1. Moore's Law

Überblick über die Kapitel:

1.1 Gedankenexperiment

1.2 Moore's Law

1.1. Gedankenexperiment

Tipps: 🙂

• Auch um 12:45 Uhr ist das Stadion noch zu 93% leer. 
• Diese Frage hat es in sich. Uns Menschen fällt es nicht leicht, solche Entwicklungen einzuschätzen: Wenn das Stadion um 12:45 Uhr noch zu 93% leer ist, ist es gleichzeitig schon zu 7% gefüllt. Angenommen der erste Tropfen Wasser hat 1 ml Volumen. In der zweiten Minuten tropfen 2 ml ins Stadion, in der dritten Minute 4 ml und in der vierten Minute 8ml. Nach 4 Minuten sind also 15 ml in das Stadion getropft. In der fünften Minute wird sich diese Menge mehr als verdoppeln: Aus der Pipette fließen dann 16 ml und damit mehr als zu diesem Zeitpunkt im Stadion war. Was passiert, wenn sich die bisherige Wassermenge jede Minute circa verdoppelt und es aktuell zu 7% gefüllt ist?

Abschätzen von Entwicklungen: 

Ganz schön schwierig sich eine solche Entwicklung vorzustellen. Der Legende nach nutzte auch der Erfinder des Schachbretts dies aus, indem er den König als Lohn für die Erfindung des Spiels um nichts geringeres als 1 Reiskorn auf dem ersten Schachfeld und die jeweils doppelte Menge auf jedem weiteren bat. Zunächst hielt der König dies für einen Spottpreis, ehe er von der Entwicklung überrascht wurde. Selbst mit der Jahresproduktion Reis aus 2018 könnte der König den Erfinder nicht auszahlen.
Gut möglich, dass wir auch die digitale Entwicklung noch nicht abzuschätzen vermögen.

1.2. Moore's Law

Damit die Anzahl der Transistoren auf einem Chip (gleichbleibender Größe) weiter wachsen kann, muss die Größe eines Transistors natürlich immer weiter sinken.

Allerdings stoßen Ingenieure dabei an physikalische Grenzen! 

Zum einen sorgt die höhere Dichte an Transistoren dafür, dass die Bauteile immer mehr Wärme entwickeln (übrigens der Grund, warum Prozessoren von Kühlkörpern umgeben sind). Zum anderen kann auch die Größe eines Transistors irgendwann nicht mehr weiter sinken. Mehr dazu finden Sie hier.

2. Computersysteme

Überblick über die Kapitel: 

2.1 Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe

2.2 Hardware und Software

2.3 Leistungsdaten eines Computers

2.1. Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe

Beispiele

TASCHENRECHNER

Eingabe: 
Die Nutzerin bzw. der Nutzer tippt 1+2 in den Taschenrechner ein (Eingabe über Tastatur).

Verarbeitung: 
Der Taschenrechner berechnet das Ergebnis (Verarbeitung im Prozessor und Arbeitsspeicher (mehr dazu später)).

Ausgabe: 
Der Taschenrechner zeigt das Ergebnis "3" an (Ausgabe über Display).

MENSCH

Eingabe: 
Die Lehrkraft stellt dem/der Schüler*in die Frage "Was ist 1 + 2" (Eingabe übers Ohr).

Verarbeitung: 
Der/Die Schüler*in denkt über die Frage nach und bestimmt das Ergebnis (Verarbeitung im Gehirn).

Ausgabe: 
Der/Die Schüler*in nennt das Ergebnis (Ausgabe über Mund).

Vergleich Computer und Mensch

2.2. Hardware und Software

Exkurs: Das Betriebssystem

Unsere Anwendungssoftware (Mailprogramm, Textverarbeitung, Browser, etc.) muss nicht wissen, welche Festplatte verbaut ist, in welchem Bereich der Festplatte sie ihre Daten ablegen soll oder welcher Prozessor verwendet wird.

