Інші статті циклу:
- Історія реле
- Історія електронних комп'ютерів
- Історія транзистора
- Історія Інтернету
У 1938 році глава Британської секретної розвідки без зайвого шуму придбав маєток площею 24 гектари за 80 миль від Лондона. Воно було розташоване на перетині залізниць, що йдуть з Лондона на північ, і з Оксфорда на заході до Кембриджу на сході, і було ідеальним місцем для організації, якої ніхто не повинен був бачити, проте розташованої в швидкій доступності для більшої частини важливих центрів знань та влада Британії. Маєток, відомий, як , стало британським центром злому шифрів під час Другої Світової Це, можливо, єдине місце у світі, відоме причетністю до криптографії.
Тані
Влітку 1941 року в Блетчлі вже всюди велися роботи зі злому знаменитої шифрувальної машини Енігма, що використовується німецькою армією і флотом. Якщо ви дивилися фільм про британських зломщиків шифрів, то там розповідали про Енігму, але ми не будемо тут про неї поширюватися — оскільки невдовзі після вторгнення до Радянського союзу в Блетчлі виявили передачу повідомлень із новим типом шифрування.
Криптоаналітики досить швидко розгадали загальну природу використаної передачі повідомлень машини, яку вони прозвали «Танні».
На відміну від Енігми, повідомлення якої потрібно було розшифровувати вручну, Тані безпосередньо підключалася до телетайпу. Телетайп перетворював кожен введений оператором символ на потік крапок і хрестиків (схожий на точки і тирі абетки Морзе) у стандартному з п'ять символів на літеру. То справді був незашифрований текст. Тані одночасно використовувала дванадцять коліс для створення власного паралельного потоку крапок та хрестиків: ключа. Потім вона додавала ключ до з'єднання, видаючи зашифрований текст, що передається повітрям. Додавання проводилося в двійковій арифметиці, де крапки відповідали нулям, а хрестики — одиницям:
0 + 0 = 0
0 + 1 = 1
1 + 1 = 0
Інша Тані на стороні одержувача з тими самими налаштуваннями видавала той самий ключ і додавала його до зашифрованого повідомлення, щоб видати початкове, що друкувалося на папері телетайпом одержувача. Припустимо, ми маємо повідомлення: «точка плюс точка точка плюс». У цифрах це буде 01001. Додамо випадковий ключ: 11010. 1 + 0 = 1, 1 + 1 = 0, 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1, 1 + 0 = 1, тому ми отримаємо зашифрований текст 10011. Знову додаючи ключ, можна відновити початкове повідомлення. Перевіримо: 1+1=0, 1+0=1, 0+0=0, 1+1=0, 0+1=1, отримуємо 01001.
Розбір роботи Тані полегшувався тим, що у ранні місяці її використання відправники передавали налаштування коліс, які треба використовувати перед відправкою повідомлення. Пізніше німці випустили кодові книги з попередньо заданими налаштуваннями коліс, і відправнику потрібно було лише відправити код, яким одержувач міг знайти необхідну налаштування колеса у книжці. У результаті вони почали змінювати кодові книги щодня, через що Блетчлі доводилося зламувати налаштування кодових коліс щоранку.
Цікаво, що криптоаналітики розгадали функцію Танні на основі розташування станцій, що відправляють і приймають. Вона поєднувала нервові центри вищого німецького командування з армією та командирами армійських груп на різних європейських військових фронтах, від окупованої Франції до російських степів. Це було спокусливе завдання: злом Танні обіцяв прямий доступ до намірів та можливостей ворога на найвищому рівні.
Потім, завдяки поєднанню помилок німецьких операторів, хитрості та наполегливої рішучості, молодий математик просунувся набагато далі простих висновків про роботу Танні. Не бачивши саму машину, він визначив її внутрішню структуру. Він логічно вивів можливі позиції кожного колеса (у кожного з яких було своє просте число) і те, як саме розташування коліс генерувало ключ. Озброївшись цією інформацією, у Блетчлі збудували копії Танні, які можна було використовувати для розшифровки повідомлень — одразу після правильного настроювання коліс.
