Andre artikler i cyklen:
- Historien om relæet
- Historien om elektroniske computere
- Historien om transistoren
- Internettets historie
I 1938 købte lederen af den britiske hemmelige efterretningstjeneste stille og roligt en ejendom på 24 hektar, 80 mile fra London. Den var placeret på krydset mellem jernbaner, der gik fra London mod nord og fra Oxford mod vest til Cambridge mod øst, og var et ideelt sted for en organisation, som ingen skulle se, men som dog var hurtigt tilgængelig for de fleste vigtige centre for viden og magt i Storbritannien. Ejendommen, kendt som , blev det britiske centrum for krypteringsbrud under Anden Verdenskrig. Det er muligvis det eneste sted i verden, der er kendt for sin involvering i kryptografi.
Tanni
I sommeren 1941 var der allerede i fuld gang med arbejdet med at bryde den berømte krypteringsmaskine Enigma, som blev anvendt af den tyske hær og flåde. Hvis du har set filmen om de britiske krypteringshakkere, så blev der talt om Enigma, men det vil vi ikke uddybe her — da man snart efter invasionen af Sovjetunionen opdagede meddelelser sendt med en ny type kryptering i Bletchley.
Kryptoanalytikere løste hurtigt den generelle natur af den maskine, der blev brugt til at sende meddelelser, som de kaldte 'Tanni'.
I modsætning til Enigma, hvis meddelelser skulle dekrypteres manuelt, var Tanni direkte tilsluttet en telex. Telexen konverterede hvert tegn indtastet af operatøren til en strøm af prikker og krydser (lignende de prikker og streger fra Morsealfabetet) i den standard med fem symboler pr. bogstav. Dette var ukodet tekst. Tanni brugte samtidig tolv ruller til at skabe sin egen parallelle strøm af prikker og krydser: nøglen. Derefter tilføjede den nøglen til meddelelsen, hvilket resulterede i den krypterede tekst, der blev sendt gennem luften. Sammenlægningen blev udført i binær aritmetik, hvor prikker svarede til nuller, og krydser svarede til ettere:
0 + 0 = 0
0 + 1 = 1
1 + 1 = 0
En anden Tanni på modtagerens side med de samme indstillinger genererede den samme nøgle og tilføjede den til den krypterede besked for at udgive den oprindelige, som blev skrevet på modtagerens teletype. Lad os antage, at vi har en besked: "punkt plus punkt punkt plus". I tal bliver det 01001. Lad os tilføje en tilfældig nøgle: 11010. 1 + 0 = 1, 1 + 1 = 0, 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1, 1 + 0 = 1, så vi får den krypterede tekst 10011. Ved igen at tilføje nøglen kan vi genskabe den oprindelige besked. Lad os tjekke: 1 + 1 = 0, 1 + 0 = 1, 0 + 0 = 0, 1 + 1 = 0, 0 + 1 = 1, vi får 01001.
Analysen af Tannis funktion blev lettet af det faktum, at afsendere i de tidlige måneder af brugen sendte indstillingerne for hjulene, som skulle bruges før sendingen af beskeden. Senere udgav tyskerne kodebøger med foruddefinerede hjulindstillinger, og afsenderen skulle blot sende en kode, hvorefter modtageren kunne finde den nødvendige hjulindstilling i bogen. Som et resultat begyndte de at ændre kodebøgerne dagligt, hvilket betød, at Bletchley var nødt til at bryde hjulindstillingerne hver morgen.
Det er bemærkelsesværdigt, at kryptanalytikere knækkede Tannis funktion baseret på placeringen af de afsendende og modtagende stationer. Den forbandt nervecentrene i den øverste tyske kommando med hæren og kommandørerne for armegrupperne på forskellige europæiske krigsfronter, fra det besatte Frankrig til de russiske stepper. Det var en fristende opgave: at bryde Tanni lovede direkte adgang til fjendens hensigter og kapaciteter på højeste niveau.
