\documentclass[11pt,ngerman]{scrartcl}
\usepackage[utf8]{inputenc}
\usepackage[usenames,dvipsnames,pdftex]{xcolor}
\usepackage{schulinf}

\usepackage[headsepline]{scrpage2}
\pagestyle{scrheadings}

% Dieses Dokument ist in der Zusammenarbeit von Informatikreferendaren und
% ehemaligen Informatikreferendaren der Studienseminare (heute ZfsL) Arnsberg,
% Hamm und Solingen entstanden.
%
% Das Dokument steht unter der Lizenz: Creative Commons by-nc-sa Version 4.0
% http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de
%
% Nach dieser Lizenz darf das Dokument beliebig kopiert und bearbeitet werden,
% sofern das Folgeprodukt wiederum unter gleichen Lizenzbedingungen vertrieben
% und auf die ursprünglichen Urheber verwiesen wird.
% Eine kommerzielle Nutzung ist ausdrücklich ausgeschlossen.
%
% Die Namensnennung durch einen Verweis und die Lizenzangabe der ursprünglichen
% Urheber auf den Materialien für Schülerinnen und Schüler ist erforderlich.
%
% Die Sammlung der Dokumente steht unter
% http://ddi.uni-wuppertal.de/material/materialsammlung/
% zur Verfügung.
%
% Das LaTeX-Paket zum Setzen der Dokumente der Sammlung steht
% unter  http://www.ctan.org/pkg/schule
% zur Verfügung.

\usepackage[pdfauthor={Referendare der Informatikfachseminare Arnsberg, Hamm und Solingen}]{hyperref}
\includexmp{lizenz}
\cclizenz{byncsaeu}
\footerQRLink{materialsammlung_qr_url.pdf}

\svnid{$Id: Paketierung.tex 1456 2016-03-23 07:49:26Z pieper $}

\usepackage[ngerman=ngerman-x-latest]{hyphsubst}

\usepackage{comment}
\usepackage[a4paper]{geometry} % to change the page dimensions
\usepackage{graphicx}
\parindent 0pt
\usepackage{tikz}
\usetikzlibrary{arrows,shapes,backgrounds,calc}
\usepackage{keyval}
\usepackage{ifthen}
\usepackage{pdflscape}
\usepackage{rotating}
\usepackage{caption}
\usepackage{subcaption}

\usepackage{prettyref}
\usepackage{hyperref}
\definecolor{LinkColor}{rgb}{0,0,0}
\hypersetup{
        pdftitle = {Paketierung},
        pdfsubject = {},
        pdfauthor = {Adrian Salamon, André Hilbig},
        bookmarksnumbered = true,
        bookmarksopen = false,
        colorlinks = false,
        hypertexnames = true,
        a4paper = true,
        colorlinks=true,%
        linkcolor=LinkColor,%
        filecolor=LinkColor,%
        citecolor=LinkColor,
        menucolor=LinkColor,%
        urlcolor=LinkColor,
        breaklinks=true 
}
\usepackage{nameref}

\usepackage[natbib=true, bibstyle=verbose, citestyle=authoryear-ibid, ibidtracker=context,
						backend=biber]{biblatex} 
\renewcommand{\cite}{\parencite}
\renewcommand*{\bibleftparen}{[} 
\renewcommand*{\bibrightparen}{]\midsentence}
\renewcommand*{\mkbibnamelast}{\textsc}

\usepackage{placeins}
\defbibheading{weiter}{\FloatBarrier\addsec{Weiterführende Literatur}}
\bibliography{quellen}

%%% Für Abschnitte %%%
\newrefformat{sec}{Abschnitt~\ref{#1} \textit{\nameref{#1}}, S.~\pageref{#1}}
\newrefformat{anh}{S.~\pageref{#1}}
%%% Für Abbildungen %%%
\newrefformat{fig}{Abb.~\ref{#1}}
%%% Für Tabellen %%%
\newrefformat{tab}{Tab.~\ref{#1}}

\usepackage{todonotes}
\newcommand{\adrian}[1]{\todo[inline, color=green!40, author=Adrian]{#1}}
\newcommand{\andre}[1]{\todo[inline, color=blue!20, author=André]{#1}}

\usepackage{schule,schulinf}
\renewcommand{\SuSn}{Sch\-\"uler\-in\-nen und Sch\"u\-lern\xspace}

\usepackage[german=guillemets]{csquotes}

\makeatletter
\newcommand*\addsubsec{\secdef\@addsubsec\@saddsubsec}
\newcommand*{\@addsubsec}{}
\def\@addsubsec[#1]#2{\subsection*{#2}\addcontentsline{toc}{subsection}{#1}
  \if@twoside\ifx\@mkboth\markboth\markright{#1}\fi\fi
}
\newcommand*{\@saddsubsec}[1]{\subsection*{#1}\@mkboth{}{}}
\makeatother


\newboolean{tikzpics}
\setboolean{tikzpics}{false}

% Hier werden Befehle zum Setzen der Materialien geladen
\input{parameterised-pig}
	\newcounter{density}
	\newboolean{rahmen}
% -----------------------------------------------------

\title{Modulbeschreibung: Paketierung}
\author{Adrian Salamon, André Hilbig}
\date{\today} 

\begin{document}
\maketitle

\abstract{In diesem Modul zur \enquote{Paketierung} werden große Datenmengen zur Übertragung in
				kleine Pakete aufgeteilt. Die Kommunikationspartner sollen sich dabei nicht direkt  
				sehen oder hören können, so dass die Übertragungsstrategie (Protokoll) von den \SuSn im Vorfeld 
festgelegt werden muss.}

\tableofcontents
\listoffigures

\section{Modulbeschreibung}
	\subsection{Problemstellung} 
		
		Zentral ist die Aufgabe, eine Nachricht (Brieftext, Bild, Notenpapier etc.) zwischen zwei
		Kommunikationspartnern zu übertragen, ohne eine direkte verbale oder visuelle Kommunikation
		durch Mimik, Gestik, Sprache usw. durchzuführen. Bewusst wird hier nicht auf Daten(strukturen)
		oder Dateien eingegangen, sondern der Übertragungsprozess beliebiger Daten in den Mittelpunkt
		gerückt. Im weiteren Verlauf dieses Moduls werden beispielhaft Bilder zur Übertragung verwendet
		-- dies kann je nach Bedarf abgewandelt werden. 
		
