von mechanischen Zeigern Beobachtung der Zeiger durch Fernrohre Paris Lille: 210 km Länge, 23 Stationen, 2 Minuten pro Buchstabe

8 8 Optischer Telegraf (2) Anfang 19. Jahrhundert: Ausbau auf 29 Städte mit 534 Stationen Militärische Nutzung durch Napoleon Strenge Bewachung der Stationen, Geheimcodes Friedrich Wilhelm II (Preußen) lies 1832 Berlin und Koblenz verbinden (750 km) Weitere Länder: Schweden, England, Russland, Italien Brest Cherbourg Bayonne Boulogne Avranches Nantes Bordeaux Toulouse Paris Tours Agen Narbonne Lille Dijon Lyon Amsterdam Antwerp Brussels Metz Mainz Strasbourg Hunigue Besancon Avignon Toulon Turin Milan Venice

9 9 Morsetelegraf Probleme des optischen Telegrafen A B.- - N O Witterungen und Dunkelheit Bedienstete machen Fehler Abhörsicherheit Samuel Morse konstruiert Morsetelegrafen (1850) Idee: Kodierung von Buchstaben in lange und kurze elektrische Impulse C D E F G H I P Q R S T U V Bewertung Ca. 125 Buchstaben pro Minute J K W X Unabhängig von Witterung und Lichtverhältnissen Beliebige Botschaften mit einem Signal codiert L M Y Z

10 10 Kommunikation heute Entwicklung des Telefons, weltweite Vernetzung mit Ozeankabeln und Satelliten Entwicklung von Rechnern, weltweite Vernetzung zum Internet mit zahlreichen Diensten wie Mail, WWW usw. Entwicklung von Mobilkommunikation Trend: jeder mit jedem, sofort und überall, sehr schnell Aber: Technik ist komplex, unübersichtlich, mystisch

11 11 Teil 2 Codierung

12 12 Aufgabe Aus einem möglichen Schülerarbeitsblatt Problem Mit den Pappkonstruktionen soll ein optischer Telegraf realisiert werden. Zunächst soll die Station A der Station B die Botschaft Sommerferien übermitteln können.

13 13 Lösungsvorschlag Schüler Buchstaben mit Telegrafenarmen nachahmen

14 14 Lösungsvorschlag Historisch Frankreich Preußen 3 Balken, 192 Einstellungen 6 Balken, 4096 Einstellungen

15 15 Konzepte Ferien Information Signal Information Ferien Nachricht Sender = A = A Empfänger = B Code = B Code Ein Sender möchte Informationen an einen Empfänger übermitteln Ein Signal ist ein Zeichen mit einer vereinbarten Bedeutung Eine Nachricht ist eine Folge von Signalen Ein Code ordnet den Signalen eine Bedeutung zu

16 16 Vertiefung (1)

17 17 Vertiefung (2)

18 18 Vertiefung (3)

19 19 Vertiefung (4)

20 20 Teil 3 Protokolle

21 21 Verbesserung des Telegrafen Beim Testen des Telegrafen ergaben sich Probleme AM 9TEN JUNI BEGINNT DIE WM AM 3TEN JULI BAGINNT DEE WM Verfälschung AM 9TEN JUNI BEGINNT DIE WM AM 9TN JI BGNT D W Verlust DEUTSCHLAND GEWINNT DIE WM DOCH NICHT DEUTSCHLAND GEWINNT DIE WM Ende fehlt Folge: Erarbeitung von Dienstvorschriften für die Telegrafisten zur Vermeidung solcher Fehler

22 22 Verfälschung

23 23 Verfälschung Lösungsvorschlag Idee: Zahlen als Buchstaben senden Idee: Sender sendet Buchstaben dreifach, Empfänger wählt denjenigen aus, der am häufigsten vorkommt JUNI JJJ UUU NNN III JJK UUU NMN III JUNI Idee: Falls Sender eigenen Fehler bemerkt, kann er dies dem Empfänger durch ein Steuersignal sagen aber JUL<NI JAL<<UNI JUNI JUNI JAMUNI?