12 коліс ключа машини, яка використовує шифр Лоренца, відомої як Танні
Хіт Робінсон
До кінця 1942 Тат продовжував атакувати Танні, розробивши для цього спеціальну стратегію. Вона була заснована на концепції дельти: сума за модулем 2 одного сигналу у повідомленні (точки або хрестика, 0 або 1) з наступним. Він зрозумів, що через переривчастий рух коліс Тані існував зв'язок між дельтою зашифрованого тексту і дельтою тексту ключа: вони мали змінюватися спільно. Отже, якщо порівняти шифрований текст із ключовим текстом, створеним на різних налаштуваннях коліс, можна обчислити дельту для кожного та підрахувати кількість збігів. Кількість збігів, що сильно перевищує 50%, повинна відзначити потенційного кандидата на реальний ключ повідомлення. Теоретично ідея була гарною, але її неможливо було втілити на практиці, оскільки це вимагало зробити 2400 проходів для кожного повідомлення, щоб перевірити всі можливі налаштування.
Тат приніс це завдання іншому математику, Максу Ньюману, який керував відділом у Блетчлі, який усі називали «ньюманією». Ньюман, на перший погляд, був малоймовірною кандидатурою на керівництво чутливою британською розвідувальною організацією, оскільки його батько був родом із Німеччини. Однак здавалося малоймовірним, що він шпигуватиме на користь Гітлера, оскільки його родина була єврейською. Він так сильно був стурбований прогресом домінування Гітлера в Європі, що перевіз свою сім'ю в безпечне місце, у Нью-Йорк, невдовзі після колапсу Франції 1940-го, і якийсь час сам думав про переїзд до Прінстона.
Макс Ньюман
Так вийшло, що Ньюман мав ідею про роботу над розрахунками, які були потрібні методу Тата — за допомогою створення машини. У Блетчлі вже звикли використати машини для криптоаналізу. Саме так була зламана Енігма. Але Ньюман задумав електронний пристрій для роботи над шифром Танні. До війни він викладав у Кембриджі (одним з його студентів був Алан Т'юрінг), і знав про електронні лічильники, побудовані Вінном-Уільямсом для підрахунку частинок у Кавендіші. Ідея була в наступному: якщо синхронізувати дві замкнуті в петлю плівки, що прокручуються з великою швидкістю, на одній з яких буде ключ, а на іншій — зашифроване повідомлення, і вважати кожен елемент обробником, який підраховує дельти, то електронний лічильник міг би підсумовувати результати. Прочитавши підсумковий рахунок наприкінці кожного пробігу можна було вирішувати, чи потенційний цей ключ, чи ні.
Сталося так, що група інженерів з відповідним досвідом існувала. Серед них був і сам Вінн-Вільямс. Т'юрінг завербував Вінна-Вільямса з радарної лабораторії в Мелверні, щоб той допоміг створити новий ротор для машини, яка розшифровує Енігму, що використовує електроніку для підрахунку поворотів. Йому з цим та іншим проектом, що стосувався Енігми, допомагали три інженери з Поштової дослідницької станції в Долліс-Хілл: Вільям Чандлер, Сідні Бродхерст і Томмі Флауерс (нагадаю, що Британська пошта була високотехнологічною організацією, і відповідала не лише за паперову пошту). та за телеграфію та телефонію). Обидва проекти провалилися і чоловіки залишилися без діла. Ньюман зібрав їх. Він призначив Флауерса провідним команди, яка створювала «комбінуючий пристрій», який мав підраховувати дельти та передавати результат на лічильник, над яким працював Вінн-Вільямс.