		Die Übertragung der Daten soll in einer Art \enquote{Briefübertragungs"~Kon"-text} ablaufen. Als Einschränkung gibt 
		die Post vor, dass nur kleine Briefumschläge verwendet werden dürfen und ihr Inhalt darf 
		ein bestimmtes Gewicht bzw.	Volumen\footnote{Das Gewicht bzw. Volumen sollte vor der 
		Durchführung angegeben werden. Die Einschränkung soll dazu führen, dass das Bild nicht 
		als Ganzes übertragen werden kann, sondern die \SuS eine geeignete Möglichkeit finden
		müssen das Bild möglicherweise geteilt zu übertragen. Damit wird die gesamte Datenmenge eines
		Bildes auf mehrere kleinere Einheiten aufgeteilt.} 
		nicht übersteigen.
		%Wie können wir das große A4 Papier dennoch übermitteln?

	\subsection{Einsatz im Unterricht}
		In \prettyref{sec:loesungsdimensionen} wird beschrieben, dass innerhalb dieses Moduls eine
		große Vielfalt an möglichen Lösungen gegeben ist. Daher bietet es sich an, den \SuSn
		eine beliebig freie Aufgabenstellung, z.\,B. durch einen geeigneten Impuls motiviert, 
		bearbeiten zu lassen. Dabei sollten die beschriebenen Lösungsdimensionen beachtet und je nach
		Lerngruppe überarbeitet werden.  

		In \prettyref{sec:durchfuehrung} wird eine geführte, schrittweise Erarbeitung  vorgeschlagen.
		Als positiven Nebeneffekt erarbeiten die	\SuS dadurch auch ein fundiertes Verständnis
		unterschiedlicher Ideen bzw. Konzepte, wie die Paketierung in realen Situationen (UDP, TCP)
		umgesetzt ist. So können die \SuS auch entsprechend sensibilisiert werden, für Problematiken im
		Umgang mit verschiedenen Protokollen zur Übertragung von Daten in Netzwerken.

  	Die entwickelten Konzepte zur Paketierung müssen in Verbindung mit der gesamten 
		Unterrichtseinheit zum Internet gesetzt werden. Insbesondere ist hier das Routing 
		wichtig, das den Weg der Datenpakete bei der eigentliche Übertragung beschreibt. Beide zuvor
		beschriebenen Einsatzmöglichkeiten dieses Moduls können eine geeignete Einbindung in die gesamte
		Einheit ermöglichen.
		
	\subsection{Lösungsdimensionen}\label{sec:loesungsdimensionen}
		Die \SuS sollen aktiv modellieren und keine fertige Lösung vorgesetzt bekommen. Das Modul hat
		zwar als Ziel, dass eine Methode gefunden wird, durch die große Datenvolumina in kleinere Einheiten
		gesplittet und wieder zusammengesetzt werden können, aber muss nicht zwangsläufig ein Modell
		nahe an der Paketierung von Dateien in real existierenden Verfahren liefern. Daher sind die hier
		aufgeführten Lösungen nur als mögliche Ideen bzw. Ansätze anzusehen. Ziel ist es, dass das Problem 
		unter	Beachtung der Einschränkungen von den \SuSn gelöst wird.

		%\adrian{Weniger: Was wäre eine Lösung. Mehr: Die SuS sollen das und das tun.}
		%\andre{Hier sollen nur die Dimensionen des Problems deutlich werden, nicht die Lösungen erklärt
		%				werden. Ich würde hier um den Einstieg mit einem Impuls erweitern und auf die Anleitung
		%weiter unten als konkrete Umsetzung verweisen.}
		Eine einfache Lösung wäre, das Bild zu zerschneiden und in mehreren Briefumschlägen zu versenden. Der 
		Empfänger kann es aus den Einzelteilen wie ein Puzzle zusammensetzen. Denkbar wäre auch,
		dass eine Art Anleitung zum Malen des Bildes erstellt wird und in mehreren Briefen verschickt
		wird.
		
		In \prettyref{fig:beispielbilder} ist anhand von Beispielbildern das Zerschneiden schematisch
		dargestellt. Druckvorlagen der Bilder können ab S.\,\pageref{anh:material} mit und ohne Rahmen
		entnommen werden. Falls ein Drucker verwendet wird, der keinen \textit{randlosen} Druck
		unterstützt, muss in den Druckeinstellungen evtl. auf eine geeignete Skalierung geachtet
		werden.

