Nachrichten übertragen
IT 12.4 – Netzwerke · Einheit 1 von Teil A „Grundlagen“
Lernziele
Abschnitt betitelt „Lernziele“- Du kannst eine eigene Codierung entwickeln und damit eine Nachricht über eine einzige Leitung übertragen.
- Du kannst die Begriffe Nachricht, Information und Signal unterscheiden.
- Du kannst erklären, warum Sender und Empfänger eine gemeinsame Codierung brauchen.
- Du kannst erklären, wozu ein Takt bei der Übertragung dient.
- Du kannst die Betriebsarten Simplex, Halbduplex und Vollduplex unterscheiden und Beispielen zuordnen.
Zwei Städte, eine Leitung
Abschnitt betitelt „Zwei Städte, eine Leitung“Stell dir zwei kleine Städte mitten in der Wüste vor: New Town und Gold City. Zwischen ihnen liegen viele Kilometer Sand. Damit die Städte sich verständigen können, wurde ein einziger Draht gespannt.
An jedem Ende gibt es:
- einen Taster: Solange jemand ihn drückt, fließt Strom durch den Draht.
- eine Lampe: Sie leuchtet, solange Strom fließt – egal, auf welcher Seite gedrückt wird.
- einen Taktgeber: Er blinkt in beiden Städten genau gleichzeitig.
Mehr gibt es nicht. Trotzdem sollen Nachrichten wie „Gold gefunden“ oder „Schickt Wasser“ übertragen werden. Wie kann das gehen?
Erkunden: Nachrichten über einen Draht
Abschnitt betitelt „Erkunden: Nachrichten über einen Draht“Bevor du weiterliest: Findet zu zweit selbst heraus, wie man über diese Leitung Nachrichten schicken kann. Die Erklärungen weiter unten helfen euch erst danach, eure Ideen einzuordnen.
Erkundung 1: Eine eigene Codierung entwickeln mittel
Arbeitet zu zweit.
a) Entwickelt eine Codierung für die Buchstaben A bis Z und das Leerzeichen, mit der man Nachrichten über die Wüstenleitung schicken kann. Stellt eure Codetabelle dar.
b) Überführt die Nachricht „GOLD GEFUNDEN“ mit eurer Codetabelle in Signale für die Leitung.
c) Vergleicht eure Codierung mit der einer anderen Gruppe und nennt Vor- und Nachteile beider Lösungen.
Tipp 1
Die Leitung kennt nur zwei Zustände: an und aus. Überlegt, wie ihr daraus für jeden Buchstaben ein eigenes, unverwechselbares Muster bilden könnt.
Tipp 2
Muster können sich zum Beispiel darin unterscheiden, wie lange die Lampe leuchtet, oder darin, in welchen Takten sie leuchtet. Prüft für eure Idee: Kann der Empfänger immer erkennen, wo ein Buchstabe aufhört und der nächste beginnt?
Lösung (ein mögliches Beispiel)
Die Fernleitung
Abschnitt betitelt „Die Fernleitung“Hier könnt ihr die Wüstenleitung ausprobieren. Ihr seid zu zweit an einem Gerät: Eine Person bedient New Town (Taste A), die andere Gold City (Taste L). Ihr könnt auch die Taster mit der Maus oder dem Finger gedrückt halten.
Der Empfänger-Modus ist eingeschaltet: Wie an einem echten Draht seht ihr nur Lampe und Takt. Setzt euch so, dass die empfangende Person nur auf die Lampe schaut und nicht sieht, wann die andere Person drückt.
Nach der Übertragung könnt ihr den Empfänger-Modus ausschalten. Dann zeigt eine Aufzeichnung, wann die Leitung an war, und ihr könnt vergleichen, was gesendet und was verstanden wurde.
New Town
Gold City
Leitung: aus
Empfänger-Modus: Wie an einem echten Draht sind nur Lampe und Takt zu sehen. Die Aufzeichnung läuft im Hintergrund weiter. Schaltet den Modus zur Auswertung aus, dann seht ihr die letzten 20 Sekunden.
Erkundung 2: Über die Fernleitung kommunizieren mittel
Nutzt die Fernleitung und eure Codierung aus Erkundung 1.
a) Führt eine Übertragung durch: Eine Person sendet ihre Lieblingsfarbe, ohne etwas zu sagen. Die andere Person schreibt mit, was ankommt, und decodiert es. Tauscht danach die Rollen und übertragt euer Lieblingstier.
b) Beschreibt, an welchen Stellen es Probleme gab.
Tipp 1
Achtet beim Empfangen besonders auf den Anfang und das Ende der Nachricht und darauf, ob ihr beim Mitzählen immer im gleichen Rhythmus bleibt.
