Das Internet

• Was ist das Internet?
• Was passiert, wenn ich den Namen einer Webseite im Browser eingebe und Enter drücke?
• Wie funktionert es, dass ich über ein weltweites Netz Daten mit Milliarden von Geräten austauschen kann?

Diesen und weiteren Fragen gehen wir in dieser Unterrichtseinheit nach.

Hierzu führst du dein eigenes Journal: Darin notierst du in jeder Lektion deine Fragen, Erklärungen und Skizzen. Dein Journal ist die wichtigste Lernressource für diese Unterrichtseinheit.

Ergänzend zu deinem Journal findest du auf dieser Seite zu jedem Thema Lernziele, Links und Begriffe.

Wenn du mehr über den Aufbau des Internets erfahren möchtest (freiwillig):

• Video zu Bits und Bytes – und wie sie über weite Distanzen übertragen werden
• Lustiges Video zu den Tiefseekabeln und zur Geschichte der Telekommunikation
• Video "How Search Works".
• KSR-Wiki zu Internet und Netzwerke
• Internet – Gesellschaftliche und politische Herausforderungen

Diese Unterrichtseinheit basiert auf Unit 2 - The Internet im Computer-Science-Grundlagenkurs von Code.org

• …das Senden von Daten von Gerät zu Gerät als grundlegende Funktion des Internets nennen.
• …die serielle Datenübertragung erklären: = Bit für Bit (nicht „auf einmal“, nicht parallel).

• Video "What is the Internet?"
• Internet-Simulator (V1)

• Netzwerkstrukturen anhand verschiedener Kriterien beurteilen und vergleichen.
• die Begriffe digitales Gerät, Pfad, Netzwerk, Bandbreite erklären.

• Ein digitales Gerät ist zum Beispiel ein Computer, ein Smartphone, ein Server oder sonst ein Gerät, das digitale Daten einlesen/empfangen, verarbeiten und ausgeben/senden kann. Ein mit dem Internet verbundenes digitales Gerät kann Daten über das Internet austauschen.
• Ein Pfad ist eine direkte oder indirekte Daten-Verbindung zwischen zwei digitalen Geräten. Wenn Gerät A Daten über das Internet an Gerät B sendet, dann werden diese Daten entlang eines Pfades (oder entlang verschiedener Pfade) übermittelt.
• Ein Netzwerk entsteht, wenn mehrere digitale Geräte so miteinander verbunden werden, dass sie miteinander kommunizieren (das heisst: sinnvoll Daten austauschen) können.
• Die Bandbreite bestimmt die Geschwindigkeit, mit der Daten ausgetauscht werden. Sie sagt, wie viele Daten „gleichzeitig“ übermittelt werden können:
  • Bei einer kleinen Bandbreite können pro Sekunde nur wenige Bits oder Bytes übermittelt werden. Es dauert lange, bis die Daten übermittelt sind.
  • Bei einer grossen Bandbreite können pro Sekunde mehrere Millionen Bytes übermittelt werden. Es dauert schnell, bis die Daten übermittelt sind.

• erklären, weshalb für die Kommunikation in einem Netzwerk Regeln erforerlich sind.
• zwei grundlegende Regeln für die Kommunikation im Netzwerk nennen:

  1. Jedes digitale Gerät hat eine Adresse.
  2. Jede Nachricht ist mit zwei Adressen, „von“ und „zu“, versehen.
• die Begriffe Protokoll, Internet Protokoll (IP), IP-Adresse erklären.

