Aufgaben: Wie Informationen reisen

Was ist eine IP-Adresse? Erkläre es mit deinen eigenen Worten anhand des Vergleichs mit der Postanschrift eines Hauses: Welche Rolle spielt jede der beiden und warum braucht man sie, damit die Daten ihr Ziel erreichen?

Wenn du ein Video auf einer Online-Plattform ansiehst, gibt es zwei Beteiligte: dein Handy (den Client) und den Computer der Plattform (den Server). Erkläre, was jeder von beiden in diesem Moment tut, wer anfragt und wer antwortet.

Die Abbildung zeigt die Reise einer Nachricht von deinem Handy zu einem Server, mit einer dazwischenliegenden Wolke, die wie im Schema von einem Fragezeichen verdeckt ist.

Was stellt die mit „?“ markierte Wolke dar? Bringe die Etappen der Reise der Nachricht vom Handy zum Server in die richtige Reihenfolge und beschreibe sie. Erkläre, warum die Nachricht in mehrere Pakete aufgeteilt reist, statt als Ganzes.

Gib für jede Situation an, wer Client und wer Server ist: (a) Du rufst die Wetterseite im Browser auf; (b) du lädst ein Foto in deine Cloud hoch; (c) du siehst ein Video auf einer Plattform. Erkläre in jedem Fall, wer anfragt und wer antwortet.

Die IP-Adresse 192.168.1.35 besteht aus vier durch Punkte getrennten Zahlen. Vergleiche sie mit einer Postanschrift („Hauptstraße 12, 3. Stock, Wohnung A“) und erkläre in groben Zügen, welche Rolle jeder Teil dabei spielt, dass die Daten das richtige Gerät finden.

Erkläre mit deinen eigenen Worten, was ein Server ist, und begründe, warum die Server der großen Plattformen vierundzwanzig Stunden am Tag in klimatisierten Räumen mit Notstromversorgung eingeschaltet sind.

Beim Besuch einer Webseite erscheint die Meldung „Fehler 404: Seite nicht gefunden“. Wer sendet diese Meldung, dein Browser oder der Server? Erkläre, was auf der Reise deiner Anfrage passiert ist, damit diese Antwort kommt.

Bringe die Schritte eines Besuchs einer Webseite in die richtige Reihenfolge und erkläre jeden: (a) Der Server sendet die Seite; (b) du gibst die Adresse im Browser ein; (c) der Browser zeigt die Seite auf dem Bildschirm an; (d) deine Anfrage reist durch das Internet zum Server.

Ein Foto wird in nummerierte Pakete zerlegt versendet, die in falscher Reihenfolge am Ziel ankommen können. Erkläre, wie es möglich ist, dass der Empfänger das Foto perfekt wieder zusammensetzt, und was deiner Meinung nach passiert, wenn eines der Pakete unterwegs verloren geht.

Ein Video hat eine Größe von $700\ \text{MB}$ und deine Verbindung lädt mit $50\ \text{MB}$ pro Sekunde herunter. Berechne die theoretische Downloadzeit mit der Division $\frac{700\ \text{MB}}{50\ \text{MB/s}}$ und erkläre anschließend zwei Gründe, warum es in der Praxis meist länger dauert als die berechnete Zeit.

Du sendest eine Nachricht von deinem Handy an das Handy einer Freundin, die in einer anderen Stadt wohnt. Schreibe die vollständige Kette der Elemente auf, die die Nachricht durchläuft (dein Handy, dein Router, das Internet, der Server der App, der Router oder die Antenne deiner Freundin, ihr Handy), und gib an, an welcher Stelle die Nachricht das Netzwerk wechselt.

Die Abbildung zeigt drei Pakete, die in der richtigen Reihenfolge ein Handy verlassen und in falscher Reihenfolge beim Server ankommen, der sie wieder ordnet, wie im Schema dargestellt.

Erkläre, wie der Server die Nachricht anhand der Nummern der Pakete in der richtigen Reihenfolge wieder zusammensetzen kann, und begründe, was deiner Meinung nach passiert, wenn Paket 1 viel länger braucht als die anderen, um anzukommen.

