Inne artykuły cyklu:
- Historia przekaźnika
- Historia komputerów elektronicznych
- Historia tranzystora
- Historia internetu
W 1938 roku szef brytyjskiego wywiadu bez zbędnego hałasu kupił posiadłość o powierzchni 24 hektarów, położoną 80 mil od Londynu. Znajdowała się ona na skrzyżowaniu linii kolejowych prowadzących z Londynu na północ oraz z Oksfordu na zachód do Cambridge na wschodzie, i była idealnym miejscem dla organizacji, której nikt nie powinien był dostrzegać, a jednocześnie usytuowanym w łatwym dostępie do większości ważnych ośrodków wiedzy i władzy w Wielkiej Brytanii. Posiadłość, znana jako , stała się brytyjskim centrum łamania kodów podczas II Wojny Światowej. To być może jedyne miejsce na świecie znane z powiązań z kryptografią.
Tanni
Latem 1941 roku w Bletchley już na pełną parę trwały prace nad złamaniem słynnej maszyny szyfrującej Enigma, używanej przez niemiecką armię i marynarkę wojenną. Jeśli oglądałeś film o brytyjskich cryptologach, to tam opowiadano o Enigmie, ale nie będziemy się na jej temat rozwodzić — gdyż wkrótce po inwazji na Związek Radziecki w Bletchley odkryto transmisję wiadomości z nowym typem szyfrowania.
Kryptoanalitycy dość szybko rozpracowali ogólną naturę maszyny używanej do przesyłania wiadomości, którą nazwali „Tanni”.
W odróżnieniu od Enigmy, której wiadomości musiały być deszyfrowane ręcznie, Tanni była bezpośrednio podłączona do teletype'u. Teletype przekształcał każdy wprowadzony przez operatora znak w strumień kropek i krzyżyków (podobny do kropek i kreskowania w alfabecie Morse'a) w standardowym z pięcioma symbolami na literę. To był tekst niezabezpieczony. Tanni jednocześnie używała dwunastu kółek do tworzenia własnego równoległego strumienia kropek i krzyżyków: klucza. Następnie dodawała klucz do wiadomości, generując zaszyfrowany tekst przesyłany przez powietrze. Dodawanie było przeprowadzane w arytmetyce binarnej, gdzie kropki odpowiadały zerom, a krzyżyki — jedynkom:
0 + 0 = 0
0 + 1 = 1
1 + 1 = 0
Inna Tanni po stronie odbiorcy z tymi samymi ustawieniami generowała ten sam klucz i dodawała go do zaszyfrowanej wiadomości, aby ujawnić oryginał, który był drukowany na papierze telegrafowym odbiorcy. Załóżmy, że mamy wiadomość: „kropka plus kropka kropka plus”. W cyfrach będzie to 01001. Dodajemy losowy klucz: 11010. 1 + 0 = 1, 1 + 1 = 0, 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1, 1 + 0 = 1, więc otrzymujemy zaszyfrowany tekst 10011. Dodając ponownie klucz, można przywrócić oryginalną wiadomość. Sprawdźmy: 1 + 1 = 0, 1 + 0 = 1, 0 + 0 = 0, 1 + 1 = 0, 0 + 1 = 1, otrzymujemy 01001.
Analiza działania Tanni była ułatwiona tym, że w pierwszych miesiącach jej użytkowania nadawcy przesyłali ustawienia kół, które należało zastosować przed wysłaniem wiadomości. Później Niemcy wydali książki kodowe z wstępnie ustalonymi ustawieniami kół, a nadawca musiał jedynie wysłać kod, według którego odbiorca mógł znaleźć potrzebne ustawienie koła w książce. W efekcie zaczęli zmieniać książki kodowe codziennie, przez co Bletchley musiało łamać ustawienia kodowych kół każdego poranka.
Ciekawe, że analitycy kryptograficzni rozszyfrowali funkcję Tanni na podstawie lokalizacji stacji nadawczych i odbiorczych. Łączyła ona centra nerwowe niemieckiego najwyższego dowództwa z armią oraz dowódcami grup armijnych na różnych europejskich frontach wojennych, od okupowanej Francji po rosyjskie stepy. Było to kuszące zadanie: złamanie Tanni obiecywało bezpośredni dostęp do zamierzeń i możliwości wroga na najwyższym poziomie.
