Colossus

Tikslas ir kilmė

Reguliarus "Tunny" pranešimų perdavimas per radiją prasidėjo 1941 m. birželį. Britų šifruotojai pastebėjo, kad jis naudojo penkių vienetų kodą, panašų į telegrafo sistemą. Jų tyrimai taip pat parodė, kad kodavimą vykdė rotorinė šifravimo mašina su 12 ratukų (rotorių). Kiekvienai naujai siunčiamai žinutei ratukus pirmiausia reikėjo pasukti į naujas pozicijas. Pradinę pranešimo padėtį pasirinkdavo pranešimą siunčiantis operatorius. Pranešimą priimančiam operatoriui jis pranešdavo, kokios yra pradinės pozicijos, naudodamas 12 neužšifruotų raidžių. Bendras galimų 12 ratų pradžios padėčių skaičius buvo iš tiesų labai didelis.

Kodavimo mašina sudeda atvirąjį tekstą (neužkoduotą pranešimo versiją) ir simbolių (raidžių, skaičių, skyrybos ženklų) srautą, vadinamą raktų srautu (iš pažiūros atsitiktinių simbolių srautas), kurį ji sugeneruoja, kad gautųsi šifro tekstas (užkoduota pranešimo versija). Šifro tekstas, kuris neturėjo jokios prasmės, buvo perduodamas radijo ryšiu. Gaunančiojoje pusėje identiškas aparatas pašalino raktų srautą, kad gautų atvirąjį pranešimo tekstą.

Jei vokiečių operatoriai visada dirbtų teisingai, nė viename iš dviejų pranešimų nebūtų tokios pačios ratų pradžios padėties. Tačiau klaidų pasitaikydavo. Jos padėjo britų šifruotojams. 1941 m. rugpjūčio 30 d. buvo išsiųstos dvi to paties pranešimo, kurio ilgis siekė beveik 4 000 simbolių, versijos su vienodomis ratų pradžios padėtimis. Ši klaida buvo labai naudinga tyrėjams šifruotojams. Kodų laužytojui Džonui Tiltmanui pavyko iš šių pranešimų išgauti raktų srautą.

Šifruotojai, remdamiesi šia informacija, bandė išsiaiškinti mašinos detales, tačiau iš pradžių jiems nepavyko. Tada prie jų prisijungė jaunas šifruotojas Bilas Tutte, kuriam buvo pavesta užduotis. Po ilgo darbo jam pavyko ir jis parengė logišką nematytos mašinos aprašymą. Šis darbas buvo apibūdintas kaip "didžiausias intelektinis Antrojo pasaulinio karo pasiekimas". Tutte'as išsiaiškino, kad mašina kiekvieną raktų srauto simbolį sukūrė sujungdama dviejų penkių ratukų rinkinių poveikį. Ratams pavadinti jis naudojo graikiškas raides. Vieną penkių ratukų rinkinį jis pavadino χ ("chi"), o kitą penkių ratukų rinkinį - ψ ("psi"). Jis nustatė, kad χ ratai pasislenka viena pozicija su kiekvienu nauju užkoduotu simboliu. Tačiau ψ ratai judėjo nereguliariai. Jie judėjo tik tam tikrą laiką. Tai, ar ψ ratai juda, ar ne, valdė du ratai, kuriuos jis pavadino μ ("mu") arba "variklio ratais".

Maksas Newmanas buvo matematikas ir šifruotojas Bletchley parke. Jam buvo pavesta išsiaiškinti, kaip mašina galėtų išskaidyti "Tunny" pranešimus. Mašina apskaičiuotų daugybę galimų χ ratukų pradžios padėčių. Tikėtina, kad teisinga bus ta pradžios padėtis, kuri, atlikus skaičiavimus, duos didžiausią skaičių. Pirmoji mašina buvo pavadinta "Heath Robinson". Ji neveikė labai gerai. Joje buvo dvi perforuoto popieriaus juostos, kurios turėjo veikti tiksliai kartu. Vienoje juostelėje buvo įrašytas šifro tekstas ištisine kilpa. Antroje kilpinėje juostoje buvo kodavimo mašinos ratų sukurti raštai. Juostos dažnai išsitempdavo arba nutrūkdavo, kai per sekundę būdavo įrašoma po 2000 simbolių. Kartais juostos nesutapdavo; tada skaičiavimai būdavo neteisingi.

