Colossus (компьютер)

Назначение и происхождение

Регулярные радиопередачи сообщений "Тунни" начались в июне 1941 года. Британские кодировщики видели, что в ней использовался пятиразрядный код, как в телепринтере. Их исследования также показали, что кодирование осуществлялось роторным шифровальным станком с 12-ю колесами (роторами). Для каждого нового сообщения колеса сначала должны были поворачиваться в новые позиции. Начальное положение сообщения выбиралось оператором, который его отправлял. Он сообщал оператору, который получал сообщение, какие начальные позиции были с 12 буквами, которые не были закодированы. Общее количество возможных стартовых позиций 12 колес действительно было очень большим.

Кодировочная машина соединила простой текст (некодированную версию сообщения) и поток символов (букв, цифр, знаков препинания), называемый Keystream (поток кажущихся случайными символов), который она сгенерировала для создания шифрованного текста (закодированная версия сообщения). Шифрованный текст, который не имел никакого смысла, передавался по радио. В принимающем конце идентичный автомат удалил ключевое слово, чтобы произвести чистый текст сообщения.

Если бы немецкие операторы всегда работали правильно, то не было бы двух сообщений об одинаковом стартовом положении колес. Однако были допущены ошибки. Они помогли британским шифраторам. 30 августа 1941 г. были отправлены две версии одного и того же сообщения, длиной почти 4000 символов, с одинаковыми стартовыми позициями колес. Эта ошибка была очень полезна для разработчиков кодебрейков. Кодовый нарушитель по имени Джон Тилтман смог получить ключевое сообщение из этих сообщений.

На основе этой информации кодовщики пытались разобраться в деталях машины, но поначалу им не удалось. Затем к ним присоединился молодой программист по имени Билл Тутт, которому была поручена эта работа. После долгой работы ему это удалось, и он дал логическое описание невидимой машины. Эта работа была охарактеризована как "величайшее интеллектуальное достижение Второй мировой войны". Тутте выяснил, что машина сделала каждого ключевого персонажа, объединив эффекты двух наборов из пяти колес. Он использовал греческие буквы для обозначения колес. Он назвал один набор из пяти χ ("chi") колес, а другой набор из пяти колес ψ ("psi"). Он выяснил, что χ-колеса перемещались на одну позицию для каждого нового закодированного символа. Колеса ψ, однако, двигались нерегулярно. Они двигались только некоторое время. Независимо от того, двигались ли колеса ψ, они управлялись двумя колесами, которые он называл двумя μ ("mu") или "моторными колесами".

Макс Ньюман был математиком и шифровальщиком в Блетчли Парке. Ему поручили разобраться, как машина может разбивать сообщения "Тунни". Машина делала расчет для многих возможных стартовых позиций χ-колес. Стартовая позиция, которая дала наибольший подсчет из этого подсчета, скорее всего, была правильной. Первая машина называлась "Хит Робинсон". Это не очень хорошо сработало. Она имела две перфорированные бумажные ленты, которые должны были работать точно вместе. Одна лента содержала шифрованный текст в непрерывном цикле. Вторая петлевая лента содержала узоры, сделанные колесами кодировочной машины. Ленты часто растягивались или разрывались, когда в них проходило по 2000 символов в секунду. Иногда ленты не выстраивались в линию; тогда количество символов было неверным.

Машина, которая была названа англичанами "Тунни". Немцы использовали ее для кодирования секретных телепринтеров. Союзники не видели ее до конца Второй мировой войны, когда узнали, что это был Lorenz SZ42. У него было по десять колес с разным количеством кулачков. Всего было 501 кулачок, каждый из которых можно было поставить в поднятое (активное) или опущенное (неактивное) положение.

Строительство Колосса

Томми Флауерс работал на исследовательской станции Почтового отделения в Доллис Хилл на северо-западе Лондона. Его попросили взглянуть на машину Хита Робинсона. Он думал, что это слабая машина. Он разработал электронную машину для выполнения той же работы. Она сделала бы шаблоны кодировочного аппарата с помощью электроники так, чтобы понадобилась только одна бумажная лента. В феврале 1943 года он показал Максу Ньюману эту конструкцию. Конструкция нуждалась в 1500 термоионическихклапанах (вакуумных трубках). Мало кто думал, что столько клапанов может работать без особых проблем. Было заказано еще больше машин Heath Robinson. Цветы, однако, сохранили идею электронной машины. Он получил поддержку от человека, отвечавшего за исследовательскую станцию почтового ведомства, которого звали Гордон Рэдли. Томми Флауерс и его команда приступили к работе над Колоссом в феврале 1943 года.

