Weitere Artikel der Reihe:
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- Die Geschichte des Internets
Im Jahr 1938 erwarb der Kopf des britischen Geheimdienstes ohne großes Aufheben ein Anwesen mit einer Fläche von 24 Hektar, 80 Meilen von London entfernt. Es lag an der Kreuzung von Eisenbahnlinien, die von London nach Norden und von Oxford nach Westen nach Cambridge im Osten führten, und war der ideale Ort für eine Organisation, die niemand sehen sollte, jedoch in unmittelbarer Nähe der meisten wichtigen Wissens- und Machtzentren Großbritanniens lag. Das Anwesen, bekannt als , wurde während des Zweiten Weltkriegs zum britischen Zentrum für das Knacken von Geheimcodes. Es ist möglicherweise der einzige Ort der Welt, der für seine Verbindung zur Kryptographie bekannt ist.
Tanni
Im Sommer 1941 wurden in Bletchley bereits Arbeiten zum Knacken der berühmten Verschlüsselungsmaschine Enigma, die von der deutschen Armee und Marine verwendet wurde, durchgeführt. Wenn Sie einen Film über britische Codeknacker gesehen haben, wurde dort über Enigma berichtet, aber wir wollen uns hier nicht weiter darüber auslassen – da kurz nach dem Überfall auf die Sowjetunion in Bletchley eine Nachrichtenübertragung mit einem neuen Verschlüsselungstyp entdeckt wurde.
Die Kryptoanalytiker entschlüsselten bald das allgemeine Wesen der für die Nachrichtenübertragung verwendeten Maschine, die sie "Tanni" nannten.
Im Gegensatz zur Enigma, deren Nachrichten man manuell entschlüsseln musste, wurde Tanni direkt an einen Telegraphen angeschlossen. Der Telegraph wandelte jedes vom Operator eingegebene Zeichen in einen Strom von Punkten und Strichen (ähnlich wie die Punkte und Striche des Morsealphabets) in einem standardisierten mit fünf Zeichen pro Buchstabe um. Dies war unverschlüsselter Text. Tanni verwendete gleichzeitig zwölf Walzen, um ihren eigenen parallelen Strom von Punkten und Strichen zu erzeugen: dem Schlüssel. Dann addierte sie den Schlüssel zur Nachricht und erzeugte den verschlüsselten Text, der per Funk übertragen wurde. Die Addition erfolgte in der binären Arithmetik, wobei Punkte den Nullen und Striche den Einsen entsprachen:
0 + 0 = 0
0 + 1 = 1
1 + 1 = 0
Eine andere Tanni auf der Empfängerseite gab mit denselben Einstellungen denselben Schlüssel aus und fügte ihn der verschlüsselten Nachricht hinzu, um die ursprüngliche zu liefern, die auf dem Papier des Empfängers mit dem Telegrafen ausgedruckt wurde. Angenommen, wir haben die Nachricht: „Punkt plus Punkt Punkt plus“. In Zahlen wäre das 01001. Fügen wir einen zufälligen Schlüssel hinzu: 11010. 1 + 0 = 1, 1 + 1 = 0, 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1, 1 + 0 = 1, also erhalten wir den verschlüsselten Text 10011. Indem wir erneut den Schlüssel hinzufügen, kann die ursprüngliche Nachricht wiederhergestellt werden. Überprüfen wir das: 1 + 1 = 0, 1 + 0 = 1, 0 + 0 = 0, 1 + 1 = 0, 0 + 1 = 1, wir erhalten 01001.
Die Analyse der Funktionsweise von Tanni wurde dadurch erleichtert, dass die Absender in den frühen Monaten ihrer Nutzung die Rad-Einstellungen übermittelten, die vor dem Versand der Nachricht verwendet werden mussten. Später gaben die Deutschen Codierungsbücher mit vordefinierten Rad-Einstellungen heraus, und der Absender musste nur den Code senden, anhand dessen der Empfänger die benötigte Rad-Einstellung im Buch finden konnte. Letztendlich begannen sie, die Codierungsbücher täglich zu ändern, was Bletchley zwang, die Einstellungen der Codierungsräder jeden Morgen zu knacken.
