• Jens Jessl
• 2007
Optische Telegrafie Optische Telegrafie
Entwicklung von Erklärungsmodellen für moderne Kommunikationssysteme in der
Sekundarstufe I
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Ü Ü berblick berblick
• 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
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Teil 1 Teil 1
Einführung
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Kommunikation Kommunikation
• 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
Kommunikation bezeichnet […] ein gemeinschaftliches Handeln, in dem Gedanken, Ideen, Wissen, Erkenntnisse, Erlebnisse (mit-) geteilt werden und auch neu entstehen.
(Wikipedia)
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Fr Fr ü ü he Telegrafen (1) he 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
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Fr Fr ü ü he Telegrafen (2) he 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
A B C D E F G H I K L M N O P Q R S T U
V X Y Z 1 2 3 4 5 1
2 3 4 5
Linke Mauer
Rechte Mauer
D, I, O, T, Z? O!
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Optischer Telegraf (1) 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
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Optischer Telegraf (2) 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
Dijon
Lyon
Besancon Hunigue
Strasbourg Mainz Metz
Lille
Brussels Antwerp
Amsterdam
Paris Boulogne Cherbourg
Brest Avranches
Nantes
Tours
Turin
Milan Venice
Avignon Toulon Narbonne
Agen Toulouse
Bordeaux
Bayonne
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Morsetelegraf Morsetelegraf
• Probleme des optischen Telegrafen
– Witterungen und Dunkelheit – Bedienstete machen Fehler – Abhörsicherheit
• Samuel Morse konstruiert Morsetelegrafen (1850)
• Idee: Kodierung von
Buchstaben in lange und kurze elektrische Impulse
• Bewertung
– Ca. 125 Buchstaben pro Minute – Unabhängig von Witterung und
Lichtverhältnissen
– Beliebige Botschaften mit einem Signal codiert
--..
Z --
M
-.-- Y
.-..
L
-..- X
-.- K
.-- W
.--- J
…- V
..
I
..- U
….
H
- T
--.
G
… S
..-.
F
.-.
R .
E
--.- Q
-..
D
.--.
P -.-.
C
--- O
-…
B
-.
N .-
A
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Kommunikation heute 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
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Teil 2 Teil 2
Codierung
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Aufgabe 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.
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L L ö ö sungsvorschlag sungsvorschlag – – Sch Sch ü ü ler ler
Buchstaben mit Telegrafenarmen
nachahmen
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L L ö ö sungsvorschlag sungsvorschlag – – Historisch Historisch
6 Balken, 4096 Einstellungen 3 Balken, 192 Einstellungen
Preußen Frankreich
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Konzepte Konzepte
Ferien
Sender Empfänger
Information
Ein Sender möchte Informationen an einen Empfänger übermitteln
…
Signal
Nachricht
Ein Signal ist ein Zeichen mit einer vereinbarten Bedeutung Eine Nachricht ist eine Folge von Signalen
Information
Ferien
= A
= B
…
= A
= B
…
Code Code
Ein Code ordnet den Signalen eine Bedeutung zu
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Vertiefung (1) Vertiefung (1)
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Vertiefung (2) Vertiefung (2)
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Vertiefung (3) Vertiefung (3)
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Vertiefung (4) Vertiefung (4)
20
Teil 3 Teil 3
Protokolle
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Verbesserung des Telegrafen Verbesserung des Telegrafen
• Beim Testen des Telegrafen ergaben sich Probleme
• Folge: Erarbeitung von Dienstvorschriften für die Telegrafisten zur Vermeidung solcher Fehler
AM 9TEN JUNI BEGINNT DIE WM
AM 3TEN JULI BAGINNT DEE WM
AM 9TEN JUNI BEGINNT DIE WM AM 9TN JI BGNT D W
DEUTSCHLAND GEWINNT DIE WM DOCH NICHT DEUTSCHLAND GEWINNT DIE WM
Verfälschung
Verlust
Ende fehlt
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Verf Verf ä ä lschung lschung
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Verf Verf ä ä lschung lschung – – L L ö ö sungsvorschlag sungsvorschlag
• Idee: Zahlen als Buchstaben senden
• Idee: Sender sendet Buchstaben dreifach, Empfänger wählt denjenigen aus, der am häufigsten vorkommt
• Idee: Falls Sender eigenen Fehler bemerkt, kann er dies dem Empfänger durch ein Steuersignal sagen
JUNI JJJ UUU NNN III JUNI
JUL<NI
JJK UUU NMN III
JUNI JUNI
JAMUNI
?
