Komputer Kolos - Colossus computer

Komputer Kolos

Komputer Colossus Mark 2 obsługiwany przez Wrensa . Pochylony panel sterowania po lewej stronie służył do ustawiania wzorów „szpilek” (lub „krzywek”) Lorenza. Transport taśmy papierowej "łóżko" znajduje się po prawej stronie.
Deweloper	Tommy Flowers , w asyście Sidneya Broadhursta, Williama Chandlera i dla maszyn Mark 2, Allena Coombsa
Producent	Stacja Badawcza Poczty
Rodzaj	Elektroniczny cyfrowy programowalny komputer specjalnego przeznaczenia
Pokolenie	Komputer pierwszej generacji
Data wydania
Wycofane	1960
Jednostki wysłane	12
Głoska bezdźwięczna
procesor	Niestandardowe obwody wykorzystujące zawory termionowe i tyratrony . Łącznie 1600 w Mk 1 i 2400 w Mk 2. Również przekaźniki i przełączniki krokowe
Pamięć	Brak (brak pamięci RAM )
Wyświetlacz	Panel lampek kontrolnych
Wejście	Taśma papierowa do 20 000 × 5-bitowych znaków w ciągłej pętli
Moc	8,5 kW

Colossus to zestaw komputerów opracowanych przez brytyjskich łamaczy kodów w latach 1943-1945, aby pomóc w kryptoanalizie szyfru Lorenza . Colossus używał zaworów termionowych (rurek próżniowych) do wykonywania operacji logicznych i liczenia. Colossus jest więc uważany za pierwszy na świecie programowalny , elektroniczny , cyfrowy komputer, chociaż został zaprogramowany za pomocą przełączników i wtyczek, a nie za pomocą zapisanego programu .

Colossus został zaprojektowany przez inżyniera telefonicznego General Post Office (GPO) Tommy Flowers, aby rozwiązać problem postawiony przez matematyka Maxa Newmana w Government Code and Cypher School (GC&CS) w Bletchley Park . Wykorzystanie prawdopodobieństwa przez Alana Turinga w kryptoanalizie (zob. Banburismus ) przyczyniło się do jego zaprojektowania. Czasami błędnie stwierdzano, że Turing zaprojektował Kolosa, aby wspomóc kryptoanalizę Enigmy . Maszyną Turinga, która pomogła rozszyfrować Enigmę, był elektromechaniczny Bombe , a nie Colossus.

Prototyp, Colossus Mark 1 , okazał się działać w grudniu 1943 roku i był używany w Bletchley Park na początku 1944 roku. Ulepszony Colossus Mark 2, który używał rejestrów przesuwnych do pięciokrotnego zwiększenia szybkości przetwarzania, po raz pierwszy zadziałał 1 czerwca 1944 roku, tuż czas na lądowanie w Normandii w D-Day. Dziesięć Kolosów było w użyciu pod koniec wojny, a jedenasty był w trakcie realizacji. Wykorzystanie tych maszyn przez Bletchley Park umożliwiło aliantom uzyskanie ogromnej ilości wywiadu wojskowego wysokiego szczebla z przechwyconych wiadomości radiotelegraficznych między niemieckim naczelnym dowództwem ( OKW ) a dowództwami ich armii w całej okupowanej Europie.

Istnienie maszyn Colossus było utrzymywane w tajemnicy do połowy lat siedemdziesiątych. Wszystkie maszyny oprócz dwóch zostały rozebrane na tak małe części, że nie można było wnioskować o ich zastosowaniu. Dwie zachowane maszyny zostały ostatecznie zdemontowane w latach 60. XX wieku. Funkcjonalna przebudowa modelu Mark 2 Colossus została ukończona w 2008 roku przez Tony'ego Sale'a i zespół wolontariuszy; jest wystawiony w Narodowym Muzeum Informatyki w Bletchley Park .

Cel i pochodzenie

Maszyna szyfrująca Lorenz SZ42 z usuniętymi osłonami w Narodowym Muzeum Informatyki w Bletchley Park

Te maszyny Lorenz SZ miał 12 koła, każdy o różnej liczbie krzywek (lub „kołki”).

Numer koła	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Nazwa koła BP	ψ 1	ψ 2	ψ 3	ψ 4	ψ 5	μ 37	μ 61	χ 1	χ 2	χ 3	χ 4	χ 5
Liczba krzywek (szpilek)	43	47	51	53	59	37	61	41	31	29	26	23

Komputery Colossus zostały wykorzystane do pomocy Odcyfrowywanie przechwyconej radiowy Teleprinter wiadomości, które zostały zaszyfrowane przy użyciu nieznanego urządzenia. Informacje wywiadowcze ujawniły, że Niemcy nazwali bezprzewodowe systemy transmisji dalekopisu „Sägefisch” (sawfish). To skłoniło Brytyjczyków do wywołania zaszyfrowanego niemieckiego ruchu dalekopisowego „ Fish ”, a nieznanej maszyny i jej przechwyconych wiadomości „ Tunny ” (tunafish).

Zanim Niemcy zwiększyli bezpieczeństwo swoich procedur operacyjnych, brytyjscy kryptoanalitycy zdiagnozowali działanie niewidocznej maszyny i zbudowali jej imitację o nazwie „ British Tunny ”.