Lösung (typische Beobachtungen)
Nachricht, Information und Signal
Abschnitt betitelt „Nachricht, Information und Signal“Bei eurer Erkundung spielten drei Begriffe zusammen:
- Eine Nachricht ist eine Folge von Zeichen, die vom Sender zum Empfänger gelangen soll. Beispiel: die Buchstabenfolge „GOLD GEFUNDEN“.
- Ein Signal ist die physikalische Form, in der die Nachricht unterwegs ist. In der Wüste ist das der Strom im Draht. In echten Netzen sind es zum Beispiel Spannungen im Kupferkabel, Lichtimpulse in der Glasfaser oder Funkwellen beim WLAN.
- Die Information ist die Bedeutung, die der Empfänger aus der Nachricht gewinnt. Wer in Gold City „GOLD GEFUNDEN“ liest, weiß: Es lohnt sich, Werkzeug einzupacken.
Wichtig: Dieselbe Nachricht liefert nur dann eine Information, wenn der Empfänger sie versteht. Eine Nachricht in einer Sprache, die du nicht sprichst, kommt zwar an – Information gewinnst du daraus aber nicht.
Der Weg einer Nachricht sieht immer ähnlich aus:
Auf dem Übertragungskanal können Störungen auftreten, zum Beispiel ein Wackelkontakt. Wie Störungen begrenzen, wie viel über eine Leitung passt, erfährst du in Einheit 2.
Codierung: Die gemeinsame Abmachung
Abschnitt betitelt „Codierung: Die gemeinsame Abmachung“Ein Draht kennt nur zwei Zustände: an und aus. Buchstaben kennt er nicht. Sender und Empfänger müssen deshalb vorher vereinbaren, welche Folge von „an“ und „aus“ welchen Buchstaben bedeutet. Eine solche Vereinbarung heißt Code, das Umwandeln heißt Codieren, das Zurückverwandeln Decodieren.
Vergleicht eure Codierung aus Erkundung 1 mit zwei Ideen, die sich in der Praxis bewährt haben:
- Unterschiedlich lange Signale. Der Morsecode arbeitet mit kurzen (·) und langen (−) Signalen. Häufige Buchstaben bekommen kurze Codes: E ist ·, T ist −. Der bekannte Notruf SOS lautet
··· −−− ···. - Gleich lange Blöcke. Jedes Zeichen wird durch eine feste Anzahl von Zuständen dargestellt. Steht „an“ für 1 und „aus“ für 0, ist jedes Zeichen eine Folge von Bits (von binary digit, Binärziffer).
Gleich lange Blöcke als Dualzahlen
Abschnitt betitelt „Gleich lange Blöcke als Dualzahlen“Eine bequeme Möglichkeit für gleich lange Blöcke: Jeder Buchstabe bekommt seine Nummer im Alphabet (A = 1, B = 2, …, Z = 26), und diese Nummer wird als Dualzahl geschrieben, also nur mit den Ziffern 0 und 1.
Jede Stelle einer Dualzahl hat einen festen Wert. Von rechts nach links verdoppelt er sich:
| Stellenwert | 16 | 8 | 4 | 2 | 1 |
|---|
Um eine Zahl umzurechnen, suchst du die Stellenwerte, die zusammen die Zahl ergeben. Dort steht eine 1, sonst eine 0. Beispiel: G ist der 7. Buchstabe. 7 = 4 + 2 + 1, also lautet G als Dualzahl 00111.
Wie viele Stellen braucht man? Mit jedem zusätzlichen Bit verdoppelt sich die Zahl der möglichen Folgen: 1 Bit ergibt 2 Folgen, 2 Bit ergeben 4, 3 Bit ergeben 8. Mit n Bit gibt es 2ⁿ Folgen. Mit 5 Bit sind es 2⁵ = 32, das reicht für 26 Buchstaben und ein Leerzeichen.
Der Takt: Wann beginnt das nächste Bit?
Abschnitt betitelt „Der Takt: Wann beginnt das nächste Bit?“Vielleicht habt ihr bei Erkundung 2 gemerkt: Leuchtet die Lampe drei Sekunden lang, ist unklar, ob das drei Einsen hintereinander waren, zwei oder eine lange Eins. Ohne weitere Absprache kann der Empfänger das nicht wissen.
Hier hilft der Takt: Beide Seiten zählen im gleichen Rhythmus. Jeder Taktschritt steht für genau ein Bit. Leuchtet die Lampe während eines Taktschritts, ist das Bit 1, sonst 0. Damit das funktioniert, müssen beide Takte synchron laufen, also genau gleichzeitig. Auch echte Netzwerkkarten müssen sich auf einen gemeinsamen Takt einigen. Sie haben dafür keinen eigenen Taktdraht, sondern gewinnen den Takt aus dem Signal selbst.
Betriebsarten: Wer darf wann senden?