Interessant ist, dass die Kryptoanalytiker die Funktion von Tanni auf der Grundlage der Positionen der sendenden und empfangenden Stationen entschlüsseln konnten. Sie verband die Nervenzentren des höchsten deutschen Kommandos mit der Armee und den Kommandeuren der Armeegruppen an verschiedenen europäischen Kriegsschauplätzen, von dem besetzten Frankreich bis zu den russischen Steppen. Es war eine verlockende Aufgabe: Das Knacken von Tanni versprach direkten Zugang zu den Absichten und Fähigkeiten des Feindes auf höchster Ebene.
Dann, dank einer Kombination aus Fehlern deutscher Betreiber, List und unbeirrbarer Entschlossenheit, machte der junge Mathematiker weitere Fortschritte über einfache Ableitungen zur Funktionsweise von Tanni hinaus. Ohne die Maschine selbst gesehen zu haben, bestimmten er ihre interne Struktur vollständig. Er leitete logisch mögliche Positionen jedes Rades ab (von denen jedes eine eigene Primzahl hatte) und wie genau die Position der Räder den Schlüssel generierte. Mit diesen Informationen baute Bletchley Kopien von Tanni, die zur Entschlüsselung von Nachrichten verwendet werden konnten — unmittelbar nachdem die Räder korrekt eingestellt waren.
12 Räder des Schlüssels der Maschine, die den Lorenz-Code verwendet, bekannt als Tanni
Hit Robinson
Bis Ende 1942 setzte Tat seine Angriffe auf Tanni fort und entwickelte dafür eine spezielle Strategie. Diese basierte auf dem Konzept der Delta: die Summe modulo 2 eines Signals in einer Nachricht (Punkte oder Kreuze, 0 oder 1) mit dem folgenden. Er erkannte, dass aufgrund der intermittierenden Bewegung der Räder von Tanni eine Verbindung zwischen dem Delta des verschlüsselten Textes und dem Delta des Schlüssels vorlag: sie mussten sich zusammen ändern. Wenn man den verschlüsselten Text mit dem Schlüsseltext vergleicht, der mit unterschiedlichen Radeinstellungen erstellt wurde, kann man das Delta für jedes berechnen und die Anzahl der Übereinstimmungen zählen. Eine Anzahl von Übereinstimmungen, die deutlich über 50 % liegt, sollte einen potenziellen Kandidaten für den echten Schlüssel der Nachricht kennzeichnen. In der Theorie war die Idee gut, aber sie war praktisch nicht umsetzbar, da sie 2400 Durchläufe für jede Nachricht erforderte, um alle möglichen Einstellungen zu überprüfen.
Tat brachte diese Aufgabe zu einem anderen Mathematiker, Max Newman, der eine Abteilung in Bletchley leitete, die alle "Newmania" nannten. Auf den ersten Blick schien Newman eine unwahrscheinliche Wahl für die Leitung einer sensiblen britischen Geheimdienstorganisation zu sein, da sein Vater aus Deutschland stammte. Es schien jedoch unwahrscheinlich, dass er für Hitler spionierte, da seine Familie jüdisch war. Er war so besorgt über den Fortschritt von Hitlers Dominanz in Europa, dass er seine Familie nach New York in einen sicheren Ort brachte, kurz nach dem Zusammenbruch Frankreichs 1940, und eine Zeit lang selbst an einem Umzug nach Princeton dachte.
Max Newman
Es stellte sich heraus, dass Newman eine Idee für die Arbeit an den Berechnungen hatte, die für das Tata-Verfahren erforderlich waren – durch die Schaffung einer Maschine. In Bletchley war man bereits daran gewöhnt, Maschinen zur Kryptoanalyse zu verwenden. So wurde auch die Enigma geknackt. Aber Newman hatte ein bestimmtes elektronisches Gerät für die Arbeit an dem Tanni-Code im Sinn. Vor dem Krieg hatte er in Cambridge gelehrt (einer seiner Studenten war Alan Turing) und wusste von den elektronischen Zählern, die Wynn-Williams zur Zählung von Partikeln im Cavendish gebaut hatte. Die Idee war folgende: Wenn man zwei geschlossene Schlaufen von Filmen synchronisieren würde, die sich mit hoher Geschwindigkeit drehen, wobei auf dem einen der Schlüssel und auf dem anderen die verschlüsselte Nachricht wäre, und jedes Element mit einem Verarbeiter zählt, der die Delta-Werte zählt, könnte der elektronische Zähler die Ergebnisse summieren. Am Ende jeder Durchlauf konnte man den Endwert ablesen und entscheiden, ob dieser Schlüssel potenziell war oder nicht.