Кассета с сообщением на ней должна была быть прочитана со скоростью. Томми Флауэрс протестировал считыватель до 9700 букв в секунду (53 миль в час (85 км/ч)), прежде чем лента разорвалась. Он выбрал 5000 символов каждую секунду в качестве хорошей скорости для регулярной работы. Это означало, что бумажная лента двигалась со скоростью 40 футов/с (12 м/с) или 27,3 миль/ч (43,9 км/ч). Движение электронных схем осуществлялось по сигналу, полученному от считывания отверстий в звездочках перфорированной ленты.

Первый Колосс работал на Доллис Хилл в декабре 1943 года. Затем они разобрали Колосса на части и перевезли его в Блетчли-парк. Он добрался туда 18 января 1944 года. Гарри Фенсом и Дон Хорвуд собрали его вместе. Колосс прочитал свое первое послание 5 февраля. После первого Колосса (Марк 1) было 9 машин Марк 2. Каждая из них имела 2400 клапанов. Они были просты в использовании. Их можно было запрограммировать на работу со скоростью, в пять раз превышающей скорость Mark 1. Машина Mark 2 Colossus впервые сработала 1 июня 1944 года.

Сначала Colossus использовался только для поиска мест стартового колеса, используемых для сообщения (называемого настройкой колеса). Codebreakers придумали, как использовать Mark 2, чтобы помочь найти закономерности расположения кулачков на колесах (поломка колес). В конце войны в Блетчли-парке работало десять компьютеров Colossus. Это означало, что очень много сообщений было расшифровано.

Дизайн и использование

Колосс использовал детали, которые тогда были новыми. Он использовал вакуумные трубки, тиратроны и фотоумножители. Он читал по бумаге со светом. Затем он делал специальную вещь для каждой буквы; специальную вещь можно было менять. Он подсчитывал, как часто эта особая вещь была "правдой". Известно, что машины с множеством вакуумных трубок часто ломаются. Больше всего они ломались при включении, поэтому машины Колосса выключались только тогда, когда ломалась деталь.

Колосс был первым из электронных цифровых машин, которые могли иметь программу. Она не могла измениться так же сильно, как более поздние машины:

• у него не было программы внутри себя. Человек использовал вилки, провода и переключатели для изменения программы. Вот как она была настроена для новой вещи.
• Колосс не был машиной общего назначения. Он был создан только для одного вида взлома кода: подсчета и булевых операций.

Это был не полный компьютер Тьюринга, несмотря на то, что Алан Тьюринг был в Блетчли Парке. Эта идея еще не пришла в голову, и большинство других ранних современных вычислительных машин не были законченными в Тьюринге (например, компьютер Atanasoff-Berry, электромеханическая релейная машина Гарварда Марка I, релейная машина Bell Labs Джорджа Стибица и других, или первые планы Конрада Цузе). Потребовалось много времени, чтобы компьютеры использовались для многих целей, а не просто калькулятор только для решения одной сложной задачи.

Влияние и судьба

То, для чего использовались компьютеры Колосса, было очень секретно. Сам Колосс был очень секретным даже в течение многих лет после войны. Вот почему Колосс долгое время не мог быть включен в историю вычислительной техники. Никто не знал, насколько важны были Цветы и другие люди, которые помогли сделать это.

Мало кто знал об этом секретном компьютере, поэтому он мало повлиял непосредственно на новый дизайн более поздних компьютеров; EDVAC был ранним дизайном, который оказал наибольшее влияние на более поздний компьютерный дизайн.

Когда Колосс был создан, некоторые люди теперь знали, что высокоскоростные электронные (никаких движущихся частей, как электрические реле) цифровые вычислительные устройства могут быть сделаны, и они не сломаны слишком много. Только этих знаний было достаточно, чтобы оказать большое влияние на конструкции ранних компьютеров в Британии и, вероятно, в США. Люди, которые знали о Колоссе, были важны в ранней компьютерной области в Британии. В 1972 году Герман Голдстин написал об этом:

Британия обладала такой жизненной силой (энергией или драйвом), что сразу после начала войны смогла начать столько хорошо спланированных и хорошо выполненных проектов в компьютерной области.

Написав это, Голдстин не знал о Колоссе. Он не знал, что он оставил проектам людей, которые знали об этом. Такие люди, как Алан Тьюринг (с Пилотом ACE и ACE), а также Макс Ньюман и И. Дж. Хороший (с Манчестерским Марком 1 и другими ранними манчестерскими компьютерами). Брайан Рэнделл позже написал это:

Проект "КОЛОССУС" был важным источником этой жизненной силы (энергии или привода), который не был хорошо изучен или известен, как и значение его места во временной линии изобретения цифрового компьютера.

