Colossus (компьютер)

Не путать с компьютером в художественном фильме Colossus: The Forbin Project (англ.)

Британский компьютер Colossus для взлома немецких шифров во время Второй Мировой войны

Colossus — секретный британский компьютер, спроектированный и построенный в 1943 году, для расшифровки перехваченных немецких радиосообщений, зашифрованных с помощью системы Lorenz SZ. Компьютер состоял из 1500 электронных ламп (2500 в Colossus Mark II), что делало Colossus самым большим компьютером того времени (ближайший конкурент имел всего 150 ламп). Создание и введение в строй в 1944 году позволило сократить время расшифровки перехваченных сообщений с нескольких недель до нескольких часов. Модернизация Colossus Mark II считается первым программируемым компьютером в истории ЭВМ. ^[1]

Причины создания

Начало созданию компьютера Colossus положило перехваченное английской полицией в 1940 году радиосообщение необычного вида. Вместо ранее использовавшегося кода Морзе немецкие шифровальщики применили код Бодо, что говорило о создании новой шифровальной машинки (коей оказалась Lorenz SZ). Перехваченную радиограмму немедленно передали в Правительственную школу кодов и шифров для детального анализа. Для повышения продуктивности изучения нового шифра в Блетчли-парк создали отдельное подразделение, но, несмотря на это, криптоанализ протекал чрезвычайно медленно.

В августе 1941 года один из немецких шифровальщиков совершил ошибку, передав один за другим два незначительно отличающихся радиосообщения, зашифрованных с помощью одного и того же ключа. Обе радиограммы удалось перехватить, что позволило англичанам не только расшифровать текст сообщения, но и получить довольно длинный отрывок шифрующей последовательности, генерируемой шифровальной машинкой, который позволял сделать вывод об использовании схемы с 12-ю шифрующими колесами. На принципе шифрующих колес были устроены практически все известные шифровальные машинки того времени (например M-209, Enigma) .^[2]

Значительных успехов в установлении принципа работы шифровальной машинки добился Билл Татт (англ.), молодой криптограф-математик из Блетчли-парка. Удалось выяснить, что ключ шифра состоит из двух частей. Первой частью являлось правило, по которому устанавливались маленькие механические наконечники по ободу каждого колеса. Вторую часть ключа, названую колесовым шаблоном, вводил сам оператор для передачи нескольких сообщений (что, также, являлось ошибкой немецких шифровальщиков). Всего насчитывался 501 шаблон, длины которых отличались и были взаимно просты.

Вскоре, совместно с инженерами из Dollis Hill (англ.), удалось построить шифровальную машину, действующую по логике немецкого шифра, а также выработать методику расшифровки сообщений, путем перебора всевозможных известных настроек/ключей, что занимало немало времени. Иначе говоря, англичане могли читать любое шифрованное немецкое сообщение, но с опозданием на 6-8 недель с момента радиоперехвата.

Для ускорения расшифровки сообщений Томми Флауэрс (англ.) совместно с отделением Макса Ньюмана (англ.) в 1943 году спроектировали принципиально новую дешифровальную машину, которая получила название Colossus, и уже в начале 1944 года сравнительно быстрая автоматизированная расшифровка сообщений велась полным ходом.^[1]

Создание

На основе схем с электронными лампами был построен Colossus

На момент начала проектирования Colossus в архиве команды Макса Ньюмана уже имелась автоматизированная оптомеханическая система Heath Robinson (англ.), которая позволяла частично вычислять ключ шифрования системы Lorenz SZ. Однако, использовать имеющиеся наработки полноценно оказалось невозможным из-за ряда недостатков. Одна из серьезных проблем Heath Robinson - сложность синхронизации двух перфолент входных данных, из-за которой машина часто давала сбои в процессе работы и имела низкую скорость считывания (до 1000 знаков в секунду).

Томми Флауэрс начал проектировать Colossus с "чистого листа". Несмотря на распространенное среди его коллег негативное отношение к электронным лампам, он решил перенести весь процесс моделирования работы шифра на ламповые схемы. Подверглись значительным изменениям, по сравнению с Heath Robinson, элементарные ламповые комбинации, такие как сложение по модулю 2, запоминающие регистры и пр.

