Inne artykuły z serii:
- Historia przekaźnika
- Historia komputerów elektronicznych
- Historia tranzystora
- Historia internetu
W 1938 roku szef brytyjskiego tajnego wywiadu po cichu kupił 24-hektarową posiadłość położoną 80 mil od Londynu. Znajdowało się na skrzyżowaniu linii kolejowych prowadzących z Londynu na północ i z Oksfordu na zachodzie do Cambridge na wschodzie i było idealną lokalizacją dla organizacji, której nikt nie widział, ale która była w pobliżu większości ważnych ośrodków wiedzy i władz brytyjskich. Nieruchomość tzw , stał się brytyjskim ośrodkiem łamania szyfrów podczas II wojny światowej. To być może jedyne miejsce na świecie znane z zaangażowania w kryptografię.
garbniki
Latem 1941 roku w Bletchley trwały już prace nad złamaniem słynnej maszyny szyfrującej Enigmy używanej przez niemiecką armię i marynarkę wojenną. Jeśli oglądaliście film o brytyjskich łamaczach szyfrów, mówili o Enigmie, ale nie będziemy o tym tutaj mówić – ponieważ wkrótce po inwazji na Związek Radziecki Bletchley odkrył transmisję wiadomości z nowym rodzajem szyfrowania.
Kryptoanalitycy szybko odkryli ogólny charakter maszyny używanej do przesyłania wiadomości, którą nazwali „Tunny”.
W przeciwieństwie do Enigmy, której wiadomości trzeba było odszyfrować ręcznie, Tunney łączył się bezpośrednio z teletypem. Dalekopis konwertował każdy wprowadzony przez operatora znak na strumień kropek i krzyżyków (podobnie jak kropki i kreski alfabetu Morse'a) w standardzie z pięcioma znakami na literę. To był niezaszyfrowany tekst. Tunney użyła dwunastu kół na raz, aby stworzyć własny równoległy strumień kropek i krzyżyków: klucz. Następnie dodała klucz do wiadomości, tworząc szyfrogram przesyłany drogą radiową. Dodawanie przeprowadzono w arytmetyce binarnej, gdzie kropki odpowiadały zerom, a krzyżyki jednościom:
0 + 0 = 0
0 + 1 = 1
1 + 1 = 0
Inna Tanny po stronie odbiorcy, z tymi samymi ustawieniami, wygenerowała ten sam klucz i dodała go do zaszyfrowanej wiadomości, tworząc oryginał, który został wydrukowany na papierze za pomocą teletypu odbiorcy. Załóżmy, że mamy wiadomość: „kropka plus kropka kropka plus”. W liczbach będzie to 01001. Dodajmy losowy klucz: 11010. 1 + 0 = 1, 1 + 1 = 0, 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1, 1 + 0 = 1, więc otrzymamy szyfrogram 10011. Ponowne dodanie klucza umożliwia przywrócenie oryginalnej wiadomości. Sprawdźmy: 1 + 1 = 0, 1 + 0 = 1, 0 + 0 = 0, 1 + 1 = 0, 0 + 1 = 1, otrzymamy 01001.
Analizowanie pracy Tunneya było łatwiejsze dzięki temu, że w pierwszych miesiącach jego używania nadawcy przekazywali ustawienia koła, których należy użyć przed wysłaniem wiadomości. Później Niemcy wypuścili książeczki kodowe z zaprogramowanymi ustawieniami kół, a nadawca musiał jedynie wysłać kod, za pomocą którego odbiorca mógł znaleźć w książce prawidłowe ustawienie kół. Skończyło się na tym, że codziennie zmieniali książki z kodami, co oznaczało, że Bletchley musiał każdego ranka hakować koła kodowe.
Co ciekawe, kryptoanalitycy rozwiązali funkcję Tunny na podstawie lokalizacji stacji wysyłającej i odbierającej. Łączył ośrodki nerwowe niemieckiego naczelnego dowództwa z dowódcami armii i grup armii na różnych europejskich frontach wojskowych, od okupowanej Francji po rosyjskie stepy. Było to kuszące zadanie: zhakowanie Tunney zapewniało bezpośredni dostęp do najwyższych zamiarów i możliwości wroga.
Następnie, dzięki kombinacji błędów niemieckich operatorów, przebiegłości i zawziętej determinacji, młody matematyk poszedł znacznie dalej niż proste wnioski na temat pracy Tunne’a. Nie widząc samej maszyny, całkowicie określił jej wewnętrzną strukturę. Logicznie wydedukował możliwe położenia każdego koła (z których każde miało swoją własną liczbę pierwszą) i w jaki sposób dokładnie położenie kół wygenerowało klucz. Uzbrojony w te informacje Bletchley zbudował repliki Tunneya, które można było wykorzystać do odszyfrowania wiadomości — gdy tylko koła zostaną odpowiednio wyregulowane.
