Informationstechnik

Schnelle Übersicht:

• Hardware-Komponenten
• Grundbegriffe: Bit, Byte, ...
• Zahlensysteme. A/D-Wandlung
• Betriebssysteme
• Vernetzte Systeme
• Datenschutz
• Bedrohungen, Datensicherheit
• Ergonomie am PC-Arbeitsplatz

Ergänzend zur obigen Auflistung hier eine "bebilderte Übersicht" der Themen:

Ob PC oder "Großrechner" - alle EDV-Systeme verfügen im Prinzip über die selben Hardware-Komponenten, Bauteile. Sie alle benötigen einen zentrale Verarbeitungseinheit, die die Abläufe steuert, Speicher und Schnittstellen für die Ein- und Ausgabe von Daten.
In dieser Aufgabe werden unsere alten PC zerlegt, die Bauteile (Komponenten) untersucht  und dann alles wieder wieder zusammen gebaut.
Wenn am Schluss nichts übrig bleibt, dann habt ihr alles richtig zusammengebaut ;-)

Die gute alte Festplatte mit den rotierenden Scheiben (Hard-Disk-Drive, HDD) wird langsam durch die meist schnelleren SSD (Solid State Disk) verdrängt.
Eine gute Übersicht der Eigenschaften ist in diesem Heise-Artikel zu finden.

Aufgabe dazu:
Erkläre die Speichertechnologien SLC ... QLC. Frage  dazu:

1. Auf welche Weise werden hier Speicherzellen gespart?
2. Nenne Nachteile der Technologien.

Wie werden die entscheidenden Bauteile - die "Chips" eigentlich hergestellt und was braucht man dafür? Die wichtigsten Komponenten, nämlich Laser und hochpräzise Spiegel kommen beide aus Firmen mit Standorten auch im Schwäbischen :-).
Hier steht's - ein Artikel aus der FAZ.
Dazu noch ein beeindruckendes Video der Firma Carl Zeiss, dass einen Einblick in die Produktion gibt.

Nach der Hardware nun die Software. Wir fangen ganz klein an, mit der "kleinsten informationstechnischen Einheit".
Was ist ein Bit - außer ein Bier ;-)? Was ein Byte? Was bedeutet seriell und parallel, was ist der ASCII-Code? Diese Begriffe werden teilweise in Spielszenen (im Freien) dargestellt und anschließend in einer Tabelle zusammengefasst.

Fährt EVA gerne BUS?
Sicherlich. Bei dieser Aufgabe geht es einmal darum, die Zeichenfunktionen einer Textverarbeitung kennen zu lernen und als Zweites, das Prinzip Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe sowie das Bussystem zu verstehen und darzustellen.

Eine kompakte Übersicht der wichtigsten Begriffe und Zusammenhänge (Quelle: imoox.at):

Du ju spik Inglisch?
Englisch ist inzwischen ein fester Bestandteil des Unterrichts, mit Schwerpunkt auf die Technik natürlich. Auch hier sollen in einer kleinen Übung die wichtigsten Fachbegriffe übersetzt werden, wobei es ein paar Worte gibt, die im Englischen eine ganz andere Bedeutung haben  ;-)...

Das dezimale (10er-) Zahlensystem kennen wir seit frühesten Schultagen. Mit 10 Fingern und Zehen sind wir auch "natürlich" damit ausgestattet.
Doch in der Welt der EDV gibt es nur 0 und 1 und damit auch ein ganz anderes System zur Darstellung von Werten/Zeichen. Wer wissen will, wer sich schon vor über 300 Jahren damit befasst hat , und daher als "der erste Informatiker" gilt, kann das hier nachlesen.

Für die Schlussaufgabe des Arbeitsblatts wird das Programm xvi32 benötigt.
Es ist eine "portable Anwendung", was bedeutet, dass keine Installaltion nötig ist.
Dazu:

• Die zip-Datei mit dem Programm herunterladen
• entpacken
• starten ;-).