Es passierte, dass eine Gruppe von Ingenieuren mit der passenden Erfahrung genau existierte. Unter ihnen war auch Wynn-Williams selbst. Turing hatte Wynn-Williams aus dem Radarlabor in Malvern rekrutiert, um bei der Schaffung eines neuen Rotors für die Maschine, die die Enigma entschlüsseln sollte, zu helfen, der Elektronik zur Zählung der Umdrehungen verwendete. Ihm halfen bei diesem und einem anderen Projekt, das sich auf die Enigma bezog, drei Ingenieure von der Postforschungsstation in Dollis Hill: William Chandler, Sidney Broadhurst und Tommy Flowers (ich möchte daran erinnern, dass die British Post eine hochmoderne Organisation war und nicht nur für die Papierpost, sondern auch für Telegraphie und Telefonie zuständig war). Beide Projekte scheiterten und die Männer waren ohne Beschäftigung. Newman versammelte sie. Er setzte Flowers als Leiter des Teams ein, das das "kombinierende Gerät" entwickeln sollte, das die Deltas zählen und das Ergebnis an den Zähler, an dem Wynn-Williams arbeitete, weitergeben sollte.
Newman beschäftigte Ingenieure mit dem Bau von Maschinen, während die Frauenabteilung der britischen Marine sich um den Betrieb seiner Maschinen zur Nachrichtenverarbeitung kümmerte. Die Regierung vertraute hohe Führungspositionen nur Männern an, während Frauen gut darin waren, als Operatoren in Bletchley zu arbeiten – sie kümmerten sich sowohl um die Transkription von Nachrichten als auch um die Dekodierungsanpassungen. Sie schafften es sehr organisch, von Büroarbeit zur Betreuung von Maschinen überzugehen, die ihre Arbeit automatisierten. Ihre betreute Maschine nannten sie leichtfertig „«, dem britischen Äquivalent von [beide waren illustrerende Karikaturisten, die extrem komplexe, schwerfällige und verworrene Geräte darstellten, die sehr einfache Funktionen erfüllten / Anm. d. Übers.].
Die Maschine „Alter Robinson“, die ihrem Vorgänger, der Maschine „Hit Robinson“, sehr ähnlich war,
Und tatsächlich litt „Hit Robinson“, theoretisch ausreichend zuverlässig, in der Praxis unter ernsthaften Problemen. Das Hauptproblem war die Notwendigkeit einer perfekten Synchronisation zweier Filme – des verschlüsselten Textes und des Schlüssels. Jede Dehnung oder Verschiebung eines der Filme machte den gesamten Durchgang unbrauchbar. Um das Risiko von Fehlern zu minimieren, verarbeitete die Maschine nicht mehr als 2000 Zeichen pro Sekunde, obwohl die Bänder schneller arbeiten könnten. Flowers, der widerwillig mit der Arbeit am Projekt „Hit Robinson“ einverstanden war, glaubte, dass es eine bessere Lösung gab: eine Maschine, die fast vollständig aus elektronischen Komponenten gebaut war.
Koloss
Thomas Flowers arbeitete seit 1930 als Ingenieur in der Forschungsabteilung der britischen Post, wo er ursprünglich an der Erforschung fehlerhafter und gescheiterter Verbindungen in neuen automatischen Telefonstationen arbeitete. Das führte ihn zu Überlegungen, wie man eine verbesserte Version des Telefonsystems schaffen könnte, und bis 1935 begann er, den Austausch elektromechanischer Komponenten des Systems, wie Relais, durch elektronische Komponenten zu predigen. Dieses Ziel prägte seine gesamte weitere Karriere.