Mašina, kuriai britai suteikė kodinį pavadinimą "Tunny". Vokiečiai ją naudojo koduoti slaptus telespausdintuvo ryšius. Sąjungininkai jo nematė iki Antrojo pasaulinio karo pabaigos, kai sužinojo, kad tai buvo "Lorenz SZ42". Jis turėjo dešimt ratukų, kurių kiekvienas turėjo skirtingą skaičių kumštelių. Iš viso buvo 501 kumštelis, kiekvieną iš jų buvo galima pastatyti į pakeltą (aktyvią) arba nuleistą (neaktyvią) padėtį.

Statybinis kolosas

Tommy Flowersas dirbo pašto tyrimų stotyje Dollis Hill šiaurės vakarų Londone. Jis buvo paprašytas apžiūrėti Hito Robinsono mašiną. Jis manė, kad tai silpna mašina. Jis suprojektavo elektroninę mašiną tam pačiam darbui atlikti. Ji elektroniniu būdu būtų sukūrusi kodavimo mašinos modelius, todėl būtų reikėję tik vienos popierinės juostos. 1943 m. vasario mėn. jis parodė šį projektą Maksui Niumanui. Projektui reikėjo 1 500 termioniniųvožtuvų (vakuuminių lempų). Mažai kas manė, kad tiek daug vožtuvų gali veikti be didelių gedimų. Buvo užsakyta daugiau "Heath Robinson" aparatų. Tačiau Flowersas laikėsi elektroninės mašinos idėjos. Jį palaikė asmuo, atsakingas už pašto tyrimų stotį, kuris vadinosi Gordonas Radlis (Gordon Radley). Tommy Flowersas ir jo komanda 1943 m. vasario mėn. pradėjo darbą prie "Colossus".

Lentą su pranešimu reikėjo perskaityti dideliu greičiu. Tommy Flowersas išbandė juostos skaitytuvą iki 9700 raidžių per sekundę (53 mylios per valandą (85 km/h), kol juosta nutrūko. Jis pasirinko 5 000 ženklų per sekundę kaip gerą greitį įprastam darbui. Tai reiškė, kad popierinė juosta judėjo 40 pėdų per sekundę (12 m/s) arba 27,3 mph (43,9 km/h) greičiu. Elektroninės grandinės buvo valdomos signalu, gaunamu nuskaitant perforuotos juostos žvaigždutės skylutes.

Pirmasis "Colossus" Dollis Hill'e dirbo 1943 m. gruodį. Tada "Colossus" buvo išardytas ir perkeltas į Bletchley parką. Ten jis atsidūrė 1944 m. sausio 18 d. Haris Fensomas ir Donas Horvudas jį vėl surinko. Vasario 5 d. "Colossus" perskaitė pirmąją žinutę. Po pirmojo "Colossus" (Mark 1) buvo devyni Mark 2 įrenginiai. Kiekviename iš jų buvo po 2400 vožtuvų. Juos buvo lengviau naudoti. Jas buvo galima užprogramuoti taip, kad jos dirbtų penkis kartus didesniu greičiu nei "Mark 1". Pirmą kartą "Mark 2 Colossus" dirbo 1944 m. birželio 1 d.

Iš pradžių "Colossus" buvo naudojamas tik pranešimui naudojamoms pradinėms ratų vietoms rasti (vadinamaisiais ratų nustatymais). Kodų laužytojai išsiaiškino, kaip naudoti "Mark 2", kad padėtų rasti ratų kumštelių modelius (ratų laužymas). Karo pabaigoje Bletchley parke dirbo dešimt "Colossus" kompiuterių. Tai reiškė, kad buvo iššifruota labai daug pranešimų.

Projektavimas ir naudojimas

"Colossus" naudojo tuo metu naujas dalis. Jame buvo naudojami vakuuminiai vamzdžiai, tiratronai ir fotomultiplikatoriai. Jis skaitė iš popieriaus su šviesa. Kiekvienai raidei jis pritaikydavo specialų dalyką; tą specialų dalyką buvo galima keisti. Jis skaičiavo, kaip dažnai šis specialus dalykas buvo "teisingas". Buvo žinoma, kad mašinos su daugybe vakuuminių lempų dažnai gedo. Labiausiai jie lūždavo įjungiant, todėl "Colossus" mašinos būdavo išjungiamos tik tada, kai sulūždavo kokia nors detalė.

"Colossus" buvo pirmoji iš elektroninių skaitmeninių mašinų, galinčių turėti programą. Ji negalėjo taip stipriai keistis kaip vėlesnės mašinos:

• ji neturėjo jokios programos. Programai pakeisti žmogus naudojo kištukus, laidus ir jungiklius. Taip jis buvo nustatytas naujam dalykui atlikti.
• "Colossus" nebuvo bendrosios paskirties mašina. Ji buvo skirta tik vienos rūšies kodams laužyti: skaičiavimams ir loginėms operacijoms.