Następnie, dzięki połączeniu błędów niemieckich operatorów, sprytu i wytrwałej determinacji, młody matematyk poszedł znacznie dalej niż proste wnioski dotyczące działania Tanni. Nie widząc samej maszyny, w pełni określił jej wewnętrzną strukturę. Logicznie wyprowadził możliwe pozycje każdego koła (z których każde miało swoje proste liczby) oraz sposób, w jaki układ kół generował klucz. Uzbrojony w tę informację, w Bletchley zbudowano kopie Tanni, które można było używać do deszyfrowania wiadomości — tuż po właściwym ustawieniu kół.
12 kół klucza maszyny używającej szyfru Lorenz, znanej jako Tanni
HIT Robinson
Pod koniec 1942 roku Turing kontynuował atak na Tanniego, opracowując specjalną strategię. Opierała się ona na koncepcji delta: suma modulo 2 jednego sygnału w wiadomości (kropka lub krzyżyk, 0 lub 1) z następnym. Zrozumiał, że z powodu przerywanego ruchu kół Tanniego istniał związek między deltą zaszyfrowanego tekstu a deltą tekstu klucza: musiały one zmieniać się razem. Tak więc, porównując tekst szyfrowany z tekstem klucza, stworzonym na różnych ustawieniach kół, można było obliczyć deltę dla każdego z nich i policzyć liczbę dopasowań. Wartość przekraczająca 50% dopasowań powinna wskazywać na potencjalnego kandydata na rzeczywisty klucz wiadomości. W teorii pomysł był dobry, ale nie dało się go zrealizować w praktyce, ponieważ wymagałoby to 2400 przejść dla każdej wiadomości, aby sprawdzić wszystkie możliwe ustawienia.
Turing przedstawił to zadanie innemu matematykom, Maxowi Newmanowi, który kierował działem w Bletchley, nazywającym się „nowomią”. Newman, na pierwszy rzut oka, był mało prawdopodobnym kandydatem na lidera wrażliwej brytyjskiej organizacji wywiadowczej, ponieważ jego ojciec pochodził z Niemiec. Jednak mało prawdopodobne było, że będzie szpiegował na korzyść Hitlera, ponieważ jego rodzina była żydowska. Tak bardzo był zaniepokojony postępami dominacji Hitlera w Europie, że przeniósł swoją rodzinę w bezpieczne miejsce, do Nowego Jorku, wkrótce po upadku Francji w 1940 roku, i przez jakiś czas sam myślał o przeprowadzce do Princeton.
Max Newman
Okazało się, że Newman miał pomysł na pracę nad obliczeniami wymaganymi przez metodę Tatta — za pomocą stworzenia maszyny. W Bletchley już przywykli do używania maszyn do kryptanalizy. Właśnie w ten sposób złamano Enigmę. Jednak Newman zaplanował pewne elektroniczne urządzenie do pracy nad szyfrem Tanny. Przed wojną uczył w Cambridge (jednym z jego studentów był Alan Turing) i znał elektroniczne liczniki zbudowane przez Winna-Williamsa do zliczania cząstek w Cavendishu. Idea była następująca: jeśli synchronizować dwie zamknięte w pętli taśmy, kręcące się z dużą prędkością, na jednej z nich umieszczony byłby klucz, a na drugiej — zaszyfrowana wiadomość, i zliczać każdy element za pomocą przetwornika, który liczy różnice, to elektroniczny licznik mógłby zsumować wyniki. Odczytując końcowy wynik po każdym biegu, można było ustalić, czy dany klucz jest potencjalny, czy nie.
Okazało się, że istniała grupa inżynierów z odpowiednim doświadczeniem. Wśród nich był także sam Winn-Williams. Turing zwerbował Wina-Williamsa z laboratorium radarowego w Malvern, aby pomógł stworzyć nowy rotator dla maszyny deszyfrującej Enigmę, wykorzystujący elektronikę do liczenia obrotów. W tym projekcie oraz w innym odnoszącym się do Enigmy pomagali mu trzej inżynierowie z Pocztowej Stacji Badawczej w Dollis Hill: William Chandler, Sidney Broadhurst i Tommy Flowers (przypomnę, że Brytyjska Poczta była zaawansowaną technologicznie organizacją, odpowiedzialną nie tylko za przesyłki papierowe, ale także za telegraf i telefonię). Oba projekty zakończyły się niepowodzeniem, a mężczyźni zostali bez pracy. Newman zebrał ich. Wyznaczył Flowersa na lidera zespołu, który miał stworzyć „urządzenie kombinacyjne”, które miało zliczać różnice i przekazywać wyniki do licznika, nad którym pracował Winn-Williams.
