Elektrooniliste arvutite ajalugu, 2. osa: Colossus

Teised tsükli artiklid:

• Rela ajalugu
  • Kiire teabe edastamise meetod ehk relee tekkimine
  • Kaugréle
  • Galvanism
  • Ettevõtjad
  • Ja lõpuks, relee
  • Rääkiv telegraaf
  • Lihtsalt ühendamine
  • Unustatud rälitsid kompuutritest
  • Elektriaeg
• Elektriliste kompuutrite ajalugu
  • Proloog
  • Kolloss
  • ENIAC
  • Elektriline revolutsioon
• Transistori ajalugu
  • Käies pimeduses tunde järgi
  • Sõjakooretest
  • Korduv leiutamine
• Interneti ajalugu
  • Tugivõrk
  • Lagunemine, osa 1
  • Lagunemine, osa 2
  • Interaktiivsuse avamine
  • Interaktiivsuse laiendamine
  • ARPANET — algus
  • ARPANET — pakett
  • ARPANET — alamvõrk
  • Arvuti kui sidevahend
  • Interneti ajalugu: võrguühendus

1938. aastal ostis Briti salateenistuse juht vaikselt 24 hektari suuruse mõisahoone, mis asus 80 miili kaugusel Londoni linnast. See paiknes raudteede ristumiskohas, mis viis Londonist põhja, Oxfordist läände ja Cambridge'ist itta, olles ideaalne koht organisatsioonile, mida ei olnud keegi näinud, kuid mis asus samas kiire ligipääsu kaugusel enamikest olulistest teadmiste ja võimu keskustest Briti aladel. Mõis, tuntud kui Bletchley Park, sai Briti koodimurdmise keskuseks Teise maailmasõja ajal. See on võib-olla ainus koht maailmas, millel on seos krüptograafiaga.

Tanni

Suvel 1941 käidi Bletchleys juba laialdaselt tööd, et murda kuulsa Enigma koodimasina saladus, mida kasutasid Saksa armee ja merevägi. Kui olete näinud filmi Briti koodimurdjatest, siis seal räägiti Enigmast, kuid me ei hakka siin selle üle pikalt peatuma — kuna pärast Nõukogude Liitu sisenemist avastati Bletchleys sõnumite saatmine uue krüptimise tüübiga.

Krüptoloogid suutsid üsna pea avastada sõnumite edastamiseks kasutatud masina olemuse, mille nad nimetasid "Tanni".

Erinevalt Enigmast, mille sõnumid tuli käsitsi lahti muukida, oli Tanni otseühenduses teletüübiga. Teletüüp muundas iga operaatori sisestatud sümboli punktide ja kriipsude vooguks (sarnane punktide ja kriipsudega morse-alfabeedis) standardseks. Bodo koodis kus iga tähe jaoks oli viis sümbolit. See oli dekodeeritud tekst. Tanni kasutas samaaegselt kaheteistkümmet rullikut, et luua oma paralleelne punktide ja kriipsude voog: võti. Seejärel lisas ta võtme sõnumile, andes välja krüpteeritud teksti, mis edastati õhus. Liitmine toimus binaarsetes arvutustes, kus punktid vastasid nullidele ja kriipsud ühele:

0 + 0 = 0
0 + 1 = 1
1 + 1 = 0

Teine Tanni saaja küljes sama seadistustega andis sama võtme ja lisas selle krüpteeritud sõnumile, et väljund oleks algne, mis trükiti saaja teletüüpi. Oletame, et meil on sõnum: „punkt pluss punkt punkt pluss”. Numbrite keeles oleks see 01001. Lisame juhusliku võtme: 11010. 1 + 0 = 1, 1 + 1 = 0, 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1, 1 + 0 = 1, seega saame krüpteeritud teksti 10011. Taas lisades võtme, on algne sõnum taastatav. Kontrollime: 1 + 1 = 0, 1 + 0 = 1, 0 + 0 = 0, 1 + 1 = 0, 0 + 1 = 1, saame 01001.