12 kluczowych kół maszyny szyfrującej Lorenza znanej jako Tanny
Heatha Robinsona
Pod koniec 1942 roku Tat kontynuował ataki na Tanni, opracowując w tym celu specjalną strategię. Opierał się na koncepcji delty: sumy modulo 2 jednego sygnału w wiadomości (kropka lub krzyżyk, 0 lub 1) z następnym. Uświadomił sobie, że ze względu na sporadyczny ruch kół Tunneya istnieje związek między deltą tekstu zaszyfrowanego a deltą tekstu kluczowego: musiały się one zmieniać razem. Jeśli więc porównasz tekst zaszyfrowany z tekstem kluczowym wygenerowanym przy różnych ustawieniach koła, możesz obliczyć deltę dla każdego z nich i policzyć liczbę dopasowań. Współczynnik dopasowania znacznie przekraczający 50% powinien oznaczać potencjalnego kandydata na prawdziwy klucz wiadomości. Pomysł był dobry w teorii, jednak w praktyce był niemożliwy do zrealizowania, gdyż wymagał wykonania 2400 przejść dla każdej wiadomości, aby sprawdzić wszystkie możliwe ustawienia.
Tat przedstawił problem innemu matematykowi, Maxowi Newmanowi, który stał na czele wydziału w Bletchley, zwanego przez wszystkich „Newmanią”. Na pierwszy rzut oka wybór Newmana na szefa wrażliwej brytyjskiej organizacji wywiadowczej był mało prawdopodobny, ponieważ jego ojciec pochodził z Niemiec. Wydawało się jednak mało prawdopodobne, aby szpiegował dla Hitlera, ponieważ jego rodzina była żydowska. Był tak zaniepokojony postępem dominacji Hitlera w Europie, że wkrótce po upadku Francji w 1940 r. przeniósł się z rodziną w bezpieczne miejsce w Nowym Jorku, a sam przez pewien czas rozważał przeprowadzkę do Princeton.
Maxa Newmana
Tak się złożyło, że Newman wpadł na pomysł, aby przepracować obliczenia wymagane metodą Tata – tworząc maszynę. Bletchley był już przyzwyczajony do używania maszyn do kryptoanalizy. W ten sposób złamano Enigmę. Ale Newman wymyślił pewne urządzenie elektroniczne do pracy z szyfrem Tunneya. Przed wojną wykładał w Cambridge (jednym z jego uczniów był Alan Turing) i wiedział o licznikach elektronicznych zbudowanych przez Wynne-Williamsa do liczenia cząstek w Cavendish. Pomysł był taki: jeśli zsynchronizować dwa filmy zamknięte w pętli, przewijane z dużą szybkością, z których jeden miał klucz, a drugi zaszyfrowaną wiadomość, i potraktować każdy element jak procesor zliczający delty, wówczas elektroniczny licznik mógłby dodaj wyniki. Czytając końcowy wynik na koniec każdego przebiegu, można było zdecydować, czy ten klucz jest potencjalny, czy nie.
Tak się złożyło, że po prostu istniała grupa inżynierów z odpowiednim doświadczeniem. Wśród nich był sam Wynne-Williams. Turing zwerbował Wynne-Williamsa z Malvern Radar Laboratory do pomocy przy tworzeniu nowego wirnika dla maszyny Enigma, wykorzystującego elektronikę do liczenia obrotów. Przy tym i innym projekcie Enigmy pomagało mu trzech inżynierów z Postal Research Station w Dollys Hill: William Chandler, Sidney Broadhurst i Tommy Flowers (przypomnę, że Poczta Brytyjska była organizacją zaawansowaną technologicznie i nie ponosiła odpowiedzialności za tylko w przypadku poczty papierowej, ale także w przypadku telegrafii i telefonii). Oba projekty nie powiodły się, a mężczyźni pozostali bezczynni. Newman je zebrał. Wyznaczył Flowersa do kierowania zespołem, który stworzył „urządzenie łączące”, które liczyłoby delty i przesyłało wynik do licznika, nad którym pracował Wynne-Williams.
