Други статии от цикъла:
- История на релето
- История на електронните компютри
- История на транзистора
- История на интернет
През 1938 година ръководителят на Британската тайна разузнавателна служба без излишен шум закупил имение с площ от 24 хектара на 80 мили от Лондон. То било разположено на пресечението на железопътни линии, идващи от Лондон на север и от Оксфорд на запад към Кембридж на изток, и било идеално място за организация, която никой не трябва да вижда, но все пак е била в бърз достъп до повечето важни центрове на знание и власт в Британия. Именуваното имение е известно като , стана британският център за разбиване на кодове по време на Втората световна война. Това е, може би, единственото място в света, известно с участието си в криптографията.
Танни
През лятото на 1941 година в Блетчли вече активно се работеше по разбиването на известната шифровална машина Енигма, използвана от германската армия и флота. Ако сте гледали филма за британските шифровачи, там разказват за Енигма, но ние няма да се разпростираме по нея — защото скоро след нахлуването в Съветския съюз в Блетчли открили предаване на съобщения с нов тип шифриране.
Криптоаналитиците доста бързо разгадали общата природа на машината за предаване на съобщения, която те нарекли „Танни“.
В отличие от Енигма, чиито съобщения трябвало да се декриптират ръчно, Танни се свързвала директно с телетайпа. Телетайпът преобразувал всеки въведен от оператора символ в поток от точки и тирета (подобен на точките и тиретата на азбуката на Морз) в стандартен с пет символа на буква. Това бил нешифрован текст. Танни едновременно използвала дванадесет колелца за създаване на собствен парален поток от точки и тирета: ключа. След това добавяла ключа към съобщението, издавайки шифрован текст, предаван по въздуха. Сложението ставало в двоична аритметика, където точките съответствали на нулите, а тиретата — на единиците:
0 + 0 = 0
0 + 1 = 1
1 + 1 = 0
Другая Танни на страната на получателя с същите настройки е издавала същия ключ и го е добавяла към шифрованото съобщение, за да предаде първоначалното, което е отпечатвано на бумага от телетайпа на получателя. Да предположим, че имаме съобщение: «точка плюс точка точка плюс». В числа това ще бъде 01001. Добавяме случаен ключ: 11010. 1 + 0 = 1, 1 + 1 = 0, 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1, 1 + 0 = 1, така че получаваме шифрован текст 10011. Отново добавяйки ключа, можем да възстановим първоначалното съобщение. Проверяваме: 1 + 1 = 0, 1 + 0 = 1, 0 + 0 = 0, 1 + 1 = 0, 0 + 1 = 1, получаваме 01001.
Разборът на работата на Танни беше облекчен от факта, че в ранните месеци на нейното използване изпращачите предаваха настройки на колелата, които трябваше да се използват преди изпращане на съобщението. По-късно германците издадоха кодови книги с предварително зададени настройки на колелата, и изпращачът трябваше само да изпрати код, по който получателят можеше да намери нужната настройка на колелото в книжката. В крайна сметка те започнаха да променят кодовите книги ежедневно, поради което в Блетчли трябваше да хакват настройките на кодовите колела всяка сутрин.
Интересно е, че криптоаналитиците разгадали функцията на Танни на базата на разположението на изпращащите и приемащите станции. Тя свързвала нервните центрове на висшето германско командване със армията и командирите на армейските групи на различни европейски военни фронтове, от окупираната Франция до руските степи. Това беше привлекателна задача: хакването на Танни обещаваше пряк достъп до намеренията и възможностите на врага на висшето ниво.
След това, благодарение на комбинация от грешки на германските оператори, хитрост и упорита решителност, младият математик напредна много по-далеч от простите изводи за работата на Танни. Не виждайки самата машина, той напълно определи нейната вътрешна структура. Логически извеждайки възможните позиции на всяко колело (всяко от които имаше свое простичко число), той разкри как точно разположението на колелата генерира ключа. Въоръжен с тази информация, в Блетчли построиха копия на Танни, които можеха да бъдат използвани за разшифроване на съобщения — веднага след правилната настройка на колелата.