Tanni töö analüüsimist lihtsustas tõsiasi, et varajastel kasutamiskuudel edastasid saatjad seadistuste rattad, mida sõnumi saatmise eel tuli kasutada. Hiljem vabastasid sakslased koodiraamatud, kus olid eelnevalt määratud rattaseadistused, ja saatjal oli lihtsalt vaja saata kood, mille abil saaja sai raamatust vajaliku rattaseadistuse leida. Lõpuks hakkasid nad koodiraamatuid igapäevaselt vahetama, mis tõttu pidi Bletchley igal hommikul koodiratta seadistusi murdma.

Huvi on selles, et krüptanalüütikud suutsid Tanney funktsiooni dekodeerida saatjate ja vastuvõtjate jaamade asukohast lähtuvalt. See ühendas Saksamaa kõrgema sõjaväejuhi närvikeskused armee ja erinevate Euroopa sõjarfroonide komandöridega, alates okupeeritud Prantsusmaast kuni Vene steppideni. See oli ahvatlev väljakutse: Tanney purustamine lubas otsese juurdepääsu vaenlase kavatsustele ja võimalustele kõrgel tasemel.

Seejärel, tänu sakslaste operaatorite vigade kombinatsioonile, kavalusele ja visadusele, noor matemaatik William Turing sai palju kaugemale lihtsalt Tanney töö järeldustest. Ilma masinat nägemata määras ta täielikult selle sisemise struktuuri. Ta tuletas loogiliselt välja iga ratta (igaühel neist oli oma esimene number) võimalikke positsioone ja kuidas need rattad generaatori võtit genereerisid. Varustatuna nende andmetega ehitas Bletchley Tanney koopiaid, mida saaks kasutada sõnumite dešifreerimiseks — kohe pärast rataste õiget seadistamist.

12 ratta võti masinal, mis kasutas Lorentzi krüpto, tuntud kui Tanney

Hit Robinson

1942. aasta lõpuks jätkas Tat Tanile rünnakut, välja töötades selleks spetsiaalse strateegia. See põhines deltal: kahe signaali (punktid või ristid, 0 või 1) summa mooduli 2 suhtes koos järgmisega. Ta mõistis, et Tanil olevate rataste katkestatud liikumise tõttu oli seos krüpteeritud teksti delta ja võtme teksti delta vahel: need pidid muutuma koos. Nii et kui võrrelda krüpteeritud teksti võtme tekstiga, mis on koostatud erinevate rataste seadistustega, saab arvutada delta igaühe jaoks ja loendada ühtesid. Ükskõik kui palju, mis ületab 50% ühtesid, tuleks märkida potentsiaalse kandidaadina tõeliseks sõnumi võtme. Teoreetiliselt oli idee hea, kuid seda oli praktiliselt võimatu ellu viia, kuna see nõudis iga sõnumi korral 2400 läbitavust, et testida kõiki võimalikke seadistusi.

Taat tõi selle ülesande teise matemaatiku, Max Newmani, juurde, kes juhtis Blechtly osakonda ja keda kõik nimetasid "newmaniaks". Newman näis esmapilgul olevat ebatõenäoline kandidaat tundliku Briti luureorganisatsiooni juhtimiseks, kuna tema isa oli pärit Saksamaalt. Kuid tundus ebatõenäoline, et ta hakkaks šnippima Hitleriga, kuna tema pere oli juudi päritolu. Ta oli nii mures Hitleri mõju suurenemise pärast Euroopas, et viis oma pere turvalisse kohta New Yorki, pärast Prantsusmaa kokkuvarisemist 1940. aastal, ja mõtles mõnda aega ise Princetonisse kolimisele.