Tommy Flowers, etwa 1940
Ein Großteil der Ingenieure kritisierte die elektronischen Komponenten wegen ihrer Launhaftigkeit und Unzuverlässigkeit bei der Verwendung im großen Maßstab. Doch Flowers zeigte, dass die Elektronenröhren bei kontinuierlichem Betrieb und deutlich geringeren Leistungen als berechnet tatsächlich eine bemerkenswert lange Lebensdauer aufweisen. Er bewies seine Ideen, indem er alle Terminals, die das Tonsignal für einen Schalter mit 1000 Leitungen festlegten, durch Röhren ersetzte; insgesamt waren es dort etwa 3-4 Tausend. Diese Installation wurde 1939 in den regulären Betrieb genommen. In dieser Zeit experimentierte er auch mit der Ersetzung von Relaisregistern, die Telefonnummern speicherten, durch elektronische Relais.
Flowers war der Ansicht, dass der «Hit Robinson», für dessen Erstellung man ihn engagiert hatte, gravierende Mängel aufwies und dass er das Problem viel besser lösen könnte, indem er mehr Röhren und weniger mechanische Teile verwendete. Im Februar 1943 brachte er Newmann einen alternativen Schaltplan für die Maschine. Flowers schaffte es auf geniale Weise, die Schlüsselbandproblematik zu beseitigen, wodurch das Synchronisationsproblem gelöst wurde. Seine Maschine sollte den Schlüsseltext im laufenden Betrieb generieren. Sie sollte Tanni elektronisch simulieren, indem sie alle Einstellmöglichkeiten prüfte und jede mit dem verschlüsselten Text verglich, um wahrscheinliche Übereinstimmungen aufzuzeichnen. Er schätzte, dass dieser Ansatz etwa 1500 elektronische Röhren erfordern würde.
Newman und das restliche Management von Bletchley standen diesem Vorschlag skeptisch gegenüber. Wie viele Zeitgenossen von Flowers bezweifelten sie, dass es möglich sei, Elektronik in solchem Umfang zum Funktionieren zu bringen. Außerdem bezweifelten sie, selbst wenn es funktionieren würde, dass eine solche Maschine rechtzeitig gebaut werden könnte, um im Krieg nützlich zu sein.
Der Leiter von Flowers in Dollis Hill gab ihm schließlich grünes Licht, ein Team für die Schaffung dieses elektronischen Monsters zusammenzustellen. Flowers hatte möglicherweise nicht ganz ehrlich geschildert, wie sehr ihm die Idee in Bletchley gefiel (Wenn man Andrew Hodges Glauben schenken darf, sagte Flowers seinem Chef, Gordon Radley, das Projekt sei eine kritische Arbeit für Bletchley, und Radley hatte bereits von Churchill gehört, dass die Arbeit in Bletchley absolute Priorität hatte). Neben Flowers spielten Sydney Broadhurst und William Chandler eine große Rolle bei der Entwicklung des Systems, das fast 50 Menschen beschäftigte und die Ressourcen von Dollis Hill zur Hälfte in Anspruch nahm. Das Team ließ sich von Beispielen aus der Telefonie inspirieren: Zählern, verzweigter Logik, Routing- und Signalwechselgeräten sowie Geräten zur periodischen Messung des Gerätezustands. Broadhurst war ein Meister solcher elektromechanischen Schaltungen, während Flowers und Chandler Experten in der Elektronik waren und wussten, wie man Konzepte aus der Welt der Relais in die Welt der Ventile überträgt. Anfang 1944 stellte das Team ein funktionierendes Modell in Bletchley vor. Die riesige Maschine erhielt den Namen „Colossus“ und bewies schnell, dass sie in der Lage war, 5000 Zeichen pro Sekunde zuverlässig zu verarbeiten.
Newman und das restliche Management in Bletchley erkannten schnell, dass sie falsch lagen, als sie Flowers abwiesen. Im Februar 1944 bestellten sie weitere 12 „Colossi“, die bis zum 1. Juni betriebsbereit sein sollten – für dieses Datum war die Invasion in Frankreich geplant, obwohl Flowers das natürlich nicht wusste. Flowers sagte direkt, dass dies unmöglich sei, aber mit heroischen Anstrengungen gelang es seinem Team, die zweite Maschine bis zum 31. Mai bereitzustellen, in die das neue Teammitglied Alan Kumbes zahlreiche Verbesserungen einbrachte.