Wywnioskowano, że maszyna miała dwanaście kół i używała techniki szyfrowania Vernama na znakach wiadomości w standardowym 5-bitowym kodzie telegraficznym ITA2 . Zrobił to, łącząc znaki tekstu jawnego ze strumieniem kluczowych znaków za pomocą funkcji logicznej XOR w celu utworzenia zaszyfrowanego tekstu .

W sierpniu 1941 r. pomyłka niemieckich operatorów doprowadziła do przesłania dwóch wersji tego samego komunikatu z identycznymi ustawieniami maszyny. Zostały one przechwycone i pracowały w Bletchley Park. Po pierwsze, John Tiltman , bardzo utalentowany kryptoanalityk GC&CS, wyprowadził kluczowy strumień prawie 4000 znaków. Następnie Bill Tutte , nowo przybyły członek Sekcji Badawczej, użył tego strumienia kluczy do opracowania logicznej struktury maszyny Lorenza. Wydedukował, że dwanaście kół składało się z dwóch grup po pięć, które nazwał kołami χ ( chi ) i ψ ( psi ), pozostałe dwa nazwał μ ( mu ) lub kołami „silnikowymi”. W chi koła wszedł regularnie z każdą literę, która została zaszyfrowana, a psi koła wszedł nieregularnie, pod kontrolą kół samochodowych.

Krzywki na kołach 9 i 10 pokazujące ich położenie podniesione (aktywne) i opuszczone (nieaktywne). Aktywna krzywka odwróciła wartość bitu (0→1 i 1→0).

Przy wystarczająco losowym strumieniu kluczy szyfr Vernama usuwa właściwość języka naturalnego wiadomości w postaci tekstu jawnego polegającą na nierównomiernym rozkładzie częstotliwości różnych znaków, aby uzyskać jednolity rozkład w tekście zaszyfrowanym. Maszyna Tunny zrobiła to dobrze. Jednak kryptoanalitycy stwierdzili, że badając rozkład częstotliwości zmian między znakami w zaszyfrowanym tekście, zamiast zwykłych znaków, nastąpiło odejście od jednolitości, która otwierała drogę do systemu. Osiągnięto to poprzez „różnicowanie”, w którym każdy bit lub znak był XOR-ed ze swoim następcą. Po kapitulacji Niemiec alianci zdobyli maszynę Tunny i odkryli, że jest to elektromechaniczna maszyna szyfrująca Lorenz SZ ( Schlüsselzusatzgerät , przystawka szyfrująca).

Aby odszyfrować przesyłane wiadomości, należało wykonać dwa zadania. Pierwszym z nich było „łamanie koła”, które było odkryciem wzorców krzywek dla wszystkich kół. Te wzorce zostały skonfigurowane na maszynie Lorenza, a następnie używane przez określony czas dla szeregu różnych wiadomości. Każda transmisja, która często zawierała więcej niż jedną wiadomość, była zaszyfrowana z inną pozycją początkową kół. Alan Turing wynalazł metodę łamania kół, która stała się znana jako Turingery . Technika Turinga została następnie rozwinięta w „Rectangling”, dla którego Colossus mógł tworzyć tabele do ręcznej analizy. Kolosy 2, 4, 6, 7 i 9 miały „gadżet”, aby wspomóc ten proces.

Drugim zadaniem było „ustawienie kół” , które wyznaczało początkowe pozycje kół dla określonej wiadomości i mogło być wykonane dopiero po poznaniu wzorców krzywek. To właśnie do tego zadania został początkowo zaprojektowany Colossus. Aby odkryć pozycję początkową kół chi dla wiadomości, Colossus porównał dwa strumienie znaków, zliczając statystyki z oceny programowalnych funkcji logicznych. Dwa strumienie to tekst zaszyfrowany, który został odczytany z dużą prędkością z taśmy papierowej, oraz strumień klucza, który został wygenerowany wewnętrznie w symulacji nieznanej niemieckiej maszyny. Po serii różnych przebiegów Colossus w celu odkrycia prawdopodobnych ustawień koła chi , zostały one sprawdzone poprzez zbadanie rozkładu częstotliwości znaków w przetworzonym tekście zaszyfrowanym. Colossus wytworzył te liczby częstotliwości.

Procesy deszyfrowania

Notacja

${\displaystyle P}$	zwykły tekst
${\ Displaystyle K}$	klucz – sekwencja znaków używana w binarnym XOR z tekstem jawnym w celu uzyskania zaszyfrowanego tekstu
${\ Displaystyle \ chi}$	składnik chi klucza
${\ Displaystyle \ psi}$	składnik psi klucza
${\ Displaystyle \ psi '}$	Rozszerzone psi - rzeczywista sekwencja znaków dodane przez tych psi kół, w tym tych, kiedy nie przyśpieszając
${\ Displaystyle Z}$	szyfrogram
${\ Displaystyle D}$	de- chi -the szyfrogram z chi składnik klucza usunięte
${\ Displaystyle \ Delta}$	dowolny z powyższych XOR-ów z jego następcą znaku lub bitu
${\ Displaystyle \ oplus}$	operacja XOR
${\displaystyle \pocisk}$	Skrót Bletchley Park dla przestrzeni kodu telegraficznego (zero)
${\displaystyle \mathbf {x}}$	Skrót Bletchley Park do oznaczenia kodu telegraficznego (jeden)