Max Newman

Nii juhtus, et Newmanil oli idee töötada Tatti meetodi kalkulatsioonide kallal, luues masina. Bletchleys olid nad juba harjunud kasutama masinad krüptanalüüsiks. Just nii murti Enigma. Kuid Newman kavandas kindlat elektroonilist seadet Tanni koodi töötlemiseks. Enne sõda õpetas ta Cambridge'is (üks tema üliõpilastest oli Alan Turing) ning teadis Wynne-Williamsi poolt Cavendishis ehitatud elektroonilistest loenduritest, mis olid mõeldud osakeste loendamiseks. Idee oli järgmine: kui sünkroniseerida kaks sulguri sees rulluvat filmi, mis käivad suurel kiirusel, kus ühel on võti ja teisel krüpteeritud sõnum, ning lugeda iga element töötlejat, mis arvutab deltaid, siis võiks elektrooniline loendur tulemusi liita. Lõpetamisel, lugedes kokku lõpparve iga jooksu järel, oleks võimalik otsustada, kas see on potentsiaalne võti või mitte.

Juhtus nii, et sobiva kogemusega insenerite grupp oli just olemas. Nende seas oli ka Wynn-Williams. Turing värbas Wynn-Williamsi Mälverne radarilaboratooriumist, et aidata luua uut rotorit masinale, mis dešifreerib Enigmat, kasutades elektroonikat pöörangute arvestamiseks. Temaga ja teise, Enigmale seotud projekti kallal aitasid kolm inseneri Põhja-Uurimisjaamast Dollis Hillis: William Chandler, Sidney Broadhurst ja Tommy Flowers (pean meeles, et Briti post oli kõrgtehnoloogiline organisatsioon, mis vastutas mitte ainult kirjade, vaid ka telegraafia ja telefoni eest). Mõlemad projektid ebaõnnestusid ja mehed jäid tööta. Newman kogus nad kokku. Ta määras Flowersi meeskonna juhiks, kes töötas välja "kombineerimisseadmestiku", mis pidi arvestama deltaid ja edastama tulemuse loendurile, mille kallal töötas Wynn-Williams.

Newman palkas insenerid masinate ehitamiseks, kuid Kuningliku Mereväe naisteosakond hallates oma sõnumeid töötlemise masinaid. Valitsus usaldas kõrgeid juhtimisposte ainult meestele, samas kui naised hakkasid hästi tööle operaatoreina Bletchleys — nad tegelesid nii sõnumite transkribeerimise kui ka dekodeerimise seadistamisega. Nendel õnnestus väga sujuvalt liikuda kontoritööst masinate hooldamisse, mis automatiseerisid nende tööd. Oma masinat nimetasid nad mänglevat "Hiti Robinson«, Briti vastele Rube Goldbergi [mõlemad olid karikaturistid, kes kujutasid väga keerulisi, kohmakaid ja segaseid seadmeid, mis täitsid väga lihtsaid funktsioone / märkus tõlkijalt].

Masin "Vana Robinson", mis on väga sarnane oma eelkäijale, masinale "Hiti Robinson"

Ja tõepoolest, "Hit Robinson", teoorias piisavalt usaldusväärne, praktikas kannatas tõsiste probleemide all. Peamine probleem oli kahe filmi — krüpteeritud teksti ja võtme teksti — ideaalne sünkroonimine. Igasugune venitamine või libisemine ükskõik millise filmi puhul fasid kogu protsessi kasutuks. Vigade riski minimeerimiseks töötles masin mitte rohkem kui 2000 sümbolit sekundis, kuigi rihmad suudaksid töötada kiiremini. Flowers, kes vastumeelselt nõustus "Hit Robinsoni" projekti tööga, leidis, et on parem lahendus: masin, mis on peaaegu täielikult ehitatud elektroonikatest.

Kolloss

Thomas Flowers töötas Briti postiteenistus uurimisosakonnas alates 1930. aastast, kus ta algselt töötas uute automaatsete telefonijaamade vale ja katkenud ühenduste uurimise kallal. See viis ta mõtlema, kuidas luua täiustatud versioon telefonisüsteemist, ja 1935. aastaks hakkas ta propageerima elektromehaaniliste komponentide, nagu releed, asendamist elektroonilistega. See eesmärk määras kogu tema edasise karjääri.