Newman zajął się inżynierami budową maszyn, a Departamentem Kobiet Królewskiej Marynarki Wojennej obsługą swoich maszyn do przetwarzania wiadomości. Rząd ufał wyłącznie mężczyznom zajmującym wysokie stanowiska kierownicze, a kobiety dobrze radziły sobie z oficerami operacyjnymi Bletchleya, zajmując się zarówno konfiguracją transkrypcji, jak i dekodowania wiadomości. Bardzo organicznie udało im się przejść od pracy biurowej do opieki nad maszynami automatyzującymi ich pracę. Frywolnie nazwali swój samochód „„, brytyjski odpowiednik [obaj byli ilustratorami rysunkowymi, którzy przedstawiali niezwykle złożone, nieporęczne i skomplikowane urządzenia spełniające bardzo proste funkcje / ok. przeł.].
Samochód „Old Robinson”, bardzo podobny do swojego poprzednika, samochodu „Heath Robinson”.
Rzeczywiście, Heath Robinson, choć w teorii całkiem niezawodny, w praktyce borykał się z poważnymi problemami. Najważniejsza była potrzeba doskonałej synchronizacji dwóch filmów – tekstu zaszyfrowanego i tekstu klucza. Jakiekolwiek rozciąganie lub zsuwanie się którejkolwiek z folii powodowało, że cały fragment stał się bezużyteczny. Aby zminimalizować ryzyko błędów, maszyna przetwarzała nie więcej niż 2000 znaków na sekundę, chociaż pasy mogły pracować szybciej. Flowers, który niechętnie zgodził się z pracami projektu Heatha Robinsona, uważał, że istnieje lepszy sposób: maszyna zbudowana niemal w całości z podzespołów elektronicznych.
Kolos
Thomas Flowers pracował jako inżynier w dziale badawczym Poczty Brytyjskiej od 1930 roku, gdzie początkowo zajmował się badaniami nad błędnymi i nieudanymi połączeniami w nowych automatycznych centralach telefonicznych. To skłoniło go do zastanowienia się nad stworzeniem ulepszonej wersji systemu telefonicznego i już w 1935 roku zaczął opowiadać się za zastąpieniem elementów systemów elektromechanicznych, takich jak przekaźniki, elementami elektronicznymi. Ten cel zdeterminował całą jego przyszłą karierę.
Tommy Flowers, około 1940 r
Większość inżynierów krytykuje komponenty elektroniczne za kapryśność i zawodność w przypadku stosowania na dużą skalę, ale Flowers wykazał, że lampy próżniowe używane w sposób ciągły i przy mocach znacznie niższych od ich projektowanych faktycznie wykazywały zdumiewająco długą żywotność. Udowodnił swoje pomysły, zastępując wszystkie zaciski tonowe przełącznika 1000-liniowego lampami; w sumie było ich 3-4 tysiące. Instalacja ta została uruchomiona do prawdziwej pracy w 1939 roku. W tym samym okresie eksperymentował z zastąpieniem rejestrów przekaźnikowych przechowujących numery telefonów przekaźnikami elektronicznymi.
Flowers uważał, że Heath Robinson, do budowy którego został zatrudniony, miał poważne wady i że mógłby rozwiązać problem znacznie lepiej, używając większej liczby rur i mniejszej liczby części mechanicznych. W lutym 1943 roku przedstawił Newmanowi alternatywny projekt maszyny. Flowers sprytnie pozbył się taśmy od klucza, eliminując problem synchronizacji. Jego maszyna musiała generować kluczowy tekst na bieżąco. Elektronicznie symulowała Tunneya, przeglądając wszystkie ustawienia koła i porównując je z zaszyfrowanym tekstem, rejestrując prawdopodobne dopasowania. Oszacował, że takie podejście wymagałoby użycia około 1500 lamp próżniowych.
Newman i reszta kierownictwa Bletchleya byli sceptyczni wobec tej propozycji. Podobnie jak większość współczesnych Flowersowi, wątpili, czy można zmusić elektronikę do działania na taką skalę. Co więcej, nawet gdyby udało się ją uruchomić, wątpili, czy taką maszynę uda się zbudować na czas i przydać się na wojnie.