		Innerhalb dieser Arbeit soll unter einem Paket die Bündelung von Daten (und prinzipiell auch
		Metadaten, vgl. \prettyref{sec:drittephase}) in eine Struktur, deren maximale Datenmenge
		begrenzt ist, verstanden werden (vgl. \cite[S.\,104]{Comer2002}). Dabei wird die maximale
		Datenmenge durch die kleinen Briefumschläge verdeutlicht bzw. definiert. 
		Sofern Pakete im Kontext des TCP/IP-Referenzmodells betrachtet werden, wird auch von
		sogenannten Datagrammen gesprochen (vgl. \cite[S.\,73ff]{Tanenbaum2003}). In der Literatur wird
		typischerweise zwischen dem allgemeinen Begriff Paket und der speziellen Bezeichnung Rahmen 
		unterschieden. Durch die physikalischen Voraussetzungen einer konkreten Netzwerkarchitektur,
		entstehen auch Vorgaben an die Größe der übertragbaren Datenmenge eines Pakets. Sofern diese
		Datenmenge explizit vorgegeben wird, wird von (Hardware-)Rahmen gesprochen (vgl.
		\cite[S.\,104]{Comer2002}). In der beispielhaften Übertragung von Daten mittels Briefumschlägen
		werden ebenfalls genaue Vorgaben durch die geometrische Größe der Umschläge vereinbart. Daher
		werden die Daten nicht nur in Pakete, deren maximale Datenmenge theoretisch auch der zu
		übertragenden Datenmenge entsprechen könnte, sondern auch auf einzelne Rahmen aufgeteilt (vgl.
		\cite[S.\,107ff]{Comer2002}). 

		\begin{figure}[h!]
			\centering
			\resizebox{0.9\textwidth}{!}{
			 \ifthenelse{\boolean{tikzpics}}{
				\input{tb_paketierungohnepruef}
			 }{
				\includegraphics{tb_paketierungohnepruef.pdf}
			 }
			}
			\caption{Schematische Übertragung einer Papierseite mittels mehrerer Briefe}
			\label{fig:schematischeUebertragung}
		\end{figure}

		Hauptsächlich sollen sich die \SuS mit der Paketierung auseinandersetzen. Die spielerische
		Situation macht es allerdings notwendig, dass bestimmte Regeln zur Übertragung festgelegt bzw.
		abgesprochen werden. Das entspricht prinzipiell einem Protokoll (vgl.
		\cite[S.\,27]{Tanenbaum2003}). Auch wenn im weiteren Verlauf dieser Arbeit einzelne Aspekte der
		Protokolle innerhalb des TCP/IP-Referenzmodells verdeutlicht werden, kann das Prinzip eines
		Schichtenmodells hiermit nicht erklärt oder veranschaulicht werden. Lediglich grundlegende
		Überlegungen zu Verbindungen, Übertragungsfehlern etc. können herausgestellt werden (vgl.
		\cite[S.\,32ff]{Tanenbaum2003}). Da im beschriebenem Planspiel kein komplexes Schichtenmodell
		benutzt wird, gibt es nicht mehrere abhängige Protokolle, die in einem Paket gebündelt werden
		müssten. Daher wird auf die Differenzierung zwischen Paket und (Hardware-)Rahmen verzichtet.
		
		Für weiterführende Hinweise sei auf entsprechende Fachliteratur, etwa
		\parencites[Kap.\,2]{Tanenbaum2003}[Kap.\,7]{Comer2002}, verwiesen. Für fachdidaktische
		Ausführungen kann \cite[Kap.\,3--4]{Freischlad2010} empfohlen werden.

		\begin{figure}[h!]
			\centering
			\input{material-uebersicht}
			\caption[Beispielhafte Bilder mit Rahmen zum Zerschneiden, die zur Übertragung verwendet
			werden können.]{Beispielhafte Bilder mit Rahmen zum Zerschneiden, die zur Übertragung verwendet
			werden können}
			\label{fig:beispielbilder}
		\end{figure}


	\subsection{Kompetenzen}
		Im Folgenden werden die in diesem Modul zu erreichenden Kompetenzen in Anlehnung an die
		Bildungsstandards für das Fach Informatik (vgl. \cite{Bildungsstandards}) spezifiziert.
		\subsubsection[Inhaltsbereiche]{Inhaltsbereiche\footcite[Vgl. zu Inhaltsbereichen][S.\,12f]{Bildungsstandards}}
			\SuS \ldots
			\begin{itemize}
				\item verstehen Operationen auf Daten und interpretieren diese in Bezug auf die
								dargestellte Information.
				\item führen Operationen auf Daten sachgerecht durch.
				\item entwerfen und realisieren Algorithmen und stellen diese geeignet dar
								(vgl.\,a. \cite[S.\,16]{Bildungsstandards}).
				\item arbeiten in Netzen (vgl. \cite[S.\,17]{Bildungsstandards}).
			\end{itemize}
		\subsubsection[Prozessbereiche]{Prozessbereiche\footcite[Vgl. zu Prozessbereichen][S.\,13]{Bildungsstandards}}
			\SuS \ldots
			\begin{itemize}
				\item erstellen informatische Modelle zu gegebenen Sachverhalten.
				\item implementieren Modelle mit geeigneten Werkzeugen.
				\item reflektieren Modelle und deren Implementierung. \SuS
					\begin{itemize}
						\item beobachten die Auswirkungen von Änderungen am Modell und
						\item beurteilen Modell und Implementierung (vgl. \cite[S.\,19]{Bildungsstandards}).
					\end{itemize}
				\item stellen Fragen und äußern Vermutungen über informatische Sachverhalte.
				\item kooperieren bei der Lösung informatischer Probleme.
			\end{itemize}

%		\subsubsection{Konkrete Ziele des Moduls}
%			\begin{itemize}
%				\item Die \SuS entwickeln ein Verfahren, um große Datenmengen zerteilen und wieder
%								zusammensetzen zu können.
%				\item Die \SuS benennen Grenzen und Probleme des gefundenen Modells.
%				\item Die \SuS definieren das (Fach)Konzept der Paketierung zur Übertragung von
%				Daten in Netzwerken.
%				\item Die \SuS verstehen Grundzüge realer Umsetzungen der Paketierung (z.\,B. TCP, UDP) in
%								Netzwerken und ziehen Vergleiche zu ihrem eigenen Verfahren.
%			\end{itemize}

	\subsection{Voraussetzungen der \SuS}\label{sec:voraussetzungen}
		\begin{itemize}
			\item Das Modul Paketierung setzt bereits ein grundlegendes Verständnis über Daten,
							verschiedene Darstellungsformen von Daten und die Abgrenzung zur Bedeutung voraus
							(vgl. \cite[S.\,14]{Bildungsstandards}). Damit der Transfer zu entsprechenden
							(realen) Kontexten gelingt, sollte deutlich werden, dass das Bild letztlich nur ein
							Stellvertreter für beliebige mögliche Daten ist. 
							