Der überarbeitete Entwurf, bekannt als Mark II, setzte den Erfolg der ersten Maschine fort. Neben dem Filmspeisesystem bestand sie aus 2400 Röhren, 12 Drehschaltern, 800 Relais und einer elektrischen Schreibmaschine.
Colossus Mark II
Sie war anpassbar und ziemlich flexibel, um verschiedene Aufgaben zu erfüllen. Nach der Installation hat jedes der Frauen-Teams ihren „Koloss“ für die Lösung bestimmter Probleme angepasst. Ein Bedienfeld, ähnlich dem für Telefonoperatoren, wurde benötigt, um die elektrischen Ringe einzustellen, die die Räder der Tanni nachahmten. Eine Schaltergruppe ermöglichte es den Operatoren, beliebig viele funktionale Geräte einzustellen, die zwei Datenströme verarbeiteten: den externen Film und das interne Signal, das von den Ringen erzeugt wurde. Durch die Kombination verschiedener logischer Elemente konnte der „Koloss“ komplexe boolesche Funktionen auf Basis der Daten berechnen, das heißt, solche Funktionen, die 0 oder 1 herausgeben. Jede Eins erhöhte den Zähler des „Kolosses“. Ein separater Steuerungsapparat traf verzweigte Entscheidungen basierend auf dem Zählerstand – zum Beispiel anhalten und die Ausgabe drucken, wenn der Zählerstand 1000 überschreitet.
Schaltfeld zur Einstellung des „Kolosses“
Angenommen, der „Koloss“ wäre ein programmierbarer Computer allgemeiner Art im modernen Sinne. Er konnte logisch zwei Datenströme kombinieren – einen auf Film und einen, der von Zählern im Ring erzeugt wurde – und die Anzahl der gestutzten Einsen zählen, und das war alles. Der Großteil des „Programmierens“ des „Kolosses“ fand auf Papier statt, und die Operatoren führten einen Entscheidungsbaum aus, der von Analysten vorbereitet wurde: Angenommen, „wenn die Ausgabe des Systems kleiner als X ist, stelle Konfiguration B ein und führe Y aus, andernfalls führe Z aus“.
Übersichtliche Blockdarstellung für den „Koloss“
Dennoch war der „Koloss“ durchaus in der Lage, die gestellte Aufgabe zu lösen. Im Gegensatz zum Atanasoff-Berry-Computer war der „Koloss“ äußerst schnell – er konnte 25.000 Zeichen pro Sekunde verarbeiten, von denen jedes mehrere boolesche Operationen erforden konnte. Mark II erhöhte die Geschwindigkeit im Vergleich zu Mark I um den fünfzehnfachen, während er gleichzeitig fünf verschiedene Filmsegmente las und verarbeitete. Man entschied sich, das gesamte System nicht mit langsamen elektromechanischen Ein- und Ausgabegeräten zu verbinden, sondern nutzte photoelektrische Elemente (genommen von den Luftabwehr- ) zum Lesen eingehender Filme und ein Protokoll zur Pufferung der Ausgabe auf einer Schreibmaschine. Der Teamleiter, der in den 1990er Jahren den „Colossus“ wiederhergestellt hat, zeigte, dass er in seinem Fachgebiet immer noch leicht einen Computer mit einem Pentium-Prozessor aus dem Jahr 1995 in der Leistung übertreffen konnte.
Diese leistungsstarke Textverarbeitungsmaschine wurde zum Zentrum des Projekts zur Entschlüsselung des Tanni-Codes. Bis zum Ende des Krieges wurden zehn weitere Mark II gebaut, deren Paneele jeweils einmal im Monat von den Arbeitern der Postfabrik in Birmingham gestempelt wurden, die keine Ahnung hatten, was sie genau produzierten, und die dann in Bletchley zusammengebaut wurden. Ein verärgerter Beamter des Ministeriums für Materialbeschaffung, der eine weitere Anfrage nach tausend speziellen Ventilen erhielt, fragte, ob die Postarbeiter sie nicht auf die Deutschen „abfeuern“. Auf diese industrielle Weise und nicht durch die manuelle Montage eines individuellen Projekts wurde der nächste Computer nicht vor den 1950er Jahren hergestellt. Laut Flowers' Anweisungen zur Sicherung der Ventile arbeiteten die „Colossi“ Tag und Nacht bis zum Ende des Krieges. Sie standen, leuchteten sanft in der Dunkelheit, wärmten den feuchten britischen Winter und warteten geduldig auf Anweisungen, bis der Tag kam, an dem sie nicht mehr benötigt wurden.