Używając różnicowania i wiedząc, że koła psi nie rozwijają się z każdą postacią, Tutte odkrył, że wypróbowanie tylko dwóch różnych bitów (impulsów) strumienia chi przeciwko zróżnicowanemu szyfrogramowi dałoby statystykę, która nie byłaby losowa. Stało się to znane jako „włamanie 1+2” Tutte . Wymagało to obliczenia następującej funkcji logicznej:

${\ Displaystyle \ Delta Z_ {1} \ oplus \ Delta Z_ {2} \ oplus \ Delta \ chi _ {1} \ oplus \ Delta \ chi _ {2} = \ pocisk}$

i liczenie, ile razy dało „fałsz” (zero). Jeśli liczba ta przekroczyła wcześniej zdefiniowaną wartość progową znaną jako „set total”, była drukowana. Kryptoanalityk zbada wydruk, aby określić, która z domniemanych pozycji początkowych jest najprawdopodobniej poprawna dla kół chi -1 i chi -2.

Ta technika byłaby następnie zastosowana do innych par lub pojedynczych impulsów, aby określić prawdopodobną pozycję początkową wszystkich pięciu kół chi . Z tego można było uzyskać dechi (D) tekstu zaszyfrowanego, z którego można było usunąć składnik psi metodami ręcznymi. Jeżeli rozkład częstości znaków w de- chi wersji szyfrogram był w pewnych granicach „ustawienie koła” z chi kół zostało uznane zostały osiągnięte, a ustawienia wiadomości i de- chi zostały przekazane do „ Testery ” . Była to sekcja w Bletchley Park prowadzona przez majora Ralpha Testera, w której większość prac deszyfrujących została wykonana metodami ręcznymi i językowymi.

Colossus mógł również ustalić pozycję początkową kół psi i silnikowych, ale nie zrobiono tego zbyt wiele do ostatnich kilku miesięcy wojny, kiedy było ich mnóstwo, a liczba wiadomości Tunny spadła.

projekt i konstrukcja

Colossus został opracowany dla " Newmanry ", sekcji kierowanej przez matematyka Maxa Newmana, który był odpowiedzialny za metody maszynowe przeciwko dwunastowirnikowej maszynie szyfrującej on-line Lorenz SZ40/42 (o kryptonimie Tunny, dla tuńczyka). Projekt Colossus powstał na podstawie wcześniejszego projektu, w którym wyprodukowano maszynę liczącą nazwaną „ Heath Robinson ”. Chociaż udowodnił koncepcję analizy maszynowej dla tej części procesu, początkowo był niewiarygodny. Części elektromechaniczne były stosunkowo powolne i trudno było zsynchronizować dwie zapętlone taśmy papierowe , jedną zawierającą zaszyfrowaną wiadomość, a drugą reprezentującą część strumienia klucza maszyny Lorenza, również taśmy miały tendencję do rozciągania się podczas czytania do 2000 znaków na sekundę.

Przełącznik krokowy rzekomo z oryginalnego Kolosa podarowanego przez Dyrektora GCHQ Dyrektorowi NSA z okazji 40. rocznicy Porozumienia UKUSA w 1986 r.

Tommy Flowers MBE był starszym inżynierem elektrykiem i szefem grupy przełączania w Stacji Badawczej Poczty w Dollis Hill . Przed rozpoczęciem pracy nad Colossusem był zaangażowany w GC&CS w Bletchley Park od lutego 1941 roku, próbując ulepszyć bomby używane w kryptoanalizie niemieckiej maszyny szyfrującej Enigma. Maxowi Newmanowi polecił go Alan Turing, który był pod wrażeniem jego pracy nad Bombami. Główne elementy maszyny Heath Robinson były następujące.

• Mechanizm transportu i odczytu taśm, który uruchamia zapętlony klucz i taśmy wiadomości z szybkością od 1000 do 2000 znaków na sekundę.
• Jednostka łącząca, która zaimplementowała logikę metody Tutte .
• Jednostka zliczająca zaprojektowana przez CE Wynn-Williams z Telekomunikacji Research Establishment (TRE) w Malvern, która zliczała, ile razy funkcja logiczna zwróciła określoną wartość prawdy .

