Wie Computer Nachrichten darstellen

Alles besteht aus 0 und 1

Computer kennen nur zwei Zustände, um Nachrichten darzustellen:

• Es fliesst Strom oder es fliesst kein Strom
• Licht Ein oder Licht Aus
• Ja oder Nein
• 0 oder 1.

Ein Code der nur zwei Zustände oder Zeichen besitzt, nennt man Binärcode. Ein einzelnes Zeichen eines Binärcodes wird als bit bezeichnet.

Der Morsecode

Binärcodes gibt es nicht seit der Erfindung von Computern. Bereits viel früher wurden Nachrichten mit Hilfe von nur zwei Zuständen (z.B. Licht / kein Licht) übermittelt. Ein bekanntes Beispiel ist der Morsecode:

Beim Morsen existieren auch nur zwei Zustände oder Zeichen: Kurze Töne und lange Töne. Trotzdem lassen sich mit Morsen ganze Nachrichten übermitteln. Wie geht das?

Das Morse-Alphabet besteht aus einer Tabelle, in welcher für alle Buchstaben und Zahlen eine Folge von kurzen und langen Tönen zu finden ist:

A	.-	H	....	O	---	V	...-	3	...--
B	-...	I	..	P	.--.	W	.--	4	....-
C	-.-.	J	.---	Q	--.-	X	-..-	5	.....
D	-..	K	-.-	R	.-.	Y	-.--	6	-....
E	.	L	.-..	S	...	Z	--..	7	--...
F	..-.	M	--	T	-	1	.----	8	---..
G	--.	N	-.	U	..-	2	..---	9	----.

Mit dieser Tabelle lassen sich Textnachrichten in Morsecode übersetzen und umgekehrt Morsecode in Textnachrichten zurückübersetzen.

Denksportaufgabe: Genau genommen stimmt das mit den zwei Zuständen des Morsecodes ja nicht. Es wird ein dritter Zustand benötigt. Wie lässt sich dieser dritte Zustand beschreiben und wie müsste der Morsecode aussehen, dass tatsächlich zwei Zustände reichen würden?

Codieren und Decodieren

Das Mobiltelefon der drei Roboter bit, byte und nibble funkioniert wie ein Computer. Es kennt deshalb auch nur die Zeichen 0 und 1. Trotzdem kann es Texte (SMS), Bilder (MMS) und Melodien (Klingeltöne) darstellen und übermitteln.

Wie für Morse-Nachrichten gibt es darum im Mobiltelefon Tabellen, wie Texte, Bilder und Melodien in Abfolgen von 0 und 1 übersetzt werden können und umgekehrt. Die Übersetzung in 0 und 1 nennt man codieren, die Zurückübersetzung der Binärdaten in Texte, Bilder und Töne Decodieren

.

Das Verfahren der Codierung zusammen mit der entsprechenden Übersetzungstabelle wird als Codec bezeichnet. Dies ist ein aus den beiden Wörtern Codieren und Decodieren zusammengesetztes Kunstwort (siehe Wikipedia).

Um die Nachrichten auf dem Mobiltelefon der Roboter decodieren zu können, sind folgende Codecs notwendig:

• Erklärung zum Text-Codec
• Erklärung zum Musik-Codec
• Erklärung zum Bilder-Codec

Kompression

Während bei normalen Computern Speicherplatz und Übertragungskapazit von und zum Internet je länger desto grösser werden und man sich bald nicht mehr darum kümmern muss, ist das beim Mobiltelefon heute noch nicht der Fall. Dies wird besonders bei SMS-Textmeldungen deutlich, die auf 160 Zeichen beschränkt sind. Dies ist recht wenig Platz für eine Mitteilung. Doch Nutzerinnen und Nutzer haben kreative Wege gefunden, den zur Verfügung stehenden Platz optimal auszunutzen. Sie benutzen Abkürzungen für häufige Satzteile:

• CUL: See you later
• HDMFG: Ha di megafescht gern!
• MFG: Mit freundlichen Grüssen

Mit solchen Abkürzungen lassen sich bei einer SMS viele wertvolle Zeichen, aber auch Tipparbeit sparen. Das Nutzen von Abkürzungen beim SMS-Schreiben ist ein Beispiel einer Datenkompression: Als Datenkompression wird die Anwendung von Verfahren zur Reduktion des Speicher- oder Übermittlungsbedarfs bezeichnet (siehe Wikipedia).