Alles ist heute digital. Aber was heißt das eigentlich? Soviel mal voraus: Digital kommt vom lateinischen Wort "Digitus" - der Finger.
Und was ist dann analog?
Kurz gesagt - im Analogen wird eine Größe, z.B. der Schall, in eine andere Größe, z.B. elektrische Spannung, übersetzt. Die Spannung verläuft dann in jedem Moment genau so wie der Schall. Das macht z.B. ein Mikrofon.
Im Digitalen haben wir es mit Zeichen zu tun. Alles, was mit Zeichen dargestellt wird, als Zeichen übersetzt wird, ist also digital.
Auch das hier - die Schrift ;-).
In dieser Aufgabe machen wir die Analog-Digital-Wandlung mal ganz langsam, von Hand.

Ein etwas in die Jahre gekommenes Video der Deutschen Bundespost von 1985, in dem die Begriffe allerdings sehr gut erklärt werden. Sogar von Glasfaser ist schon die Rede. Die gute alte Bundespost, sie war alles Andere als unmodern.

Wie man Leitungen nicht nur für eine Verbindung, sondern mehrfach ausnutzen kann, hat man schon früh überlegt. Grundsätzlich gibt es hierzu zwei Verfahren.
Kurzfassung Zeitmultiplex und Frequenzmultiplex:

• Im Zeitmultiplex-Verfahren werden mehrere "langsame" Datenströme zu einem "schnelleren" Datenstrom durch Verschachtelung zusammengefasst.
  Jedes Signal erhält dabei seinen eigenen "Zeitschlitz".
  Es handelt sich also um ein serielles Verfahren, bei dem die Kanäle zeitlich "hintereinander" verschachtelt werden.
• Beim Frequenzmultiplex-Verfahren werden mehrere Signale niedriger Bandbreite zu einem Signal mit hoher Bandbreite zusammengefasst. Jedes Signal hat dabei seine eigene Frequenz.
  Es handelt sich also um ein paralleles Verfahren, bei dem die Kanäle im Frequenzbereich "nebeneinander" liegen.
  Das ist z.B. bei Funkanwendungen der Fall, wenn "Kanäle" definiert werden.

Wellenlängen-Multiplex: WDM (Wvelength Division Multiplex)

Die inzwischen gigantischen Datenmengen könnten selbst mit den schnellsten Zeitmultiplexern nicht mehr übertragen werden. Daher werden mehrere "Laser-Lichtfarben" gleichzeigig über optische Systeme kombiniert und über eine Glasfaser übertragen.
Wie das grundsätzlich funktioniert, ziegt das folgende Video:

Wie fing die EDV eigentlich an? Und wer war´s ;-)?

Noch ein Blick in die Geschichte: Wie sah der erste programmierbare digital arbeitende Computer aus und wer hat ihn erfunden? Es war Konrad Zuse.
Ein schöner Beitrag aus dem Deutschen Museum, an dem die Arbeitsweise nochmals gut zu erkennen ist.

Betriebssysteme finden sich inzwischen fast überall - auf dem PC und Smartphone sowieso, aber auch auf Messgeräten, E-Mobilen, Uhren, Küchen- und Haushaltsgeräten usw.
Bei PC-Arbeitsplätzen dominiert weiterhin Windows. Spätestens jedoch mit der Version 10 muss der Eindruck entstehen, dass Windows endgültig zu einer Spyware mit Betriebssystemfunktion mutiert ist. Die Bevormundung der Nutzer, mit Zwangs-Updates, die nicht zu kontrollieren sind, die weitere Einschränkung der Eingriffsmöglichkeiten sowie die bei Office-Programmen von MS zudem ständige Übertragung der Nutzerdaten nach Redmond (welche Datei wurde von wem wie lange und mit welchem Programm geöffnet, bearbeitet) sind bedenkliche Entwicklungen. Die dokumentierte Zusammenarbeit mit der NSA , sowie der aktuelle Fall eines Hacks der Microsoft-Server, bei dem es den Eindringlingen sogar gelungen ist, bis zu den Quelltexten der Programme vorzudringen machen die Problematik nochmal deutlich.

Einführungstext zum Thema:

Im praktischen Teil zum Thema wird im PC/Netzwerklabor zuerst Windows10, und danach LINUX installiert (anders herum funktioniert das nicht). Dabei sieht man, dass LINUX wesentlich "schlanker" ist und auch das Netzwerk wesentlich weniger belastet, da es nicht ständig mit Redmond, der Windows-Hauptstadt, telefoniert.

