Medien und Informatik verstehen

Hardware und Verschlüsselung

Richard Conrardy

04.11.2026

• MI.2.3: Die Schülerinnen und Schüler verstehen Aufbau und Funktionsweise von informationsverarbeitenden Systemen und können Konzepte der sicheren Datenverarbeitung anwenden.
  • MI.2.3.i: verstehen die grundsätzliche Funktionsweise von Suchmaschinen.
  • MI.2.3.j: können lokale Geräte, lokales Netzwerk und das Internet als Speicherorte für private und öffentliche Daten unterscheiden.
  • MI.2.3.k: haben eine Vorstellung von den Leistungseinheiten informationsverarbeitender Systeme und können deren Relevanz für konkrete Anwendungen einschätzen (z.B. Speicherkapazität, Bildauflösung, Rechenkapazität, Datenübertragungsrate).
  • MI.2.3.l: kennen die wesentlichen Eingabe-, Verarbeitungs- und Ausgabeelemente von Informatiksystemen und können diese mit den entsprechenden Funktionen von Lebewesen vergleichen (Sensor, Prozessor, Aktor und Speicher).
  • MI.2.3.m: können das Internet als Infrastruktur von seinen Diensten unterscheiden (z.B. WWW, E-Mail, Internettelefonie, soziale Netzwerke).
  • MI.2.3.n: können die Risiken unverschlüsselter Datenübermittlung und -speicherung abschätzen.

Informationsverarbeitung

Input - Output (IO)

	Eingabe	Verarbeitung	Speicherung	Ausgabe
Informatiksystem	Sensor	Prozessor	Speicher	Aktor

Übungsblatt

Übungsaufgabe 1 (Input-Output) Halten Sie das menschliche Pendant zu den Computerkomponenten fest.

	Eingabe	Verarbeitung	Speicherung	Ausgabe
Informatiksystem	Sensor	Prozessor	Speicher	Aktor
Mensch

Ordnen Sie Beispiele den vier Grundfunktionen zu und vergleichen Sie sie mit Sinnesorganen, Gehirn, Gedächtnis und Muskeln.

Ein Beispiel

Was passiert, wenn ich ein Photo mit einem Smartphone nehme?

Kamera → Prozessor → Speicher → Bildschirm → Netzwerk

Zeigen Sie zunächst nur «Photo mit dem Smartphone». Sammeln Sie Vermutungen. Danach schalten Sie die Kette dahinter ein und besprechen die einzelnen Stationen: Die Kamera digitalisiert Licht, der Prozessor verarbeitet und komprimiert die Daten, der Gerätespeicher legt sie ab. Beim Teilen kommen Netzwerk, Internetdienst und weitere Speicherorte hinzu.

Fachwörter

Computer sind voll mit Komponenten. Geben Sie Beispiele von Hardware.

• Eingabe
• Verarbeitung
• Speicherung
• Ausgabe
• Verbindung

Beispiele

• Eingabe: Tastatur, Mikrofon, Kamera
• Verarbeitung: CPU, GPU
• Speicherung: RAM, SSD, HDD, USB-Stick
• Ausgabe: Bildschirm, Lautsprecher, Drucker
• Verbindung: USB, WLAN, Bluetooth, Netzwerkkarte

Datenfluss: Dauerhafter Speicher → RAM → CPU → Ausgabe oder erneute Speicherung

Hands-on

Übungsblatt

Übungsaufgabe 2 (Hardware erkunden)  

Arbeiten Sie an den Computern.

Welche Komponenten finden Sie?

Welche Masseinheiten sind relevant für diese Komponenten?

Leistungseinheiten richtig einordnen

• Bit / Byte: 8 Bit = 1 Byte
• Speicher: KB, MB, GB, TB, PB, EB¹
• Bild: Pixel und Auflösung
• Rechnen: Taktfrequenz, Kerne
• Übertragung: Bit/s, Mbit/s

Erklären Sie die Einheiten anhand konkreter Anwendungen. Betonen Sie, dass viel Speicher nicht automatisch eine schnelle Verbindung oder hohe Rechenleistung bedeutet.