Ein Film hat eine Größe von $1\,400\ \text{MB}$ und deine Verbindung lädt mit $40\ \text{MB}$ pro Sekunde herunter. Berechne die theoretische Downloadzeit mit der Division $\frac{1\,400\ \text{MB}}{40\ \text{MB/s}}$. Begründe danach, ob du den Film mit einer nur halb so schnellen Verbindung ohne Unterbrechungen live ansehen könntest, wenn du weißt, dass Online-Video etwa $20\ \text{MB}$ pro Sekunde verbraucht.

Der „Ping“ misst die Zeit, die eine Nachricht für Hin- und Rückweg braucht: Ein naher Server zeigt $0,02\ \text{s}$ an und einer auf einem anderen Kontinent $0,25\ \text{s}$. Erkläre, was diese Zahlen für ein Online-Spiel bedeuten, bei dem jede Tausendstelsekunde zählt, und warum die richtige Wahl des Servers das Spiel verbessert.

Wenn dreißig Schülerinnen und Schüler im Klassenraum gleichzeitig dieselbe Datei herunterladen, wird alles langsam. Erkläre, welche Ressource alle diese Geräte teilen (die Bandbreite der Verbindung der Schule), und schlage zwei Lösungen vor, die die Lehrkraft nutzen könnte, damit der Download die Klasse nicht lahmlegt.

Eine Nachricht aus zehn Wörtern und ein Foto von $3\ \text{MB}$ reisen über dasselbe Netzwerk zum selben Handy. Erkläre, warum das Foto länger braucht, obwohl es „denselben Weg“ nimmt, und berechne, wie viele Pakete von $1\ \text{MB}$ nötig wären, um es zu senden. Vergleiche das mit der Textnachricht, die in ein einziges Paket passt.

Bei dir zu Hause hast du eine Konsole mit der privaten IP-Adresse 192.168.1.15 und einen Computer mit der IP-Adresse 192.168.1.20, beide mit dem Router verbunden. Dein Freund versucht, dich zu einer direkten Partie einzuladen, indem er von zu Hause aus die IP-Adresse „192.168.1.15“ eingibt, aber das Spiel meldet ihm den Fehler „Verbindung nicht gefunden“.

1. a) Erkläre deinem Freund, warum er mit dieser Adresse von außerhalb deiner Wohnung niemals deine Konsole erreichen wird.
2. b) Wenn ihr vom Computer und von der Konsole aus gleichzeitig die Webseite „cualesmiip.com“ aufruft, seht ihr dann dieselbe Adresse oder verschiedene Adressen? Begründe deine Antwort, indem du die Vermittlerfunktion des Routers erklärst.

Im Technikraum übertragt ihr ein Spiel live per Video und ladet gleichzeitig ein Software-Update von 1,5 GB herunter. Das Netzwerk der Schule hat kurzzeitig Störungen und 2 % der übertragenen Datenpakete gehen verloren.

1. a) Sage voraus, was in jedem Fall passiert, wenn die Anwendung weitermacht, ohne die verlorenen Pakete erneut anzufordern: Wirkt sich das auf das Video genauso aus wie auf die Installationsdatei? Begründe die Auswirkung jeweils.
2. b) Begründe, warum der Videodienst lieber Pakete endgültig verliert, statt sie erneut zu senden zu lassen, während das beim Herunterladen der Datei inakzeptabel wäre.

Du schickst einer Mitschülerin über eine Messenger-App zwei aufeinanderfolgende Sprachnachrichten: Die erste lautet „Wir treffen uns in der Bibliothek“ und die zweite „Um fünf“. Die App deiner Mitschülerin empfängt jedoch die Daten der zweiten Nachricht vor denen der ersten.

1. a) Erkläre, was in den Routern und Kabeln dazwischen im Internet geschehen ist, damit die zweite Nachricht die erste auf der Reise überholt.
2. b) Entwirf eine technische Lösung: Welche unverzichtbare Angabe muss der Absender im Kopfteil jedes Pakets mitsenden, damit das empfangende Handy sie immer in der Reihenfolge ordnet und abspielt, in der sie aufgenommen wurden?