Ньюман зайняв інженерів будівництвом машин, а Жіночий відділ королівського флоту — керуванням його машинами для обробки повідомлень. Уряд довіряв високі керівні пости лише чоловікам, а жінки добре справлялися, працюючи операціоністками в Блетчлі — вони займалися як транскрипцією повідомлень, так і налаштуваннями, що декодують. У них дуже органічно вдалося перейти від канцелярської роботи до піклування про машини, що автоматизували їх роботу. Свою підопальну машину вони легковажно назвали«, британським еквівалентом [обидва були ілюстраторами-карикатуристами, що зображували надзвичайно складні, громіздкі та заплутані пристрої, що виконували дуже прості функції / прим. перев.].
Машина "Старий Робінсон", дуже схожа на свого попередника, машину "Хіт Робінсон"
І справді, «Хіт Робінсон», теоретично досить надійний, практично страждав від серйозних проблем. Основною була необхідність ідеальної синхронізації двох плівок – шифрованого тексту та тексту ключа. Будь-яке розтягування або зісковзування будь-якої з плівок призводило до непридатності весь прохід. Щоб мінімізувати ризик помилок, машина обробляла не більше 2000 символів на секунду, хоча ремені могли працювати швидше. Флауерс, який неохоче погоджувався з роботою проекту «Хіт Робінсон», вважав, що є спосіб кращим: машина, майже повністю побудована з електронних компонентів.
колос
Томас Флауерс працював інженером у дослідницькому відділенні британської пошти з 1930, де він спочатку працював над дослідженням неправильних і з'єднань, що не відбулися, в нових автоматичних телефонних станціях. Це привело його до роздумів на тему того, як створити покращену версію телефонної системи, і до 1935 року він став проповідувати заміну електромеханічних компонентів системи, таких як реле, на електронні. Ця мета визначила всю його подальшу кар'єру.
Томмі Флауерс, у районі 1940
Більшість інженерів критикувала електронні компоненти за їхню примхливість і ненадійність при використанні у великих масштабах, але Флауерс показав, що якщо використовувати їх безперервно і на потужностях набагато нижче за розрахункові, електронні лампи насправді демонструють вражаюче довгий час служби. Він довів свої ідеї, замінивши всі термінали, що встановлювали тональний сигнал зв'язку на комутаторі, що обслуговував 1000 ліній лампами; всього їх там було 3-4 тисячі. Ця інсталяція була запущена в реальну роботу 1939-го. У той самий період він експериментував над заміною релейних регістрів, що зберігають телефонні номери, електронними реле.
Флауерс вважав, що «Хіт Робінсон», для створення якого його найняли, мав серйозні недоліки, і що він зможе набагато краще вирішити це завдання, використовуючи більше ламп і менше механічних частин. У лютому 1943 він приніс альтернативну схему машини Ньюману. Флауерс хитромуро позбувся плівки з ключем, усунувши проблему синхронізації. Його машина мала генерувати текст ключа на лету. Вона мала симулювати Тані електронним чином, проходячи через усі налаштування коліс і порівнюючи кожну з них із зашифрованим текстом, записуючи ймовірні збіги. Він розраховував, що такий підхід вимагатиме використання близько 1500 електронних ламп.
Ньюман та інше керівництво Блетчлі скептично поставилися до цієї пропозиції. Як більшість сучасників Флауерса вони сумнівалися, чи можна змусити електроніку працювати на таких масштабах. Крім того, навіть якщо її можна змусити працювати, вони сумнівалися, що таку машину можна буде збудувати вчасно, щоб вона знадобилася у війні.