Der Schleier des Schweigens
Der natürliche Enthusiasmus für die faszinierende Tragödie, die sich in Bletchley abspielte, führte zu einer übermäßigen Übertreibung der militärischen Errungenschaften dieser Organisation. Es ist schrecklich absurd, wie der Film „“ [The Imitation Game] andeutet, dass die britische Zivilisation nicht mehr existieren würde, wenn es Alan Turing nicht gegeben hätte. Der „Colossus“ hatte anscheinend keinen Einfluss auf den Verlauf des Krieges in Europa. Seine am meisten angepriesene Errungenschaft war der Beweis dafür, dass der Täuschungsplan für die Landung in der Normandie im Jahr 1944 funktioniert hatte. Die über Tanni erhaltenen Nachrichten berichteten, dass die Alliierten Hitler und sein Führungsstab erfolgreich davon überzeugt hatten, dass der eigentliche Schlag weiter im Osten, an der Pas-de-Calais, erfolgen würde. Ermutigende Informationen, aber kaum trugen die gesenkten Cortisolspiegel im alliierten Oberkommando dazu bei, den Krieg zu gewinnen.
Auf der anderen Seite waren die technologischen Errungenschaften, die der „Koloss“ präsentierte, unbestreitbar. Doch die Welt wird dies nicht so bald erfahren. Churchill befahl, dass alle existierenden „Kolosse“ nach Spielende abgebaut und das Geheimnis ihrer Funktionsweise zusammen mit ihnen auf die Müllhalde geschickt werden. Zwei Maschinen überlebten auf mysteröse Weise dieses Todesurteil und blieben bis in die 1960er Jahre im Dienst des britischen Geheimdienstes. Doch selbst dann hob die britische Regierung den Schleier des Schweigens über die Arbeit in Bletchley nicht. Erst in den 1970er Jahren wurde ihre Existenz öffentlich bekannt.
Die Entscheidung, jede Diskussion über die Arbeiten in Bletchley Park für immer zu verbieten, könnte als übertrieben vorsichtig von der britischen Regierung bezeichnet werden. Für Flowers jedoch war es eine persönliche Tragödie. Der Erfinder des „Kolosses“ war seiner gesamten Errungenschaften und des damit verbundenen Prestiges beraubt und litt unter Unzufriedenheit und Enttäuschung, da seine ständigen Versuche, Relais durch Elektronik im britischen Telefonsystem zu ersetzen, ständig blockiert wurden. Hätte er sein Ergebnis am Beispiel des „Kolosses“ demonstrieren können, hätte er den Einfluss gehabt, um seinen Traum zu verwirklichen. Doch bis zu dem Zeitpunkt, als seine Errungenschaften bekannt wurden, war Flowers längst im Ruhestand und konnte auf nichts mehr Einfluss nehmen.
Einige verstreute Enthusiasten der elektronischen Berechnung weltweit litten unter ähnlichen Problemen, die mit der Geheimhaltung um den „Koloss“ und dem Mangel an Beweisen für die Lebensfähigkeit dieses Ansatzes verbunden waren. Elektromechanische Berechnungen konnten noch eine Weile dominierend bleiben. Doch es gab ein weiteres Projekt, das den Weg für den Aufstieg der elektronischen Berechnungen ebnen sollte. Obwohl es ebenfalls das Ergebnis geheimer militärischer Entwicklungen war, wurde es nach dem Krieg nicht geheim gehalten, sondern der Welt mit großem Pomp unter dem Namen ENIAC präsentiert.
Was zu lesen:
• Jack Copeland, Hrsg. Colossus: Die Geheimnisse der Codeknackmaschinen von Bletchley Park (2006)
• Thomas H. Flowers, „Das Design des Koloss“, Annals of the History of Computing, Juli 1983
• Andrew Hodges, Alan Turing: Die Enigma (1983)
Quelle: habr.com