Darum kümmert sich eine spezielle Software, das Betriebssystem. Das Betriebssystem vermittelt zwischen Hardware und Anwendungssoftware und regelt den Zugriff auf die Hardware.

Das ist insbesondere dann wichtig, wenn mehrere Anwendungen auf die gleiche Hardware zugreifen wollen und die Zugriffe koordiniert werden müssen.

Zu den bekanntesten Betriebssystemen gehören:

• Mac OS
• Windows
• Ubuntu
• Android
• iOS

2.3. Leistungsdaten eines Computers

Prozessor
In einer Küche fällt jede Menge Arbeit an. Damit die Kund*innen rechtzeitig ihr Essen erhalten, muss der Koch oder die Köchin schnell arbeiten. Er/Sie sollte die Kartoffeln möglichst schnell schneiden, den Reis effizient portionieren, usw.
Beim Computer übernimmt diese Arbeit der Prozessor. Ein schneller Prozessor sorgt dafür, dass Berechnungen schnell abgeschlossen werden. Das ist wichtig, damit unser Film oder Spiel flüssig läuft und wir beim Bearbeiten unseres Urlaubsvideos nicht ewig warten müssen. Je höher der angegebene Gigahertz-Wert (GHz), desto mehr Zyklen durchläuft der Prozessor pro Sekunde (3,2 GHz bedeutet, dass der Prozessor 3,2 Milliarden Schaltzyklen pro Sekunde durchläuft).
Ein Prozessor hat mehrere Kerne, die parallel arbeiten können. Gibt es an einem Abend nur eine Möhre zu schneiden, bringen natürlich auch viele Köch*innen nichts. Genauso sind viele Prozessorkerne erst dann sinnvoll, wenn diese auch parallel genutzt werden können. Wir sprechen typischerweise von Dual-Core (2 Prozessorkerne), Quad-Core (4 Prozessorkerne) oder Octa-Core (8 Prozessorkerne).

Arbeitsspeicher
In einer Küche gibt es außerdem jede Menge Arbeitsflächen. Diese sind wichtig, damit auch mal ein paar Teller halbfertig rumstehen können, ehe die Teller ausgeliefert werden können. In unserem Computer übernimmt der Arbeitsspeicher diese Rolle. Reichen die Arbeitsflächen nicht, muss ein Teil in Schränke ausgelagert werden. Reicht der Arbeitsspeicher nicht, werden Teile der Daten auf die Festplatte ausgelagert bzw. dorthin zurückgeschrieben.

Festplatte
Große Lagerschränke helfen die vielen Vorräte, die man in einer Küche hat, zu verstauen. Für den Computer ist eine große Festplatte dann relevant, wenn wir beispielsweise große Video- oder Bildarchive haben. Hier spielt Geschwindigkeit dafür eine untergeordnete Rolle. Es gibt allerdings Unterschiede in der Geschwindigkeit der Speicher: Wir merken es sofort, wenn wir eine SSD (SSDs (Solid State Drives) sind Speichermedien ohne bewegliche Bauteile) statt einer traditionellen HDD (HDDs (Hard Disk Drives) speichern Daten auf rotierenden Magnetscheiben) verbaut haben, denn der Start des Rechners oder das Laden von Programmen geht dann deutlich schneller.

Erläuterung der Lösung: 

Wir können circa 330.000 Photos speichern (bei 3MB pro Photo).

Ein TeraByte entspricht 1000 GigaByte, jedes GigaByte wiederum 1000 MB. Das heißt insgesamt haben wir 1.000.000 MB zur Speicherung unserer Photos. Im Realbetrieb gehen uns ein paar GigaByte "verloren", denn unser Computer rechnen meist mit dem Faktor 1024(= 2 hoch 10) GigaByte pro TeraByte usw.) statt 1000 GigaByte pro TeraByte, 1000 MegaByte pro GigaByte, ....