12 колела на ключа на машината, използваща шифъра на Лоренц, известен като Танни
Хит Робинсон
До края на 1942 година Тат продължи да атакува Танни, разработвайки специална стратегия за целта. Тя беше основана на концепцията за делта: сумата по модул 2 на един сигнал в съобщението (точки или кръстчета, 0 или 1) с следващия. Той осъзна, че заради прекъснатото движение на колелата на Танни съществува връзка между делтата на криптирания текст и делтата на текста на ключа: те трябваше да се променят заедно. Така че, ако се сравни криптирания текст с ключовия текст, създаден на различни настройки на колелата, е възможно да се изчисли делтата за всеки и да се преброят съвпаденията. Значително над 50% количество съвпадения трябваше да маркира потенциален кандидат за истинския ключ на съобщението. В теорията идеята беше добра, но беше почти невъзможно да се приложи в практика, тъй като това изискваше 2400 прохода за всяко съобщение, за да се провери всички възможни настройки.
Тат предаде тази задача на друг матемatik, Макс Нюман, който ръководеше отдел в Блетчли, известен като „ньюмания“. Нюман, на пръв поглед, бе маловероятна кандидатура за ръководство на чувствителна британска разузнавателна организация, тъй като баща му произхождаше от Германия. Въпреки това, изглеждаше малко вероятно той да шпионира в полза на Хитлер, тъй като семейството му беше еврейско. Той бе толкова загрижен за напредъка на доминирането на Хитлер в Европа, че премести семейството си на безопасно място, в Ню Йорк, скоро след колапса на Франция през 1940 г. и известно време сам мислеше да се премести в Принстън.
Макс Нюман
Случайно Ньюман имал идея за работа по изчисленията, необходими за метода на Тата — чрез създаването на машина. В Блетчли вече бяха свикнали да използват машини за криптоанализ. Точно така беше пробита Енигма. Но Ньюман замисляше определено електронно устройство за работа над шифъра Танни. Преди войната той е преподавал в Кеймбридж (единият от неговите студенти е бил Алан Тюринг) и знаеше за електронните броячи, построени от Уинн-Уилямс за броене на частиците в Кавендиш. Идеята беше следната: ако синхронизирате две затворени в контур ленти, които се въртят с голяма скорост, едната от които съдържа ключа, а другата — шифрованото съобщение, и броите всеки елемент с обработвач, който брои делтите, то електронният брояч би могъл да сумира резултатите. Четейки окончателния резултат в края на всяко изминаване, можеше да се определи дали този ключ е потенциален, или не.
Получило се е, че група инженери с подходящ опит точно е съществувала. Сред тях е бил и самият Уинн-Уилямс. Тюринг е вербувал Уинн-Уилямс от лабораторията за радар в Мелвърн, за да помогне за създаването на нов ротор за машината, разшифроваща Енигма, използваща електроника за броене на завъртанията. На него с този и други проекти, свързани с Енигма, помагали трима инженери от Пощенската изследователска станция в Долис-Хил: Уилям Чандлър, Сидни Бродхърст и Томми Флауърс (да напомня, че Британската поща е била високотехнологична организация и е отговаряла не само за хартията, но и за телеграфията и телефонията). И двата проекта се провалили и мъжете останали без работа. Ньюман ги събрал. Той назначил Флауърс за водещ на екипа, създаващ "комбиниращо устройство", което трябваше да брои делтите и да предава резултата на брояча, върху който работил Уинн-Уилямс.