Die Zeiten, in denen von CD/DVD oder gar von Disketten (gab´s vor Jahrhunderten auch mal...) installiert wurde, sind lange vorbei. Aktuell finden Installationen entweder über das Netz, oder über einen USB-Stick statt. Wie man einen bootfähigen (startfähigen) USB-Stick erstellt, zeigt die folgende Anleitung.
Update 2024:
Mit Windows 11 ist es nun auch damit vorbei. Das Betriebssystem lässt sich nur noch installieren, wenn man auch ein Microsoft-Konto hat. Offline- Installationen gehören somit der Vergangenheit an.
Ein Grund mehr, sich davon zu verabschieden - wenn man Windows nicht unbedingt für eine Anwendung benötigt.

Vernetzungen gibt es seit das Universum besteht. Alle Verbindungen, die über eine einzelne Einheit hinaus zu anderen Einheiten reichen, bilden "Netze". Technisch fallen einem dabei Straßen- Bahn- Leitungsnetze ... und natürlich auch die sozialen Netze ein.
Hier geht es um die Vernetzung im Bereich der EDV, ohne die heute ja nichts mehr geht, die aber leider auch manchmal selbst (die EDV) nicht mehr geht... Dazu aber erst weiter unten mehr.

Was benötigt nun ein Netz, damit es funktioniert?
Netzwerke müssen mindestens drei  Grundfunktionen bereit stellen:

1. Eine Übertragungsfunktion über ein Medium (Kabel, Funk), damit die Informationen von A nach B kommen können.
2. Eine Funktion, die Netzelemente untereinander "vermittelt", also Verbindungen herstellt.
3. Einen Zugang für Geräte und Nutzer - also Schnittstellen.
   Kleine Aufgabe dazu:
   Was ist eine "Schnittstelle"?
   Überlege, welche Schnittstellen es in deinem Alltag gibt - zu Menschen, Geräten, Maschinen, ...

Dies und weitere Grundbegriffe, wie z.B. die so genannte Topologie (die Form des Netzaufbaus) werden in der Einführungsaufgabe erarbeitet..

Netzwerke - lokal und global
Informationstechnische Netzwerke können in verschiedene Stufen / Hierarchien eingeteilt werden. Ähnlich den Netzen der Energieversorgung mit Nieder- Mittel- und Hoch/Höchstspannung gibt es auch hier Netze von lokal bis global.
Für die veraschiedenen Bereiche, die von Netzwerken abgedeckt werden, gibt es feste Begriffe, hier in Kurzfassung erklärt:

• LAN: Das Local Area Network, typischerweise in einem Gebäude oder auf einem Grundstück, fasst die örtlichen Netzelemente zusammen.
• MAN: Ein Metropolitan Area Network ist ein "Stadtnetz", dass eine größere Region oder z.B. die regionalen Standorte von Firmen untereinander verbindet.
• WAN: Das Wide Area Network verbindet die darunter liegenden Netze und ermöglicht erst den großflächigen Datenaustausch zwischen Ländern und innerhalb Kontinenten.
• GAN: Das Global Area Network ist dann die Verbindug der WANs und sorgt für den weltweiten eben globalen Austausch.

Im Netzwerkpraktikum werden neben einer Wiederholung der Grundbegriffe auch Themen wie das TCP/IP-Protokoll angesprochen sowie die wichtigsten Netzwerkkomponenten beschrieben. Um die Funktionen besser zu verstehen, werden die Einstellungen, die sonst alle automatisch erfolgen, manuell vorgenommen.

Der nächste Text steigt etwas tiefer in das Thema ein. Hier geht es um die Aufteilung eines Netzes in mehrere logische Teilnetze - das so genannte Subnetting. Dies ist aber erst im 3. Lehrjahr Thema.

Wie schon bei den Grundbegriffen erklärt, benötigt jedes Netzwerk ein Medium für die Datenübertragung. Kupfer- und Glasfaserkabel sowie WLAN werden im folgenden Infotext genauer beschrieben.