Начальник Флауерса в Долліс-Хілл все ж таки дав йому добро на збір команди для створення цього електронного монстра — Флауерс, можливо, не зовсім щиро описав йому, наскільки його ідея сподобалася в Блетчлі (Якщо вірити Ендрю Ходжесу, Флауерс сказав своєму босу, Гордону що проект був критичною для Блетчлі роботою, а Редлі вже чув від Черчілля, що робота Блетчлі була абсолютно пріоритетною). Крім Флауерса, у розробці системи велику роль відіграли Сідні Броадхерст та Вільям Чандлер, а вся витівка зайняла роботою майже 50 осіб, половину ресурсів Долліс-Хілл. Команда надихалася прецедентами, що використовувалися в телефонії: лічильниками, логікою, що гілкується, обладнанням для роутингу і перекладу сигналів, і апаратурою для періодичних вимірювань стану обладнання. Броатхерст був майстром таких електромеханічних схем, а Флауерс та Чандлер були експертами в електроніці, котрі розуміли, як перенести концепції зі світу реле у світ клапанів. До початку 1944 року команда представила працюючу модель у Блетчлі. Гігантська машина отримала назву «Колос», і швидко довела, що може затьмарити «Хіта Робінсона», надійно обробляючи по 5000 символів на секунду.
Ньюман та інше керівництво у Блетчлі швидко зрозуміли, що помилилися, відмовивши Флауерсу. У лютому 1944-го вони замовили ще 12 «Колосів», які мали стати до 1 червня — на цю дату планувалося вторгнення до Франції, хоча, звичайно, Флауерсу це було невідомо. Флауерс прямо сказав, що це неможливо, але доклавши героїчних зусиль, його команді вдалося поставити другу машину до 31 травня, в яку новий член команди Алан Кумбс вносив безліч удосконалень.
Перероблена схема, відома як Mark II, продовжила успіх першої машини. Крім системи подачі плівки, вона складалася з 2400 ламп, 12 поворотних вимикачів, 800 реле та електричної друкарської машинки.
Colossus Mark II
Вона була настроюваною і досить гнучкою для того, щоб виконувати різні завдання. Після встановлення кожна з жіночих команд налаштувала свого «Колосу» для вирішення певних проблем. Комутаційна панель, схожа на панель для роботи телефонного оператора, була потрібна для налаштування електронних кілець, що симулювали колеса Танні. Набір перемикачів дозволяв операторам налаштовувати будь-яку кількість функціональних апаратів, що обробляли два потоки даних: зовнішню плівку та внутрішній сигнал, що генерувався кільцями. Комбінуючи набір із різних логічних елементів, «Колос» міг займатися розрахунками довільних булевих функцій на основі даних, тобто таких функцій, які видавали б 0 або 1. Кожна одиниця збільшувала лічильник «Колосса». Окремий керуючий апарат робив розгалужені рішення на основі стану лічильника - наприклад, зупинитися, і роздрукувати висновок, якщо значення лічильника перевищило 1000.
Панель перемикачів для налаштування «Колосу»
Припустимо, що «Колос» був би програмованим комп'ютером загального призначення у сенсі. Він міг логічно комбінувати два потоки даних - один на плівці, і один, згенерований кільцевими лічильниками - і підраховувати кількість зустрічених одиниць, і все. Більшість «програмування» «Колосса» проходила на папері, і оператори виконували дерево рішень, підготовлене аналітиками: припустимо, «якщо виведення системи менше X, налаштувати конфігурацію B і виконати Y, інакше виконати Z».
Блок-схема високого рівня для «Колосу»
Тим не менш, «Колос» був цілком в змозі вирішувати поставлене перед ним завдання. На відміну від комп'ютера Атанасова-Беррі, «Колос» був надзвичайно швидким — він міг обробляти 25000 символів на секунду, кожен із яких міг вимагати виконання кількох булевих операцій. Mark II п'ятиразово збільшив швидкість порівняно з Mark I, одночасно зчитуючи та обробляючи п'ять різних ділянок плівки. У ньому відмовилися пов'язувати всю систему з повільними електромеханічними пристроями введення-виведення, використавши фотоелементи (взяті з протиповітряних) ) для читання вхідних плівок і реєстр для буферизації виведення на друкарську машинку. Лідер команди, яка відновлювала «Колосса» у 1990-х, показав, що у своїй справі він все ще легко міг випередити за продуктивністю комп'ютер на базі процесора Pentium 1995 року.