Нюман наел инженерите да построят машини, а Женският отдел на кралския флот — да управлява машините му за обработка на съобщения. Правителството доверяваше високи ръководни постове само на мъже, а жените се справяха отлично, работейки като оператори в Блетчли — те се занимаваха както с транскрипция на съобщения, така и с декодиращи настройки. Те успяха много органично да преминат от канцеларска работа към грижа за машините, автоматизирали тяхната работа. Своята подопечна машина те безгрижно нарекоха "«, британският еквивалент на [и двамата бяха илюстратори-карикатуристи, които изобразяваха изключително сложни, обемисти и объркани устройства, които изпълняваха много прости функции / бел. ред.].
Машината "Стария Робинсон", много подобна на своя предшественик, машината "Хит Робинсон"
И наистина, "Хит Робинсон", в теорията доста надежден, в практиката страдаше от сериозни проблеми. Основният проблем беше необходимостта от идеална синхронизация между две ленти — шифрования текст и текст на ключа. Всяко разтягане или плъзгане на която и да е от лентите правеше целия проход невалиден. За да се минимизира рискът от грешки, машината обработваше не повече от 2000 символа в секунда, въпреки че лентите можеха да работят и по-бързо. Флауърс, нежелаяки да се съгласи с работата по проекта "Хит Робинсон", смяташе, че има по-добър начин: машина, почти изцяло изградена от електронни компоненти.
Колос
Томас Флауърс работеше като инженер в изследователското отделение на британската поща от 1930 г., където първоначално работеше по изследвания на ненадеждни и несъществуващи съединения в новите автоматични телефонни станции. Това го накара да се замисли как да създаде подобрена версия на телефонната система, и до 1935 г. той започна да проповядва заменяне на електромеханичните компоненти на системата, такива като реле, с електронни. Тази цел определяше целия му по-нататъшен кариерен път.
Томми Флауърс, около 1940 г.
По-голямата част от инженерите критикуваха електронните компоненти за тяхната капризност и ненадеждност при използване в голям мащаб, но Флауърс показа, че ако се използват без прекъсване и на мощности, много по-ниски от разчетните, електронните лампи всъщност демонстрират изненадващо дълъг срок на служба. Той доказа своите идеи, заменяйки всички терминали, инсталиращи тонален сигнал на комутира, обслужващ 1000 линии, с лампи; общо там имаше 3-4 хиляди. Тази инсталация беше пусната в реална работа през 1939 г. По същото време той експериментираше с заменяне на релейни регистри, съхраняващи телефонни номера, с електронни релета.
Флауърс смяташе, че "Хит Робинсън", за създаването на който го наеха, има сериозни недостатъци, и че той може много по-добре да реши тази задача, използвайки повече лампи и по-малко механични части. През февруари 1943 г. той донесе алтернативна схема на машината на Ньюман. Флауърс хитроумно се избави от лентата с ключа, премахвайки проблема с синхронизацията. Неговата машина трябваше да генерира текст на ключа на момента. Тя трябваше да симулира Танни електронно, преминавайки през всички настройки на колелата и сравнявайки всяка от тях със шифрования текст, записвайки вероятните съвпадения. Той очакваше, че такъв подход ще изисква използването на около 1500 електронни лампи.
Ньюман и останалото ръководство на Блетчли се отнесоха скептично към това предложение. Както повечето съвременници на Флауърс, те се съмняваха, че е възможно електрониката да работи на такъв мащаб. Освен това, дори и да може да работи, те се съмняваха, че такава машина може да бъде построена навреме, за да бъде полезна в войната.