Newman zatrudnił inżynierów do budowy maszyn, a Wydział Kobiecy Królewskiej Marynarki Wojennej — do zarządzania jego maszynami do przetwarzania wiadomości. Rząd powierzał wysokie stanowiska kierownicze tylko mężczyznom, podczas gdy kobiety doskonale radziły sobie w pracy jako operatorki w Bletchley — zajmowały się zarówno transkrypcją wiadomości, jak i dekodowaniem ustawień. Naturalnie przeszły z pracy biurowej do dbania o maszyny, które automatyzowały ich pracę. Swoją podopieczną maszynę lekkomyślnie nazwały „«, brytyjskim odpowiednikiem [oboje byli ilustratorami-karykaturzystami, przedstawiającymi niezwykle skomplikowane, nieporęczne i zawiłe urządzenia, które wykonywały bardzo proste funkcje / przyp. tłum.]
Maszyna „Stary Robinson”, bardzo podobna do swojego poprzednika, maszyny „Hit Robinson”
I rzeczywiście, „Hit Robinson”, teoretycznie wystarczająco niezawodny, w praktyce borykał się z poważnymi problemami. Głównym był wymóg idealnej synchronizacji dwóch taśm — tekstu zaszyfrowanego i tekstu klucza. Jakiekolwiek rozciągnięcie lub przesunięcie którejkolwiek z taśm unieważniało cały proces. Aby zminimalizować ryzyko błędów, maszyna przetwarzała nie więcej niż 2000 znaków na sekundę, chociaż pasy mogły działać szybciej. Flowers, niechętnie zgadzając się na prace nad projektem „Hit Robinson”, uważał, że można to zrobić lepiej: maszyna zbudowana prawie w całości z komponentów elektronicznych.
Kolos
Thomas Flowers pracował jako inżynier w badawczym oddziale brytyjskiej poczty od 1930 roku, gdzie pierwotnie pracował nad badaniem niewłaściwych i niedziałających połączeń w nowych automatycznych centralach telefonicznych. Doprowadziło go to do rozważań na temat tego, jak stworzyć ulepszoną wersję systemu telefonicznego, a do 1935 roku zaczynał głosić zastąpienie komponentów elektromechanicznych systemu, takich jak przekaźniki, komponentami elektronicznymi. Ten cel określił całą jego dalszą karierę.
Tommy Flowers, około 1940 roku
Większość inżynierów krytykowała komponenty elektroniczne za ich kapryśność i niezawodność przy użyciu na dużą skalę, ale Flowers wykazał, że jeśli używać ich nieprzerwanie i w mocach znacznie poniżej obliczeniowych, lampy elektronowe faktycznie pokazują zdumiewająco długi czas życia. Udowodnił swoje pomysły, zastępując wszystkie terminale, które generowały sygnał dźwiękowy w przełączniku obsługującym 1000 linii, lampami; łącznie było ich tam 3-4 tysiące. Ta instalacja została uruchomiona w rzeczywistej pracy w 1939 roku. W tym samym okresie eksperymentował nad zastąpieniem rejestrów przekaźnikowych, które przechowywały numery telefonów, przekaźnikami elektronicznymi.
Flowers uważał, że "Hit Robinson", do stworzenia którego go zatrudniono, miał poważne wady, i że będzie w stanie znacznie lepiej rozwiązać ten problem, używając większej liczby lamp i mniejszej liczby mechanicznych części. W lutym 1943 roku przedstawił alternatywny schemat maszyny Newmanowi. Flowers pomysłowo pozbył się taśmy z kluczem, eliminując problem synchronizacji. Jego maszyna miała generować tekst klucza w czasie rzeczywistym. Miała symulować Tanniego elektronicznie, przechodząc przez wszystkie ustawienia kół i porównując każde z nich z zaszyfrowanym tekstem, zapisując prawdopodobne dopasowania. Szacował, że takie podejście wymagałoby użycia około 1500 lamp elektronicznych.
Newman i pozostałe kierownictwo Bletchley sceptycznie odnieśli się do tej propozycji. Jak większość współczesnych Flowersowi, wątpili, czy można zmusić elektronikę do pracy na taką skalę. Ponadto, nawet jeśli można ją zmusić do działania, wątpiili, czy uda się zbudować taką maszynę na czas, aby była przydatna w wojnie.