Abschnitt betitelt „Betriebsarten: Wer darf wann senden?“Bei einer Verbindung zwischen zwei Seiten unterscheidet man drei Betriebsarten:
| Betriebsart | Bedeutung | Beispiele |
|---|---|---|
| Simplex | Daten fließen nur in eine Richtung. | UKW-Radio, Fernbedienung → Fernseher |
| Halbduplex | Beide Richtungen sind möglich, aber nur abwechselnd. | Funkgerät („Over!“), die Wüstenleitung |
| Vollduplex | Beide Seiten können gleichzeitig senden und empfangen. | Telefonat, moderne Netzwerkkabel |
Die Wüstenleitung ist halbduplex: Beide Städte können senden, aber es gibt nur einen Draht. Drücken beide gleichzeitig, leuchtet die Lampe einfach – niemand kann mehr erkennen, wer was gesendet hat. Man nennt das eine Kollision.
Aufgaben
Abschnitt betitelt „Aufgaben“Aufgabe 1: Nachricht, Information, Signal leicht
Eine Fußgängerampel zeigt ein rotes Männchen.
a) Gib an, was hier das Signal, die Nachricht und die Information ist.
b) Nenne ein eigenes Beispiel aus deinem Alltag und ordne darin Signal, Nachricht und Information zu.
Lösung
Aufgabe 2: Betriebsarten zuordnen leicht
Ordne jedes Beispiel einer Betriebsart zu (Simplex, Halbduplex oder Vollduplex) und begründe kurz.
- a) Videoanruf mit dem Smartphone
- b) UKW-Radio im Auto
- c) Walkie-Talkie
- d) Babyphone, das nur vom Kinderzimmer ins Wohnzimmer überträgt
- e) Unterhaltung über die Wüstenleitung
Lösung
Aufgabe 3: Eine Kommunikationsregel aufstellen schwer
Damit die Unterhaltung zuverlässig klappt, braucht ihr mehr als nur eine Codetabelle: Ihr braucht Regeln, wie die Kommunikation abläuft. Solche Regeln nennt man in der Informatik ein Protokoll.
a) Entwickelt ein Protokoll für die Wüstenleitung. Es soll mindestens diese Fragen beantworten:
- Woran erkennt der Empfänger, dass eine Nachricht beginnt und endet?
- Wer darf wann senden?
- Wie bestätigt der Empfänger, dass er alles verstanden hat?
- Was passiert, wenn beide gleichzeitig senden wollen?
b) Überprüft euer Protokoll mit der Fernleitung (oben im Abschnitt „Erkunden“) und optimiert es, bis eine fehlerfreie Übertragung gelingt.
Tipp 1
Nehmt eure Liste der Probleme aus Erkundung 2 und überlegt euch für jedes Problem eine eigene Regel.
Tipp 2
Für Anfang und Ende helfen besondere Signale, die in einer normalen Nachricht nicht vorkommen. Für die Bestätigung braucht der Empfänger eine eigene, kurze Antwort, die der Sender sicher erkennt.
Lösung (ein mögliches Beispiel)
Aufgabe 4: Wie viele Bits, wie viel Zeit? schwer
a) Bestimme, wie viele Bits ein Code mit gleich langen Blöcken mindestens braucht, wenn er
- die 26 Großbuchstaben und das Leerzeichen,
- Groß- und Kleinbuchstaben, die Ziffern 0 bis 9 und das Leerzeichen
darstellen soll. Begründe deine Antwort.
b) Ihr verwendet einen 5-Bit-Code und sendet 1 Bit pro Sekunde. Berechne, wie lange die Übertragung von „GOLD GEFUNDEN“ dauert (ohne Start- und Endsignal).
c) Berechne, wie lange dieselbe Nachricht bei einer Datenrate von 1 Gigabit pro Sekunde (1 000 000 000 Bit pro Sekunde) ungefähr dauern würde.
Tipp 1
Schreib zu a) auf, wie viele verschiedene Folgen es mit 1, 2 und 3 Bit gibt (zum Beispiel 0, 1 bei 1 Bit). Was passiert mit der Anzahl bei jedem zusätzlichen Bit?
Tipp 2
Zu b): Zähle zuerst alle Zeichen, auch das Leerzeichen. Zu c): 1 Gigabit pro Sekunde sind 1 000 000 000 Bit pro Sekunde. Teile die Anzahl der Bits durch diese Zahl.
Lösung
Aufgabe 5: Empfangsübung – ein geheimes Wort mittel
Der Computer sendet über die Wüstenleitung ein geheimes Wort aus drei Buchstaben. Er verwendet den 5-Bit-Code aus dem Abschnitt „Codierung“: Jeder Buchstabe ist seine Nummer im Alphabet als Dualzahl (A = 00001, B = 00010, …). In jedem Takt wird genau ein Bit gesendet, die Lampe leuchtet bei einer 1.
a) Ermittle das geheime Wort. Notiere dazu bei jedem Takt das Bit und überführe jede 5er-Gruppe in einen Buchstaben.
