Optische Telegrafie - Informatik

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

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 Teil 1
Einführung

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 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 Frühe Telegrafen (2)
• Polybios (um 200 – 120 v. Chr.) beschreibt
Fackeltelegrafen
• Idee: buchstabenweise Übertragung durch sukzessives
Einstellen unterschiedlich vieler Fackeln
• Bewertung
– Beliebige Botschaften konnten übertragen werden
– Fackeln nur bis ca. 1000 m sichtbar
– Nur 8 Buchstaben pro Minute
D, I, O, T, Z? O!
Rechte Mauer
1
2
3
4
5
Linke Mauer
1 2 3 4 5
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 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 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 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 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 Teil 2
Codierung

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 Lösungsvorschlag
– Schüler
Buchstaben mit
Telegrafenarmen
nachahmen

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

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 Vertiefung (1)

17 Vertiefung (2)

18 Vertiefung (3)

19 Vertiefung (4)

20 Teil 3
Protokolle

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 Verfälschung

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

24 Verlust

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 Ende der Nachricht

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 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 „“ 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 „

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 Vertiefung (1)

31 Vertiefung (2)

32 Teil 4
Routing

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 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 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 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 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 Teil 5
Hinweise

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 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 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 Danke
• Danke für ihre Aufmerksamkeit!
• Die Hausarbeit, verwendete Arbeitsblätter usw. gerne
bei mir anfordern
• Kontakt: NoMaam@T-Online.de

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.http://www.informatiklehren.de/lp_wahlfach_gesamt050916.pdf,
September 2005.
• [06] Steffen, Willibald: Optische Telegraphenstationen im
Saarland.http://www.steffen-lebach.de/chappe.htm, 2004.
• [07] Wikipedia:
Kommunikation.http://de.wikipedia.org/wiki/Kommunikation, 2006.
• [08] Wikipedia: Modell.http://de.wikipedia.org/wiki/Modell, 2006.
• [09] Wikipedia: Optische
Telegrafie.http://de.wikipedia.org/wiki/Optische_Telegrafie, 2006.
• [10] Wikipedia:
Netzwerkprotokoll.http://de.wikipedia.org/wiki/Netzwerkprotokoll, 2006.
• [11] Wikipedia: Topologie
(Netzwerk).http://de.wikipedia.org/wiki/Topologie_%28Netzwerk%29,
2006.