Планы и машины Колосса были в тайне от того времени, когда они были сделаны. Они остались таковыми и после войны, когда Уинстон Черчилль приказал уничтожить большую часть машин Колосса "на части не больше, чем человеческая рука"; сам Томми Флауэрс сжег конструкции в камине на Доллис-Хилл. Некоторые детали, измененные, чтобы выглядеть невинными, были доставлены в лабораторию вычислительных машин Королевского общества Ньюмана при Манчестерском университете. Колосс Марк 1 был разобран, а детали отправлены обратно на почту. Два компьютера Колосса вместе с двумя скопированными машинами Тунни были сохранены. В апреле 1946 г. они были перевезены в новый головной офис GCHQ в Исткоте. Они снова переехали с GCHQ в Челтенхем между 1952 и 1954 годами. Один из компьютеров, известный как Colossus Blue, был разобран в 1959 г., а другой в 1960 г.. В последующие годы компьютеры использовались для обучения. До этого были попытки изменить их (иногда хорошо) для других целей. Джек Гуд первым использовал их после войны, заставив АНБ использовать Colossus для того, чтобы сделать что-то, для чего они планировали построить машину специального назначения. Colossus также использовался для подсчета букв на одноразовых прокладочных лентах для проверки на неслучайность.

В то время Колосс оставался тайной, еще долгое время после того, как любые его технические детали имели какое-либо значение. Это было связано с тем, что британские спецслужбы использовали машины, похожие на "Энигму", которые они заставили покупать другие правительства. Затем агентства взломали коды разными способами. Если бы знания о машинах, взламывающих коды, были широко известны, никто бы не принял эти машины; скорее, они бы разработали свои собственные методы шифрования, методы, которые британские службы, возможно, не смогли бы взломать. Потребность в таких секретах постепенно уходила по мере того, как связь переходила на цифровую передачу, а все цифровые системы шифрования стали обычным явлением в 1960-х годах.

Книга полковника Винтерботама "Сверхсекретность" вышла в 1975 году. Это разорвало тайну вокруг Колосса. После этого, подробности о компьютере начали становиться достоянием общественности в конце 1970-х годов.

В октябре 2000 года штаб-квартира GCHQ передала Национальному управлению государственных архивов технический доклад на 500 страницах, посвященный туннинскому шифру и его кодовому разрыву, озаглавленный "Общий доклад по тунни"; полный технический доклад находится в онлайновом режиме.

Сделать это снова

Команда под руководством Тони Сэйла построила рабочую копию Colossus Mark 2. Планы и машины были уничтожены, но удивительное количество других материалов не было уничтожено. В основном это было в ноутбуках инженеров, большая часть которых находилась в США. Оптический считыватель лент, возможно, был самой большой проблемой, но доктор Арнольд Линч (Arnold Lynch), его конструктор, смог перепроектировать ее с его собственных первых записей. Воссозданный Колосс выставлен в Национальном музее вычислительной техники в парке H Block Bletchley в Милтон Кейнс, Букингемшир. Здесь Колосс № 9 использовался во время войны.

В ноябре 2007 года, чтобы отметить как окончание работы, так и начало сбора средств (просьба денег), они провели конкурс. Деньги помогли Национальному музею информатики с конкурсом шифров, где реконструированный Колосс соревновался с радиолюбителями во всем мире. Первые, кто услышит и расшифрует три зашифрованных сообщения, выиграют. Они будут шифроваться с помощью Lorenz SZ42 и передаваться с радиостанции в компьютерном музее Heinz Nixdorf MuseumsForum в Германии. Конкурс легко выиграл радиолюбитель Йоахим Шют. Шют подготовился к мероприятию. Он создал свою собственную программу обработки сигналов и взлома кодов с помощью Ada. Команда Колосса проиграла, потому что хотела использовать радиоприемники времен Второй мировой войны. Они опоздали на день из-за плохих условий радиосвязи. Ноутбук победителя с частотой 1,4 ГГц, работающий по своей собственной программе, занял меньше минуты, чтобы найти настройки для всех 12 колес. Немецкий шифратор сказал: "Мой ноутбук работал с шифрованным текстом со скоростью 1,2 миллиона букв в секунду-240 раз быстрее, чем Колосс". Если сравнить эти два компьютера, то можно сказать, что Colossus имел скорость 5,8 МГц. Это очень быстро для компьютера, построенного в 1944 году".

В 2006 году за это отвечает Тони Сэйл (справа). Они разбивают шифрованное сообщение на заполненном автоответчике. С 1994 года его команда строит новый компьютер Colossus в Блетчли-парке.

Связанные страницы

• ENIAC
• Суперкомпьютер
• Загадка (машина)
• Лоренц Шифер