1. Bei Speichern werden meist dezimale Einheiten verwendet (1 kB = 1000 Byte). Die binären Einheiten heissen KiB, MiB, GiB und TiB (1 KiB = 1024 Byte).

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Übungsaufgabe 3 (Video über Ethernet) Sie möchten ein Video über ein Ethernetkabel streamen und speichern.

Welche Informationen brauchen Sie um zu entscheiden ob das möglich ist?

Wie viel Speicherplatz benötigen Sie?

Hinweis: Datenkomprimierung und Protokolloverhead können ignoriert werden.

Diskutieren Sie, welche Einheit bei einem alten Laptop, schlechtem WLAN oder einer vollen SSD zum Engpass wird.

Datenorte und Internet

Wo liegen Daten?

Speicherort	Beispiel
Gerät	Laptop, Smartphone
Schulnetz	Server, NAS
Cloud/Webdienst	Plattform, Onlinespeicher

Knobelaufgabe

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Übungsaufgabe 4 (Ausfallsicher speichern) Sie haben sechs Festplatten mit je 8 TB und möchten Daten auch dann behalten, wenn eine beliebige Festplatte ausfällt.

Können Sie die Daten effizienter speichern als alles zu doppeln und nur 24 TB an nutzbarem Speicher zu haben?

RAID 5

Abbildung 1: RAID 5: verteilte Daten- und Paritätsblöcke auf vier Platten — Cburnett, CC BY-SA 3.0

RAID 5 verteilt Daten in Blöcken über mehrere Platten und ergänzt pro Datenstreifen einen Paritätsblock.

RAID 5 Schritt für Schritt:

1. Ein Datenstreifen wird in Blöcke aufgeteilt, zum Beispiel A und B.
2. Der Controller berechnet den Paritätsblock P = A XOR B und verteilt A, B und P auf drei Platten. Die Parität wandert von Streifen zu Streifen auf eine andere Platte.
3. Fällt eine Platte aus, wird der fehlende Block rekonstruiert: A = P XOR B beziehungsweise B = P XOR A.
4. Die Ersatzplatte wird aus den übrigen Blöcken wieder aufgebaut. Währenddessen ist der Verbund besonders gefährdet.

RAID 5 toleriert den Ausfall einer Platte und nutzt etwa (Anzahl Platten − 1) × Kapazität als Speicher. Es erhöht die Verfügbarkeit, ersetzt aber kein unabhängiges Backup: Löschen, Schadsoftware oder Diebstahl betreffen sonst weiterhin alle Platten.

Bei drei Datenblöcken gilt: Eine oder drei Einsen ergeben Parität 1; null oder zwei Einsen ergeben Parität 0.

A | B | C | P = A XOR B XOR C |
0 | 0 | 0 | 0 |
1 | 0 | 0 | 1 |
1 | 1 | 0 | 0 |
1 | 1 | 1 | 1 |

Vollbildfoto eines Serverraums am CERN. Quelle: Florian Hirzinger, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.

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Übungsaufgabe 5 (Routing)  

Wie gelangt eine Anfrage von Ihrem Laptop über das Eduroam-Netzwerk zu einem Server in Amerika?

Beginnen Sie beim Laptop und enden Sie beim Server. Verwenden Sie Fachbegriffe für Geräte, Leitungen und Netze.

Materialien: Switch Netzwerk (Backup), Karte mit Unterseekabel (Backup)

Musterlösung als möglicher Datenweg:

Laptop
  ↓ WLAN
Router
  ↓ Glasfaser / Kabel / Kupfer
lokaler Zugangspunkt des Providers
  ↓
Provider-Backbone
  ↓
Internetknoten oder Transitprovider
  ↓
internationales Backbone / Unterseekabel
  ↓
Rechenzentrum
  ↓
Server

Ergänzen Sie bei Bedarf: DNS übersetzt den Servernamen in eine IP-Adresse; Eduroam authentifiziert den Zugang, ist aber nicht selbst der gesamte Weg bis zum Zielserver.

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Übungsaufgabe 6 (Dijkstra’s shortest-path theorem)  

Markieren Sie im Switch-Netzwerkbild (PDF) den kürzesten Weg von Bern zur UniSG.