Tai nebuvo Turingo užbaigtas kompiuteris, nors Alanas Tiuringas dirbo Bletchley parke. Ši idėja dar nebuvo sugalvota, o dauguma kitų ankstyvųjų šiuolaikinių skaičiavimo mašinų nebuvo Tiuringo užbaigtos (pavyzdžiui, Atanasoffo-Berry kompiuteris, Harvardo elektromechaninė relinė mašina Mark I, Džordžo Stibitzo ir kitų Bell Labs relinės mašinos arba pirmieji Konrado Zuse's planai). Prireikė daug laiko, kad kompiuteriai būtų naudojami įvairioms reikmėms, o ne tik kaip skaičiuotuvai vienam sunkiam uždaviniui spręsti.

Įtaka ir likimas

Tai, kam buvo naudojami "Colossus" kompiuteriai, buvo labai slapta. Pats "Colossus" buvo labai slaptas net daugelį metų po karo. Todėl "Colossus" ilgai negalėjo būti įtrauktas į kompiuterinės įrangos istoriją. Niekas nežinojo, koks svarbus buvo tas "Flowers" ir kiti žmonės, kurie padėjo jį sukurti.

Apie šį slaptą kompiuterį žinojo nedaug žmonių, todėl jis turėjo mažai tiesioginės įtakos naujam vėlesnių kompiuterių dizainui; EDVAC buvo ankstyvasis projektas, turėjęs didžiausią įtaką vėlesnių kompiuterių dizainui.

Sukūrus "Colossus", kai kurie žmonės jau žinojo, kad galima pagaminti didelės spartos elektroninius (be judančių dalių, pvz., elektrinių relių) skaitmeninius skaičiavimo įrenginius, kurie per daug nesugenda. Vien šios žinios pakako, kad būtų padaryta didelė įtaka ankstyvųjų kompiuterių projektams Didžiojoje Britanijoje ir tikriausiai JAV. Žmonės, kurie žinojo apie "Colossus", buvo svarbūs ankstyvųjų kompiuterių srityje Didžiojoje Britanijoje. 1972 m. Hermanas Goldstinas (Herman Goldstine) rašė, kad:

Didžioji Britanija buvo tokia gyvybinga (energinga arba veržli), kad iškart po karo galėjo pradėti tiek daug gerai suplanuotų ir gerai įgyvendintų kompiuterių srities projektų.

Tai rašydamas Goldstinas nežinojo apie "Colossus". Jis nežinojo, ką ji paliko apie ją žinančių žmonių projektams. Tokiems žmonėms kaip Alanas Tiuringas (su "Pilot ACE" ir ACE), Maksas Niumanas ir I. J. Gudas (su "Manchester Mark 1" ir kitais ankstyvaisiais Mančesterio kompiuteriais). Vėliau apie tai rašė Brajanas Randelas (Brian Randell):

COLOSSUS projektas buvo svarbus šio gyvybingumo (energijos arba varomosios jėgos) šaltinis, kuris nebuvo gerai suprastas ir žinomas, kaip ir jo vieta skaitmeninio kompiuterio išradimo laiko linijoje.

Kolosų planai ir mašinos buvo slapti nuo pat jų sukūrimo. Tokie jie liko ir po karo, kai Vinstonas Čerčilis įsakė sunaikinti didžiąją dalį "Kolosų" mašinų į "ne didesnes nei žmogaus ranka dalis"; pats Tommy Flowersas sudegino projektus Dollis Hill židinyje. Kai kurios dalys, pakeistos taip, kad atrodytų nekaltai, buvo nugabentos į Newmano Karališkosios draugijos skaičiavimo mašinų laboratoriją Mančesterio universitete. Colossus Mark 1 buvo išardytas, o dalys išsiųstos atgal į paštą. Du "Colossus" kompiuteriai kartu su dviem nukopijuotomis "Tunny" mašinomis buvo išsaugoti. 1946 m. balandžio mėn. jie buvo perkelti į naująją GCHQ būstinę Eastcote. 1952-1954 m. jie vėl buvo perkelti kartu su GCHQ į Cheltenhamą. Vienas iš kompiuterių, vadinamas Colossus Blue, buvo išardytas 1959 m., kitas - 1960 m. Vėlesniais metais kompiuteriai buvo naudojami mokymams. Prieš tai juos buvo bandoma (kartais gerai) pakeisti kitiems tikslams. Pirmasis po karo jais pasinaudojo Džekas Gudas, įtikinęs NSA panaudoti "Colossus" tam, kam jie planavo sukurti specialios paskirties mašiną. Colossus taip pat buvo naudojamas raidžių skaičiavimui vienkartinėje juostoje, siekiant patikrinti, ar ji nėra atsitiktinė.

