Elektrooniliste arvutite ajalugu, osa 2: Koloss

Teised tsükli artiklid:

• Relay ajalugu
  • Kiire teabe edastamise meetod, või Reléde tekkimine
  • Kaugkirjutaja
  • Galvanism
  • Ettevõtjad
  • Ja lõpuks on siin relé
  • Rääkiv telegraaf
  • Lihtsalt ühendada
  • Unustatud rälite arvutite põlvkond
  • Elektrooniline ajastu
• Elektrooniliste arvutite ajalugu
  • Proloog
  • Koloss
  • ENIAC
  • Elektrooniline revolutsioon
• Transistori ajalugu
  • Käies pimeduses komberdades
  • Sõja sügavusest
  • Korduvalt leiutatud
• Internet ajalugu
  • Tugivõrk
  • Lagunemine, osa 1
  • Lagunemine, osa 2
  • Avades interaktiivsuse
  • Laiendades interaktiivsust
  • ARPANET - algus
  • ARPANET - pakett
  • ARPANET - alamsüsteem
  • Arvuti kui suhtlemisseade
  • Interneti ajalugu: võrguvahetamine

1938. aastal ostis Briti salaluure juht vaikselt 24 hektari suuruse mõisa, mis asub Londonist 80 miili kaugusel. Tegemist oli raudteede ristumise kohaga, mis suundusid Londoni põhja, Oxfordist läände ja Cambridgest itta, ning see oli ideaalne koht organisatsioonile, mida keegi ei pidanud nägema, kuid mis asus siiski suurele hulgale Briti teadmis- ja võimukeskustele kiiresti ligipääsetavas kohas. Mõis, tuntud kui Bletchley Park, sai Teise maailmasõja ajal Briti koodide murdmise keskuseks. See on võib-olla ainus koht maailmas, mis on tuntud oma seotuse poolest krüptograafiaga.

Tanni

Kuna suvel 1941 toimusid Bletchleys juba intensiivsed töö, et murda kuulsa Enigma šifreerimise masina kood, mida kasutas saksa armee ja laevastik. Kui olete näinud filmi Briti koodi murdmisest, siis seal rääkisid nad Enigmast, kuid me ei hakka siin selles detailidesse süvenema — kuna varsti pärast Nõukogude Liidu sissetungi avastati Bletchleys uue tüübi šifreerimise signaalide edastamine.

Krüptoanalüütikud avastasid peagi, et edastatud sõnumite masin, mida nad hakkasid kutsuma "Tanni", töötas teatud üldise süsteemi põhimõtte alusel.

Erinevalt Enigmadest, mille sõnumite dekodeerimine pidi toimuma käsitsi, oli Tanni otse ühendatud teleprinteriga. Teleprinter tõlkis iga operaatori sisestatud sümboli punkti- ja risti vooguks (sarnane punktide ja miinustega Morse'i tähestikus) standardses Bodo koodis , kus iga tähe kohta oli viis sümbolit. See oli dekodeerimata tekst. Tanni kasutas samaaegselt kaheteistkümmet rattakest, et luua oma paralleelne punktide ja risti voog: võti. Seejärel lisas ta võtme sõnumile, genereerides krüpteeritud teksti, mis edastati õhu kaudu. Liitmine toimus binaarses aritmeetikas, kus punktid vastasid nullidele ja risti - ühtedele:

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

Teine Tanni saaja poolel pakkus sama võtit ja lisas selle krüpteeritud sõnumile, et saada esialgne, mis printiti saaja teletüübile. Oletame, et meil on sõnum: "punkt pluss punkt punkt pluss". Numbriliselt see oleks 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. Uuesti võtme lisamine võimaldab taastada esialgse sõnumi. Kontrollime: 1 + 1 = 0, 1 + 0 = 1, 0 + 0 = 0, 1 + 1 = 0, 0 + 1 = 1, saame 01001.

Tanni tööde analüüsimist lihtsustas asjaolu, et tema kasutamise varajastes kuudes saatsid saatjad seadistuste kettaid, mida tuli enne sõnumi saatmist kasutada. Hiljem andsid sakslased välja koodiraamatud eelnevalt määratud ketta seadistustega, ja saatjale tuli lihtsalt saata kood, mille põhjal saaja sai raamatust vajalikku ketta seadistust leida. Lõpuks hakkasid nad koodiraamatuid iga päev vahetama, mistõttu Bletchley pidi iga hommik purustama ketta seadistuste koodid.