Im LAN (also dem lokalen Netzwerk in Gebäuden) findet man nach wie vor im Anschlussbereich der Systeme und Stationen Kupferkabel. Das folgende Video zeigt die Herstellung und den Aufbau eines Netzwerkkabels.
Hinweise:

1. Hier handelt es sich offenbar um ein ungeschirmtes Kabel, zumindest wurde die Schirmung nicht erwähnt.
2. Die erwähnte Verdrillung der Doppeladern hilft nur gegen die Einkopplung magnetischer Felder. Gegen elektrische Felder ist sie wirkungslos.
3. Im Kommentar wird davon gesprochen, dass man ansonsten eine "dicke Isolierung" benötigen würde. Isolation bezieht sich aber immer nur auf eine Trennung von leitenden Stoffen zur Umwelt oder Leitern gegeneinander, z.B. beim Kabel. Gemeint ist eben hier eine Schirmung.
4. Moderne Kabel der höchsten Kategorien Cat 7 oder 8 haben sowohl einen äußeren Gesamtschirm als auch eine Schirmung um jedes Adernpaar. Nur so sind die hohen Datenraten überhaupt möglich.

Symmetrische Kupferkabel für Datennetze sind in so genannte "Kategorien" eingeteilt ("CAT ...X"). Die Infoschrift der Fa. Telegärtner gibt dazu eine gute Übersicht.

Montage von CAT-6 Steckern

Damit man mal einen Eindruck von der Stecker-Hardware und den Anschlüssen bekommt, stellen wir ein Patchkabel her und prüfen es anschließend auf Funktion.

Die Glasfaser oder der Lichtwellenleiter

Die Glasfaser (GF) oder der Lichtwellenleiter (LWL) sind bereits seit Jahrzehnten das Rückgrat in Telekommunikationsnetzen. Bedingt durch den Bedarf an immer höheren Bandbreiten rückt die LWL-Technologie aus dem Fernnetz ("Backbone") immer weiter in die Fläche vor. Da sich die Themen überschneiden: Hier finden sich grundlegende Darstellungen zum Bereich Telekommunikation (letztes Thema auf der Seite).

Die Abstufungen haben dabei folgende Bezeichnungen

• FTTC: fiber to the curb
  Die Glasfaser hat den ersten Abschnitt des bisherigen Kupfer-Ortsnetzes, die Hauptkabel (HK)  ersetzt und endet nun im Kabelverzweiger (KVz). Das sind die "grauen Kästen", die am Straßenrand stehen.
• FTTB: fiber to the building
  Die Glasfaser hat das komplette Ortsnetz-Kupferkabel ersetzt und wurde in das Gebäude eingeführt. Sie endet in der Hauseinführung. Von dort werden die Datenströme  dann intern weiter verteilt - meist über vorhandene Kupferleitungen. Dies ist oftmals die Situation in Wohnblöcken / Häusern mit mehreren Wohneinheiten. Bei Änderung des Gebäudeanschlusses von Kupfer auf Glas muss an den Wohnungsanschlüssen somit nichts geändert werden.
• FTTH: fiber to the home
  Als Fortführung von FTTB sind hier bereits die einzelnen Wohnungen mit LWL angeschlossen. Nur die Endgeräte sind noch über Kupfer-LAN-Kabel oder W-LAN angeschlossen.
  Aktuell dringt die Glasfaser verstärkt auch in den Privaten Bereich vor - je nach Stand des Netzausbaus. Als lokale Netzbetreiber treten hier verschiedene Anbieter auf. Am Beispiel der Telekom hier eine kurze Übersicht zur Anschlusstechnik bzw. den nötigen Anschlussvoraussetzungen im Haus.
  Im Unterschied zur direkten Anschlussleitung der "alten" Kupferleitung an den Router benötigt man für den Betrieb am GF-Anschluss einen Medienkonverter (mit entsprechender Stromversorgung), der die Wandlung optisch-elektrisch und umgekehrt vornimmt. Damit ergibt sich eine ähnliche Situation wie früher am ISDN-Anschluss, für den ebenfalls ein vor die Endgeräte geschaltetes Netzabschlussgerät zur Codewandlung/Leitungsanpassung nötig war.
• FTTD: fiber to the desk
  Der LWL-Anschluss wird bis zum "Schreibtisch" weiter geführt. Dies dürfte in den allermeisten Fällen nicht notwendig sein, da sich über aktuelle Kupfer.Netzwerkleitungen bequem auch 10GBit/s übertragen lassen. Dies ist deutlich mehr, als der private LWL-Anschluss überhaupt liefert.