Derefter, takket være en kombination af fejl fra tyske operatører, snedighed og beslutsomhed, avancerede den unge matematiker kom langt videre end enkle konklusioner om Tannis funktion. Uden at have set selve maskinen definerede han fuldstændigt dens indre struktur. Han udledte logisk de mulige positioner for hvert hjul (hvor hver havde sit eget primtal) og hvordan placeringen af hjulene genererede nøglen. Med denne information byggede de i Bletchley kopier af Tanni, som kunne bruges til at dekryptere beskeder — straks efter den korrekte indstilling af hjulene.
12 hjul af nøglen til maskinen, der bruger Lorenz-koden, kendt som Tanni
Hitt Robinson
I slutningen af 1942 fortsatte Tatt med at angribe Tanni og udviklede en særlig strategi til dette formål. Den var baseret på delta-konceptet: summen modulo 2 af et signal i meddelelsen (punkt eller kryds, 0 eller 1) med det næste. Han indså, at der på grund af de brudte bevægelser fra Tannis hjul eksisterede en forbindelse mellem deltaen af den krypterede tekst og deltaen af nøgleteksten: de skulle ændres i takt. Så ved at sammenligne den krypterede tekst med nøgleteksten, der var oprettet med forskellige hjulindstillinger, kunne man beregne deltaen for hver og tælle antallet af match. En overensstemmelse, der væsentligt oversteg 50%, skulle markere en potentiel kandidat til den reelle nøgle for meddelelsen. I teorien var ideen god, men den var umulig at udføre i praksis, da det krævede at lave 2400 gennemgange for hver meddelelse for at kontrollere alle mulige indstillinger.
Tatt bragte denne opgave til en anden matematiker, Max Newman, der ledede en afdeling i Bletchley, som alle kaldte "newmanismen". Newman syntes ved første øjekast at være en usandsynlig kandidat til at lede en følsom britisk efterretningsorganisation, da hans far stammede fra Tyskland. Det virkede dog usandsynligt, at han ville spionere for Hitler, da hans familie var jødisk. Han var så bekymret for Hitlers dominans i Europa, at han flyttede sin familie til et sikkert sted i New York kort efter Frankrigs sammenbrud i 1940 og overvejede i et stykke tid selv at flytte til Princeton.
Max Newman
Det skete, at Newman havde en idé om at arbejde med de beregninger, der var nødvendige for Turing-metoden – ved at skabe en maskine. I Bletchley var man allerede vant til at bruge maskiner til kryptanalyse. Det var på denne måde, at Enigma blev knækket. Men Newman tænkte på en bestemt elektronisk enhed til at arbejde med Tannys kode. Før krigen underviste han i Cambridge (en af hans studerende var Alan Turing) og vidste om de elektroniske tællere, der blev bygget af Wynn-Williams til at tælle partikler i Cavendish. Idéen var som følger: hvis man synkroniserede to lukkede bånd, der rullede med høj hastighed, hvoraf den ene ville have nøglen, og den anden den krypterede besked, og tælte hvert element med en behandler, der tæller deltaer, så kunne den elektroniske tæller opsummere resultaterne. Ved at læse den endelige tælling efter hver prøvekørsel kunne man afgøre, om denne nøgle var potentiel eller ej.
Det viste sig, at der netop fandtes en gruppe ingeniører med den rette erfaring. Blandt dem var selv Wynn-Williams. Turing rekrutterede Wynn-Williams fra radar laboratoriet i Malvern for at hjælpe med at skabe en ny rotor til maskinen, der knækkede Enigma, som brugte elektronik til at tælle drejninger. Han blev hjulpet af tre ingeniører fra Postens forskningscenter i Dollis Hill: William Chandler, Sidney Broadhurst og Tommy Flowers (jeg minder om, at det britiske postvæsen var en højteknologisk organisation og var ansvarlig ikke kun for post, men også for telegrafi og telefoni). Begge projekter mislykkedes, og mændene blev uden arbejde. Newman samlede dem. Han udnævnte Flowers som leder af holdet, der skabte den "kombinerende enhed", der skulle tælle deltaer og sende resultatet til den tæller, som Wynn-Williams arbejdede på.