Abbildung 2: gewichteter Graph — BagLuke, CC0 1.0

Traceroute

Geben Sie im Terminal für eine beliebige Webseite einen der folgenden Befehle ein und beobachten Sie, wie viele Hops die Anfrage macht:

Windows

tracert example.com

macOS/Linux

traceroute -I example.com

Ein Hop bezeichnet einen Zwischenknoten, den ein Datenpaket auf dem Weg zum Ziel passiert. Die Ausgabe ist eine Momentaufnahme: Router können ICMP-Anfragen ausfiltern oder nicht antworten, und die Route kann sich später ändern.

Besprechen Sie Content Delivery Networks (CDNs): Dienste wie Webseiten, Video- oder Softwareanbieter verteilen Kopien ihrer Inhalte auf viele Rechenzentren. DNS kann je nach Standort einen nahegelegenen Server auswählen. Deshalb führt traceroute oft nicht zum Hauptsitz eines Anbieters, sondern zu einem regionalen CDN-Knoten; verschiedene Webseiten oder Zeitpunkte können daher unterschiedliche Wege zeigen.

UDP vs. TCP

Stellen Sie sich Funkverkehr bei der Feuerwehr vor. TCP wäre ein disziplinierter Austausch:

Leitstelle: «Einheit 3, rücken Sie zu Sektor B vor. Over.»
Einheit 3: «Sektor B verstanden. Over.»
Leitstelle: «Bestätigen Sie die Ankunft. Over.»
Einheit 3: «In Sektor B angekommen. Over.»

Die Parallelen:

Funkkommunikation	TCP
Kontakt herstellen	Verbindungsaufbau
Sender und Empfänger identifizieren	IP-Adressen und Ports
Unklare Nachricht wiederholen	Neuübertragung
«Verstanden» / Bestätigung	ACK
Teile einer langen Nachricht nummerieren	Sequenznummern
Fehlenden Teil wiederholen	Wiederherstellung verlorener Segmente
Nicht gleichzeitig sprechen	Flusskontrolle
«Over and out»	Verbindungsabbau

Eine fragmentierte Meldung könnte so aussehen:

1/3: Feuer im zweiten Stock
2/3: Zwei Personen möglicherweise im Gebäude
3/3: Zugang von der Ostseite

Die empfangende Einheit bestätigt: «Teile 1 und 3 empfangen. Teil 2 bitte wiederholen.» Das entspricht konzeptionell der Erkennung fehlender Daten und ihrer erneuten Übertragung bei TCP.

Bei UDP lautet die Analogie eher: «Sofort evakuieren!» Die Nachricht wird gesendet, ohne zuerst eine Verbindung aufzubauen oder eine Bestätigung abzuwarten. Das ist schneller, aber der Sender weiss nicht, ob die Nachricht angekommen ist.

Die Analogie hat eine Einschränkung: TCP kann dank eines Sliding Window mehrere Segmente senden, bevor Bestätigungen eintreffen. Es ist also nicht strikt «eine Nachricht, dann eine Bestätigung». Für den Einstieg gilt dennoch:

TCP kommuniziert mit Bestätigungen und Wiederholungen; UDP sendet, ohne auf eine Bestätigung zu warten.

Übungsaufgabe 7 (Internetdienste) Nennen Sie zu jedem Dienst entweder typische Beispiele, Inhalte oder Protokolle.

• World Wide Web
• E-Mail
• Dateiübertragung
• Kommunikation
• Streaming

• Cloud-Dienste
• Online-Spiele
• Fernzugriff
• Namens- und Verzeichnisdienste

Musterlösung: Internetdienste

Dienste sind konkrete Funktionen, die über das Internet angeboten werden.

World Wide Web

Beispiele: Webseiten, Webshops, Suchmaschinen, Webanwendungen, Online-Banking. Typische Protokolle: HTTP, HTTPS. Typische Inhalte: HTML, CSS, JavaScript, Bilder und Videos.

E-Mail

Nachrichten senden und empfangen, Anhänge übertragen. Typische Protokolle: SMTP zum Senden, IMAP oder POP3 zum Abrufen.

Dateiübertragung

Dateien hoch- und herunterladen, Server verwalten, Backups übertragen. Typische Protokolle: FTP, FTPS, SFTP, WebDAV.