Tommy Flowers umbes 1940. aastal

Enamik insenere kritiseeris elektrilisi komponente nende kapriissuse ja usaldusväärsuse puudumise tõttu suurtes mõõtmetes, kuid Flowers näitas, et kui neid kasutada pidevalt ja palju madalamatel võimsustel kui arvestatud, näitavad elektroonilised lambid tegelikult uskumatult pikka eluiga. Ta tõestas oma ideid, asendades kõik terminalid, mis edastasid toonik signaali vahetuspunktis, mis teenindas 1000 liini, lampidega; neid oli seal kokku 3-4 tuhat. See paigaldus käivitatud tegelikku tööd 1939. aastal. Sel ajal katsetas ta ka relee registrite asendamist, mis salvestasid telefoninumbreid, digitaalsete releedega.

Flowers arvas, et "Hit Robinson", mille jaoks teda värvati, omas tõsiseid puudusi ning et ta suudaks selle ülesande märksa paremini lahendada, kasutades rohkem lampe ja vähem mehhaanilisi osi. Veebruaris 1943 tõi ta Newmanile alternatiivse masina skeemi. Flowers leidis nutika lahenduse võtmefilmist, kõrvaldades sünkroonimisprobleemi. Tema masin pidi genereerima võtme teksti reaalajas. See pidi elektroniliselt jäljendama Tanni, läbides kõik rataste nastatused ja võrreldes igaüht neist krüpteeritud tekstiga, salvestades tõenäolised vasteid. Ta arvas, et selline lähenemine vajaks umbes 1500 elektroonilise lambi kasutamist.

Newman ja ülejäänud Bletchley juhtkond suhtusid sellesse ettepanekusse skeptiliselt. Nagu enamik Flowersi kaaskodanikest, kahtlesid nad, kas elektroonikat saab nii suures ulatuses tööle panna. Lisaks, isegi kui seda saab tööle panna, kahtlesid nad, kas selline masin suudetakse ehitada õigeks ajaks, et see sõjas kasulik oleks.

Dollisi mäel õnnestus Flowerl saada siiski luba koosoleku loomiseks, et ehitada see elektrooniline koletis — Flower ei pruugi olla täiesti siiras, kui kirjeldas, kui palju tema idee Bletchleys meeldis (kui uskuda Andrew Hodgesi, ütles Flower oma ülemusele Gordon Radley, et projekt oli Bletchleys kriitilise tähtsusega, ning Radley oli juba kuulnud Churchillilt, et Bletchley töö on absoluutne prioriteet). Lisaks Flowerlile mängis süsteemi väljatöötamises suurt rolli Sydney Broadhurst ja William Chandler, ning kogu ettevõtmine hõlmas tööd peaaegu 50 inimeselt, pool Doles-Hilli ressurssidest. Meeskond võttis inspiratsiooni telefonivõrku kasutatud pretsedentidest: loenduritest, harunevast loogikast, signaalide suunamise ja juhtimiseks mõeldud seadmetest ning seadmetest, mis perioodiliselt mõõtsid seadmete seisundit. Broadhurst oli selliste elektromehaaniliste skeemide meister, samas kui Flower ja Chandler olid elektroonika eksperdid, kes mõistsid, kuidas viia kontseptsioone releede maailmast ventiilide maailma. 1944. aasta alguseks esitles meeskond Bletchleys töötavat mudelit. Hiiglaslik masin sai nimeks „Colossus“ ja tõestas kiiresti, et suudab varjutada „Robinsoni Heiti“, usaldusväärselt töötledes kuni 5000 sümbolit sekundis.