Tuo metu "Colossus" vis dar buvo slaptas, nes jo techninės detalės dar ilgai nebuvo svarbios. Taip buvo dėl to, kad Jungtinės Karalystės žvalgybos agentūros naudojo į "Enigmą" panašias mašinas, kurias įsigydavo kitos vyriausybės. Tada agentūros laužė kodus įvairiais būdais. Jei žinios apie kodų laužymo mašinas būtų buvusios plačiai žinomos, niekas nebūtų priėmęs šių mašinų; veikiau būtų sukūrę savo šifravimo metodus - metodus, kurių Jungtinės Karalystės tarnybos nebūtų galėjusios nulaužti. Tokių paslapčių poreikis pamažu išnyko, kai 1960-aisiais ryšiai perėjo prie skaitmeninio perdavimo ir paplito visiškai skaitmeninės šifravimo sistemos.

Pulkininko Winterbothamo knyga "Ultra paslaptis" pasirodė 1975 m. Ji nutraukė "Colossus" slaptumą. Po to septintojo dešimtmečio pabaigoje pradėta viešai skelbti išsami informacija apie kompiuterį.

2000 m. spalio mėn. GCHQ pateikė 500 puslapių techninę ataskaitą apie "Tunny" šifrą ir jo kodų laužymą, pavadintą "General Report on Tunny" (Bendroji ataskaita apie "Tunny"); visa techninė ataskaita pateikiama internete.

Vėl jį padaryti iš naujo

Tony Sale'o vadovaujama komanda sukūrė veikiančią "Colossus Mark 2" kopiją. Planai ir mašinos buvo sunaikinti, tačiau stebėtinai daug kitos medžiagos nebuvo sunaikinta. Daugiausia jos buvo inžinierių užrašų knygelėse, didžioji dalis - JAV. Optinių juostelių skaitytuvas galėjo būti didžiausia problema, tačiau jo konstruktorius daktaras Arnoldas Lynchas sugebėjo jį perkurti pagal savo pirmuosius užrašus. Atstatytas "Colossus" eksponuojamas Nacionaliniame kompiuterijos muziejuje (The National Museum of Computing), esančiame H bloke Bletchley Park, Milton Keynes, Buckinghamshire. Būtent čia "Colossus Nr. 9" buvo naudojamas per karą.

2007 m. lapkričio mėn., pažymint darbų pabaigą ir lėšų rinkimo (pinigų prašymo) pradžią, buvo surengtas konkursas. Už gautus pinigus Nacionalinis kompiuterijos muziejus surengs šifravimo varžybas, kuriose atstatytas "Colossus" varžysis su viso pasaulio radijo mėgėjais. Laimėtų tas, kuris pirmasis išgirstų ir iššifruotų tris užšifruotus pranešimus. Jos būtų užšifruotos naudojant Lorenz SZ42 ir perduotos iš radijo stoties Heinz Nixdorf MuseumsForum kompiuterių muziejuje Vokietijoje. Konkursą nesunkiai laimėjo radijo mėgėjas Joachimas Šutas (Joachim Schüth). J. Schüthas renginiui ruošėsi. Jis sukūrė savo signalų apdorojimo ir kodų laužymo programą naudodamasis "Ada". Komanda "Colossus" pralaimėjo, nes norėjo naudoti Antrojo pasaulinio karo laikų radijo imtuvus,. Dėl blogų radijo ryšio sąlygų jie vėlavo vieną dieną. Nugalėtojo 1,4 GHz nešiojamasis kompiuteris, kuriame buvo įdiegta jo paties programa, užtruko mažiau nei minutę, kad surastų visų 12 ratų nustatymus. Vokiečių šifruotojas sakė: Mano nešiojamasis kompiuteris šifruotą tekstą apdorojo 1,2 mln. raidžių per sekundę greičiu - 240 kartų greičiau nei "Colossus". Jei palygintume abu kompiuterius, galėtume sakyti, kad "Colossus" greitis buvo 5,8 MHz. Tai labai didelis greitis 1944 m. sukurtam kompiuteriui".

2006 m. vadovauja Tony Sale'as (dešinėje). Jie sukonstruotu aparatu laužo užšifruotą pranešimą. Nuo 1994 m. jo komanda Bletchley parke kuria naują kompiuterį "Colossus".

Susiję puslapiai

• ENIAC
• Superkompiuteris
• Enigma (mašina)
• Lorenco šifras