Kommunikation

Messenger, Sprach- und Videoanrufe, Videokonferenzen. Beispiele: Signal, WhatsApp, Teams, Zoom. Technisch oft: WebRTC, RTP, SIP, teilweise proprietäre Protokolle.

Streaming

Video-on-Demand, Musik, Livestreams. Beispiele: YouTube, Netflix, Spotify, Twitch. Technisch meist: HTTPS, CDNs, segmentierte Videoübertragung.

Cloud-Dienste

Datenspeicherung, Dokumentbearbeitung, Rechenleistung, Datenbanken. Beispiele: Google Drive, OneDrive, iCloud, AWS, Microsoft Azure.

Online-Spiele

Mehrspielerkommunikation, Matchmaking, Spielzustände, Downloads und Updates. Je nach Anwendung über TCP, UDP oder QUIC.

Fernzugriff

Fernwartung, Serveradministration, Zugriff auf ein anderes Gerät. Typische Protokolle: SSH, Remote Desktop, VPN, VNC.

Namens- und Verzeichnisdienste

Domainnamen auflösen, Geräte und Dienste auffinden, Benutzer authentifizieren. Beispiele: DNS, LDAP, Active Directory; NTP dient der Zeitsynchronisation.

Ebene	Beispiele
Infrastruktur	Kabel, Router, Rechenzentren
Netzwerkprotokolle	IP, TCP, UDP, DNS, TLS
Internetdienste	Web, E-Mail, Streaming, Cloud, Gaming
Inhalte	HTML, Videos, Dateien, Nachrichten

Das Internet ist die Infrastruktur.

Protokolle regeln die Kommunikation.

Dienste nutzen diese Protokolle.

Inhalte werden über die Dienste übertragen.

Suchmaschinen verstehen

1. Crawling
2. Index
3. Suchanfrage
4. Sortierung
5. Darstellung

Vergleichen Sie die alltagsnahen Begriffe in der ersten Zeile mit den technischen Bezeichnungen in der zweiten Zeile. Eine Suchmaschine ist nicht das Internet: Sie durchsucht ausgewählte Inhalte, speichert sie im Index und ordnet die Treffer nach einem Ranking.

Übungsblatt

Übungsaufgabe 8 (Räuber und Gendarme) Teilen Sie sich in drei Gruppe ein.

Red Team: Sie möchten ihre Webseite mit allen Mitteln weit oben in der Suchmaschine ranken obwohl ihr Produkt nicht so gut ist.

Blue Team: Sie arbeiten für den Suchmaschinenbetreiber. Legen Sie eine möglichst nützliche Rankingmethode fest.

White Team: Sie betreiben eine Webseite und verkaufen ein populäres Produkt. Bestimmen Sie eine preiswerte Marketingstrategie in Bezug auf Suchmaschinen

Verschlüsselung

Caesar-Verfahren

Beim Caesar-Verfahren wird jeder Buchstabe im Alphabet um eine feste Anzahl Stellen verschoben.

Klartext	H	A	L	L	O
Schlüssel: +3	K	D	O	O	R

Begriff	Bedeutung
Klartext	lesbare ursprüngliche Nachricht
Schlüssel	geheime Information, die das Verfahren steuert; hier die Verschiebung +3
Chiffretext	verschlüsselte, zunächst unlesbare Nachricht
Verschlüsselung	Klartext wird mit dem Schlüssel in Chiffretext umgewandelt
Entschlüsselung	Chiffretext wird mit dem Schlüssel zurück in Klartext umgewandelt

Beim Caesar-Verfahren ist die Verschiebung der gemeinsame Schlüssel. Mit einer Verschiebung um drei Stellen wird aus H ein K, aus A ein D und so weiter. Zum Entschlüsseln wird um dieselbe Anzahl Stellen zurückverschoben. Das Verfahren ist leicht zu erklären, aber unsicher, weil es nur 25 mögliche Schlüssel gibt und Buchstabenmuster sichtbar bleiben.

Vigenère-Verfahren

Nicht jeder Buchstabe wird gleich verschoben: Der Schlüssel ist ein Wort.