Newman ja ülejäänud juhtkond Bletchleys mõistsid kiiresti, et nad eksisid, keeldudes Flowersilt. 1944. aasta veebruariks tellisid nad veel 12 'Colossust', mis pidid olema valmis 1. juuniks — sellele kuupäevale planeeriti Prantsusmaale sissetungi, kuigi loomulikult ei teadnud seda Flowers. Flowers ütles otse, et see on võimatu, kuid pingutades kangelaslikult, suutis tema meeskond teise masina valmis saada 31. maiks, millesse uus meeskonnaliige Alan Coombs tõi mitmeid täiustusi.

Ümberehitatud mudel, tuntud kui Mark II, jätkas esimese masina edu. Lisaks filmi edastus süsteemile koosnes see 2400 lambist, 12 pöördvõtmetest, 800 releest ja elektrilisest kirjutusmasinast.

Colossus Mark II

See oli kohandatav ja piisavalt paindlik, et täita erinevaid ülesandeid. Pärast installimist häälestas iga naiskond oma „Kolossi“ teatud probleemide lahendamiseks. Kommunikatsioonipaneel, mis sarnanes telefoniteeninduse paneelile, oli vajalik elektrooniliste ringide seadistamiseks, simuleerides Tan'i rattad. Lülitite komplekt võimaldas operaatoritel seadistada mis tahes arvu funktsionaalseid seadmeid, mis töötlesid kahte andmevoogu: välist filmi ja sisemist signaali, mida genereerisid ringsed. Kombineerides erinevatest loogilistest elementidest koosnevat komplekti, suutis „Koloss“ teostada juhuslike boolsete funktsioonide arvutusi andmete põhjal, mis tähendab, et need funktsioonid andsid välja 0 või 1. Iga üksus suurendas „Kolossi“ loendurit. Eraldi juhtimisseade tegi harunevaid otsuseid, lähtudes loenduri olekust – näiteks peatuda ja tulemusi välja trükkida, kui loenduri väärtus ületas 1000.

Lülitite paneel „Kolossi“ seadistamiseks

Oletame, et «Koloss» oleks üldotstarbeline programmeeritav arvuti kaasaegses mõttes. See suutis loogiliselt kombineerida kahte andmevoogu — üks filmil ja teine, mille genereerisid ringarvutid — ning lugeda kokku kohtumiste arvu. Suurem osa «Kolossi» „programmeermisest“ toimus paberil ning operaatorid järgisid analüütikute koostatud otsustustegemist: oletame, et „kui süsteemi väljund on väiksem kui X, seadista konfigureerimine B ja täida Y, vastasel juhul täida Z“.

„Kolossi“ kõrgetasandi vooskeem

Siiski, "Colossus" oli täielikult võimeline lahendama oma ülesande. Erinevalt Atanasova-Berry arvutist oli "Colossus" erakordselt kiire — ta suutis töödelda 25000 sümbolit sekundis, millest igaühe puhul võis osutuda vajalikuks mitu loogilist operatsiooni. Mark II viis kiirus viis korda kõrgemale võrreldes Mark I-ga, lugedes ja töötledes samal ajal viit erinevat filmi osa. Selle süsteemi ei seostatud aeglaste elektromehaaniliste sisend- ja väljundseadmetega, kasutades fotorelektoreid (võetud õhutõrjekanalitest) sisenevate filmide lugemiseks ja registrit väljundi puhverdamiseks kirjutusmasinale. raadiovälgureid) Beriis, et näidata, et 1990. aastatel "Colossus'e" taastamise meeskonna juht suutis oma alal endiselt kergesti saavutada tootlikkuse, mis ületas 1995. aasta Pentiumi protsessoril põhineva arvuti.