24 24 Verlust

25 25 Verlust Lösungsvorschlag Ursache ist die Unklarheit darüber, wie lange eine Station ein Signal eingestellt lassen muss Idee: Signal so lange einstellen, bis die nächste Station das Signal übernommen hat J J U U # J J U # # J J N U Doppelte Signale werden evtl. als ein Signal erkannt Idee: Nachdem ein Signal eingestellt ist, wird die Mechanik zunächst in die Ausgangsposition gebracht U

26 26 Ende der Nachricht

27 27 Ende der Nachricht Lösungsvorschlag Stationen brechen die Übertragung ab, da sie irrtümlicherweise das Ende der Nachricht annehmen Idee: Steuersignal einführen fürs Ende der Nachricht DEUTSCHLAND GEWINNT DIE WM DOCH NICHT>

28 28 Dienstvorschrift für f r Telegrafisten Sender 1. Schreibe alle Zahlen als Text. 2. Schreibe jeden Buchstaben drei mal hin. 3. Stelle für jeden Buchstaben das passende Signal ein und zwar so lange, bis dein Nachfolger es eingestellt hat. 4. Fahre nach jedem Signal die Mechanik in die Ausgangsposition. 5. Falls du ein falsches Signal eingestellt hast, sende < und dann das korrekte Signal. 6. Sende > am Ende der Botschaft. Empfänger Zwischenstation Übernehme die Signale deines Vorgängers und zwar so lange, bis dein Nachfolger sie eingestellt hat. 1. Notiere alle Signale bis das Signal > kommt. 2. Dekodiere die Nachricht. 3. Falls < kommt, lasse den Buchstaben vorher weg. 4. Fasse jeweils drei Buchstaben der Botschaft zusammen und übernehme jeweils den Buchstaben, der in der Dreiegruppe am Häufigsten vorkommt. 5. Schreibe Zahlwörter numerisch.

29 29 Konzepte Unter einem Kommunikationsprotokoll versteht man die Vereinbarungen, nach denen die Kommunikation zwischen zwei Partnern abläuft. Beispiel: Dienstvorschriften und Codes. Unter Redundanz versteht man das umfangreiche Darstellen einer Information, die auch kürzer dargestellt werden könnte. Beispiel: dreifaches Senden eines Buchstabens erhöht Redundanz. Unter einem Steuersignal versteht man ein Signal, welches für das Funktionieren eines Protokolls notwendig ist. Es transportiert keine für den Sender und Empfänger relevanten Informationen. Beispiel: < (fehlerhaftes Signal), > (Ende der Nachricht)

30 30 Vertiefung (1)

31 31 Vertiefung (2)

32 32 Teil 4 Routing

33 33 Aufgabe Aus einem möglichen Schülerarbeitsblatt Amsterdam Boulogne Lille Antwerp Brussels Cherbourg Mainz Paris Metz Brest Avranches Strasbourg Nantes Tours Dijon Hunigue Besancon Lyon Milan Venice Bordeaux Agen Turin Bayonne Toulouse Avignon Narbonne Toulon

34 34 Lösungsvorschlag Amsterdam Boulogne Lille Antwerp Brussels Beispiel: Metz Cherbourg Mainz Paris Metz Brest Avranches Strasbourg Nantes Tours Dijon Hunigue Besancon Lyon Milan Venice Bordeaux Agen Turin Bayonne Toulouse Avignon Narbonne Toulon Weitere Linien, Knoten mit mehreren Richtungen Einführung eines Steuersignals für jede Stadt, einer Nachricht wird das Steuersignal des Ziels vorangestellt Jede Station weiß, in welche Richtung sie Nachrichten mit den entsprechenden Zielen schicken muss

35 35 Konzepte Ein Kommunikationspartner in einem Netzwerk nennt man auch Knoten. Die Struktur der Verbindungen wird auch Topologie genannt. Topologische Grundform Stern (Paris) Ring (Paris Toulouse) Baum (Paris Metz) Eigenschaften Ausfall der Zentrale schlimm, Ausfall eines Endknotens nicht schlimm, leicht erweiterbar, alle Endknoten direkt mit Zentrale verbunden Bei Ausfall eines Weges ist ein alternativer Weg vorhanden, klare Struktur Ausfall einer zentrale teilweise schlimm, Ausfall eines Endknotens nicht schlimm, gute Erweiterbarkeit in der Fläche bei wenigen Verbindungen Unter Routing versteht man die Bestimmung des Leitweges zwischen zwei Knoten (und den Vorgang des Weiterleitens selbst). Hierzu hat jeder beteiligte Knoten eine Routingtabelle.