Newman anskaffede ingeniører til at konstruere maskiner, mens det kvindelige afdeling af den kongelige flåde — styrede hans maskiner til behandling af beskeder. Regeringen betroede høje ledelsespositioner kun til mænd, mens kvinder klarede sig godt som operatører i Bletchley — de arbejdede både med transkription af beskeder og kodningsindstillinger. De kunne meget naturligt overgå fra kontorarbejde til pleje af de maskiner, der automatiserede deres arbejde. De gav deres beskyttede maskine det letfordøjelige navn ““, det britiske ækvivalent til [begge var illustratører og karikaturister, der skildrede ekstremt komplekse, klodsede og indviklede enheder, der udførte meget enkle funktioner / bem. red.].
Maskinen “Gamle Robinson”, der ligner sin forgænger, maskinen “Hit Robinson”
Og faktisk led “Hit Robinson”, som i teorien var ret pålidelig, i praksis af alvorlige problemer. Den største var behovet for perfekt synkronisering mellem de to bånd — den krypterede tekst og nøgleteksten. Enhver strækning eller forskydning af nogen af båndene ville gøre hele gennemgangen ubrugelig. For at minimere risikoen for fejl behandlede maskinen ikke mere end 2000 tegn per sekund, selvom remmene kunne arbejde hurtigere. Flowers, der modvilligt accepterede arbejdet med projektet “Hit Robinson”, mente, at der var en bedre måde: en maskine, der næsten helt var bygget af elektroniske komponenter.
Kæmpe
Thomas Flowers arbejdede som ingeniør i den britiske posttjenestes forskningsafdeling fra 1930, hvor han oprindeligt arbejdede med at undersøge fejl og mislykkede forbindelser i de nye automatiske telefoncentraler. Dette førte ham til at overveje, hvordan man kunne skabe en forbedret version af telefon-systemet, og i 1935 begyndte han at prædike for at erstatte de elektromekaniske komponenter i systemet, såsom relæer, med elektroniske. Dette mål blev afgørende for hele hans videre karriere.
Tommy Flowers, omkring 1940
Størstedelen af ingeniørerne kritiserede de elektroniske komponenter for deres lunefuldhed og pålidelighed ved brug i stor skala, men Flowers viste, at hvis de anvendes konstant og ved betydeligt lavere kapaciteter end beregnet, kan elektroniske lamper faktisk have en bemærkelsesværdig lang levetid. Han beviste sine ideer ved at erstatte alle terminaler, der etablerede den tonale forbindelsessignal, på en switch, der betjente 1000 linjer, med lamper; i alt var der 3-4 tusinde. Denne installation blev sat i drift i 1939. Samtidig eksperimenterede han med at erstatte relæregistre, der gemte telefonnumre, med elektroniske relæer.
Flowers mente, at "Hit Robinson", som han blev ansat til at skabe, havde betydelige mangler, og at han kunne løse opgaven meget bedre ved at bruge flere lamper og færre mekaniske dele. I februar 1943 præsenterede han et alternativt design for Newman. Flowers fandt smart en måde at eliminere den nøglefilm, som havde skabt synkroniseringsproblemer. Hans maskine skulle generere nøgleteksten i realtid. Den skulle elektronisk simulere Turing ved at gennemgå alle opsætninger af hjulene og sammenligne hver enkelt med den krypterede tekst, mens den noterede sandsynlige overensstemmelser. Han anslog, at denne tilgang ville kræve omkring 1500 elektroniske lamper.
Newman og resten af ledelsen hos Bletchley var skeptiske over for dette forslag. Ligesom de fleste af Flowers' samtidige tvivlede de på, om det var muligt at få elektronikken til at fungere i så stor skala. Desuden, selv hvis det kunne lade sig gøre at få det til at fungere, tvivlede de på, at en sådan maskine kunne blive færdig til tiden, så den ville være nyttig i krigen.