			\item In diesem Modul sollen die \SuS ein Verfahren zur Aufteilung großer Datenmengen in
							kleinere Teile entwickeln und dokumentieren. Implizit setzen sich die \SuS aber auch
							mit verschiedenen Arten von Daten auseinander. Eine der zuvor vorgestellten
							Lösungsansätze beschreibt das Zerschneiden und nachträgliche Zusammensetzen des
							Bildes.  Prinzipiell wird eine Datenstruktur modelliert, um das \enquote{Splitten} des
							Bildes in kleinere Einheiten zu erreichen.
		\end{itemize}

	\subsection{Informatischer Gedanke}
  Den \SuSn soll der Sinn und die Notwendigkeit der Paketierung von Daten bewusst werden. Dafür wird ein künstlicher 
	Kontext geschaffen, in dem eine Datenübertragung modelliert werden soll. Dabei 
	sollen die zu übertragenden Daten auf ein konkretes Anwendungsbeispiel, wie etwa ein Bild,
	reduziert werden. Dadurch wird die Komplexität unterschiedlicher Datentypen und Protokolle
	vereinfacht.

  Die \SuS sollten selbstständig eine Idee entwickeln, um das gegebene Problem zu lösen.
	Dabei sollte die Lehrkraft nur geringfügig kontrollierend eingreifen. Die im nächsten Abschnitt 
	beschriebenen Phasen stellen einen Vorschlag für eine strukturierte Bearbeitung des 
	Moduls dar und skizzieren mögliche zentrale Fragestellungen und Probleme. In jedem Fall	sollte
	die Strukturierung an die Voraussetzungen der eigenen Lerngruppe und -ziele angepasst werden.
	Innerhalb der einzelnen Phasen sollen die \SuS zunächst entwickeln, dann testen und am Ende
	reflektieren. Damit vollziehen sie zentrale Aspekte der informatischen Modellierung.

\section{Durchführung}\label{sec:durchfuehrung}
	Das Planspiel kann, wie im Folgenden beschrieben, in mehrere Phasen aufgeteilt werden.
	Grundlegend ist jedoch immer ein zentrales \enquote{Spielszenario} zur eigentlichen Übertragung:
	Es werden Schülergruppen von mindestens drei \SuSn gebildet. Jede Gruppe erhält ein Blatt
	Papier\footnote{Im Rahmen der Durchführung muss das verwendete Medium keine besondere Größe haben.
	Es sollte lediglich mindestens so groß sein, dass bei der Übertragung mit einem zu kleinen Träger
	tatsächlich eine Aufteilung erforderlich wird. Unterschiedliche Größen könnten indes die
	Anforderungen an das zu findende Verfahren noch erweitern, da das Ende einer Übertragung nicht
	absehbar ist, sofern die Länge bzw. Menge der zu empfangenden Daten nicht bekannt ist (vgl.
	\prettyref{sec:reflexion1}).} mit Bild. Die \SuS sollen die Seite mit der zuvor gefundenen oder
	verbesserten Methode an eine andere Gruppe übertragen.  Außerdem müssen sie aus den empfangenen
	Daten einer anderen Gruppe das ursprüngliche	Bild zusammensetzen. Je eine Person aus jeder Gruppe
	wird bestimmt, die pro Übertragungsschritt nur einen Umschlag überbringen darf. Die Gruppen
	wechseln sich mit der Übertragung ab -- es findet keine parallele Übertragung statt. Die Gruppen
	dürfen während der Übertragung untereinander keinerlei Kommunikation -- weder verbal noch
	nonverbal -- durchführen. 
	%(Dauer bis ein Bild komplett übertragen wurde: ca. 5 min.)

  Um einen möglichst \enquote{geordneten} Ablauf auch in großen Klassen durchzuführen, setzen sich die 
	jeweils miteinander kommunizierenden Gruppen gegenüber. Die Lehrkraft sollte auf die Einhaltung
	der Regeln achten.

  Jede Phase ist zusammengesetzt aus einem gemeinsamen Entwicklungsprozess, dem praktischen Testen 
	in den Gruppen und der Reflexion. Jeweils zwei Gruppen beschreiben Problemstellung, Anforderungen
	und Ideen, um ein Verfahren zur Problemlösung zu entwickeln. Sofern sich die Gruppen auf ein
	Verfahren einigen konnten, testen sie dieses. In dieser Testphase \enquote{spielen} sie das
	beschriebene Szenario der Übertragung durch. Am Ende sollten die \SuS überlegen, welche neuen
	Probleme oder Ideen sich ergeben haben. Hier könnte die Lehrkraft zentrale Fragen vorgeben, etwa
	\enquote{Was hat gut geklappt? -- Was hat eher nicht geklappt? -- Woran könnte es gelegen haben?
	-- Habt ihr weitere Ideen?} Mit den neuen Ideen kann in der nächsten Modellierung eine
	Verbesserung erreicht werden. Bei Bedarf sollte die Lehrkraft auch selbst Impulse oder Ideen in
	die Gruppenarbeit geben.

	\textbf{Wichtig:} Eine Strukturierung der Bearbeitung, wie sie hier vorgestellt wird, ist nicht
	als einzig richtiger Weg anzusehen. Je nach Lerngruppe können andere Gruppengrößen oder auch
	andere Methoden der Modellierung gewählt werden. Auch die Zielsetzungen der Phasen können
	angepasst oder verworfen werden. Gerade der zu jeder Phase angegebene \textit{informatische
	Hintergrund} kann mit den \SuSn besprochen werden. So werden auch grundlegende Ideen von
	\textit{UDP} und \textit{TCP} diskutiert.