Klartext	H	A	L	L	O
Schlüssel CODE	C	O	D	E	C
Chiffretext	J	O	O	P	Q

Beim Vigenère-Verfahren wird jeder Klartextbuchstabe mit einem eigenen Schlüsselbuchstaben verschoben. Ist der Schlüssel kürzer als die Nachricht, wird er wiederholt. Dadurch entstehen weniger offensichtliche Buchstabenmuster als bei Caesar, aber das Verfahren ist bei kurzen oder wiederholten Schlüsseln ebenfalls angreifbar.

AES

Ein AES-Block umfasst 128 Bit = 16 Byte.

\[ P_i = \begin{bmatrix} p_0 & p_4 & p_8 & p_{12} \\ p_1 & p_5 & p_9 & p_{13} \\ p_2 & p_6 & p_{10} & p_{14} \\ p_3 & p_7 & p_{11} & p_{15} \end{bmatrix} \]

\[ C_i = \operatorname{AES}_{K}\left(P_i \oplus C_{i-1}\right) \]

\[ \underbrace{P_i}_{\text{aktueller Klartextblock}} \;\oplus\; \underbrace{C_{i-1}}_{\text{vorheriger Geheimtextblock}} \;\longrightarrow\; \boxed{\operatorname{AES}_{K}} \;\longrightarrow\; \underbrace{C_i}_{\text{neuer Geheimtextblock}} \]

• (K): geheimer AES-Schlüssel, bleibt für alle Blöcke gleich
• (C_{i-1}): kein Schlüssel, sondern Teil der CBC-Verkettung
• Beim ersten Block ersetzt ein Initialisierungsvektor (IV) den Vorgänger:

\[ C_1 = \operatorname{AES}_{K}(P_1 \oplus IV) \]

AES verarbeitet Daten nicht Zeichen für Zeichen, sondern in Blöcken von 128 Bit. Das entspricht 16 Byte. Ein Byte besteht aus acht Bit und kann deshalb 256 verschiedene Werte annehmen, also Werte von 0 bis 255. Die Symbole \(p_0\) bis \(p_{15}\) stehen jeweils für eines dieser 16 Bytes. AES ordnet die 16 Bytes intern als Matrix mit vier Zeilen und vier Spalten an. Diese Matrix wird als „State“ bezeichnet. Die Bytes werden dabei spaltenweise eingetragen: Die ersten vier Bytes bilden die erste Spalte, die nächsten vier Bytes die zweite Spalte und so weiter. Auf dieser Matrix führt AES mehrere Runden aus. Dabei werden die Bytes ersetzt, verschoben, miteinander vermischt und mit aus dem Schlüssel abgeleiteten Rundenschlüsseln kombiniert. Wichtig ist die Unterscheidung zwischen AES selbst und dem CBC-Modus: AES allein verschlüsselt jeweils genau einen einzelnen Block. Dass der vorherige verschlüsselte Block einbezogen wird, ist eine Eigenschaft des Betriebsmodus CBC und nicht des AES-Algorithmus selbst. \(P_i\) bezeichnet den aktuellen Klartextblock. \(C_{i-1}\) bezeichnet den vorherigen verschlüsselten Block. Beide werden vor der eigentlichen AES-Verschlüsselung mit XOR verknüpft. XOR vergleicht jeweils zwei Bits. Sind die Bits gleich, ergibt sich 0; sind sie verschieden, ergibt sich 1. Dadurch hängt das Ergebnis eines Blocks auch vom vorherigen verschlüsselten Block ab. Zwei identische Klartextblöcke ergeben deshalb nicht zwingend denselben verschlüsselten Block, weil ihre jeweiligen Vorgänger unterschiedlich sein können. Beim ersten Klartextblock existiert noch kein vorheriger verschlüsselter Block. Deshalb wird ein Initialisierungsvektor, kurz IV, verwendet. Der IV muss nicht geheim sein, darf bei CBC aber nicht vorhersehbar wiederverwendet werden. Er wird normalerweise zusammen mit dem verschlüsselten Text gespeichert oder übertragen. CBC dient hier als anschauliches Beispiel für die Verkettung von Blöcken. In modernen Anwendungen werden häufig authentifizierte Verfahren wie AES-GCM verwendet, die zusätzlich erkennen können, ob die verschlüsselten Daten verändert wurden.