3. Internet

Überblick über die Kapitel: 

3.1 Internet I

3.2 Internet-Experimente

3.3 Internet II

3.4 Internet III

3.5 Exkurs: WWW

3.1. Internet I

3.2. Internet-Experimente

Wie bereits im Video angesprochen, erfolgt der Versand in sogenannten Paketen. Aber wie läuft dieser Paketversand ab? Kümmert sich DHL, Hermes oder doch der DPD darum? (#dadjoke)

Natürlich wissen Sie, dass kein Logistikunternehmen für den Versand der Pakete verantwortlich ist, aber genau diesen Paketversand im Internet wollen wir nun näher analysieren.

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Mögliche Lösungen (zum Vergleichen) 

Zu Aufgabe 1: 

Zu Aufgabe 2: 
Betrachten wir folgende Beispielanfrage:
guest@dnstools.ch:~> traceroute www.google.de 
1 static.1.241.243.136.clients.your-server.de (136.243.241.1) 0.370 ms 
2 core24.fsn1.hetzner.com (213.239.229.53) 3.100 ms 
3 core4.fra.hetzner.com (213.239.229.73) 5.153 ms 
4 72.14.218.176 (72.14.218.176) 4.872 ms 
5 * 
6 216.239.40.58 (216.239.40.58) 5.003 ms 
7 108.170.252.82 (108.170.252.82) 4.987 ms 
8 zrh04s06-in-f131.1e100.net (172.217.16.131) 5.043 ms 

Das Beispiel oben zeigt, dass unser Aufruf traceroute www.google.de über 8 Stationen ging.
Aber als letzte Station finden wir dort zrh04s06-in-f131.1e100.net und nicht www.google.de.
Das liegt daran, dass wir auf einen anderen Rechner umgeleitet wurden. Das ist nicht gerade verwunderlich, wenn man bedenkt, wie viele Leute täglich Google nutzen. Googles Dienste werden auf weit mehr als einem Computer betrieben.

Zu Aufgabe 3: 
Die Routen müssen nicht identisch sein.
Es kann natürlich passieren, dass mehrmals dieselbe Route gewählt wird. Allgemein ist dies aber nicht so. Je nach Auslastung eines Pfades o.ä. können die Pakete unterschiedliche Routen nehmen. Probieren Sie doch noch einmal Ihre Anfrage an www.google.de aus (und überprüfen Sie alle Stationen, auch die letzte )

Zu Aufgabe 4: 
Je nach aktueller Netzauslastung bzw. Verfügbarkeit muss die gewählte Route nicht automatisch immer die geographisch naheliegende Option sein. Vielleicht ist ein Land über ein nicht am Weg liegendes Drittland besser angeschlossen.
Probieren Sie: vhportal.ceniai.inf.cu (Kuba), www.mfa.gov.il (Israel), www.fu-berlin.de (Deutschland) oder www.supremecourt.gov.np (Nepal)

3.3. Internet II

Übrigens...
Übrigens besteht jede Zahl einer typischen vierstelligen IP-Adresse aus 8 bit. Umgerechnet ins Dezimalsystem ergeben sich damit Zahlen zwischen 0 und 255 (192.168.178.1 ist einfach leichter zu lesen als 11000000.10101000.10110010.1)
Insgesamt ist eine solche IP-Adresse also 32 bit lang und kann Adressen für 232232 Computer liefern. Das sind etwa vier Milliarden Geräte.
Da das natürlich nicht für alle Menschen auf diesem Planeten und erst Recht nicht für alle smarten Kühlschränke, Waschmaschinen, usw. reicht, hat man sich entschlossen auch längere IP-Adressen zu vergeben. Die 32 bit Version, die wir gerade gesehen haben, ist deshalb genaugenommen eine sogenannte IPv4-Adresse (also Version 4). Im Vergleich dazu ist die längere IPv6-Adresse 128 bit lang. Mit 128 bit sind dann auch die vielen smarten Gegenstände kein Problem mehr, denn die Anzahl der möglichen IPv6-Adressen reicht für circa 10381038 Geräte.