	\subsection{Benötigtes Material}
		\begin{itemize}
			\item Bleistift, Radiergummi, evtl. Schere
			\item Briefumschläge
			\item Bilder
			\item Optional: Vorgeschnittene Bilder mit fehlerhaften Teilen
		\end{itemize}

  \subsection{Erste Phase}
    \subsubsection{Entwicklung}
      Die simpelste Idee könnte das Zerschneiden eines großen Bildes in kleine Teile sein. Die
			kleinen Teile werden dann \textit{wahllos} nacheinander übertragen.
    \subsubsection{Test}
      Bei der Umsetzung kann die Lehrkraft zusätzliche Schwierigkeiten einbauen, z.\,B. eine
			Zeitvorgabe. Außerdem könnte die Lehrkraft kleine Kästen vorbereiten, in denen die Bilder mit 
			zusätzlichen Fehlern, wie z.B. falschen Quadraten oder fehlenden Teilen, klein geschnitten 
			sind. Wichtig könnte in diesem Zusammenhang die Vorgabe sein, dass 
			Teile sofort nach dem Erhalt fest platziert werden müssen und danach nicht mehr verschoben werden dürfen.
    \subsubsection{Reflexion}\label{sec:reflexion1}
      Um auf die nächste Phase aufzubauen, sollten folgende Fragestellungen bzw. Impulse von den
			\SuSn erkannt werden:
      \begin{itemize}
       \item Wir wissen nicht, welches Teil wohin gehört.
			 \item Wir wissen nicht, wie die Teile ausgerichtet bzw. gedreht werden müssen.
			 \item Sofern Fehler eingestreut wurden, können wir zwischen falschen und richtigen Teilen unterscheiden. 
       \item Wir wissen nicht, wann das Bild vollständig ist, da die Größe nicht bekannt ist.
							 Wenn unterschiedlich große Bilder verwendet werden, dann können wir die tatsächliche Größe nur vermuten.
      \end{itemize}
    \subsubsection{Informatischer Hintergrund}
      Hier wird eine klare Reduzierung vorgenommen. Das Hauptproblem erscheint zunächst die
			Platzierung der Einzelteile zu sein. Ähnlich wie bei einem Puzzle ist nicht klar, welche Teile
			an welche Stelle gesetzt werden müssen. Die \SuS haben auch kein Kontrollbild, wie bei einem
			Puzzle, um zielsicher \enquote{raten} zu können. Um das Problem der Platzierung noch zu verstärken, 
			können Vorgaben wie eine feste Platzierung aller Teile direkt beim Erhalt oder bewusste Fehlerquadrate 
			gemacht werden. Allerdings könnte es sein, dass den \SuSn diese Vorgaben während des Spiels nicht 
%							kleinere Teile entwickeln und dokumentieren. Implizit setzen sich die \SuS aber auch mit verschiedenen Arten von
%							Daten auseinander. Eine der zuvor vorgestellten Lösungsansätze beschreibt das
%							Zerschneiden und nachträgliche Zusammensetzen des Bildes.  Prinzipiell wird eine
%							Datenstruktur modelliert, um das \enquote{Splitten} des Bildes in kleinere Einheiten
%							zu erreichen.
			verständlich erscheinen. \enquote{Warum legt der Lehrer absichtlich Fehler hinein, ich erkenne 
			doch bei der Übertragung, dass dieses Teil falsch ist?}. Außerdem existiert nur bedingt ein
			Realitätsbezug für solche aktiven Einschränkungen. 
			
			Letztlich müssen die \SuS wie \enquote{dumme} Maschinen spielen, für die jedes Teil gleich
			aussieht. Menschen glauben allerdings Strukturen etc. zu erkennen und so aus Einzelteilen
			durch Interpretation das richtige Ursprungsbild zu erstellen. Dass Maschinen ohne explizite
			Anweisungen eine solche Leistung nicht automatisiert vollbringen können, kann überraschend
			sein. Es ist eine wichtige Erkenntnis, dass Informatiksysteme durch technische Probleme immer
			gezwungen sind, Fehler zu erkennen.	

			Im Prinzip wird innerhalb der ersten Phase eine Art primitives \textit{UDP} eingesetzt. Alle
			Pakete werden einfach	ungeordnet gesendet	und Fehler oder auch das nicht Ankommen von Daten 
			(Zeitlimit) wird in Kauf genommen. Zwischen verbindungsloser und -orientierter Übertragung
			wird nicht unterschieden.