• Internet-Simulator (V2)
• Video "The Internet: IP Addresses & DNS"

• Ein Protokoll legt Regeln für die Kommunikation zwischen digitalen Geräten fest. Geräte können sich nur dann sinnvoll miteinander verbinden und Daten austauschen, wenn sie sich genau an alle Regeln halten, die in den Protokollen festgelegt sind. Für die Kommunikation im Internet werden sehr viele Protokolle benötigt. Eines der wichtigsten ist das Internet Protocol.
• Das Internet Protocol legt fest, dass jedes Gerät im Netzwerk eine einzigartige Nummer (Adresse) bekommt und jede Nachricht mit Adressen von Absender und Empfänger versehen ist.
• Die IP-Adresse ist eine Zahl, mit der jedes Gerät, das mit dem Internet verbunden ist, identifiziert werden kann. Jede Nachricht (jedes Paket), das über das Internet von einem Gerät zu einem anderen gesendet wird, enthält zwei IP-Adressen: Die Zieladresse und die Ursprungsadresse. Auf diese Weise kann jede Nachricht zum richtigen Gerät geleitet werden. Und das Empfangsgerät weiss, an welche Adresse es seine Antwort zurücksenden muss.

• skizzieren, wie mit Routern 1.) Netzwerke gebildet und 2.) mehrere Netzwerke miteinander (zum Internet) verknüpft werden.
• die Begriffe Router und Redundanz am Beispiel eines Netzwerks erklären.
• die Vorteile redundant aufgebauter Netzwerke erklären.

• Internet-Simulator (V3)
• Folien zu Routing

• Ein Router ist ein digitales Gerät, das Nachrichten innerhalb eines Netzwerks und über Netzwerke hinweg weiterleiten kann. Ein Router verfügt über mehrere Netzwerkkarten und kann sich deshalb mit mehreren Netzwerken gleichzeitig verbinden. So kann er zum Beispiel eine Nachricht bekommen, die von einem Gerät in Netzwerk A kommt und diese an ein Gerät in Netzwerk B senden.
• Redundanz liegt dann vor, wenn bestimmte Elemente mehrfach vorhanden sind, von denen eigentlich nur eines nötig wäre. Manchmal nennt man etwas redundant, um darauf hinzuweisen, dass es überflüssig ist. Aber in vielen Fällen ist Redundanz gewollt. Zum Beispiel für die Sicherheit: Am Fahrrad wollen wir nicht nur eine Bremse haben – auch wenn eine Bremse meistens reichen würde: Was passiert wenn die eine Bremse plötzlich ausfällt und wir gerade einen Steilhang hinunter fahren? Auch die Zuverlässigkeit wird oft besser dank redundanter Systeme: Heute führen mehrere Eisenbahntunnel durch den Gotthard. Wenn eines gesperrt ist, können durch die anderen weiterhin Güter und Personen transportiert werden. Auch im Internet wird die Zuverlässigkeit besser, wenn mehrere Pfade zwischen zwei Geräten bestehen. Im Internet kann Redundanz ausserdem eine bessere Leistung (eine höhere Bandbreite) bewirken: Wenn mehrere Pfade zwischen zwei Geräten bestehen, können Daten auch dann schnell übermittelt werden, wenn einzelne Verbindungen überlastet sind.

• beschreiben, wie Daten im Internet in Form von Paketen übertragen werden:
  • die Besonderheiten der Paketübertragung nennen (variable Wege, dezentral gesteuert),
  • erklären, wie selbst grosse Dateien (wie Bilder oder Videos) zuverlässig übertragen werden können, obwohl manche Pakete in falscher Reihenfolge oder gar nicht ankommen und
  • Unterschiede zwischen den Protokollen UDP und TCP nennen.
• Die Begriffe Paket und Metadaten erklären.

• Internet-Simulator (V4)
• Video "The Internet: Packets, Routing & Reliability"
• Folien zu Pakete

• Ein Paket ist eine Datenmenge von bestimmter Grösse, die auf einmal übermittelt wird. Das Paket besteht aus den Daten, die es transportiert und aus Metadaten. Grössere Nachrichten oder Dateien werden in mehrere Pakete aufgeteilt und damit sozusagen in Eintelteilen übermittelt, die am anderen Ende wieder zusammengesetzt werden müssen.
• Metadaten sind Daten über Daten – also Daten, die Informationen über Merkmale anderer Daten enthalten. Bei Paketen, die im Internet übermittelt werden, sind das zum Beispiel die IP-Adressen (vom Ursprungs- und Zielgerät) oder die Paketnummer und Paket-Anzahl.