Flawers' chef in Dollis Hill finally gave him the go-ahead to assemble a team to create this electronic monster — Flawers may not have been entirely sincere in describing how much his idea was appreciated in Bletchley (If we are to believe Andrew Hodges, Flawers told his boss, Gordon Radley, that the project was critical work for Bletchley, and Radley had already heard from Churchill that Bletchley's work was absolutely a priority). Besides Flawers, Sidney Broadhurst and William Chandler played significant roles in the system's development, with the entire undertaking involving nearly 50 people, half the resources of Dollis Hill. The team drew inspiration from precedents used in telephony: counters, branching logic, routing equipment, signal translation tools, and equipment for periodic measurements of device status. Broadhurst was a master of such electromechanical schemes, while Flawers and Chandler were electronics experts, understanding how to transfer concepts from the relay world to the valve world. By early 1944, the team presented a working model in Bletchley. The gigantic machine was named 'Colossus' and quickly proved capable of eclipsing the 'Hit of Robinson,' reliably processing 5000 characters per second.
Newman and the other management in Bletchley quickly realized they were wrong to refuse Flawers. In February 1944, they ordered another 12 'Colossus' machines, which were to be operational by June 1 — this date was planned for the invasion of France, though, of course, Flawers was unaware of this. Flawers explicitly stated that this was impossible, but with heroic efforts, his team managed to deliver the second machine by May 31, into which the new team member, Alan Coombs, introduced numerous enhancements.
The redesigned scheme, known as Mark II, continued the success of the first machine. Besides the film feeding system, it consisted of 2400 lamps, 12 rotary switches, 800 relays, and an electric typewriter.
Colossus Mark II
Det var tilpasseligt og tilstrækkeligt fleksibelt til at udføre forskellige opgaver. Efter installationen havde hvert af de kvindelige hold tilpasset deres 'Colossus' til at løse specifikke problemer. En kontroltavle, der mindede om en tavle til en telefonoperatør, var nødvendig for at indstille de elektroniske ringe, der simulerede Tannys hjul. Sættet af kontakt-mekanismer gjorde det muligt for operatørerne at indstille et vilkårligt antal funktionelle apparater, der behandlede to datastreams: den eksterne film og det interne signal, der blev genereret af ringene. Ved at kombinere et sæt af forskellige logiske enheder kunne 'Colossus' udføre beregninger af vilkårlige booleske funktioner baseret på data, det vil sige sådanne funktioner, der ville returnere 0 eller 1. Hver enhed øgede 'Colossus' tæller. Et separat kontrolapparat tog beslutninger baseret på tellerens tilstand — for eksempel at stoppe og udskrive output, hvis tællerværdien oversteg 1000.
Kontroltavlen til indstilling af 'Colossus'
Antag, at 'Colossus' var en programmerbar computer til generelle formål i moderne forstand. Den kunne logisk kombinere to datastreams — en på filmen og en genereret af ringtællerne — og tælle antallet af mødte enere, og det var det. Det meste af 'programmeringen' af 'Colossus' foregik på papir, og operatørerne udførte et beslutningstræ forberedt af analytikerne: antag, 'hvis systemudgangen er mindre end X, indstil konfiguration B og udfør Y, ellers udfør Z'.
Høj-niveau flowchart for 'Colossus'
Alligevel var 'Colossus' helt i stand til at løse den opgave, der blev stillet. I modsætning til Atanasoff-Berry computeren var 'Colossus' ekstremt hurtig — den kunne behandle 25.000 tegn per sekund, hver af dem kunne kræve udførelse af flere booleske operationer. Mark II forøgede hastigheden femfold i forhold til Mark I, samtidig med at den læste og behandlede fem forskellige sektioner af filmen. Her opgav man at binde hele systemet til langsomme elektromeekaniske input-output enheder og brugte fotoelementer (tager fra luftværn) ) til at læse indkommende bånd og en registrering til buffering af output til skrivemaskinen. Teamlederen, der genopbyggede 'Colossus' i 1990'erne, viste, at han stadig let kunne overgå en computer baseret på en Pentium-processor fra 1995 i ydeevne.