  \subsection{Zweite Phase}
    \subsubsection{Modellierung}
      Jetzt sollen die Probleme der vorhergegangenen Phase behoben werden. In den folgenden
			Ausführungen wird eine Idee beispielhaft erläutert.
      \begin{itemize}
       \item Um die Teile genau zuordnen zu können, müssen sie eindeutig nummeriert werden. 
							 Hier braucht es ein Konzept, auf das sich beide Gruppen verständigen. Zum 
							 Beispiel das Durchnummerieren von der linken oberen Ecke Teil 1, dann weiter 
							 von links nach rechts bis unten rechts Teil $N$. Es wäre auch eine Schachbrett"~Matrix 
							 ($A1$, $C4$) denkbar.
			 \item Um die Teile richtig ausrichten zu können, muss eine Möglichkeit gefunden werden, die
			 Orientierung, etwa durch einen Pfeil auf der Rückseite, zu markieren. 
       \item Um nachvollziehen zu können, dass ein Teil falsch ist, wird ein verkleinertes Prüfbild 
							 übertragen. Dies könnte eine Miniatur-Abbildung des Originalbildes sein (vgl. dazu 
							 die Problematiken beschrieben in \ref{sec: informatik2}).
       \item Auf eine Karte wird z.\,B. die Größe des Bildes in der Form $n\times m$ notiert, um zu 
							 wissen welches Teil das letzte der Zeile ist. Oder ein zusätzliches Teil zeigt das Ende 
							 der Übertragung an. So kann die Integrität des Konzeptes einer Nummerierung zur
							 richtigen Platzierung gewährleistet werden.
			 \item Um die Platzierung der Einzelteile zu beschleunigen, werden die Teile direkt in der 
							 richtigen Reihenfolge übertragen. 
							 %(Eine solche geordnete Übertragung könnte auch
							 %selbst bei geeigneter Umsetzung eine Lösung des Platzierungsproblems darstellen.) 
      \end{itemize}
    \subsubsection{Praxis}
      Hier muss nun darauf geachtet werden, wie sich die Gruppen untereinander auf ein Konzept einigen. 
			Gerade was die Nummerierung angeht, kann eventuell erwogen werden, für die gesamte Klasse ein
			einheitliches Verfahren vorzugeben.
    \subsubsection{Reflexion}
		Zunächst sollte deutlich werden, dass durch das eindeutige Platzierungssystem das Bild 
		\textit{automatisch} richtig aufgebaut wird. Die Reflexion sollte vor allem die
		Unterschiede zur ersten Phase deutlich machen und mögliche Nachteile klar aufzeigen.
      \begin{itemize}
			 \item Wesentlich höherer Aufwand als bei der ungeordneten Übertragung (langsamer).
						Eventuell schaffen die \SuS es aber auch schneller, da nicht mehr aufwendig
							überlegt werden muss, wo welches Teil platziert wird.
       \item Wir wissen nicht, ob unser Bild bei der anderen Gruppe korrekt zusammengesetzt wurde. 
							 Zwar kann der Empfänger erkennen, dass ein Teil falsch war, aber er kann es nicht korrigieren.
      % \item \ldots
      \end{itemize}
    \subsubsection{Informatischer Hintergrund}\label{sec: informatik2}
			Durch die Nummerierung der Einzelteile wird eine vereinfachte Variante von \textit{TCP}
			verdeutlicht. Einzelteile sind also genau ihrer Platzierung zuzuordnen und können auch
			vermischt übertragen werden. Die \SuS sollten sowohl die Vorteile als auch mögliche 
			Nachteile, der Varianten aus der ersten und zweiten Phase, erkennen.	
			
			Warum haben beide Varianten ihre Berechtigung? 
			\begin{itemize}
				\item Bei bestimmten Medien könnten kleinere Fehler nicht auffallen (Videos, usw.).
				\item Andere Medien brauchen eine hohe Korrektheit und schon kleinere Fehler fallen auf, so
								dass sämtliche Pakete in der richtigen Reihenfolge empfangen werden müssen (Texte,
								usw.).
			\end{itemize}
      
			Das größte Problem in dieser Phase ist der (verfälschte) Realitätsbezug. Im beschriebenen
			Lösungsvorschlag wird eigentlich das Konzept eines Puzzles benutzt, da es in der Lebenswelt
			der \SuS bekannt ist. Puzzles haben auf der Vorderseite eine Art \enquote{Prüfbild}, um eine 
			Vorstellung vom Bild zu bekommen. Wem schon einmal zwei verschiedene Puzzles durcheinander 
			gefallen sind, der konnte so mehr oder weniger gut unterscheiden, welches Teil zu welchem 
			Puzzle gehört.

      Die Problematik des Prüfbildes beim Puzzle ist, dass ab einer bestimmten Puzzlegröße die 
			Zuordnung eines einzelnen Teiles zum Gesamtbild schwer fällt. Dieses Problem wird den \SuSn
			womöglich auch bei der in der zweiten Phase durchgeführten Art der Übertragung auffallen. 
			Daher wird ein Konzept des \enquote{Miniaturbildes} in automatisierten Übertragungsprozessen
			nicht zu Erkennung von Fehlern eingesetzt. Um ein Prüfbild verwenden zu können, braucht es
			außerdem wieder menschliche Interpretationskraft und nebenbei die Möglichkeit Daten
			so zu komprimieren, dass sie eine Art detailgetreue Verkleinerung der Ursprungsdaten sind, die
			Vergleiche mit den Originaldaten zulassen. Wenn eine solche Komprimierung möglich wäre, wäre
			die Übertragung der restlichen Teile überflüssig, da aus der Komprimierung die Originaldaten
			wiederhergestellt werden könnten (z.\,B. Audio- oder Bildkomprimierung). Innerhalb dieses
			Moduls soll aber auf die Paketierung besonders Bezug genommen werden. In der Realität werden
			Prüfsummen, die zwar eine Überprüfung auf Korrektheit erlauben, aber keine Rekonstruktion 
			der Ursprungsdaten ermöglichen, verwendet.

	\subsection{Dritte Phase}\label{sec:drittephase}
    \subsubsection{Modellierung}
      In der dritten Phase kann zusätzlich noch stärker auf den Unterschied zwischen verbindungsloser 
			und -orientierter Kommunikation eingegangen werden. Ziel soll es sein das Anfordern fehlender
			bzw. fehlerhafter Teile zu ermöglichen. Zentral für verbindungsorientierte Kommunikation
			sollen die folgenden drei Anforderungen sein:  
      \begin{itemize}
       \item Sender und Empfänger müssen eine Verbindung aufnehmen -- sich also auf Start und Ende der
							 Übertragungen einigen.
       \item Die einzelnen Teile müssen vom Sender zum Empfänger transportiert werden.
			 \item Der Empfänger muss die Möglichkeit haben, dem Sender eine Rückmeldung geben zu können.
							 Daher sollte es möglich sein, Teile anzufordern, fehlerhafte Teile anzuzeigen etc. So
							 kann die Übertragung des gesamten Bildes sichergestellt werden.
      \end{itemize}

			Sicherlich kann je nach Lerngruppe und -situation eine Modellierung, wie in den vorherigen
			Phasen von den \SuSn selbst durchgeführt werden. Hier soll nun eine mögliche Lösung vorgestellt
			werden, da hierfür einige Änderungen am ursprünglichen Spielprinzip nötig sind.