Huvi tõttu suutsid krüptanalüütikud Tanni funktsiooni avastada saatmise ja vastuvõtmise jaamade asukoha põhjal. See ühendas saksa kõrgeima käsu keskused armeega ja armeerühmade komandöridega erinevatel Euroopa sõjaväefrontidel, alates okupeeritud Prantsusmaast kuni vene steppideni. See oli ahvatlev ülesanne: Tanni purustamine lubas otseülekande vaenlase kavatsustest ja võimalustest kõrgel tasemel.

Seejärel, tänu erinevate saksa operaatorite vigade kombinatsioonile, nutikusele ja viskile, noor matemaatik William Tait läks palju kaugemale Tanni tööde lihtsatest järeldustest. Nägemata masinat, määras ta täielikult selle sisemise struktuuri. Ta järeldas loogiliselt võimalike positsioonide jaoks iga ketta (igaühel neist oli oma algne number) ning kuidas ketaste asukoht genereeris võtit. Varustatud selle teabega, ehitas Bletchleys Tanni koopia, mida sai kasutada sõnumite dekrüpteerimiseks — kohe pärast ketaste õiget seadistamist.

12 võtit masinal, mis kasutas Lorentzi koodi, tuntud kui Tanni

Hitt Robinson

1942. aasta lõpuks jätkas Tat Tanni ründamist, töötades välja selleks spetsiaalse strateegia. See põhines delta kontseptsioonil: kahe signaali kogum mooduliga 2 sõnumis (punktid või risti, 0 või 1) järgneva. Ta mõistis, et Tanni rataste katkestatud liikumise tõttu oli seos krüpteeritud teksti delta ja võtme teksti delta vahel: need pidid koos muutuma. Nii et kui võrrelda krüpteeritud teksti võtme tekstiga, mis on genereeritud erinevate rattaseadistuste korral, saab arvutada igaühe delta ja lugeda kokku vastavused. Üksikasjalikum vastavus, mis ületab 50%, peaks näitama potentsiaalset kandidaati sõnumi tegelikuks võtmiseks. Teoorias oli idee hea, kuid see oli praktikas teostamatud, kuna see nõudis iga sõnumi jaoks 2400 läbimist, et kontrollida kõiki võimalikke seadistusi.

Tat tõi selle ülesande teise matemaatiku, Max Newmani juurde, kes juhtis osakonda Bletchleys, mida kõik nimetasid "newmaniaks". Newman näis esmapilgul olevat ebatõenäoline kandidaat tundliku Briti luureorganisatsiooni juhtimiseks, kuna tema isa oli Saksamaalt pärit. Siiski tundus ebatõenäoline, et ta nuhib Hitleri nimel, kuna tema perekond oli juudiusku. Ta oli nii murelik Hitleri võimu edenemise üle Euroopas, et viis oma pere turvalisse kohta, New Yorki, kohe pärast Prantsusmaa kokkuvarisemist 1940. aastal ning mõtles mõnda aega ka ise Princetoni kolimisele.

Max Newman

Nii läks, et Newmanil oli idee töötada Tati meetodile vajalike arvutuste kallal, luues masina. Bletchis olid nad juba harjunud kasutama masinaid krüptoanalüüsiks. Just nii murti Enigma. Kuid Newman mõtles välja konkreetse elektroonilise seadme töötamiseks Tanni krüpto kallal. Enne sõda õpetas ta Cambridge'is (ühe tema õpilaseks oli Alan Turing) ja teadis Winn-Williamsi poolt Cavendishis ehitatud elektroonilistest loenduritest, mis olid mõeldud osakeste lugemiseks. Idee seisnes selles: kui sünkroniseerida kaks suletud silmuses filmi, mis käivad kõrge kiirusel, kus ühel on võti ja teisel on salajane sõnum, ning lugeda igat elementi töötlejaga, mis loendab deltaid, võiks elektrooniline loendur summata tulemused. Lugedes lõpparvet iga jooksu lõpus, võis otsustada, kas see on potentsiaalne võti või mitte.

Juhtus nii, et inseneride rühm, kellel oli vajalik kogemus, eksisteeris just sel ajal. Nende seas oli ka Wynn-Williams ise. Turing värbas Wynn-Williamsi radarilaborist Malvernist, et aidata luua uut roti masina jaoks, mis krüptiks Enigmat, kasutades elektroonikat pöörde arvestamiseks. Temaga ja teise projektiga, mis puudutas Enigmat, aitasid kolm inseneri Posti uurimistehnikast Dollis-Hillist: William Chandler, Sidney Broadhurst ja Tommy Flowers (tuleb meeles pidada, et Briti post oli kõrgtehnoloogiline organisatsioon, mis vastutas mitte ainult paberkirjade, vaid ka telegraafia ja telefoniteenuste eest). Mõlemad projektid ebaõnnestusid ja mehed jäid tööta. Newman kogus nad kokku. Ta nimetas Flowersi juhtivaks inseneriks, et luua