Szef Flowersa w Dollys Hill jednak wyraził zgodę na zebranie zespołu do stworzenia tego elektronicznego potwora – Flowers mógł nie do końca szczerze opisać, jak bardzo jego pomysł spodobał się w Bletchley (jeśli wierzyć Andrew Hodgesowi, Flowers powiedział swojemu szefowi, Gordonowi Radleyowi, że projekt był kluczowym zadaniem dla Bletchley, a Radley już słyszał od Churchilla, że prace w Bletchley były absolutnie priorytetowe). Poza Flowers’em, w opracowanie systemu zaangażowani byli Sidney Broadhurst i William Chandler, a całe przedsięwzięcie wymagało pracy prawie 50 osób, połowy zasobów Dollys Hill. Zespół czerpał inspirację z precedensów stosowanych w telekomunikacji: liczników, logiki rozgałęziającej, sprzętu do routingu i translacji sygnałów oraz urządzeń do okresowego pomiaru stanu sprzętu. Broadhurst był mistrzem takich elektromechanicznych schematów, a Flowers i Chandler ekspertami w elektronice, rozumiejącymi, jak przenieść koncepcje ze świata przekaźników do świata zaworów. Na początku 1944 roku zespół zaprezentował działający model w Bletchley. Gigantyczna maszyna otrzymała nazwę „Colossus” i szybko udowodniła, że może przewyższyć „Hitę Robinsona”, niezawodnie przetwarzając 5000 znaków na sekundę.
Newman i reszta kierownictwa w Bletchley szybko zrozumieli, że popełnili błąd odmawiając Flowersowi. W lutym 1944 roku zamówili jeszcze 12 „Colossusów”, które miały wejść do użytku do 1 czerwca – data ta została wyznaczona na inwazję we Francji, chociaż Flowersowi nic o tym nie było wiadomo. Flowers bezpośrednio stwierdził, że to niemożliwe, ale dzięki heroicznym wysiłkom jego zespół zdołał dostarczyć drugą maszynę do 31 maja, w którą nowy członek zespołu, Alan Coombs, wprowadził wiele usprawnień.
Przerobiony schemat, znany jako Mark II, kontynuował sukces pierwszej maszyny. Oprócz systemu podawania taśmy, składał się z 2400 lamp, 12 obrotowych włączników, 800 przekaźników i elektrycznej maszyny do pisania.
Colossus Mark II
Była konfigurowalna i wystarczająco elastyczna, aby wykonywać różne zadania. Po instalacji każda z zespołów kobiecych dostosowała swojego „Kolosa” do rozwiązania określonych problemów. Panel przełączników, przypominający panel do pracy operatora telefonicznego, był potrzebny do konfiguracji elektronicznych pierścieni, które symulowały koła Tanny. Zestaw przełączników pozwalał operatorom na dostosowanie dowolnej liczby funkcjonalnych urządzeń, przetwarzających dwa strumienie danych: zewnętrzną taśmę i wewnętrzny sygnał generowany przez pierścienie. Kombinując zestaw różnych elementów logicznych, „Koloss” mógł wykonywać obliczenia dowolnych funkcji boolowskich na podstawie danych, to znaczy takich, które zwracałyby 0 lub 1. Każda jednostka zwiększała licznik „Kolosa”. Oddzielne urządzenie sterujące podejmowało rozgałęzione decyzje na podstawie stanu licznika — na przykład zatrzymać się i wydrukować wynik, jeśli wartość licznika przekroczyła 1000.
Panel przełączników do konfiguracji „Kolosa”
Załóżmy, że „Koloss” byłby programowalnym komputerem ogólnego przeznaczenia w nowoczesnym tego słowa znaczeniu. Mógł logicznie łączyć dwa strumienie danych — jeden na taśmie, a drugi, generowany przez liczniki pierścieniowe — i zliczać liczbę napotkanych jedynek, i to wszystko. Większość „programowania” „Kolosa” odbywała się na papierze, a operatorzy realizowali drzewo decyzji, opracowane przez analityków: załóżmy, że „jeśli wyjście systemu jest mniejsze niż X, skonfiguruj konfigurację B i wykonaj Y, w przeciwnym razie wykonaj Z”.
Schemat blokowy wysokiego poziomu dla „Kolosa”
Jednakże, „Koloss” był całkowicie zdolny do rozwiązania postawionego przed nim zadania. W przeciwieństwie do komputera Atanasowa-Berry'ego, „Koloss” był niezwykle szybki — mógł przetwarzać 25000 znaków na sekundę, z których każdy mógł wymagać wykonania kilku operacji boolowskich. Mark II pięciokrotnie zwiększył prędkość w porównaniu do Marka I, jednocześnie odczytując i przetwarzając pięć różnych fragmentów taśmy. Zrezygnowano z powiązania całego systemu z wolnymi elektro-mechanicznymi urządzeniami wejścia-wyjścia, korzystając z fotoelementów (zabranych z przeciwpowietrznych ) do czytania przychodzących taśm i rejestracji do buforowania wyjścia do maszyny do pisania. Lider zespołu, który w latach 90. odbudowywał „Colossusa”, pokazał, że w swoim fachu wciąż mógł wydajnością wyprzedzać komputer oparty na procesorze Pentium z 1995 roku.