Szef Flowersa w Dollis Hill rzeczywiście udzielił mu zgody na zebranie zespołu, który miał stworzyć tego elektronicznego potwora – Flowers mógł nie być do końca szczery, opisując mu, jak bardzo jego pomysł spodobał się w Bletchley (według Andrew Hodgesa, Flowers powiedział jego szef, Gordon Radley, że projekt ten był dla Bletchleya pracą krytyczną, a Radley słyszał już od Churchilla, że praca Bletchleya była absolutnym priorytetem). Oprócz Flowers w rozwoju systemu dużą rolę odegrali Sidney Broadhurst i William Chandler, a całe przedsięwzięcie zatrudniało prawie 50 osób, czyli połowę zasobów Dollis Hill. Inspiracją dla zespołu były precedensy stosowane w telefonii: liczniki, logika oddziałowa, sprzęt do routingu i translacji sygnałów oraz sprzęt do okresowych pomiarów stanu sprzętu. Broadhurst był mistrzem takich obwodów elektromechanicznych, a Flowers i Chandler byli ekspertami w dziedzinie elektroniki, którzy rozumieli, jak przenieść koncepcje ze świata przekaźników do świata zaworów. Na początku 1944 roku zespół przedstawił Bletchleyowi działający model. Gigantyczną maszynę nazwano „Kolosem” i szybko udowodniono, że może przyćmić Heatha Robinsona, niezawodnie przetwarzając 5000 znaków na sekundę.
Newman i reszta kierownictwa Bletchley szybko zdali sobie sprawę, że popełnili błąd, odmawiając Flowers. W lutym 1944 roku zamówili 12 kolejnych „Kolosów”, które miały być gotowe do działania do 1 czerwca – daty planowanej inwazji na Francję, choć oczywiście Flowersowi o tym nie było wiadomo. Flowers wprost stwierdził, że jest to niemożliwe, ale dzięki bohaterskim wysiłkom jego zespołowi udało się do 31 maja dostarczyć drugi samochód, w którym nowy członek zespołu Alan Coombs wprowadził wiele ulepszeń.
Zmieniony projekt, znany jako Mark II, kontynuował sukces pierwszej maszyny. Oprócz systemu zasilania folią składało się z 2400 lamp, 12 przełączników obrotowych, 800 przekaźników i elektrycznej maszyny do pisania.
Kolos Mark II
Był wystarczająco elastyczny i konfigurowalny, aby obsługiwać różnorodne zadania. Po instalacji każda z drużyn kobiecych skonfigurowała swojego „Kolosa” w celu rozwiązania określonych problemów. Do skonfigurowania elektronicznych pierścieni symulujących koła Tunney potrzebny był panel krosowy, podobny do panelu operatora telefonicznego. Zestaw przełączników umożliwiał operatorom skonfigurowanie dowolnej liczby urządzeń funkcjonalnych przetwarzających dwa strumienie danych: film zewnętrzny i sygnał wewnętrzny generowany przez pierścienie. Łącząc zestaw różnych elementów logicznych, Colossus mógł obliczyć dowolne funkcje logiczne na podstawie danych, to znaczy funkcje, które dawałyby 0 lub 1. Każda jednostka zwiększała licznik Colossusa. Oddzielny aparat sterujący podejmował decyzje dotyczące rozgałęzień na podstawie stanu licznika - na przykład zatrzymał i wydrukował wyjście, jeśli wartość licznika przekroczyła 1000.
Panel przełączników do konfiguracji „Colossus”
Załóżmy, że Colossus był programowalnym komputerem ogólnego przeznaczenia we współczesnym tego słowa znaczeniu. Mógłby logicznie połączyć dwa strumienie danych – jeden na taśmie i jeden generowany przez liczniki pierścieniowe – i policzyć liczbę napotkanych jedynek i to wszystko. Duża część „programowania” Colossusa miała miejsce na papierze, a operatorzy wykonywali drzewo decyzyjne przygotowane przez analityków: powiedzmy „jeśli moc wyjściowa systemu jest mniejsza niż X, skonfiguruj konfigurację B i wykonaj Y, w przeciwnym razie wykonaj Z”.
Schemat blokowy wysokiego poziomu dla Colossusa
Niemniej jednak „Kolos” był w stanie sprostać powierzonemu mu zadaniu. W przeciwieństwie do komputera Atanasoff-Berry, Colossus był niezwykle szybki – mógł przetwarzać 25000 XNUMX znaków na sekundę, z których każdy mógł wymagać kilku operacji boolowskich. Mark II zwiększył prędkość pięciokrotnie w stosunku do Mark I, jednocześnie czytając i przetwarzając pięć różnych fragmentów filmu. Odmówiła podłączenia całego systemu do powolnych elektromechanicznych urządzeń wejścia-wyjścia, wykorzystujących fotokomórki (pobrane z samolotów przeciwlotniczych). ) do odczytu przychodzących taśm i rejestr do buforowania wyjścia maszyny do pisania. Lider zespołu, który w latach 1990. przywrócił Colossusa, pokazał, że w swojej pracy nadal może z łatwością przewyższyć komputer oparty na Pentium z 1995 roku.