    \subsubsection{Praxis}
      Auf dem Umschlag wird ein Schachbrettmuster gezeichnet (das der Zerschneidung des Bildes 
			entspricht). Es können durchlaufende Zahlen als Einträge oder entsprechende 
			Zeilen- und Spaltennummerierungen gewählt werden. Alternativ kann auch eine Art Notizblock 
			oder ein anderes Medium benutzt werden. Auf verbale Kommunikation sollte jedoch verzichtet
			werden. Wichtig ist, dass es eine Möglichkeit gibt, ein konkretes Teil an einer bestimmten
			Position zu identifizieren.

      Damit die Übertragung kein zu großes Durcheinander wird, könnte erwogen werden, erst nur eine 
			Gruppe übertragen zu lassen und nachdem das gesamte Bild übertragen wurde, die Rollen zu 
			wechseln. Es könnte aber auch weiterhin im parallelen Wechsel gearbeitet werden. Dann sollte 
			jeder der folgenden Schritte von jeder Gruppe abwechselnd ausgeführt werden.
			In \prettyref{fig:verb} sind die entsprechenden Schritte zusätzlich graphisch dargestellt.

      Zu Beginn wird die Verbindung aufgenommen. Der Empfänger kennzeichnet dazu mit einem 
			Bleistift, durch Einkreisen des Feldes, das Teil, welches er als nächstes erhalten möchte, auf
			dem Briefumschlag und bringt diesen leer zum Sender.

      Der Sender steckt das geforderte Teil in den Umschlag	und trägt den Umschlag zurück zum Empfänger. 
			Das empfangene Teil wird herausgenommen und geprüft.
			\begin{itemize}
		  	\item Falls das Teil korrekt ist, wird ein Kreuz durch den Kreis gezeichnet. 
							Das nächste Teil kann nun durch einen Kreis angefordert werden. 
				\item Falls das Teil fehlerhaft war, bleibt der Kreis bestehen.
			\end{itemize}
			Nun trägt der Empfänger erneut den Umschlag zum Sender.	Dieser Vorgang wird wiederholt bis alle Teile 
			mit einem Haken quittiert angenommen wurden.

			\begin{figure}[h!]
			 	\centering
  		 	\begin{subfigure}[b]{0.8\textwidth}
					\centering
					\begin{sequencediagram}
						\newthread{empfaenger}{Empfänger}
						\newinst[2]{sender}{Sender}
						\begin{sdblock}{Loop}{}
							\begin{callself}[2]{empfaenger}{markiereTeil()}{}\end{callself}
							\begin{call}{empfaenger}{trageBriefumschlag()}{sender}{''Nächstes Teil''}\end{call}
							\begin{callself}[2]{empfaenger}{pruefeTeil()}{''neue Markierung''}\end{callself}
						\end{sdblock}
					\end{sequencediagram}
					\caption{Sequenzdiagramm zum Ablauf der verbindungsorientierten Übertragung}
					\label{fig:seqverb}
			 	\end{subfigure}
				\\[0.3cm]
			 	\begin{subfigure}[b]{0.8\textwidth}
					\centering
					\rotatebox{0}{
						\begin{struktogramm}(90,45)
							\assign{pruefeTeil()}
							\ifthenelse{5}{5} {Teil passend?}{Ja}{Nein}
								\assign{Teil platzieren}
								\assign{Kreis wegradieren und abhaken}
								\assign{Nächstes Teil markieren}
							\change
								\assign{Teil verwerfen}
							\ifend
						\end{struktogramm}
					}
					\caption{Struktogramm zum Überprüfen eines empfangenen Teiles}
					\label{fig:strpruef}
			 	\end{subfigure}
			 	\caption{Übersicht über die verbindungsorientierte Übertragung}
			 	\label{fig:verb}
			\end{figure}


    \subsubsection{Reflexion}
      %Es werden nicht mehr nur die eigentlichen Daten übertragen,
			%sondern zusätzlich viele Metadaten. Das Verfahren erfordert mehr Konzentration und Zeit.
      Den \SuSn sollte klar werden, dass keine Verbesserung der Übertragungsqualität erreicht wurde. 
			Es geht nicht mehr darum, die Teile in der richtigen Reihenfolge zu übermitteln oder zu wissen, 
			welche Teile falsch sind. Fehler entstehen noch immer und können nicht verhindert werden. Es 
			wurde aber eine Quittierung und eine Art Metakommunikation zwischen Sender und Empfänger 
			geschaffen. Jetzt ist es nicht mehr wichtig, dass die eigentliche Übertragung ohne Fehler abläuft.

    \subsubsection{Informatischer Hintergrund}
      Mit dieser letzten Phase wird ein weiterer Unterschied zwischen TCP und UDP aufgezeigt. Den
			\SuSn sollte klar werden, dass es bei der Übertragung von Daten nicht nur um den Transport der
			digitalen Daten selbst geht, sondern auch darum, wie der Transport organisiert wird.