PS: IPv6-Adressen werden häufig unter Nutzung des Hexadezimalsystems notiert und sehen dann beispielsweise so aus: 2001:db8:0:8d3:0:8a2e:70:7344.

Auch Ihrem Computer wurde eine IP-Adresse zugewiesen. Besuchen Sie www.wieistmeineip.de, um die IP-Adresse Ihres Geräts herauszufinden.

3.4. Internet III

3.5. Exkurs: WWW

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Aufgabe: 

Nutzen Sie den untenstehenden HTML-Editor, um sich mit der grundlegenden Prinzip eines HTML-Dokuments vertraut zu machen!

• Das Tag <ul> steht für eine unsortierte Liste (unordered list). Innerhalb der ungeordneten Liste finden sich <li>-Tags für einzelne Listenelemente (list item). Fügen Sie einen weiteren Stichpunkt (<li></li>) zur Aufzählung hinzu!
• Das Tag <h1> zeigt eine Überschrift an. Neben <h1> gibt es noch weitere Überschriften. Fügen Sie zwischen der Überschrift "Ich bin eine Überschrift" und dem Paragraphen "Und ich ein Paragraph" eine weitere Überschrift vom Typ <h2></h2> hinzu!

Hinweis: Eine Liste möglicher HTML-Elemente findet sich hier.

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Hinweis: Quellcode anschauen: 

Um an den gesamten Quellcode einer Website zu gelangen, gehen Sie wie folgt vor:

1. Machen Sie mit der Maus einen Rechtsklick in einen freien Bereich der Webseite.
2. Wählen Sie je nach Browser "Seitenquelltext anzeigen" bzw. "Quellcode anzeigen".

Der Quellcode der Website öffnet sich in einem neuen Fenster.

Hinweis: Das Magazin chip.de erklärt es hier auch noch einmal in einem Video.

Aufgabe: 

Nutzen Sie die Wayback Machine des Internet Archive und rufen sie https://www.fu-berlin.de auf. Vergleichen Sie dann den ersten gespeicherten Schnappschuss der "FU Berlin"-Website (vom 19. Juni 1997) mit dem Schnappschuss vom 1. Januar 2020, 3:52 Uhr.

Zusätzlich wollen wir die Zeichenzahl als Maß für die Komplexität einer Website heranziehen. Vergleichen Sie dazu die Anzahl an Zeichen beider Schnappschüsse!

Hinweis: Um an den Quellcode der beiden Schnappschüsse zu gelangen, können Sie wie im Abschnitt "Quellcode einer Website" beschrieben vorgehen.

Tipp: Quellcode kopieren
Klicken Sie in das Browserfenster mit dem Quellcode, drücken Sie die Tastenkombination Strg+A, um den gesamten Text auszuwählen. Mit Strg+C oder Rechtsklick->Kopieren können Sie den Text kopieren und mit Strg+V oder Rechtsklick->Einfügen hier in die Textfelder einfügen.

Für die Lösung gehen Sie auf die nächste Seite.

3.6. Lösung zum Exkurs

Es gilt aber zu beachten, dass die Komplexität moderner Websites sich nicht alleine über die Anzahl an Zeichen auf einer einzelnen Seite definiert. Ein großer Teil der Komplexität befindet sich in anderen Dateien, die in die Website eingebunden werden und die wir beim Besuchen der Seite herunterladen.

4. Sicherheit im Internet

Überblick über die Kapitel: 

4.1 Beispiel Phishing

4.2 Sicherheit im Internet

4.3 Symmetrische Verschlüsselung I

4.4 Symmetrische Verschlüsselung II

4.5 Asymmetrische Verschlüsselung 

4.6 Was kann ich tun? 

4.1. Beispiel Phishing

Wir haben mehrere Emails bzw. Websites für Sie gesammelt.
Entscheiden Sie, ob es sich um eine Originalwebsite oder eine Fälschung handelt!
Welche Hinweise auf mögliche betrügerische Aktivitäten erkennen Sie?