Ta potężna maszyna do przetwarzania tekstu stała się centrum projektu dekryptażowego Taniego. Do końca wojny wyprodukowano jeszcze dziesięć Mark II, z których panele wytwarzano po jednym na miesiąc przez pracowników fabryki pocztowej w Birmingham, nieświadomych, co takiego produkują, a następnie montowano je w Bletchley. Jeden zirytowany urzędnik z Ministerstwa Zaopatrzenia, otrzymawszy kolejne zamówienie na tysiąc specjalnych zaworów, zapytał, czy pracownicy poczty nie „strzelają nimi do Niemców”. W ten przemysłowy sposób, a nie dzięki ręcznej assemblacji indywidualnego projektu, kolejny komputer nie będzie produkowany przed latami 50-tymi. Według instrukcji Flower'a, aby zabezpieczyć zawory, każdy „Colossus” pracował dzień i noc do końca wojny. Stały, migocząc w ciemności, ogrzewając wilgotną brytyjską zimę i cierpliwie czekając na instrukcje, aż nadszedł ten dzień, gdy stały się niepotrzebne.
Zasłona milczenia
Naturalny entuzjazm związany z intrygującą dramą, która rozgrywała się w Bletchley, doprowadził do nadmiernej przesady w ocenie wojennych osiągnięć tej organizacji. Strasznie absurdalne jest sugerowanie, jak to czyni film „” [The Imitation Game], że brytyjska cywilizacja przestałaby istnieć, gdyby nie Alan Turing. „Colossus” wydaje się nie mieć żadnego wpływu na przebieg wojny w Europie. Jego najbardziej nagłośnione osiągnięcie polegało na udowodnieniu, że oszukańczy plan dotyczący inwazji w Normandii w 1944 roku się powiódł. Wiadomości przekazane przez Taniego sugerowały, że alianci skutecznie przekonali Hitlera i jego sztab, że prawdziwy cios będzie miał miejsce dalej na wschód, w Pas-de-Calais. Obiecujące informacje, ale mało prawdopodobne, by obniżenie poziomu kortyzolu we krwi alianckiego dowództwa pomogło wygrać wojnę.
Z drugiej strony osiągnięcia technologiczne, które zaprezentował „Kolos”, były niepodważalne. Jednak świat jeszcze długo się o tym nie dowie. Churchill nakazał zdemontować wszystkie istniejące w momencie zakończenia gry „Kolosy” i wysłać tajemnice ich konstrukcji razem z nimi na wysypisko. Dwa maszyny jakoś przetrwały ten wyrok śmierci i pozostały w użytku brytyjskiego wywiadu aż do lat 60-tych. Ale nawet wtedy brytyjski rząd nie uchylił rąbka tajemnicy na temat prac w Bletchley. Dopiero w latach 70-tych ich istnienie stało się publiczną wiadomością.
Decyzja o całkowitym zakazie jakiejkolwiek dyskusji na temat prac prowadzonych w Bletchley Park można uznać za nadmierną ostrożność brytyjskiego rządu. Jednak dla Flauersa była to osobista tragedia. Pozbawiony wszelkich zasług i prestiżu wynalazcy „Kolosa”, cierpiał z powodu niezadowolenia i rozczarowania, gdy jego ciągłe próby zastąpienia przekaźników elektroniką w brytyjskiej sieci telefonicznej były nieustannie blokowane. Gdyby mógł zaprezentować swoje osiągnięcie na przykładzie „Kolosa”, miałby wpływ potrzebny do realizacji swoich marzeń. Ale w czasie, gdy jego osiągnięcia stały się znane, Flauers od dawna przeszedł na emeryturę i nie mógł na nic wpłynąć.
Kilku entuzjastów elektronicznych obliczeń rozrzuconych po świecie miało podobne problemy związane z tajemnicą otaczającą „Kolosa” i brakiem dowodów na wykonalność tego podejścia. Obliczenia elektromechaniczne mogły jeszcze przez jakiś czas dominować. Lecz istniał inny projekt, który przetarłby drogę do wejścia na czołową pozycję elektroniki obliczeniowej. Choć był to również rezultat tajnych wojskowych prac rozwojowych, po wojnie nie był ukrywany, lecz wręcz przeciwnie, zaprezentowany światu z wielką pompą pod nazwą ENIAC.
Co przeczytać:
• 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, lipiec 1983
• Andrew Hodges, Alan Turing: The Enigma (1983)
Źródło: habr.com