See suure jõudlusega tekstikompuuter sai Tan'i koodi purustamise projekti keskpunktiks. Enne sõja lõppu ehitati veel kümme Mark II-d, mille paneele lõid iga kuu ühe tükikese Birminghamis asuvate postitöötajate käed, kellel polnud aimugi, mida nad tootavad, ning seejärel koguti need Bletchleys. Üks nördinud ametnik varustamisministeeriumist küsis, kui ta sai järgmise taotluse tuhat erilist ventiili, kas postitöötajad „laskvad nendega sakslasi”. Nii toodeti järgmine arvuti mitte käsitsi, vaid tööstuslikult, hiljemalt 1950. aastatel. Flowersi juhiste kohaselt töötas iga „Colossus” päevast ööhani kuni sõja lõpuni, et ventiile kaitsta. Need seisisid, vaikides helendades pimeduses, soojendades niisket Briti talve ja kannatlikult oodates juhiseid, kuni jõudis kätte päev, mil neid ei vajatud enam.

Vaikuse loor

Bletchley Parki ümber toimunud põneva draama loomulik entusiasm viis selle organisatsiooni sõjaliste saavutuste liialdamiseni. Film "Mäng imitatsiooniga" [The Imitation Game] vihjab absurdsel moel, et Briti tsivilisatsioon oleks lõpetanud olemast, kui poleks olnud Alan Turingit. "Colossus" ei näi tõepoolest mõjutanud sõja käiku Euroopas. Selle kõige reklaamitud saavutus oli tõestada, et Normandia 1944. aasta rünnaku petuskeem töötas. Tanni kaudu saadud sõnumid viitasid sellele, et liitlased suutsid Hitleri ja tema juhatuse veenda, et tõeline rünnak toimub kaugemal idas, Pa-de-Kales. Julgustav teave, kuid tõenäoliselt ei aidanud liitlasvägede käskude kortisooli taseme langus sõda võita.

Teisest küljest olid «Kolossi» esitlevad tehnoloogilised saavutused vaieldamatud. Kuid maailm ei saa sellest veel niipea teada. Churchill andis korralduse, et kõik olemasolevad «Kolossid», mis mängu lõppedes olid, peavad olema lahti võetud ja nende töö saladus saadetud koos nendega prügilasse. Kaks masinat elasid kuidagi selle surmanuhtluse üle ning jäid Briti luure teenistusse 1960. aastateks. Kuid isegi siis ei avandanud Briti valitsus Bletchley töö saladusi. Alles 1970. aastatel sai selle olemasolu avalikkuse ette.

Blechtley pargis tehtud tööde arutelu igaveseks keelata oli Briti valitsuse liigseks ettevaatlikkuseks. Kuid Floweri jaoks oli see isiklik tragöödia. Kõikidest „Colossi” leiutaja teenetest ja prestiižist ilma jäädes kannatas ta rahulolematuse ja pettumuse all, kuna tema pidevad katsed asendada relee elektroonikaga Briti telefonisüsteemis tõrjusid pidevalt tagasi. Kui ta oleks saanud oma saavutusi demonstreerida „Colossi” näitel, oleks tal olnud mõju, mis oli vajalik tema unistuse teostamiseks. Kuid tol ajal, kui tema saavutused said tuntuks, oli Flower juba ammu pensionil ega saanud enam millelegi mõju avaldada.

Mõned üle maailma levinud elektroonika entusiastid kogesid sarnaseid probleeme, mis olid seotud "Kolossi" ümbritseva salastatuse ning tõendusmaterjali puudumisega selle lähenemisviisi elujõulisuse kohta. Elektromehaanilised arvutused võisid veel mõnda aega olla peamised. Kuid oli veel üks projekt, mis sillutas teed elektrooniliste arvutuste peamisele positsioonile. Kuigi see oli samuti salajaste sõjaliste arenduste tulemus, ei hoitud seda pärast sõda saladuses, vaid avati maailmale suure uhkusega nime all ENIAC.

Soovitame lugeda:

• Jack Copeland, toimetaja. Colossus: The Secrets of Bletchley Park’s Codebreaking Computers (2006)
• Thomas H. Flowers, "Kolossi disain", Annals of the History of Computing, juuli 1983
• Andrew Hodges, Alan Turing: The Enigma (1983)

Allikas: habr.com