Kwiaty zostały sprowadzone, aby zaprojektować jednostkę łączącą Heatha Robinsona. Nie był pod wrażeniem systemu taśmy do klucza, która musiała być zsynchronizowana z taśmą wiadomości i z własnej inicjatywy zaprojektował maszynę elektroniczną, która wyeliminowała potrzebę taśmy do klucza, mając elektroniczny odpowiednik Lorenza ( Tuńczyk) maszyna. Przedstawił ten projekt Maxowi Newmanowi w lutym 1943 roku, ale pomysł, że zaproponowane od jednego do dwóch tysięcy zaworów termionowych ( lampy próżniowe i tyratrony ) mogą ze sobą współpracować niezawodnie, został przyjęty z wielkim sceptycyzmem, więc więcej Robinsonów zamówiono w Dollis Hill. Jednak Flowers wiedział ze swojej przedwojennej pracy, że większość awarii zaworów termionowych wynikała z naprężeń termicznych podczas uruchamiania, więc brak wyłączenia maszyny obniżył wskaźniki awarii do bardzo niskiego poziomu. Dodatkowo, jeśli nagrzewnice zostały uruchomione przy niskim napięciu, a następnie powoli doprowadzone do pełnego napięcia, naprężenie cieplne zostało zmniejszone. Same zawory można było wlutować, aby uniknąć problemów z podstawami wtykowymi, które mogą być zawodne. Flowers obstawał przy tym pomyśle i uzyskał wsparcie od dyrektora Stacji Badawczej W Gordona Radleya.

Flowers i jego zespół składający się z około pięćdziesięciu osób w grupie przełączania spędzili jedenaście miesięcy od początku lutego 1943 r., projektując i budując maszynę, która bez drugiej taśmy Heath Robinson, generując elektronicznie wzory koła. Flowers wykorzystał na projekt część własnych pieniędzy. Prototyp ten, Mark 1 Colossus, zawierał 1600 zaworów termionowych (rurek). 8 grudnia 1943 r. spisał się zadowalająco w Dollis Hill, a następnie został zdemontowany i wysłany do Bletchley Park, gdzie został dostarczony 18 stycznia i ponownie złożony przez Harry'ego Fensoma i Dona Horwooda . Działała w styczniu i skutecznie zaatakowała swoją pierwszą wiadomość 5 lutego 1944 r. Była to duża konstrukcja i została nazwana przez operatorów WRNS „Kolosem” . Jednak notatka przechowywana w Archiwum Narodowym napisana przez Maxa Newmana 18 stycznia 1944 r. podaje, że „Kolos przybywa dzisiaj”.

Podczas prac nad prototypem opracowano ulepszoną konstrukcję – Mark 2 Colossus. Cztery z nich zamówiono w marcu 1944 r., a pod koniec kwietnia zamówiona liczba została zwiększona do dwunastu. Dollis Hill była pod presją, aby pierwszy z nich działał do 1 czerwca. Allen Coombs przejął kierownictwo nad produkcją Mark 2 Colossi, z której pierwsza – zawierająca 2400 zaworów – została uruchomiona o godzinie 08:00 w dniu 1 czerwca 1944 r., w sam raz na inwazję aliantów na Normandię w D-Day . Następnie Kolosy były dostarczane w tempie około jednego na miesiąc. W czasie VE Day w Bletchley Park pracowało dziesięć kolosów i rozpoczęto składanie jedenastego.

Colossus 10 z wysuniętym łóżkiem w bloku H w Bletchley Park w miejscu, w którym obecnie znajduje się galeria Tunny w The National Museum of Computing

Główne jednostki projektu Mark 2 były następujące.

• Transport taśmowy z 8-fotokomórkowym mechanizmem odczytu.
• Sześć znaków FIFO rejestr przesuwny .
• Dwanaście magazynów pierścieni tyratronowych symulowało maszynę Lorenza generującą strumień bitów dla każdego koła.
• Panele przełączników do określania programu i „ustawionej sumy”.
• Zestaw jednostek funkcjonalnych, które wykonywały operacje logiczne .
• „Licznik rozpiętości”, który może zawiesić liczenie części taśmy.
• Nadrzędna kontrola, która obsługiwała taktowanie, sygnały startu i stopu, odczyt liczników i drukowanie.
• Pięć liczników elektronicznych.
• Elektryczna maszyna do pisania.

Większość projektów elektroniki była dziełem Tommy'ego Flowersa, wspomaganego przez Williama Chandlera, Sidneya Broadhursta i Allena Coombsa; Erie Speight i Arnold Lynch opracowali mechanizm odczytu fotoelektrycznego. Coombs przypomniał sobie Flowersa, który przygotował wstępny szkic swojego projektu, rozdarł go na kawałki, które rozdał swoim kolegom, aby wykonali szczegółowy projekt i zmusili zespół do jego wyprodukowania. Oba czołgi Mark 2 Colossi były pięć razy szybsze i prostsze w obsłudze niż prototyp.

Dane wprowadzane do Colossusa odbywały się poprzez fotoelektryczne odczytywanie transkrypcji zaszyfrowanej przechwyconej wiadomości z taśmy papierowej. Zostało to ułożone w ciągłą pętlę, dzięki czemu można je było wielokrotnie czytać i ponownie odczytywać – nie ma wewnętrznej pamięci na dane. Projekt przezwyciężył problem synchronizacji elektroniki z prędkością taśmy informacyjnej poprzez generowanie sygnału zegarowego z odczytu otworów na zębatce. Szybkość działania była więc ograniczona przez mechanikę odczytu taśmy. Podczas opracowywania czytnik taśm został przetestowany z prędkością do 9700 znaków na sekundę (53 mph) przed rozpadem taśmy. Tak więc 5000 znaków na sekundę (40 ft/s (12,2 m/s; 27,3 mph)) zostało ustalone jako prędkość do regularnego użytkowania. Flowers zaprojektował 6-znakowy rejestr przesuwny, który był używany zarówno do obliczania funkcji delta (ΔZ), jak i do testowania pięciu różnych możliwych punktów początkowych kół Tunny'ego w pięciu procesorach. Ta pięciokierunkowa równoległość umożliwiła przeprowadzenie pięciu równoczesnych testów i zliczeń, dając efektywną prędkość przetwarzania 25 000 znaków na sekundę. W obliczeniach wykorzystano algorytmy opracowane przez WT Tutte i współpracowników do odszyfrowania wiadomości Tunny.