Newman palkas insenerid masinate ehituseks, samas kui kuningliku mereväe naisteos vastutas tema masinate juhtimise eest sõnumite töötlemiseks. Valitsus usaldas kõrged juhitud ametid ainult meestele, naised aga suudsid Bletchleys hästi toime tulla, töötades operaatoritena – nad tegelesid nii sõnumite transkribeerimise kui ka dekodeerimise seadistustega. Neil õnnestus väga orgaaniliselt liikuda kantseleitööst masinate hooldamiseni, mis automatiseerisid nende tööd. Oma hoolealusele masinale andsid nad kerge südamega nime „Hit Robinson“, Briti vaste Rube Goldbergi [mõlemad olid karikatuurijoonistajad, kes kujutasid äärmiselt keerulisi, mahukaid ja segaseid seadmeid, mis täitsid väga lihtsaid funktsioone / toimetaja märk].

Masin „Vana Robinson”, mis on väga sarnane oma eelkäijale, masinale „Hit Robinson”

Ja tõepoolest, „Hit Robinson”, teoreetiliselt piisavalt usaldusväärne, kannatas tegelikult tõsiste probleemide all. Peamine probleem oli kahe filmi – kooditud teksti ja võtme teksti – perfektne sünkroniseerimine. Igasugune venitus või libisemine mõlemast filmist rikkus kogu läbimise. Veakate vähendamiseks töötles masin mitte rohkem kui 2000 tähemärki sekundis, kuigi ribad said töötada kiiremini. Flowers, kes ei olnud eriti nõus „Hit Robinsoni” projekti osas, arvas, et on parem lahendus: masin, mis on peaaegu täiesti ehitatud elektroonilisest kõrgtehnoloogiast.

Koloss

Thomas Flowers töötas alates 1930. aastast Briti Posti uurimisosakonnas insenerina, kus ta alustas valede ja ebaõnnestunud ühenduste uurimist uutest automaattelefonijaamadest. See tõi ta mõtlema, kuidas luua täiustatud versioon telefonisüsteemist, ning 1935. aastaks hakkas ta propageerima elektromehaaniliste komponentide, nagu relvad, asendamist elektroonilistega. See eesmärk määras kogu tema edasise karjääri.

Tommy Flowers, umbes 1940

Suurem osa inseneridest kritiseeris elektroonilisi komponente nende kapriissuse ja ebastabiilsuse tõttu suures ulatuses kasutamisel, kuid Flowers näitas, et kui neid kasutada pidevalt ja palju madalamatel võimsustel, tõestavad elektronlampid tegelikult üllatavalt pika tööea. Ta tõestas oma ideid, asendades kõik terminalid, mis edastasid tooni side signaali 1000-liinises lülitises, lampidega; neid oli seal kokku 3-4 tuhat. See seadistus käivitus reaalses töös 1939. aastal. Samal ajal eksperimenteeris ta releekirjade asendamisega, mis salvestasid telefoninumbreid, elektrooniliste releedega.

Flowers arvas, et 'Robinsoni klubi', mille loomiseks teda palgati, omas tõsiseid puudusi ning et ta suudab selle ülesande palju paremini lahendada, kasutades rohkem lampe ja vähem mehaanilisi osi. 1943. aasta veebruaris esitas ta Newmanile alternatiivse masina skeemi. Flowers leidlikult vabastas klahvifilmist, lahendades sünkroniseerimise probleemi. Tema masin pidi genereerima klahvi teksti reaalajas. See pidi simuleerima Tanny elektrooniliselt, läbides kõik rattaseaded ja võrreldes igaüht nendest salastatud tekstiga, registreerides tõenäolised kattuvused. Ta loodab, et see lähenemine nõuab umbes 1500 elektronlampide kasutamist.

Newman ja ülejäänud Bletchley juhtkond suhtusid sellesse ettepanekusse skeptiliselt. Nagu enamik Flowersi kaasaegseid, kahtlesid nad, kas elektroonikat suudetakse sellises ulatuses tööle panna. Veelgi enam, isegi kui seda peaks olema võimalik tööle saada, kahtlesid nad, kas selline masin suudetakse õigeaegselt ehitada, et see sõjas kasulik oleks.

