• Jens Jessl

• 2007

Optische TelegrafieOptische Telegrafie

Entwicklung von Erklärungsmodellen für moderne Kommunikationssysteme in der

Sekundarstufe I

2 ÜÜberblickberblick

• 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 1Teil 1

Einführung

4 KommunikationKommunikation

• 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)

5 FrFrüühe 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

6 FrFrüühe 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

Rec

hte

Mau

erD, I, O, T, Z? O!

7 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

8 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

BesanconHunigue

Strasbourg

Mainz

Metz

LilleBrussels

Antwerp

Amsterdam

Paris

Boulogne

Cherbourg

BrestAvranches

Nantes

Tours

Turin

Milan Venice

Avignon

ToulonNarbonne

Agen

Toulouse

Bordeaux

Bayonne

9 MorsetelegrafMorsetelegraf

• 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

10 Kommunikation heuteKommunikation 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 2Teil 2

Codierung

12 AufgabeAufgabe

• 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 LLöösungsvorschlag sungsvorschlag –– SchSchüülerler

Buchstaben mit Telegrafenarmen

nachahmen

14 LLöösungsvorschlag sungsvorschlag –– HistorischHistorisch

6 Balken, 4096 Einstellungen3 Balken, 192 Einstellungen

PreußenFrankreich

15 KonzepteKonzepte

Ferien

Sender Empfänger

Information

Ein Sender möchte Informationen an einen Empfänger übermitteln

…

Signal

Nachricht

Ein Signal ist ein Zeichen mit einer vereinbarten BedeutungEine Nachricht ist eine Folge von Signalen

InformationFerien

= A

= B…

= A

= B…

Code Code

Ein Code ordnet den Signalen eine Bedeutung zu

16 Vertiefung (1)Vertiefung (1)

17 Vertiefung (2)Vertiefung (2)

18 Vertiefung (3)Vertiefung (3)

19 Vertiefung (4)Vertiefung (4)

20 Teil 3Teil 3

Protokolle

21 Verbesserung des TelegrafenVerbesserung 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

22 VerfVerfäälschunglschung

23 VerfVerfäälschung lschung –– LLöösungsvorschlagsungsvorschlag

• 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<<UNIaber

24 VerlustVerlust

25 Verlust Verlust –– LLöösungsvorschlagsungsvorschlag

• 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…

26 Ende der NachrichtEnde der Nachricht

27 Ende der Nachricht Ende der Nachricht –– LLöösungsvorschlagsungsvorschlag

• 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 fDienstvorschrift füür Telegrafistenr 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.

29 KonzepteKonzepte

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)Vertiefung (1)

31 Vertiefung (2)Vertiefung (2)

32 Teil 4Teil 4

Routing

33 AufgabeAufgabe

• Aus einem möglichen Schülerarbeitsblatt

Antwerp

Dijon

Lyon

BesanconHunigue

Strasbourg

Mainz

Metz

LilleBrussels

Amsterdam

Paris

Boulogne

Cherbourg

BrestAvranches

Nantes

Tours

Turin

Milan Venice

Avignon

ToulonNarbonne

Agen

Toulouse

Bordeaux

Bayonne

34 LLöösungsvorschlagsungsvorschlag

• 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

BesanconHunigue

Strasbourg

Mainz

Metz

LilleBrussels

Antwerp

Amsterdam

Paris

Boulogne

Cherbourg

BrestAvranches

Nantes

Tours

Turin

Milan Venice

Avignon

ToulonNarbonne

Agen

Toulouse

Bordeaux

Bayonne

Beispiel: Metz

35 KonzepteKonzepte

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)

EigenschaftenTopologische 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.

36 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?

37 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

38 Teil 5Teil 5

Hinweise

39 ErklErkläärungsmodell (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)

40 ErklErkläärungsmodell (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

41 Einordnung in den LehrplanEinordnung 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 DankeDanke

• Danke für ihre Aufmerksamkeit!

• Die Hausarbeit, verwendete Arbeitsblätter usw. gerne bei mir anfordern

• Kontakt: NoMaam@T-Online.de

43 LiteraturLiteratur• [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.