Betrachte das folgende Schema der Verbindungen zwischen Internet-Routern, um eine Datei von deiner Schule (A) zu einem Server (F) zu senden:

A ── B ── D ── F

│ │ │ │

└─── C ── E ───┘

1. a) Während der Übertragung unterbricht eine Störung die Leitung zwischen B und D. Begründe, ob dein Versand vollständig abgebrochen wird oder ob er abgeschlossen werden kann, und gib die alternative Route an, der die Pakete folgen werden.
2. b) Ein Mitschüler behauptet: „Es wäre schneller und sicherer, ein einziges direktes Kabel von A bis F zu verlegen, ohne über andere Zwischenknoten zu gehen.“ Widerlege seine Behauptung, indem du zwei technische Nachteile anführst, das Netzwerk auf diese Weise zu entwerfen.

Während eines Videoanrufs mit einer Schule in Japan sinkt die Download-Geschwindigkeit eurer Verbindung plötzlich von 100 Mbps auf 0,5 Mbps. In diesem Moment nutzt ihr gleichzeitig den Textchat und die Live-Kamera.

1. a) Sage das Verhalten beider Dienste voraus: Welcher von beiden funktioniert weiter normal und welcher fällt aus? Begründe deine Vorhersage, indem du die Datenmenge vergleichst, die jeder benötigt.
2. b) Um zu verhindern, dass der Anruf abbricht, senkt die Anwendung automatisch die Videoauflösung auf 240p. Begründe, wie diese Maßnahme es ermöglicht, dass die Kommunikation trotz des langsamen Netzwerks flüssig weiterläuft.

Ein Wissenschaftsmuseum veranstaltet eine weltweite Astronomie-Übertragung mit seinem Hauptserver in Berlin. Zur Zeit der Veranstaltung verbinden sich gleichzeitig 300.000 Nutzer aus Amerika, Asien und Europa und die Webseite reagiert wegen Überlastung nicht mehr.

1. a) Schlage eine technische Lösung vor, die darauf beruht, Kopien der Webseite (Spiegelserver) auf verschiedenen Kontinenten zu verteilen, und begründe, warum ein Nutzer in Tokio die Seite mit diesem System viel schneller sieht.
2. b) Sage voraus, was mit den französischen Nutzern passiert, wenn der Replikserver in Paris einen totalen Stromausfall erleidet. Bleiben sie ohne Zugriff auf die Webseite? Begründe, wie das Netzwerk auf diesen Ausfall reagieren muss.

Ein Online-Shop kündigt ermäßigte Eintrittskarten ab 10:00 Uhr an. Um 10:01 Uhr erhält der Server 95.000 Anfragen pro Sekunde; die Seite lädt nicht mehr und zeigt den meisten Nutzern einen Verbindungsfehler an.

1. a) Erkläre, was mit dem Server geschehen ist und was es bedeutet, dass in diesem Fall ein „Flaschenhals“ entstanden ist.
2. b) Entwirf zwei sich ergänzende technische Maßnahmen, die der Shop für den nächsten Verkauf umsetzen sollte (eine zur Stärkung seiner Serverkapazität und eine zur Steuerung des Zugangs der Käufer, ohne das System zu überlasten).

Ihr führt im Unterricht ein Experiment durch, um empirisch zu überprüfen, wie die Überlastung des WLANs die Downloadzeit von Daten beeinflusst.

1. a) Entwirf das Experiment und lege fest: die Variable, die ihr gezielt verändert (unabhängige Variable), die Variable, die ihr messt (abhängige Variable), und zwei Bedingungen, die ihr bei allen Versuchen streng konstant halten müsst, damit die Daten zuverlässig sind.
2. b) Wenn eine Datei von 250 MB mit 1 verbundenen Computer 5 Sekunden zum Herunterladen braucht, sage begründet voraus, was mit der Downloadzeit passiert, wenn alle 25 Schülerinnen und Schüler der Klasse genau gleichzeitig diese Datei herunterladen. Begründe deine Antwort, indem du erklärst, wie der Access Point seine Kapazität verteilt.