Operacja

Panel wyboru Colossus pokazujący m.in. wybór taśmy dalekiej na stelażu oraz danych wejściowych do algorytmu: Δ Z , Δ i Δ .${\ Displaystyle \ chi}$${\ Displaystyle \ psi}$

Newmanry był obsadzony przez kryptoanalityków, operatorów z Królewskiej Służby Marynarki Wojennej Kobiet (WRNS) – znanych jako „Wrens” – oraz inżynierów, którzy byli stale pod ręką w celu konserwacji i naprawy. Pod koniec wojny personel liczył 272 strzyżyki i 27 mężczyzn.

Pierwszym zadaniem w obsłudze Colossus dla nowej wiadomości było przygotowanie pętli taśmy papierowej. Dokonali tego Wrenowie, którzy skleili ze sobą oba końce za pomocą kleju Bostik , upewniając się, że między końcem a początkiem wiadomości znajduje się 150-znakowa taśma. Za pomocą specjalnego ręcznego dziurkacza wstawili otwór startowy między trzecim a czwartym kanałem 2+1 ⁄ 2 otwory na koło łańcuchowe od końca pustej sekcji i otwór ograniczający między czwartym i piątym kanałem 1+1 ⁄ 2 otwory na zębatkę od końca znaków wiadomości. Były one odczytywane przez specjalnie umieszczone fotokomórki i wskazywane, kiedy wiadomość miała się rozpocząć i kiedy się skończyła. Operator następnie przewlecz papierową taśmę przez bramkę i wokół kół pasowych stelaża i wyreguluje naprężenie. Konstrukcja łóżka z dwiema taśmami została przejęta przez Heatha Robinsona, tak że jedną taśmę można było ładować podczas uruchamiania poprzedniej. Przełącznik na panelu wyboru określał taśmę „bliską” lub „daleko”.

Po wykonaniu różnych zadań resetowania i zerowania, operatorzy Wrena, zgodnie z instrukcjami kryptoanalityka, obsługiwali przełączniki „set total” dekady i przełączniki panelu K2, aby ustawić żądany algorytm. Następnie uruchamiali silnik i lampę taśmy łóżka, a gdy taśma nabrała odpowiedniej prędkości, uruchamiali główny przełącznik startowy.

Programowanie

Panel przełączników Colossus K2 przedstawiający przełączniki do określania algorytmu (po lewej) oraz liczniki do wyboru (po prawej).

Panel przełączników „ustaw sumę” Colossus

Howard Campaigne, matematyk i kryptoanalityk z US Navy OP-20-G , napisał co następuje we wstępie do artykułu Flowersa z 1983 roku „The Design of Colossus”.

Mój pogląd na Kolosa był taki, jak kryptoanalityk-programista. Kazałem maszynie wykonać pewne obliczenia i obliczenia, a po przestudiowaniu wyników kazałem wykonać inną pracę. Nie pamiętał poprzedniego wyniku, a gdyby tak było, nie mógłby go zastosować. Colossus i ja na przemian prowadziliśmy interakcję, która czasami prowadziła do analizy niezwykłego niemieckiego systemu szyfrów, zwanego przez Niemców „Geheimschreiber” i „Ryby” przez kryptoanalityków.

Colossus nie był komputerem z zapisanym programem . Dane wejściowe dla pięciu równoległych procesorów odczytano z zapętlonej taśmy papierowej wiadomości i elektronicznych generatorów wzorców dla kół chi , psi i silnikowych. Programy dla procesorów zostały ustawione i utrzymywane na przełącznikach i połączeniach panelu jack. Każdy procesor może ocenić funkcję Boolean, zliczyć i wyświetlić, ile razy dała określoną wartość „fałsz” (0) lub „prawda” (1) dla każdego przebiegu taśmy wiadomości.

Dane wejściowe do procesorów pochodziły z dwóch źródeł: rejestrów przesuwnych z odczytów taśmowych i pierścieni tyratronowych, które emulowały koła maszyny Tunny. Znaki na taśmie papierowej nazywały się Z, a znaki z emulatora Tunny'ego odnosiły się do greckich liter, które przekazał im Bill Tutte podczas opracowywania logicznej struktury maszyny. Na panelu wyboru przełączniki określiły Z lub ΔZ , albo albo Δ i albo albo Δ dla danych, które mają być przekazane do pola gniazda i „panelu przełączników K2”. Te sygnały z symulatorów koła można określić jako nadepnięcie przy każdym nowym przejściu taśmy wiadomości lub nie. ${\ Displaystyle \ chi}$${\ Displaystyle \ chi}$${\ Displaystyle \ psi}$${\ Displaystyle \ psi}$

Panel przełączników K2 miał grupę przełączników po lewej stronie, aby określić algorytm. Przełączniki po prawej stronie wybierały licznik, do którego podawany był wynik. Tablica przyłączeniowa pozwalała na narzucenie mniej specjalistycznych warunków. Ogólnie przełączniki na panelu przełączników K2 i tablica wtykowa umożliwiały około pięciu miliardów różnych kombinacji wybranych zmiennych.