Tipp 1
Zeichne dir vorher 15 Kästchen in drei Gruppen zu je 5. Trage bei jedem Taktblinken sofort 1 (Lampe an) oder 0 (Lampe aus) ein. Wähle für den Anfang den langsameren Takt.
Tipp 2
Schreib über jede 5er-Gruppe die Stellenwerte 16 · 8 · 4 · 2 · 1 und addiere die Stellenwerte, unter denen eine 1 steht. Die Summe ist die Nummer des Buchstabens im Alphabet.
Selbstkontrolle – keine Bewertung. Es wird nichts gespeichert.
Bereit. Starte die Übertragung.
Aufzeichnung zum Nachprüfen zeigen
b) Erläutere, wozu du beim Empfangen den Takt gebraucht hast und was ohne Takt passiert wäre.
Lösung zu b)
Zusammenfassung
Abschnitt betitelt „Zusammenfassung“- Eine Nachricht ist eine Folge von Zeichen. Das Signal ist ihre physikalische Form. Die Information ist die Bedeutung für den Empfänger.
- Sender und Empfänger brauchen einen gemeinsamen Code, um Zeichen in Signale und zurück zu verwandeln.
- Mit n Bit lassen sich 2ⁿ verschiedene Zeichen darstellen.
- Ein gemeinsamer Takt legt fest, wann ein Bit beginnt und endet. Beide Seiten müssen synchron sein.
- Simplex: eine Richtung. Halbduplex: beide Richtungen, abwechselnd. Vollduplex: beide Richtungen gleichzeitig.
- Senden zwei Seiten gleichzeitig über eine gemeinsame Leitung, entsteht eine Kollision.
- Regeln für den Ablauf einer Kommunikation heißen Protokoll.
Selbstcheck
Abschnitt betitelt „Selbstcheck“Geh die Fragen ehrlich durch. Wenn du bei einer unsicher bist, lies den verlinkten Abschnitt noch einmal oder bearbeite die passende Aufgabe.
- Kannst du eine eigene Codierung entwickeln und damit eine Nachricht über eine einzige Leitung übertragen? → Erkunden, Erkundung 1 und Erkundung 2
- Kannst du Nachricht, Information und Signal unterscheiden? → Nachricht, Information und Signal, Aufgabe 1
- Kannst du erklären, warum Sender und Empfänger eine gemeinsame Codierung brauchen? → Codierung
- Kannst du erklären, wozu ein Takt dient? → Der Takt, Aufgabe 5
- Kannst du Simplex, Halbduplex und Vollduplex unterscheiden und Beispielen zuordnen? → Betriebsarten, Aufgabe 2
Wortspeicher
Abschnitt betitelt „Wortspeicher“| Begriff | Bedeutung in einfachen Worten |
|---|---|
| Nachricht | Folge von Zeichen, die verschickt wird. Beispiel: „GOLD GEFUNDEN“ |
| Signal | die physikalische Form der Nachricht auf dem Weg, z. B. Strom, Licht oder Funk |
| Information | die Bedeutung, die der Empfänger aus der Nachricht versteht |
| Code, codieren | Abmachung, welches Signal für welches Zeichen steht; codieren = Zeichen in Signale umwandeln |
| decodieren | Signale wieder in Zeichen zurückverwandeln |
| Bit | kleinste Informationseinheit, kann nur 0 oder 1 sein |
| Dualzahl | Zahl, die nur aus 0 und 1 besteht. Beispiel: 7 = 00111 |
| Takt | gleichmäßiger Rhythmus; in jedem Taktschritt wird genau ein Bit übertragen |
| synchron | genau gleichzeitig, im gleichen Rhythmus |
| Simplex | Daten fließen nur in eine Richtung |
| Halbduplex | beide Richtungen sind möglich, aber nur abwechselnd |
| Vollduplex | beide Seiten senden und empfangen gleichzeitig |
| Kollision | zwei senden gleichzeitig auf derselben Leitung, die Signale stören sich |
| Protokoll | Regeln dafür, wie eine Kommunikation abläuft |
Quellen
Abschnitt betitelt „Quellen“- Hessisches Kultusministerium: Kerncurriculum Fachoberschule, Fachrichtung Technik, Schwerpunkt Informationstechnik, Themenfeld 12.4 Netzwerke (Stand November 2022).
- Die Idee der Telegrafenleitung zwischen New Town und Gold City stammt aus Unterrichtsmaterial von Daniel Garmann (2010). Texte, Aufgaben und Simulation auf dieser Seite sind neu erstellt.