Es gibt grundsätzlich zwei Strategien, wie Daten komprimiert werden können: Entweder man wählt die Codierung so geschickt, dass die codierten Daten möglichst wenig Platz benötigen oder man lässt Unwichtiges weg.

Die Verwendung von vorher vereinbarten Abkürzungen bei SMS ist ein Beispiel einer geschickten Kurzdarstellung von Daten. Das Morsealphabet ist ein anderes: Häufige Buchstaben haben einen kürzeren Morsecode als (seltenere) Zahlen und Sonderzeichen. Kompressionsverfahren, die auf einer geschickten, platzsparenden Codierung beruhen, werden als verlustfreie Kompressionsverfahren bezeichnet. Codierte Nachrichten lassen sich ohne Datenverlust wieder decodieren.

Bei der anderen Kompressions-Strategie gehen Daten verloren: Unwichtige Daten werden weggelassen. Bei solchen Kompressionsverfahren wird überlegt, welche Teile einer Nachricht nicht übermittelt werden müssen, z.B. weil sie der Mensch gar nicht sehen oder hören oder die fehlenden Teile selbst rekonstruieren kann.

Dazu ein Beispiel: Was passiert, wenn wir aus diesem Abschnitt gewisse Buchstaben entfernen? Ist er dann noch zu verstehen?

Ws pssrt, wnn wr s dsm bschntt gwss Bchstbn ntfrnn? st r dnn nch z vrsthn?

Obwohl alle Vokale entfernt worden sind, ist der Abschnitt noch knapp verständlich. Das menschliche Gehirn scheint fähig zu sein, die fehlenden Buchstaben zu ergänzen. Da aber bei einer solchen Kompression nicht alle Daten mit Sicherheit wieder decodiert werden können (heisst "bschnitt" z.B. "Abschnitt" oder "Ausschnitt"), wird sie als verlustbehaftete Kompression bezeichnet.

Das Mobiltelefon der drei Roboter beherrscht verlustfreie Kompressionsverfahren für Texte, Bilder und Melodien.

Metadaten

Einer Binärnachricht aus 0 und 1 ist nicht anzusehen, um welche Art von Nachricht es sich handelt (Bild, Text oder Melodie). Darum haben solche Nachrichten normalerweise eine Zusatzinformation, die Auskunft gibt, welche Tabelle zum Decodieren verwendet werden soll.

So haben zum Beispiel Computer-Dateien nicht nur einen Dateinamen, sondern auch eine Dateiendung (manchmal auch Suffix genannt), welches die Art der Datei angibt. Bekannte Dateiendungen sind .txt, .doc, .rtf für Textdokumente, .gif, .jpg, .png für Bilder und .wav, .mp3, .midi für Tondokumente.

Dateiendung sind ein Beispiel für Daten, die andere Daten beschreiben. Solche Daten über Daten nennt man Metadaten.

Diese Art Metadaten zum Unterscheiden verschiedener Datenformate gibt es auch im Internet. Da der entsprechende Standard ursprünglich für E-Mails entwickelt worden war, heisst er MIME, das steht für Multipurpose Internet Mail Extensions (siehe Wikipedia).

MIME spielt heutzutage auch eine grosse Rolle beim World Wide Web. Jedes Mal, wenn ein Webserver ein Dokument verschickt, liefert er den entsprechenden MIME-Type mit. Damit weiss der Web-Browser, was er mit dem Dokument tun soll, beispielsweise das Programm zum Lesen von PDF-Dateien öffnen oder die Datei als Musik decodieren.

Hier die entsprechenden Metadaten dieser Webseite:

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Weiter zur

• Textcodierung...
• Bildcodierung...
• Musikcodierung...