36 36 Vertiefung (1) Projekt: Realisierung eines optischen Telegrafen auf dem Schulgelände (Klassensäle, Flur, Pausenhof, ) Codierung? Effizienz der Codierung? Notwendige Protokolle? Wie viel Redundanz? Steuersignale? Topologie? Routing-Tabellen?

37 37 Vertiefung (2) Besuch einer Station War aber selber noch nicht da 1998 Rekonstruktionen im südlichen Saarpfalz-Kreis (Saarland) Station in Mandelbachtal Station in Blieskastel Weitere Rekonstruktion in Alsting (Frankreich) Bei klarem Wetter haben alle drei Stationen Sichtkontakt zueinander

38 38 Teil 5 Hinweise

39 39 Erklärungsmodell rungsmodell (1) Bei einem Modell findet eine Abbildung aus einer Objektwelt (hier: moderne Kommunikationssysteme) auf eine Modellwelt statt Es findet dabei eine Verkürzung statt: nur diejenigen Attribute werden berücksichtigt, welche dem Schaffer und dem Nutzer des Modells wichtig erscheinen Die Zuordnung eines Modells zu einer Objektwelt wird durch den Adressaten und den Zweck des Modells relativiert (Pragmatismus)

40 40 Erklärungsmodell rungsmodell (2) Optischer Telegraf als Erklärungsmodell für moderne Kommunikationssysteme Elektrische Prozesse mechanische Prozesse Elektrische Signale mechanische Signale Elektrische Funktionseinheiten Bedienstete Kommunikationsprotokolle Dienstvorschriften Erklärbare Konzepte: Codierung, Protokolle, Redundanz, Steuersignale, Topologie, Routing Schlecht erklärbar: Schichtenarchitektur, aufwendigere Protokolle wie Client-Server (da einfach zu langsam) Vergrößerung, Verlangsamung, Mechanik statt Elektrik Entmystifizierung

41 41 Einordnung in den Lehrplan Lehrplan für das Wahlfach Informatik in der Sekundarstufe I an Gymnasien in Rheinland-Pfalz Inhaltsbereich Grundlagen der Informationsverarbeitung Kompetenz Grundlagen der Kommunikation in Rechnernetzen beschreiben Verbindliche Inhalte Sender, Empfänger, Nachricht, Protokoll Kommunikationsvorgänge im Internet (Datensicherheit im Internet und Verschlüsselung von Daten)

42 42 Danke Danke für ihre Aufmerksamkeit! Die Hausarbeit, verwendete Arbeitsblätter usw. gerne bei mir anfordern Kontakt:

43 43 Literatur [01] Baues, Jürgen: Informatik erleben Teil I.Dümmlers, 1997 [02] Becker, Klaus: Erklärungsmodelle im Informatikunterricht.Fachseminar Informatik StudSemGym KL, 2005 [03] Breier, Norbert; Friedrich, Steffen: Informatische Grundbildung Anfangsunterricht.Duden Paetec, 2003 [04] Holzmann, Gerard; Pehrson, Björn: The Early History of Data Networks.IEEE Computer Society Press, 1994 [05] Rheinland-Pfalz: Lehrplanentwurf für das Wahlfach Informatik an Gymnasien, Klasse 9/10. September [06] Steffen, Willibald: Optische Telegraphenstationen im Saarland [07] Wikipedia: Kommunikation [08] Wikipedia: Modell [09] Wikipedia: Optische Telegrafie [10] Wikipedia: Netzwerkprotokoll [11] Wikipedia: Topologie (Netzwerk)