Ця потужна машина для обробки тексту стала центром проекту зі злому коду Танні. До кінця війни було збудовано ще десять Mark II, панелі для яких штампували по одній штуці на місяць працівники поштової фабрики в Бірмінгемі, які не мали поняття, що саме вони виробляють, а потім їх збирали в Блетчлі. Один роздратований чиновник із Міністерства постачання, отримавши черговий запит на тисячу особливих клапанів, поцікавився, чи не «стріляють працівники пошти ними в німців». Таким індустріальним способом, а не ручним складанням індивідуального проекту, наступний комп'ютер буде вироблятися не раніше 1950-х. За інструкцією Флауерса для запобігання клапанам кожен «Колос» працював вдень і вночі до кінця війни. Вони стояли, тихо світячись у темряві, розігріваючи вологу британську зиму і терпляче чекаючи на інструкції, поки не прийшов той день, коли в них більше не було потреби.
Завіса мовчання
Природний інтерес щодо інтригуючої драми, що розгорталася в Блетчлі, призвів до надмірного перебільшення військових досягнень цієї організації. Жахливо абсурдно натякати, як це робить фільм.»[The Imitation Game], що британська цивілізація перестала б існувати, якби не Алан Т'юрінг. «Колос», судячи з усього, не вплинув на хід війни в Європі. Його найрозрекламованіше досягнення полягало в доказі того, що обманний план з приводу висадки в Нормандії в 1944 році спрацював. Отримані через Танні повідомлення говорили про те, що союзники вдало переконали Гітлера та його командування в тому, що справжній удар прийде далі на схід у Па-де-Кале. Обнадійлива інформація, але навряд чи зменшення рівня кортизолу у крові союзного командування допомогло виграти війну.
З іншого боку, технологічні досягнення, які представив «Колос», були незаперечними. Але світ ще скоро це дізнається. Черчілль наказав, щоб усіх «Колосів», які існували на момент закінчення гри, розібрали, і відправили секрет їхнього пристрою разом з ними на звалище. Дві машини якимось чином пережили цей смертний вирок і залишалися в строю британської розвідки до 1960-х. Але й тоді британський уряд не підняв завісу мовчання щодо роботи у Блетчлі. Лише у 1970-х його існування стало надбанням громадськості.
Рішення назавжди заборонити будь-яке обговорення робіт, що проводяться в Блетчлі-парк, можна було назвати надмірною обережністю британського уряду. Але для Флауерса це було особистою трагедією. Позбавлений всіх заслуг та престижу винахідника «Колосса», він страждав від незадоволеності та розчарування, коли його постійні спроби замінити реле електронікою у британській телефонній системі постійно блокувалися. Якби він міг продемонструвати своє досягнення на прикладі «Колосса», він мав би вплив, необхідний для реалізації його мрії. Але на той час, коли його досягнення стали відомі, Флауерс вже давно пішов на пенсію і не міг ні на що вплинути.
Декілька розкиданих світом ентузіастів електронних обчислень страждали від схожих проблем, пов'язаних із секретністю, що оточувала «Колосса», та нестачі доказів життєздатності цього підходу. Електромеханічні обчислення могли залишатися головними ще якийсь час. Але існував ще один проект, який прокладе шлях до приходу на провідну позицію електронних обчислень. Хоча це був результат секретних військових розробок, його не стали приховувати після війни, а навпаки, відкрили миру з найбільшим апломбом, під ім'ям ENIAC.
Що почитати:
• Jack Copeland, ed. Colossus: The Secrets of Bletchley Park's Codebreaking Computers (2006)
• Thomas H. Flowers, “The Design of Colossus”, “Annals of the History of Computing, July 1983
• Andrew Hodges, Alan Turing: The Enigma (1983)
Джерело: habr.com