			In der Alltagswelt existiert keine direkte verbindungsorientierte (Brief)Kom"-mu"-ni"-ka"-tion. 
			Tatsächlich wird die Verbindung zwischen Person~A und Person~B impliziert 
			korrekt aufgebaut, da Menschen die erhaltenen Daten interpretieren und dadurch in
			einen Kontext einordnen und hinterfragen können. Menschen validieren ihre Kommunikation über
			Verständnis, Analyse und Erfahrung. Eine Maschine kann allerdings nicht zwischen
			\enquote{sinnigen oder unsinnigen} Daten unterscheiden, sondern muss über zusätzliche
			technische Hilfen, Erweiterungen etc. die Kommunikation überprüfen können.
			Durch die letzte Phase wird deutlich, dass eine informatische
			Verbindung eine zweite zusätzliche Kommunikation darstellt, die die Übertragung der
			eigentlichen Daten gewährleisten soll. Durch böswillige Angriffsezenarien könnte jede der
			vorgestellten Lösungen kompromittiert werden -- innerhalb dieses Moduls wird dies nicht
			berücksichtigt.

      Als Abschluss, kann mit den \SuSn über Vor- und Nachteile verbindungsorienterter Kommunikation 
			diskutiert werden. Warum könnte auch eine verbindungslose Kommunikation nützlich sein?
			\begin{itemize}
				\item Bei verbindungsloser Kommunikation werden wesentlich weniger Daten gesendet. Die
								Übertragung kann demnach schneller ablaufen. Video- oder Audioübertragung kann
								einzelne Fehler, die ein Mensch nicht bemerkt, in Kauf nehmen. Wenn die Verbindung
								jedoch dauerhaft stockt oder ausfällt, weil fehlerhafte Pakete neu angefordert
								werden, könnte eine Zeitverschiebung entstehen, die bei einer Liveübertragung
								ungünstig wäre.
				\item Beim Online-Banking muss sicher gestellt werden, dass sämtliche eingegebenen Zahlen,
								wie Kontonummer, Bankleitzahl oder Geldbeträge, richtig übertragen werden. Schon
								kleine Zahlendreher sind nicht zu verschmerzen. Allerdings ist es weniger wichtig,
								ob zwischen dem Senden und dem Empfang der Überweisung einige Sekunden vergehen.		
			\end{itemize}

\section{Reflexion im informatischen Bezug}
  Durch das beschriebene Planspiel soll den \SuSn vermittelt werden, dass Daten nicht als Ganzes
	über ein Netzwerk übertragen werden (können). Dabei werden grundlegend die Konzepte von
	UDP und TCP erarbeitet. Wichtig ist, dass die \SuS frei entwickeln können. Sie setzen 
	selber Ideen um und betrachten mögliche Probleme ihrer Umsetzung.

  Abschließend kann den \SuSn aufgezeigt werden, wo und wie die entwickelten Konzepte in ihrer
	Alltagswelt umgesetzt werden. Es sollte aber in keinem Fall erwartet werden, wissenschaftliche 
	Definitionen von UDP oder TCP zu erarbeiten. Die \SuS sollen das Gefühl bekommen, selber etwas 
	entwickelt zu haben und sich über die Möglichkeiten und Grenzen ihres Konzeptes bewusst sein.

  Die beschriebenen Phasen lassen in kurzen Worten zusammengefasst die Übertragung mit 
	zwei Eigenschaften charakterisieren: Verbindungslos oder verbindungsorientiert, ungeordnet 
	oder geordnet. Diese könnten in einem Tafelbild etwas ausführlicher zusammengefasst werden.

	\sloppy\printbibliography[heading=weiter]

	\addsec{Anhang}
		\addsubsec{Druckvorlagen}
		Den folgenden Seiten können Druckvorlagen für die in \prettyref{fig:beispielbilder} beispielhaft
		abgebildeten Bilder entnommen werden. Die Quellenangaben können S.\,\pageref{fig:beispielbilder}
		entnommen werden.
		

%		\begin{figure}[h!]
%			\centering
%			\resizebox{0.9\textwidth}{!}{
%			 \ifthenelse{\boolean{tikzpics}}{
%				\input{tb_paketierungmitpruef}
%			 }{
%				\includegraphics{tb_paketierungmitpruef.pdf}
%			 }
%			}
%			\caption{Schematische Übertragung einer Papierseite mittels mehrerer Briefe mit einem Prüfbild}
%			\label{fig:schematischeUebertragungMit}
%		\end{figure}


	\setboolean{rahmen}{true}
	\newgeometry{top=0cm,left=0cm,right=0cm,bottom=0cm,margin={0cm,0cm},centering}
		\addcontentsline{toc}{section}{Material}\label{anh:material}
		\thispagestyle{empty}
		\centerline{\resizebox{0.99\textwidth}{0.99\textheight}{\input{rotated-polygons0}}}

		\thispagestyle{empty}
		\centerline{\resizebox{0.99\textwidth}{0.99\textheight}{\input{rotated-polygons1}}}
		
		\thispagestyle{empty}
		\centerline{\resizebox{0.99\textwidth}{0.99\textheight}{\input{rotated-polygons2}}}

		\thispagestyle{empty}
		\centerline{
			\resizebox{0.99\textwidth}{0.99\textheight}{
		 		\rotatebox{90}{\input{print-pig}}
			}
		}
		
		\setboolean{rahmen}{false}
		\thispagestyle{empty}
		\centerline{\resizebox{0.99\textwidth}{0.99\textheight}{\input{rotated-polygons0}}}

		\thispagestyle{empty}
		\centerline{\resizebox{0.99\textwidth}{0.99\textheight}{\input{rotated-polygons1}}}
		
		\thispagestyle{empty}
		\centerline{\resizebox{0.99\textwidth}{0.99\textheight}{\input{rotated-polygons2}}}

		\thispagestyle{empty}
		\centerline{
			\resizebox{0.99\textwidth}{0.99\textheight}{
		 		\rotatebox{90}{\input{print-pig}}
			}
		}
	\restoregeometry
\end{document}