Jako przykład: zestaw przebiegów dla taśmy wiadomości może początkowo obejmować dwa koła chi , jak w algorytmie 1+2 Tutte. Taki bieg na dwóch kołach nazwano biegiem długim, trwającym średnio osiem minut, chyba że wykorzystano równoległość do pięciokrotnego skrócenia czasu. Kolejne przebiegi mogą obejmować tylko ustawienie jednego koła chi , co daje krótki przebieg trwający około dwóch minut. Początkowo, po początkowym długim okresie, wybór kolejnego algorytmu do wypróbowania został określony przez kryptoanalityka. Doświadczenie pokazało jednak, że drzewa decyzyjne dla tego iteracyjnego procesu mogą być tworzone do użytku przez operatorów Wren w pewnej części przypadków.

Wpływ i los

Chociaż Colossus był pierwszą z elektronicznych maszyn cyfrowych z programowalnością, aczkolwiek ograniczoną przez współczesne standardy, nie była to maszyna ogólnego przeznaczenia, zaprojektowana do szeregu zadań kryptoanalitycznych, z których większość polegała na liczeniu wyników oceny algorytmów Boole'a.

Komputer Colossus nie był zatem kompletną maszyną Turinga . Jednak profesor Uniwersytetu San Francisco Benjamin Wells wykazał, że gdyby wszystkie dziesięć wyprodukowanych maszyn Colossus zostały przegrupowane w konkretny klaster , to cały zestaw komputerów mógłby symulować uniwersalną maszynę Turinga , a tym samym być kompletnym Turingiem. Pojęcie komputera jako maszyny uniwersalnej – czyli czegoś więcej niż kalkulatora przeznaczonego do rozwiązywania trudnych, ale konkretnych problemów – stało się widoczne dopiero po II wojnie światowej.

Kolos i powody jego budowy były ściśle tajne i tak pozostawały przez 30 lat po wojnie. W rezultacie przez wiele lat nie znalazł się w historii sprzętu komputerowego , a Flowers i jego współpracownicy zostali pozbawieni należnego im uznania. Kolosy od 1 do 10 zostały rozebrane po wojnie, a części wróciły na pocztę. Niektóre części, zdezynfekowane zgodnie z ich pierwotnym przeznaczeniem, zostały zabrane do Royal Society Computing Machine Laboratory Maxa Newmana na Uniwersytecie w Manchesterze . Tommy Flowers otrzymał rozkaz zniszczenia całej dokumentacji i spalenia jej w piecu na Dollis Hill. Później powiedział o tym zamówieniu:

To był straszny błąd. Polecono mi zniszczyć wszystkie zapisy, co zrobiłem. Wziąłem wszystkie rysunki i plany oraz wszystkie informacje o Colossusie na papierze i włożyłem do ognia kotła. I widziałem, jak się pali.

Kolosy 11 i 12, wraz z dwiema replikami maszyn Tunny, zostały przeniesione do nowej siedziby GCHQ w Eastcote w kwietniu 1946, a następnie z GCHQ do Cheltenham w latach 1952-1954. Jeden z Kolosów , znany jako Colossus Blue , został zdemontowany w 1959 roku; drugi w 1960 roku. Próbowano je przystosować do innych celów, z różnym skutkiem; w późniejszych latach były wykorzystywane do szkolenia. Jack Good opowiedział, jak jako pierwszy po wojnie użył Colossusa, przekonując amerykańską Agencję Bezpieczeństwa Narodowego , że można go wykorzystać do wykonywania funkcji, do której planowali zbudować maszynę specjalnego przeznaczenia. Colossus był również używany do zliczania znaków na jednorazowej taśmie padu w celu sprawdzenia nielosowości.

Niewielka liczba ludzi, którzy byli powiązani z Colossus – i wiedzieli, że duże, niezawodne i szybkie elektroniczne urządzenia komputerowe są możliwe – odegrała znaczącą rolę we wczesnych pracach komputerowych w Wielkiej Brytanii i prawdopodobnie w USA. Jednak będąc tak tajnym, miał niewielki bezpośredni wpływ na rozwój późniejszych komputerów; to EDVAC był przełomową architekturą komputerową tamtych czasów. W 1972 roku Herman Goldstine , który nie wiedział o Colossus i jego spuściźnie po projektach takich ludzi jak Alan Turing ( ACE ), Max Newman ( komputery Manchester ) i Harry Huskey ( Bendix G-15 ), napisał, że:

Wielka Brytania była tak witalna, że ​​zaraz po wojnie mogła rozpocząć tak wiele dobrze przemyślanych i dobrze zrealizowanych projektów w dziedzinie komputerów.