Technische Eigenschaften der LWL

Das folgende Video der damaligen Deutschen Bundespost Telekom ist zwar von 1992, erklärt aber die Hintergründe und Prinzipien sachlich besser als die "moderneren" Beiträge.
Die Zahlen für die Leistungsfähigkeit der Glasfaser sind natürlich veraltet. "7000 gleichzeitige Telefongespräche" haben heute Museumswert. Die möglichen Datenraten liegen inzwischen im Terabit/s-Bereich (1000GBit/s) ...

Übrigens - ein klein wenig Geschichte - so steht es in der Wikipedia:
Das erste optoelektronische Lichtwellenleiter-System erfand 1965 Manfred Börner.
Er entwarf ein optisches Weitverkehrs-Übertragungssystem, das Laserdioden, Glasfasern und Photodioden kombinierte. 1966 meldete er das System für das Unternehmen AEG-Telefunken zum Patent an. Alle optischen Weitverkehrs-Übertragungssysteme arbeiten noch heute nach diesem von Manfred Börner vorgeschlagenen Systemprinzip. Für seine Erfindung wurde Börner 1990 mit dem Eduard-Rhein-Preis ausgezeichnet.

Bereits 1973 berichtete der SPIEGEL über ein "neuartiges Übertragungssystem" auf Glasfaserbasis. Auch hier sieht man: Die Post war immer modern.

Die Nervenadern der Welt - auf einer Seite.
Eine beeindruckende Darstellung der weltweiten Vernetzung unterseeischer Glasfaserkabel mit interaktiven Elementen findet sich hier.

Es ist klar, dass diese Nervenadern zur "kritischen Infrastruktur" gehören und daher auch Angriffsziele sein können. Dass dies wahrscheinlich schon passiert ist, kann hier nachgelesen werden.
Eine wichtige Aufgabe ist daher, diese Kabel so weit es geht zu schützen - was bei tausenden Kilometern Länge natürlich schwierig ist ...

Eine interessante Doku über die Entwicklung und den Stand der Kabeltechnik in den Ozeanen der Welt. Und - falls man das mal machen muss - wird auch gezeigt, wie man ein Kabel, z.B. in der Nordsee, repariert (-;.

Durch die Smartphones ist WLAN eigentlich zum hauptsächlichen Netzzugang geworden, Aktuelle Informationen zu WLAN - Mesh ... bietet das folgende Video.
Frage:
Was unterscheidet die Mesh-Technologie von "normalen" WLAN-Repeatern?

Aktive und passive Komponenten in Netzwerken

Wir haben bei unserem Netzwerkpraktikum zwar schon die Grundfunktionen der Netzwerkkomponenten kennen gelernt, im folgenden Text werden diese aber noch genauer erklärt. Es ist gut das zu wissen, da Fragen dazu immer wieder in der Abschlussprüfung auftauchen.

Der legendäre MAUS-Film zum Internet. Von der Technik her inzwischen etwas in die Jahre gekommen, aber vom Prinzip her immer noch und auch in Zukunft aktuell.
IP-Adresse, Router, Routing, DNS, Provider - alles wird erklärt.

Wie schnell ist mein eigener Anschluss? Der Test der Bundesnetzagentur (BNetzA) gibt objektive Auskunft darüber.

Trotz allem kann es natürlich immer noch manchmal zu etwas verlangsamten Übertragungen kommen...

Das Thema Datenschutz hat verschiedene Aspekte:

• Schutz vor missbräuchlicher Datenverarbeitung
• Anspruch auf informationelle Selbstbestimmung
• Schutz der Privatsphäre

Durch die Enthüllungen von Edward Snowden sind die Themen verstärkt in der Öffentlichkeit angekommen. Demgegenüber steht allerdings ein oft sorgloser Umgang mit Daten im privaten oder auch beruflichen Umfeld. Teilweise auch aus Unkenntnis, werden z.B. schwerpunktmäßig auf Smartphones Apps genutzt, die nur als Spyware zu bezeichnen sind, da ständig Nutzerdaten übertragen werden. Dies trifft in gewissem Umfang allerdings leider auch für Produkte von Microsoft und deutlich auf die fast alles beherrschende Suchmaschine Google zu.
Die Anforderungen des Datenschutzes zu beachten ist daher ein wichtiger Grundsatz für alle Bereiche, in denen Daten verarbeitet werden.
Die Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO) ist eine EU-weite Regelung, die praktisch alle Bereiche der Datenverarbeitung betrifft. Sie greift also überall, wo personenbezogenen Daten erfasst und gespeichert werden. Daher mussten z.B. auch Sport- und Musikvereine umfangreiche Maßnahmen ergreifen, um den Vorschriften gerecht zu werden.