4.2. Sicherheit im Internet

Die Phishing-Versuche auf der letzten Seite zeigen, dass es eine ganze Menge zu beachten gibt, wenn wir von Sicherheit im Internet sprechen.

Für einen sicheren Austausch von Nachrichten (einer Chat-Nachricht, aber auch den HTML-Daten einer Website oder einer E-Mail) gibt es eine Reihe von möglichen Sicherheitsproblemen:

• Der Sender könnte nicht der sein, für den er sich ausgibt.
• Die Nachricht könnte von Dritten mitgelesen (oder verändert) worden sein.
• Der Sender könnte abstreiten, dass die Nachricht von ihm ist.

Um so etwas zu verhindern, sollten folgende Anforderungen an den Nachrichtenaustausch und damit an die Sicherheit im Internet erfüllt sein.

Vertraulichkeit 

Nur dazu berechtigte Personen können die Nachricht lesen.

Integrität 

Die Nachricht wurde nicht von Dritten verändert.

Authentizität 

Die Nachricht stammt wirklich von der Person, die als Absender angegeben ist.

Verbindlichkeit

Die Person, die die Nachricht versendet hat, kann das nicht abstreiten.

Alle vier Anforderungen lassen sich dank Verschlüsselungsverfahren auch beim Nachrichtenaustausch im Internet realisieren.

4.3. Symmetrische Verschlüsselung

Tipp: Fügen Sie den Geheimtext in das Feld rechts ein. Wählen Sie eine Verschiebung und klicken Sie auf "ENTSCHLÜSSELN".

Da Sie keine Indizien haben, müssen Sie wohl mal verschiedene Verschiebungen ausprobieren.

Hinweis zur Lösung: Vielleicht unbewusst haben Sie damit auch eine sehr häufige Angriffstechnik auf Passwörter angewandt, den Brute-Force Angriff. Sie haben einfach mögliche Schlüssel ausprobiert, bis Sie einen passenden gefunden haben. Allerdings haben Sie sicher auch gemerkt, so sicher war die Verschlüsselung nun auch wieder nicht (Asterix und Obelix wären da doch bestimmt drauf gekommen!?).

4.4. Symmetrische Verschlüsselung II

Hinweis: Sie können beispielsweise Goethes Faust für eine Häufigkeitsanalyse heranziehen.

Tipp: Markieren Sie mit Strg+A den gesamten Text und kopieren Sie ihn in das Eingabefeld an die Stelle "Geben Sie hier Ihren Text ein".

AUFGABE: 

Tipp: Überlegen Sie sich: Wie viele Buchstaben liegen im Alphabet zwischen dem häufigsten Buchstaben in deutschen Texten und dem häufigsten Buchstaben im vorliegenden Geheimtext?

Mögliche Verbesserung des Verfahrens: 

Das Substitionsverfahren lässt sich verbessern, indem man einen längeren Schlüssel wählt und statt C (bzw. 3) ein ganzes Wort wie CAESAR wählt. Damit wird jedes 6. Zeichen des zu verschlüsselnden Satzes mit C verschlüsselt (und damit um 3 verschoben), das jeweils danach folgende Zeichen mit A und so weiter und so fort.

Oder man wählt seine eigene Zuordnung:

A -> C
B -> Z
C -> O
D -> D
usw.

4.5. Asymmetrische Verschlüsselung

Jeder, der uns eine Nachricht schicken möchte, erhält ein Vorhängeschloss aber keinen Schlüssel.
Wir behalten den einzigen (privaten) Schlüssel.

Mit dem Vorhängeschloss kann der Sender eine Schatulle abschließen. Da niemand außer uns einen Schlüssel hat, kann auch niemand anderes die Schatulle öffnen.
Genau wie wir die Vorhängeschlösser beliebig verteilen können, können wir auch unseren öffentlichen Schlüssel beliebig verteilen (und natürlich auch auf unsere Website stellen).

4.6. Was kann ich tun?

5. Selbsttest zu Modul 03

6. Abschluss Modul 03