Denne kraftfulde tekstbehandling maskine blev centrum for projektet med at bryde koden for Tunny. Inden krigens afslutning blev yderligere ti Mark II bygget, hvis paneler blev stanset ud én ad gangen om måneden af postfabriksarbejdere i Birmingham, der ikke anede, hvad de producerede, og som så blev samlet i Bletchley. En irriteret embedsmand fra Forsyningsministeriet, der modtog en ny forespørgsel på tusind specielle ventiler, spurgte, om 'postarbejderne skød dem på tyskerne'. På denne industrielle måde, og ikke ved håndbygning af en individuel projekt, ville den næste computer ikke blive produceret før i 1950'erne. Ifølge Flowers' instrukser for at beskytte ventilerne, arbejdede hver 'Colossus' dag og nat indtil krigens slut. De stod der, stille lysende i mørket, opvarmende den fugtige britiske vinter og tålmodigt ventede på instruktioner, indtil den dag kom, hvor de ikke længere var nødvendige.
Tavshedens slør
Den naturlige entusiasme for det fascinerende drama, der udfoldede sig i Bletchley, førte til en overdreven overdrivelse af denne organisations militære præstationer. Det er frygteligt absurd at antyde, som filmen '' antyder, at den britiske civilisation ville være ophørt med at eksistere, hvis ikke for Alan Turing. 'Colossus' synes slet ikke at have haft nogen indflydelse på krigens gang i Europa. Dets mest reklamerede præstation bestod i at bekræfte, at det bedrageriske plan om invasionen i Normandiet i 1944 havde virket. De oplysninger indhentet via Tunny indikerede, at de allierede med succes overbeviste Hitler og hans komandostruktur om, at det rigtige angreb ville finde sted længere mod øst, i Pas de Calais. Opmuntrende information, men næppe et fald i cortisolniveauet i de allieredes kommando hjalp med at vinde krigen.
På den anden side var de teknologiske fremskridt, som "Colossus" præsenterede, ubestridelige. Men verden ville ikke snart finde ud af dette. Churchill beordrede, at alle eksisterende "Colossus"-maskiner skulle skrotes, og hemmeligheden om deres konstruktion skulle sendes til skrotpladsen sammen med dem. To maskiner overlevede på en eller anden måde denne dødsdom og forblev i britisk efterretningstjeneste indtil 1960'erne. Men selv da løftede den britiske regering ikke sløret over arbejdet i Bletchley. Først i 1970'erne blev dens eksistens offentligt kendt.
Beslutningen om for altid at forbyde enhver diskussion om arbejdet udført i Bletchley Park kunne kaldes en overdrevet forsigtighed fra den britiske regering. Men for Flowers var dette en personlig tragedie. Berøvet for alle sine præstationer og prestise som opfinder af "Colossus", led han af utilfredshed og skuffelse, da hans konstante forsøg på at erstatte relæer med elektronik i den britiske telefoninfrastruktur blev konstant blokeret. Hvis han kunne have vist sin bedrift med "Colossus" som eksempel, ville han have haft den nødvendige indflydelse til at realisere sin drøm. Men på det tidspunkt, hvor hans opdagelser blev kendt, var Flowers allerede gået på pension og kunne ikke påvirke noget.
Flere entusiaster inden for elektronisk beregning rundt omkring i verden led af lignende problemer forbundet med de hemmeligheder, der omgav "Colossus", og manglen på beviser for levedygtigheden af denne tilgang. Elektromekanisk beregning kunne forblive dominerende i noget tid endnu. Men der var også et andet projekt, som ville bane vejen for elektronisk beregning til at indtage den førende position. Selvom det også var et resultat af hemmelige militære udviklinger, blev det ikke skjult efter krigen; tværtimod blev det præsenteret for verden med stor pompositet under navnet ENIAC.
Anbefalede læsninger:
• Jack Copeland, red. Colossus: The Secrets of Bletchley Park’s Codebreaking Computers (2006)
• Thomas H. Flowers, “The Design of Colossus,” Annals of the History of Computing, juli 1983
• Andrew Hodges, Alan Turing: The Enigma (1983)
Kilde: habr.com