Ta potężna maszyna do edycji tekstu stała się centrum projektu mającego na celu złamanie kodu Tunneya. Przed końcem wojny zbudowano jeszcze dziesięć Mark II, a panele były produkowane w tempie jednego miesięcznie przez pracowników fabryki pocztowej w Birmingham, którzy nie mieli pojęcia, co robią, a następnie zmontowano w Bletchley . Zirytowany urzędnik Ministerstwa Zaopatrzenia, po otrzymaniu kolejnego zamówienia na tysiąc specjalnych zaworów, zapytał, czy pocztowcy „strzelają do Niemców”. W ten przemysłowy sposób, zamiast ręcznie składać indywidualny projekt, następny komputer zostałby wyprodukowany dopiero w latach pięćdziesiątych XX wieku. Zgodnie z instrukcjami Flowersa dotyczącymi ochrony zaworów każdy Colossus działał dzień i noc aż do końca wojny. Stały cicho, świecąc w ciemności, ogrzewając mokrą brytyjską zimę i cierpliwie czekając na instrukcje, aż nadejdzie dzień, kiedy nie będą już potrzebne.
Zasłona Ciszy
Naturalny entuzjazm dla intrygującego dramatu rozgrywającego się w Bletchley doprowadził do rażącego wyolbrzymienia militarnych osiągnięć organizacji. Sugestie są strasznie absurdalne, tak jak ma to miejsce w filmie.„[Gra w tajemnice], że cywilizacja brytyjska przestałaby istnieć, gdyby nie Alan Turing. „Kolos” najwyraźniej nie miał wpływu na przebieg wojny w Europie. Jego najbardziej nagłośnionym osiągnięciem było udowodnienie, że oszustwo związane z lądowaniem w Normandii w 1944 r. zadziałało. Wiadomości otrzymane za pośrednictwem Tanny’ego sugerowały, że aliantom udało się przekonać Hitlera i jego dowództwo, że prawdziwy cios nastąpi dalej na wschód, w Pas de Calais. Informacje zachęcające, ale jest mało prawdopodobne, aby obniżenie poziomu kortyzolu we krwi dowództwa aliantów pomogło wygrać wojnę.
Z drugiej strony postęp technologiczny, jaki zaprezentował Colossus był niezaprzeczalny. Ale świat nie dowie się o tym prędko. Churchill nakazał rozebrać wszystkie „Kolosy” istniejące w momencie zakończenia gry, a tajemnicę ich projektu wysłać wraz z nimi na wysypisko śmieci. Dwa pojazdy jakimś cudem przetrwały ten wyrok śmierci i pozostawały w służbie brytyjskiego wywiadu aż do lat 1960. XX wieku. Ale nawet wtedy rząd brytyjski nie zdjął zasłony milczenia w sprawie pracy w Bletchley. Dopiero w latach 1970. XX w. jego istnienie stało się powszechnie znane.
Decyzję o trwałym zakazie wszelkich dyskusji na temat prac prowadzonych w Bletchley Park można nazwać przesadną ostrożnością ze strony rządu brytyjskiego. Ale dla Flowers była to osobista tragedia. Pozbawiony wszelkich zasług i prestiżu wynalazcy Kolosa, odczuwał niezadowolenie i frustrację, gdy jego ciągłe próby zastąpienia przekaźników elektroniką w brytyjskim systemie telefonicznym były nieustannie blokowane. Gdyby mógł zademonstrować swoje osiągnięcie na przykładzie „Kolosa”, miałby wpływy niezbędne do realizacji swojego marzenia. Jednak zanim jego osiągnięcia stały się znane, Flowers już dawno przeszedł na emeryturę i nie mógł na nic wpływać.
Kilku entuzjastów komputerów elektronicznych rozproszonych po całym świecie cierpiało na podobne problemy związane z tajemnicą otaczającą Colossusa i brakiem dowodów na wykonalność tego podejścia. Obliczenia elektromechaniczne mogą pozostać królem przez jakiś czas. Ale był jeszcze inny projekt, który utorował drogę do tego, aby obliczenia elektroniczne znalazły się w centrum uwagi. Choć był to także efekt tajnych wydarzeń militarnych, to po wojnie nie był ukrywany, a wręcz przeciwnie, z największą śmiałością został ujawniony światu, pod nazwą ENIAC.
Co czytać:
• Jack Copeland, wyd. Colossus: Sekrety komputerów łamających kody w Bletchley Park (2006)
• Thomas H. Flowers, „The Design of Colossus”, Annals of the History of Computing, lipiec 1983
• Andrew Hodges, Alan Turing: Enigma (1983)
Źródło: www.habr.com