• die Begriffe DNS und HTTP und Skalierbarkeit erklären.
• erklären, wie der Aufbau des DNS zur Skalierbarkeit des Internets beiträgt.
• erklären, wie HTTP genutzt wird, um Webseiten und Dateien auszutauschen.
• die einzelnen Schritte eines Webseiten-Aufrufs auf der Anwendungsschicht (siehe Schichtenmodell) beschreiben.

• Internet-Simulator (V5)
• Video "The Internet: IP Addresses & DNS"
• Video "The Internet: HTTP & HTML"
• Folien zu DNS und HTTP

• Damit jeder Client im Netz sich mit den gesuchten Servern verbinden kann, muss er deren IP-Adresse nachschauen können. Es braucht eine Art Telefonbuch, wo jeder Client zum Beispiel nachschauen kann: „Was ist die IP-Adresse von duden.de?“. Aber IP-Adressen von Geräten können sich ändern. Das Telefonbuch muss also stetig aktualisiert werden. DNS steht für Domain Name System. Dieses System dient dazu, die IP-Adressen sämtlicher Domain-Namen zu speichern und aktuell zu halten. Es besteht aus zahlreichen DNS-Servern, die weltweit hierarchisch organisiert sind und aus dem DNS-Protokoll, das regelt, wie DNS-Anfragen erfolgen müssen und beantwortet werden.
• HTTP steht für HyperText Transfer Protocol. Dieses Protokoll regelt, wie der Datenaustausch zum Laden von Webseiten und deren Inhalten erfolgen muss.
• Das Internet ist so gestaltet, dass es nicht von wenigen einzelnen Geräten abhängt: Es wird nicht von einer Zentrale gesteuert und es gibt keinen Ort, wo alle Daten zusammenkommen. Stattdessen besteht das Internet erstens aus zahlreichen Protokollen, zweitens aus zahlreichen Geräten. Die Protokolle regeln auf mehreren Schichten, wie die Daten übermittelt werden müssen, damit die Geräte sich gegenseitig verstehen. Damit Clients mit Servern und Clients untereinander Daten austauschen können, braucht es Router, die die Daten weiterleiten und DNS-Server, die Auskünfte über die aktuellen IP-Adressen geben. Das Internet ist skalierbar gestaltet: Es kann beliebig vergrössert werden. Es können beliebig viele Router und DNS-Server hinzukommen: Das Internet wird dadurch noch zuverlässiger.

• die vier Schichten von Internet-Protokollen (TCP-IP-Modell) inkl. wichtiger Protokolle nennen.
• erklären, wie diese Schichten von Internet-Protokollen aufeinander bauen.
• die Begriffe Paketstrom und World Wide Web (als Teil des Internets) erklären.

• Folien zum Schichtenmodell

• Die Protokolle der Transportschicht, UDP und TCP, stellen einen Paketstrom (oder Datenstrom) zwischen zwei Endgeräten her: Sie sorgen dafür, dass Daten vom Ursprungsgerät in Pakete „verpackt“, dann zum Zielgerät transportiert und dort wieder entpackt werden. (Im Falle von TCP wird auch sichergestellt, dass wirklich alle Pakete ankommen und die Reihenfolge stimmt.) Dieser Paketstrom oder Datenstrom wirkt aus Sicht der darüber liegenden Anwendungsschicht wie eine direkte Verbindung zwischen den beiden Geräten. Für weitere Informationen zu den Schichten: Siehe Folien.
• Das World Wide Web ist ein Bereich des Internets: Wenn du mit deinem Browser (Chrome, Safari, Firefox etc.) Webseiten im Internet besuchts, befindest du dich im World Wide Web. HTTP und HTML sind wesentliche Bestandteile des World Wide Web. Das Internet ist aber mehr als das World Wide Web: Wenn du zum Beispiel Nachrichten über WhatsApp sendest, nutzt du das Internet, nicht aber das World Wide Web. Auch E-Mail-Programme tauschen Nachrichten über das Internet aus: Sie nutzen das Protokoll SMTP und sind nicht Teil des World Wide Web.