Oft im Zusammenhang mit US-Amerikanischen Anbietern erwähnt und doch meist eher im Detail unbekannt: Was besagt der so genannte Cloud-Act? Der Blick auf den Gesetzestext (mit Übersetzung) hilft weiter.

Und wie ist das eigentlich mit den inzwischen fast überall (Google, Amazon, ...) installierten "Sprachasssistenten"?

Frage:
Wo nutzt du in welcher Weise Systeme mit Sprachassistenten? Wie siehst du die Problematik, wenn du sie zwischen "ist mir egal" und "bedenklich" einordnest?

Hier noch ein bisschen Geschichte zum Thema
Die NSA - nicht erst seit Snowden als größter Lauscher bekannt, wie der SPIEGEl-Artikel von 1989 zeigt.

Beim Thema Datensicherhiet denkt man zuerst an Bedrohiungen von außen, an Hacker, die selbst komplexe Schutzmaßnahmen überwinden und dann in das System eindringen, eventuell in jahrelanger Arbeit.
Aber - das ist oft nicht das Hauptproblem, wenn der Angriff von innen möglich ist. Dass es auch ganz einfach ohne Hacken geht, wenn man nur dreist genug ist, zeigt dieser Heise-Artikel.

Aufgabe:
Liste die Probleme der Firma auf und erkläre, was geändert werden muss.

Selbstverständlich ist es dennoch wichtig, am eigenen Arbeitsplatz für Sicherheit zu sorgen. Umgekehrt gedacht: Wie schaffe ich es, möglichst effektiv meine Endgeräte und den PC für alle Bedrohungen zu öffnen und möglichst viel Schaden anzurichten ;-)?
Hier ist die Anleitung dazu:

Aufgabe: Liste die im Video genannten Möglichkeiten auf und überlege: Wie sieht es bei dir so aus?

Berichte aus der Praxis - weitere Rechercheaufgabe:
Stelle drei aktuelle Beispiele erfolgreicher Angriffe auf die IT-Systeme von Firmen und Verwaltungen dar.
Erkläre dabei tabellarisch:

• Wer angeriffen wurde
• Wie der Angriff erfolgte
• Welches System betroffen war/ist
• Welcher Schaden dabei entstanden ist
• Sofern bekannt: Ob das Problem behoben werden konnte und die Sicherheitslücke geschlossen wurde.

Das Thema Datensicherheit  ist eng mit dem Thema Datenschutz verbunden, da viele Aspekte des Datenschutzes auch die Sicherheit der EDV berühren.
Infotext und Aufgaben zu diesem Thema:

10 Vorzüge von Linux gegenüber Windows - präsentiert von einem Windows-Nutzer (-;

Aufgabe: Liste die genannten Vorteile tabellarisch auf.

Bei den oft technisch orientierte Themen ist die Ergonomie ein oft vernachlässigtes Thema. Dabei ist sie mindestens ebenso wichtig wie die Kenntnis der technischen Zusammenhänge denn es geht es hier um unsere Gesundheit.
Auch dem Betrieb kann nicht daran gelegen sein, wenn Mitarbeiter durch Fehlhaltungen oder falsch installierte Arbeitsplätze gesundheitliche Schäden mit Ausfallzeiten davon tragen.
Hier findet sich als erste Übersicht eine knappe und bebilderte Zusammenstellung.
Das folgende Merkblatt zur Bildschirm-Arbeitsverordnung stellt die Anforderungen ausführlich dar:

Bearbeite nun die folgenden Aufgaben:

Für Übungen "zwischendurch" gibt das Bundesgesundheitsministerium mit
"Pauls Schreibtischübungen" gute Tipps zur Entspannung und Entlastung:

Hier noch ein weiterer Link mit einer guten Übersicht der Fa.  Reichelt Elektronik.