Symmetrische Tücken

Häufigkeiten

\[ P(E) > P(Q) \]

Bei einfachen Ersetzungen bleibt ein häufiger Buchstabe auch im Geheimtext häufig.

Wiederholungen

\[ P_i = P_j \quad \Longrightarrow \quad C_i = C_j \]

Werden gleiche Blöcke immer gleich verschlüsselt, bleiben Strukturen und Wiederholungen sichtbar.

Kleine Änderungen

\[ P' = P \oplus 1 \]

Ein einzelnes geändertes Bit sollte nicht nur ein einzelnes Bit im Geheimtext verändern.

Konfusion

\[ \text{SubBytes} \]

Der Zusammenhang zwischen Klartext, Schlüssel und Geheimtext wird nichtlinear und schwer vorhersagbar.

Diffusion

\[ \text{ShiftRows} + \text{MixColumns} \]

Die Information eines Bytes wird über den gesamten Block verteilt.

Avalanche-Effekt

\[ \Delta P = 1\text{ Bit} \quad \Longrightarrow \quad \Delta C \approx 64\text{ Bit} \]

Eine minimale Änderung erzeugt einen stark veränderten Geheimtext.

Übungsblatt

Übungsaufgabe 9 (Asymmetrische Verschlüsselung)  

Alice und Bob kennen sich nicht, möchten jedoch eine geheime Nachrichten austauschen. Eve kann jedoch alles mithören. Wie können Alice und Bob vorgehen um nachher einen gemeinsamen Geheimschlüssel zu haben, den Eve nicht kennt?

Abbildung 3: Grundidee des Diffie-Hellman-Schlüsselaustauschs — A. J. Han Vinck (Originalschema), Flugaal (SVG) und Chillvie (deutsche Übersetzung), gemeinfrei

Diffie-Hellman ermöglicht zwei Personen, über einen öffentlichen Kanal ein gemeinsames Geheimnis zu vereinbaren, ohne den geheimen Anteil selbst zu übertragen. Das Verfahren dient dem Schlüsselaustausch; es verschlüsselt die eigentlichen Nachrichten nicht direkt.

Abbildung 4: Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch: öffentliche Parameter (p, g), private Schlüssel (a, b) und öffentliche Schlüssel (A, B) — DaMutz, CC BY-SA 4.0

Die Abbildung fasst die Hauptrechnungen zusammen: Aus den privaten Werten (a) und (b) entstehen die öffentlichen Schlüssel (A) und (B). Beide Seiten berechnen daraus dasselbe gemeinsame Geheimnis.

Schutzziele der Informationssicherheit

Schutzziel	Bedeutung
Vertraulichkeit	Nur berechtigte Personen dürfen Daten lesen.
Integrität	Daten dürfen nicht unbemerkt verändert werden.
Verfügbarkeit	Daten und Systeme müssen bei Bedarf erreichbar und nutzbar sein.

CIA-Dreieck: Confidentiality · Integrity · Availability

Beitrag	Schutzziel
Verschlüsselung	Vertraulichkeit
Hash und digitale Signatur	Integrität
Backups, Redundanz und Schutz vor Ausfällen	Verfügbarkeit

Streng genommen sind dies Schutzziele der Informationssicherheit und nicht reine Datenschutz-Ziele. Datenschutz bezieht sich insbesondere auf den Umgang mit personenbezogenen Daten; die drei Schutzziele gelten für Informationen und Systeme allgemein.

Risiken unverschlüsselter Daten

Risiko	Fehlendes Schutzziel
Mitlesen	Vertraulichkeit verletzt
Verändern	Integrität verletzt
Vortäuschen	Authentizität nicht gesichert

Unverschlüsselte oder unzureichend abgesicherte Kommunikation kann nicht nur mitgelesen, sondern auch verändert oder vorgetäuscht werden. Authentizität ergänzt die drei klassischen CIA-Schutzziele: Sie beantwortet die Frage, ob eine Nachricht tatsächlich von der behaupteten Person oder Stelle stammt.

Rechtliches

Urheberrecht

• Bilder wie das links: CC BY Soco St via SVG Repo
• Eigene Slides unter CC BY-SA 4.0

Literatur