Profesor Brian Randell , który odkrył informacje o Colossusie w latach 70., skomentował to, mówiąc, że:

Moim zdaniem projekt COLOSSUS był ważnym źródłem tej witalności, w dużej mierze niedocenianym, podobnie jak znaczenie jego miejsc w chronologii wynalezienia komputera cyfrowego.

Wysiłki Randella zaczęły przynosić owoce w połowie lat 70., po tym, jak tajemnica dotycząca Bletchley Park została złamana, gdy Kapitan Grupy Winterbotham opublikował swoją książkę The Ultra Secret w 1974 roku. W październiku 2000 roku 500-stronicowy raport techniczny na temat szyfru Tunny i jego kryptoanalizy —zatytułowany General Report on Tunny —został wydany przez GCHQ do krajowego Urzędu Rejestrów i zawiera fascynujący pean na cześć Kolosa autorstwa kryptografów, którzy z nim pracowali:

Ubolewamy, że nie można dać adekwatnego wyobrażenia o fascynacji Kolosem w pracy; jego sama wielkość i pozorna złożoność; fantastyczna prędkość cienkiej taśmy papierowej wokół błyszczących kół pasowych; dziecinna przyjemność nie-nie, span, drukuj główny nagłówek i inne gadżety; magia czysto mechanicznego dekodowania litera po literze (jedna nowicjuszka myślała, że ​​została oszukana); niesamowite działanie maszyny do pisania w druku prawidłowych partytur bez i poza ludzką pomocą; stepowanie wyświetlacza; okresy gorliwego oczekiwania, których kulminacją jest nagłe pojawienie się upragnionego wyniku; i dziwne rytmy charakteryzujące każdy rodzaj biegu: dostojne włamanie, chaotyczny krótki bieg, regularność łamania kół, nieruchomy prostokąt przerywany dzikimi skokami powrotu powozu, szaleńczy terkot jazdy motorowej, nawet niedorzeczne szaleństwo zastępów fałszywych partytur.

Rekonstrukcja

Zespół kierowany przez Tony'ego Sale'a (po prawej) zrekonstruował Colossus Mark II w Bletchley Park. Tutaj w 2006 roku Sales nadzoruje złamanie zaszyfrowanej wiadomości z ukończoną maszyną.

Budowa w pełni funkcjonalnej przebudowy Colossus Mark 2 została podjęta w latach 1993-2008 przez zespół kierowany przez Tony'ego Sale'a. Pomimo zniszczenia planów i sprzętu, przetrwała zaskakująca ilość materiałów, głównie w notatnikach inżynierów, ale znaczna ich ilość w USA. Optyczny czytnik taśm mógł stanowić największy problem, ale dr Arnold Lynch , jego oryginalny projektant był w stanie przeprojektować go do swojej własnej oryginalnej specyfikacji. Rekonstrukcja jest wystawiona w historycznie poprawnym miejscu dla Colossus No. 9, w Narodowym Muzeum Informatyki , w H Block Bletchley Park w Milton Keynes , Buckinghamshire.

W listopadzie 2007 roku, aby uczcić zakończenie projektu i rozpocząć inicjatywę zbierania funduszy dla Narodowego Muzeum Informatyki, w ramach konkursu Cipher Challenge przeciwstawiono radioamatorom na całym świecie, ponieważ jako pierwszy odebrał i zdekodował trzy wiadomości zaszyfrowane przy użyciu Lorenza SZ42 i transmitowane ze stacji radiowej DL0HNF w muzeum komputerowym Heinz Nixdorf MuseumsForum . Wyzwanie bez trudu wygrał radioamator Joachim Schüth, który starannie przygotował się do imprezy i opracował własny kod do przetwarzania sygnału i łamania kodów za pomocą Ady . Zespół Colossus był utrudniony chęcią użycia sprzętu radiowego z czasów II wojny światowej, opóźniając ich o jeden dzień z powodu złych warunków odbioru. Niemniej jednak, laptop zwycięzcy 1,4 GHz, uruchamiający własny kod, potrzebował mniej niż minuty, aby znaleźć ustawienia dla wszystkich 12 kół. Niemiecki łamacz kodów powiedział: „Mój laptop przetwarzał szyfrogram z prędkością 1,2 miliona znaków na sekundę — 240 razy szybciej niż Colossus. Jeśli skalujesz częstotliwość procesora o ten współczynnik, otrzymasz równoważny zegar 5,8 MHz dla Colossusa. niezwykła szybkość jak na komputer zbudowany w 1944 roku”.

Cipher Challenge zweryfikowało pomyślne zakończenie projektu przebudowy. „Dzięki sile dzisiejszych osiągów Colossus jest tak dobry, jak sześćdziesiąt lat temu”, skomentował Tony Sale. „Jesteśmy zachwyceni, że oddaliśmy hołd ludziom, którzy pracowali w Bletchley Park i których inteligencja stworzyła te fantastyczne maszyny, które złamały te szyfry i skróciły wojnę o wiele miesięcy”.