Ръководителят на Флауърс в Долис-Хил все пак му даде разрешение да сформира екип за създаването на това електронно чудовище — Флауърс, възможно е, не напълно искрено описа на колко много му е харесала идеята в Блетчли (Ако се вярва на Андрю Ходжес, Флауърс е казал на шефа си, Гордън Редли, че проектът е критичен за Блетчли, а Редли вече е чул от Чърчил, че работата на Блетчли е напълно приоритетна). Освен Флауърс, във разработката на системата голяма роля изиграват Сидни Броадхърст и Уилям Чандлър, а целият проект е ангажирал почти 50 души, половината ресурси на Долис-Хил. Екипът беше вдъхновен от прецеденти, използвани в телефонията: броячи, разклонена логика, рутерно оборудване и трансфер на сигнали, и апаратура за периодични измервания на състоянието на оборудването. Броадхърст беше майстор на такива електромеханични схеми, а Флауърс и Чандлър бяха експерти по електроника, разбиращи как да пренесат концепции от света на релеетата в света на клапаните. Към началото на 1944 година екипът представи работещ модел в Блетчли. Огромната машина получи името „Колос“ и бързо доказа, че може да надмине „Хита Робинсона“, надеждно обработвайки по 5000 символа в секунда.
Нюман и останалото ръководство в Блетчли бързо разбраха, че са сгрешили, отказвайки на Флауърс. През февруари 1944 г. те поръчаха още 12 „Колоса“, които трябваше да бъдат готови до 1 юни — тази дата беше планирана за инвазията във Франция, макар че, разбира се, това не беше известно на Флауърс. Флауърс заяви, че това е невъзможно, но с героични усилия, екипът му успя да достави втората машина до 31 май, в която новият член на екипа, Алан Кумбс, внесе множество усъвършенствания.
Преработената схема, известна като Mark II, продължи успеха на първата машина. Освен системата за подаване на лента, тя се състоеше от 2400 лампи, 12 ротационни ключа, 800 релета и електрическа пишеща машина.
Colossus Mark II
Тя беше настраиваемa и достатъчно г灵ка, за да изпълнява различни задачи. След инсталацията, всеки от женските екипи настрои своя "Колос" да решава определени проблеми. Комутационната панел, подобна на панела за работа на телефонен оператор, беше необходима за настройка на електронните пръстени, симулиращи колелата на Танни. Набор от превключватели позволяваше на операторите да настройват произволен брой функционални устройства, обработващи два потока данни: външна лента и вътрешен сигнал, генериран от пръстените. Комбинирайки набор от различни логически елементи, "Колос" можеше да извършва изчисления на произволни булеви функции на базата на данните, а именно функции, които дават 0 или 1. Всяка единица увеличаваше брояча на "Колоса". Отделно управляващо устройство правеше разклоняващи решения на базата на състоянието на брояча — например, да спре и да отпечата изхода, ако стойността на брояча надвиши 1000.
Панел за превключване за настройка на "Колоса"
Да приемем, че "Колос" е бил програмируем компютър с общо предназначение в съвременния смисъл. Той е могъл логически да комбинира два потока данни — един на лента и един, генериран от пръстеновидните броячи — и да брои броя на срещнатите единички, и това е всичко. Голямата част от "програмирането" на "Колоса" преминаваше на хартия, а операторите изпълняваха дърво на решения, подготвено от аналитиците: да приемем, "ако изходът на системата е по-малък от X, настрой конфигурация B и изпълни Y, в противен случай изпълни Z".
Блок-схема на високо ниво за "Колоса"
Въпреки това, "Колос" беше напълно способен да решава поставената му задача. За разлика от компютъра Атанасов-Бери, "Колос" беше изключително бърз — той можеше да обработва 25000 символа в секунда, всеки от които можеше да изисква изпълнението на няколко булеви операции. Mark II е увеличил скоростта пет пъти в сравнение с Mark I, като едновременно чете и обработва пет различни участъка на лентата. В него беше отказано да свързват цялата система с бавни електромеханични устройства за вход-изход, използвайки фотоволтаични елементи (взети от противовъздушни ) за четене на входящи ленти и регистър за буферизиране на изхода към пишеща машина. Лидерът на екипа, възстановил „Колосса“ през 90-те, показа, че в своята област все още лесно можеше да изпревари производителността на компютър с процесор Pentium от 1995 година.