Flowerse juht Dullis Hillis andis siiski loa meeskonna kogumiseks selle elektroonilise hiiglase loomiseks — Flowerse pole tõenäoliselt täiesti siiras, kui kirjeldas, kui väga tema idee Bletchleys meeldis (kui uskuda Andrew Hodgesit, ütles Flowers oma ülemusele Gordon Radleyle, et projekt oli Bletchleyle kriitilise tähtsusega, ja Radley oli juba kuulnud Churchilli käest, et Bletchley töö oli absoluutne prioriteet). Lisaks Flowersile mängis süsteemi arendamises suurt rolli Sidney Broadhurst ja William Chandler, ning kogu ettevõtmine hõlmas peaaegu 50 inimest, pooled Dullis Hilli ressurssidest. Meeskond sai inspiratsiooni telefonivõrkudes kasutatavatest eelkäijatest: loenduritest, haru loogikast, marsruuteritest ja signaalide ülekande seadmetest ning seadmetest, mis perioodiliselt mõõtsid seadme seisundit. Broadhurst oli elektromehaaniliste skeemide meister, samas kui Flowers ja Chandler olid elektroonika eksperdid, kes mõistsid, kuidas ideed releede maailmast ventiilide maailma üle kanda. 1944. aasta alguseks esitas meeskond Bletchleys töötava mudeli. Suur masin sai nimeks „Colossus“ ja tõestas kiiresti, et suudab varjutada „Robinsoni Hiit“, töödeldes usaldusväärselt 5000 sümbolit sekundis.

Newman ja ülejäänud juhtkond Bletchleys mõistsid kiiresti, et nad eksisid, kui keeldusid Flowerse soovist. 1944. aasta veebruaris tellisid nad veel 12 „Colossust“, mis pidi kasutusele minema 1. juuniks — sel kuupäeval oli plaanitud sissetung Prantsusmaale, kuigi, muidugi, Flowerse jaoks ei olnud see teada. Flowers ütles otse, et see pole võimalik, kuid kangelasteo kaudu õnnestus tema meeskonnal teine masin 31. maini valmis ehitada, kuhu uus meeskonnaliige Alan Combs tõi palju täiustusi.

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

Colossus Mark II

See oli kohandatav ja piisavalt paindlik, et täita erinevaid ülesandeid. Pärast installimist kohandas iga naiskond oma «Kolos» konkreetsete probleemide lahendamiseks. Juhtpaneel, mis sarnanes telefoniteenuse operaatori paneeliga, oli vajalik elektrooniliste ringide seadistamiseks, simuleerides Tanni rattaid. Lülitite komplekt võimaldas operaatoritel seadistada mistahes hulga funktsionaalseid seadmeid, mis töötlesid kahte andmevoogu: väline riba ja sisene signaal, mis genereeriti rõngaste poolt. Erinevate loogiliste elementide kombinatsiooniga suutis «Kolos» tegeleda juhuslike boole'i funktsioonide arvutamisega andmete põhjal, s.t. selliste funktsioonidega, mis tagasid 0 või 1. Iga ühik suurendas «Kolose» loenduri väärtust. Eraldi juhtimisseade tegi harunevaid otsuseid loenduri oleku põhjal — näiteks peatuda ja trükkida väljund, kui loenduri väärtus ületas 1000.

Lülituspaneel «Kolose» seadistamiseks

Oletame, et «Kolos» oleks moodsas mõttes programmable general-purpose computer. Ta suutis loogiliselt kombineerida kahte andmevoogu — üks ribal ja teine, mis genereeriti rõngas loenditest — ja lugeda kokku, kui palju üheid kohtas, ja mitte midagi enamat. Suur osa «Kolose» «programmeerimisest» toimus paberil ning operaatorid täitsid analüütikute koostatud otsuste puu: oletame, et «kui süsteemi väljund on väiksem kui X, seadista konfiguratsioon B ja tee Y, vastasel juhul tee Z».

«Kolose» kõrgetasemeline vooskeem

Siiski suutis «Kolos» täiesti edukalt lahendada talle antud ülesande. Erinevalt Atanasovi-Berry arvutist, oli «Kolos» äärmiselt kiire — ta suutis töödelda 25 000 sümbolit sekundis, millest igaüks võis nõuda mitme boole'i operatsiooni täitmist. Mark II suurendas kiirust viiekordseks võrreldes Mark I-ga, lugedes ja töötledes samal ajal viit erinevat filmi osa. Selles loobuti terve süsteemi sidumisest aeglaste elektromehaaniliste sisend-väljund seadmetega ja kasutati fotodioode (võetud õhutõrjevahenditest). radiovõueste) sisenen lintide lugemiseks ja registriks väljundbuffri jaoks kirjutusmasinale. Tiimi juht, kes taastab 'Kolossi' 1990. aastatel, näitas, et ta suutis oma töös veel hõlpsalt mööduda 1995. aasta Pentiumi protsessoriga arvutist.