Widok z przodu przebudowy Kolosa, od prawej do lewej (1) „Stelaż łóżka” zawierający taśmę wiadomości w ciągłej pętli i z załadowaną drugą. (2) Stojak J zawierający panel wyboru i panel wtyczki. (3) Stojak K z dużym panelem przełączników „Q” i pochyłym panelem krosowym. (4) Podwójny stojak S zawierający panel sterowania oraz, nad wizerunkiem znaczka pocztowego, pięć dwuwierszowych wyświetlaczy licznikowych. (5) Elektryczna maszyna do pisania przed pięcioma zestawami czterech "set total" przełączników dekadowych w C-rack.

Inne znaczenia

Był fikcyjny komputer o nazwie Colossus w filmie Colossus: The Forbin Project z 1970 roku, opartym na powieści Colossus z 1966 roku autorstwa DF Jonesa . To był zbieg okoliczności, ponieważ poprzedza publiczne ujawnienie informacji o Colossusie, a nawet jego nazwy.

Powieść Neala Stephensona Cryptonomicon (1999) również zawiera fikcyjne potraktowanie historycznej roli Turinga i Bletchley Park.

Zobacz też

• Historia sprzętu komputerowego
• Lista komputerów lampowych próżniowych
• Manchester Dziecko
• Z3
• Z4

Przypisy

Bibliografia

Dalsza lektura

• Kampania, Howard; Farley, Robert D. (28 lutego 1990), Oral History Interview: NSA-OH-14-83 Campaigne, Howard, Dr. 29 czerwca 83 Annopalis, MD Autor: Robert G. Farley (PDF) , National Security Agency , pobrane 16 Październik 2016
• Colossus: Tworzenie giganta na YouTube Krótki film nakręcony przez Google dla uczczenia Colossusa i tych, którzy go zbudowali, w szczególności Tommy'ego Flowersa.
• Cragon, Harvey G. (2003), From Fish to Colossus: Jak niemiecki szyfr Lorenza został złamany w Bletchley Park , Dallas: Cragon Books, ISBN 0-9743045-0-6 – Szczegółowy opis kryptoanalizy Tunny i kilka szczegółów dotyczących Kolosa (zawiera drobne błędy)
• Enever, Ted (1999), brytyjski najlepiej zachowany sekret: baza Ultra w Bletchley Park (3rd ed.), Sutton Publishing, Gloucestershire, ISBN 978-0-7509-2355-2 – Wycieczka z przewodnikiem po historii i geografii Parku, napisana przez jednego z członków założycieli Bletchley Park Trust
• Price, David A. (22 czerwca 2021 r.). Geniusze na wojnie; Bletchley Park, Colossus i świt epoki cyfrowej . Nowy Jork: Knopf. Numer ISBN 978-0-525-52154-9.
• Rojas, R.; Hashagen, U. (2000), Pierwsze komputery: historia i architektura , MIT Press, ISBN 0-262-18197-5 – Porównanie pierwszych komputerów, z rozdziałem o Colossusie i jego rekonstrukcji przez Tony'ego Sale'a.
• Sale, Tony (2004), The Colossus Computer 1943-1996: Jak pomogło złamać niemiecki szyfr Lorenza podczas II wojny światowej , Kidderminster: M.&M. Baldwin, ISBN 0-947712-36-4 Smukła (20-stronicowa) broszura zawierająca ten sam materiał, co strona internetowa Tony Sale (patrz poniżej)
• Smith, Michael (2007) [1998], Stacja X: Codebreakers z Bletchley Park , Pan Grand Strategy Series (Pan Books ed.), Londyn: Pan MacMillan Ltd, ISBN 978-0-330-41929-1

Zewnętrzne linki

• Wczesny rozwój komputera
• Narodowe Muzeum Informatyki (TNMOC)
  • TNMOC: 75. rocznica pierwszego ataku
• Kody i szyfry Tony'ego Sale'a Zawiera wiele informacji, w tym:
  • Colossus, rewolucja w łamaniu kodów
  • Szyfr Lorenza i Kolos
    • Epoka maszyn zaczyna się od łamania kodów Fish
    • Projekt odbudowy Kolosa
    • Projekt odbudowy Colossus: ewolucja do Colossus Mk 2
    • Spacer po Kolosze Szczegółowa wycieczka po replice Kolosa – upewnij się, że klikniesz linki „Więcej tekstu” na każdym obrazie, aby zobaczyć szczegółowy tekst informacyjny o tej części Kolosa
  • Wykład IEEE – Zapis wykładu, który Tony Sale wygłosił opisując projekt rekonstrukcji
• Artykuł informacyjny BBC donoszący o replice Colossus
• Artykuł w wiadomościach BBC: „Colossus po raz kolejny łamie kody”
• Artykuł w wiadomościach BBC: Artykuł w wiadomościach BBC: „Bletchley's Code-Cracking Colossus” z wywiadami wideo 02.02.2010
• Strona internetowa na temat książki Copelanda z 2006 r. zawierająca wiele informacji i linki do niedawno odtajnionych informacji
• Czy dziecko Manchester zostało poczęte w Bletchley Park?
• Obejrzyj film przedstawiający odbudowę Kolosa w Bletchley Park na YouTube
• wirtualna symulacja online Colossus