JAL<<UNI aber
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Verlust Verlust
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Verlust Verlust – – L L ö ö sungsvorschlag sungsvorschlag
• 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
• Doppelte Signale werden evtl. als ein Signal erkannt
• Idee: Nachdem ein Signal eingestellt ist, wird die
Mechanik zunächst in die Ausgangsposition gebracht
J J U U N
# J J U U
#
# J J U
…
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Ende der Nachricht Ende der Nachricht
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Ende der Nachricht Ende der Nachricht – – L L ö ö sungsvorschlag sungsvorschlag
• 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>
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Dienstvorschrift f Dienstvorschrift f ü ü r Telegrafisten 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.
Zwischenstation
• Übernehme die Signale deines Vorgängers und zwar so lange, bis dein Nachfolger sie eingestellt hat.
Empfänger
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.
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Konzepte 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)
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Vertiefung (1) Vertiefung (1)
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Vertiefung (2) Vertiefung (2)
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Teil 4 Teil 4
Routing
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Aufgabe Aufgabe
• Aus einem möglichen Schülerarbeitsblatt
Antwerp
Dijon
Lyon
Besancon Hunigue
Strasbourg Mainz Metz
Lille
Brussels Amsterdam
Paris Boulogne Cherbourg
Brest Avranches
Nantes
Tours
Turin
Milan Venice
Avignon Toulon Narbonne
Agen Toulouse
Bordeaux
Bayonne
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L L ö ö sungsvorschlag sungsvorschlag
• 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
Dijon
Lyon
Besancon Hunigue
Strasbourg Mainz Metz
Lille
Brussels Antwerp
Amsterdam
Paris Boulogne Cherbourg
Brest Avranches
Nantes
Tours
Turin
Milan Venice
Avignon Toulon Narbonne
Agen Toulouse
Bordeaux
Bayonne
Beispiel: Metz
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Konzepte Konzepte
Ausfall einer zentrale teilweise schlimm,
Ausfall eines Endknotens nicht schlimm, gute Erweiterbarkeit in der Fläche bei wenigen Verbindungen
Baum
(Paris – Metz)
Bei Ausfall eines Weges ist ein alternativer Weg vorhanden, klare Struktur
Ring (Paris – Toulouse)
Ausfall der Zentrale schlimm, Ausfall eines Endknotens nicht schlimm, leicht erweiterbar, alle Endknoten direkt mit Zentrale verbunden Stern
(Paris)
Eigenschaften Topologische Grundform
Unter Routing versteht man die Bestimmung des Leitweges zwischen zwei Knoten (und den Vorgang des Weiterleitens selbst). Hierzu hat jeder beteiligte Knoten eine Routingtabelle.
Ein Kommunikationspartner in einem Netzwerk nennt man auch Knoten. Die Struktur der Verbindungen wird auch Topologie genannt.
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Vertiefung (1) 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?
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Vertiefung (2) 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
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Teil 5 Teil 5
Hinweise
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Erkl Erkl ä ä rungsmodell (1) 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)
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Erkl Erkl ä ä rungsmodell (2) 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
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Einordnung in den Lehrplan 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)
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Danke Danke
• Danke für ihre Aufmerksamkeit!
• Die Hausarbeit, verwendete Arbeitsblätter usw. gerne bei mir anfordern
• Kontakt: NoMaam@T-Online.de
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Literatur 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.informatik-
lehren.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.