Тази мощна текстообработваща машина стана център на проекта по разбиване на кода на Тани. До края на войната бяха построени още десет Mark II, панели за които се штampаваха по един брой месечно от работниците на пощенската фабрика в Бирмингам, нямали представа какво всъщност произвеждат, а след това се сглобяваха в Блетчли. Един разочарован чиновник от Министерството на снабдяването, получил пореден запрос за хиляда специални клапана, попита дали „пощенските работници ги използват, за да стрелят по германците“. По този индустриален начин, а не с ръчно сглобяване на индивидуалния проект, следващият компютър няма да бъде произведен преди 50-те години. Според инструкциите на Флауърс за предпазване на клапаните всеки „Колос“ работеше ден и нощ до самия край на войната. Те стояха, тихо сияейки в тъмнината, затопляйки влажната британска зима и търпеливо очаквайки инструкции, докато не настъпи денят, в който вече не бяха нужни.
Завесата на мълчанието
Естественият ентусиазъм относно интригуващата драма, разиграваща се в Блетчли, доведе до прекомерно преувеличаване на военните постижения на тази организация. Ужасно абсурдно е да се намеква, както прави филмът „“ [The Imitation Game], че британската цивилизация щеше да престане да съществува, ако не беше Алън Тюринг. „Колос“, очевидно, не оказа никакво влияние върху хода на войната в Европа. Най-прославеното му постижение беше доказването, че измамният план за нападение в Нормандия през 1944 г. е проработил. Получените съобщения чрез Тани показваха, че съюзниците успешно убедиха Хитлер и неговото командване, че истинският удар ще дойде по-далеч на изток, при Па-де-Кале. Удокаждаща информация, но едва ли намаляването на нивата на кортизол в кръвта на съюзното командване е помогнало да се спечели войната.
От една страна, технологичните постижения, представени от 'Колос', бяха неоспорими. Но светът скоро няма да разбере това. Чърчил заповяда всички съществуващи по време на края на играта 'Колоси' да бъдат разглобени и тайните на тяхното устройство да бъдат изпратени заедно с тях на сметището. Две машини по някакъв начин оцеляха след тази смъртна присъда и остават в редиците на британското разузнаване до 60-те години. Но дори и тогава британското правителство не повдигна завесата на мълчанието относно работата в Блетчли. Само през 70-те години съществуването му стана достояние на обществеността.
Решението завинаги да се забрани всякакво обсъждане на извършените в Блетчли Парк работи може да се нарече прекомерна предпазливост от страна на британското правителство. Но за Флауърс това беше лична трагедия. Лишен от всички заслуги и престиж на изобретателя на 'Колос', той страдаше от неудовлетвореност и разочарование, когато постоянните му опити да замени релето с електроника в британската телефонна система постоянно бяха блокирани. Ако той можеше да демонстрира своето постижение на примера на 'Колос', щеше да има влиянието, необходимо за реализация на мечтата си. Но до момента, когато постиженията му станаха известни, Флауърс отдавна беше пенсиониран и не можеше да повлияе на нищо.
Няколко разпръснати по света ентусиасти на електронните изчисления страдаха от подобни проблеми, свързани със секретността около 'Колос' и липсата на доказателства за жизнеспособността на този подход. Елктромеханичните изчисления все още можеха да останат водещи за известно време. Но съществуваше и друг проект, който ще прокара пътя към господстващата позиция на електронните изчисления. Въпреки че също беше резултат от секретни военни разработки, той не беше скрит след войната, а напротив, беше открит на света с голямо самочувствие под името ENIAC.
Какво да прочетете:
• Джак Копленд, ред. Колос: Тайната на компютрите за крипторазгадыване в Блетчли Парк (2006)
• Томас Х. Флауърс, “Дизайнът на Колос,” Анали на историята на изчисленията, юли 1983
• Андрю Ходжес, Алан Тюринг: Загадката (1983)
Източник: habr.com