See võimas tekstitöötlusmasin sai Tan'i koodihäkkimise projekti keskpunktiks. Enne sõja lõppu ehitati veel kümme Mark II, mille paneele pressiti üks tükk kuus Birminghamis posti tehas töötavate inimeste poolt, kes ei teadnud, mida nad tootavad, ja seejärel pandi need kokku Bletchleys. Üks ärritatud materiaalsete varude ministeeriumi ametnik, kes sai järjekordse taotluse tuhat erilist ventiili, küsis, kas 'kas posti töötajad tulistavad neid sakslaste poole'. Sellise tööstuslikku viisi, mitte individuaalse projekti käsitsi monteerimise kaudu, järgmisel arvutil ei olnud plaanis valmistuda enne 1950. aastaid. Floweri juhiste kohaselt ventiilide kaitsmiseks töötas iga 'Koloss' päeval ja öösel kuni sõja lõpuni. Nad seisisid, vaikides helendavad pimeduses, kuumutades niisket Briti talve ja kannatlikult oodates korraldusi, kuni tuli päev, mil neid enam ei vajatud.

Vaikuse võrk

Looduslik entusiasm seoses intrigeeriva draamaga, mis toimus Bletchleys, viis selle organisatsiooni sõjaliste saavutuste üleliigsesse liialdamisse. Äärmiselt absurdselt vihjata, nagu teeb filmi 'Jäljendumäng[The Imitation Game], et Briti tsivilisatsioon oleks lakanud eksisteerimast, kui ei oleks Alan Turingit. 'Koloss' ei näi olevat avaldanud mingit mõju sõja käigule Euroopas. Selle kõige reklaamitud saavutus oli tõestada, et valeplaan Normandia maabumiseks 1944. aastal töötas. Tan'i kaudu saadud sõnumid ütlesid, et liitlased suutsid edukalt veenda Hitleri ja tema juhte, et tõeline löök toimub kauem idas, Pas-de-Calais's. Julgustav teave, kuid vaevalt, et liitlaste juhtimise kortisooli taseme langemine aitas sõda võita.

Tehnoloogilised saavutused, mida 'Koloss' esitles, olid vaieldamatud. Kuid maailm ei saa sellest veel kaua teada. Churchill käskis, et kõik olemasolevad 'Kolossid', mis mängu lõppedes olid, lahti võtta ja nende töö saladused koos nendega prügisse saata. Kaks masinat suutsid kuidagi selle surmanuhtluse üle elada ja jäid Briti luure teenistusse kuni 1960. aastate. Kuid isegi siis ei tõstnud Briti valitsus saladuse veil kõrvale Bletchley tööde osas. Ainult 1970. aastatel sai selle olemasolu avalikkusele teatavaks.

Briti valitsuse otsust igasugune arutelu Bletchley Parkis toimunud tööde üle igaveseks keelata saaks nimetada liigseks ettevaatlikkuseks. Kuid Flowersi jaoks oli see isiklik tragöödia. Ilma 'Kolossi' leiutaja tunnustuse ja prestiižita kannatas ta rahulolematuse ja pettumuse all, kui tema pidevad katsed asendada releed elektroonikaga Briti telefondisainis pidevalt blokeeriti. Kui ta oleks saanud oma saavutusi näidata 'Kolossi' kaudu, oleks tal olnud mõju, mida tal oli vaja oma unistuse elluviimiseks. Kuid selleks ajaks, kui tema saavutused teada said, oli Flowers juba ammu pensionile läinud ega saanud millegagi mõjutada.

Mõned üle maailma levivad elektrooniliste arvutite entusiastid kogesid sarnaseid probleeme, mis olid seotud 'Kolossi' ümbritseva salastatuse ja tõendite puudumisega selle lähenemise elujõudluse kohta. Elektromehaanilised arvutid võisid veel mõnda aega domineerida. Kuid oli veel üks projekt, mis sillutas teed elektrooniliste arvutite juhtpositsioonile tulekuks. Kuigi see oli samuti salajaste sõjaliste arenduste tulemus, ei peidetud seda pärast sõda, vaid vastupidi, avati maailmale suure aplombiga nime all ENIAC.

Mida lugeda:

• Jack Copeland, toim. Koloss: Bletchley Parki koodimurdjate arvutite saladused (2006)
• Thomas H. Flowers, "Kolossi disain," Arvutite ajaloo aastaraamat, juuli 1983
• Andrew Hodges, Alan Turing: Müsteerium (1983)

Allikas: habr.com