Благодаря этому, количество входных лент сократилось до одной, проблема синхронизации исчезла, а скорость считывания повысилась до 5000 знаков в секунду. К тому же, по сравнению с Heath Robinson, новая машина работала намного стабильнее. Полученная схема состояла из 1500 электронных ламп и позволяла расшифровывать сообщения за 2-3 часа.

Вскоре, к команде Ньюмана и Флауэрса присоединился Аллен Кумбс (англ.) (позже возглавивший проект после ухода Флауэрса), и уже летом 1944 года была представлена новая версия Colossus Mark II, состоящая уже из 2500 электронных ламп, и, работающая в 5 раз быстрее своего предшественника. Отличительной особенностью Mark II являлась возможность программирования. Фактически, Сolossus Mark II является первой машиной подобного класса, прообразом современных программируемых устройств. ^[1][2][3]

Работа машины

Генерация данных: Каждый горизонтальный ряд на ленте сообщения представляет собой символ, зашифрованный пятью полями, каждое из которых могло быть пробито или нет. Такую ленту Colossus читал со скоростью 5000 символов в секунду. Colossus обладал очень ограниченной памятью, потому лента сообщения читалась по кругу, чтобы обеспечить непрерывный цифровой поток данных. Даже сообщение длиной порядка 25000 символов (около 4000 слов), которое могло занять 10 страниц печатного текста, Colossus читал за пять секунд. Каждую минуту такое сообщение было прочитано около 12 раз. Цифровой поток данных с ленты был разделен на пять отдельных каналов для параллельной обработки, что существенно ускорило скорость работы машины. Параллельно с этим Colossus генерировал пятиэлементный поток данных, используя симулятор ключа для шифра Лоренца.

Анализ данных: Colossus сравнивал два канальных элемента символа из сообщения с эквивалентными элементами из потока ключа, который продвигался на одну позицию каждый раз, когда сообщение с ленты начинало читаться заново. Каждый раз, когда Colossus находил соответствие, ключ считался правильным для этой позиции, и для него начислялось одно «очко». Через четыре или пять минут очки начинали складываться электронным счетчиком и на переднюю ламповую панель выводились единицы, десятки, сотни и тысячи.

Вывод данных: Когда счет становился достаточно большим, печатающее устройство распечатывало соответствующие позиции дисков для ключа, который дал такой счет. Эти стартовые позиции дисков потом использовались в машине Лоренца для расшифровки сообщения. Приблизительное время, которое занимал поиск необходимых стартовых позиций дисков, составляло около часа. Предыдущие методы расшифровки подобного сообщения занимали несколько дней.

Забвение

После окончания Второй Мировой войны необходимость в компьютерах класса Colossus отпала из-за их узкой специфичной направленности. Высокий уровень секретности не позволял занести Colossus в большинство анналов истории вычислительной техники вплоть до октября 2000 года (официальное снятия секретности). Однако, информация об их существовании начала просачиваться в общественность еще с 1970 года.

Уинстон Черчилль лично подписал указ о разрушении машин, однако, некоторые компьютеры Colossus Mark II продолжали действовать для тренировочных или вспомогательных задач до конца 1950-х. В 1959-1960 гг разрушили оставшиеся экземпляры. В то же время были уничтожены все чертежи и схемы, используемые для построения Colossus.^[2][4]

Возрождение

В 1994 группа инженеров во главе с Тони Сейлом (англ.) приступила к восстановлению рабочего экземпляра Colossus Mark II, используя немногочисленные фотографии, а также записи и рассказы участников оригинального проекта. Восстановление проходило в блоке F Блетчли-парка, в комнате, где стоял самый первый Colossus. Первое видео с работающим Colossus было записано уже в 1997 году, однако, полностью восстановить компьютер удалось только к 2008 году. ^[1]

По словам Тони Сейла, восстановленный Colossus дешифрирует сообщения примерно с такой же скоростью, как ноутбук с процессором Pentium 2 с соответствующим ПО, несмотря на более чем полувековую разницу в поколениях. Colossus работает так быстро из-за его узкой направленности в решении только задач дешифровки определенных шифров.

Благодаря восстановлению Colossus в 2007 году открылся Национальный музей компьютеров (англ.), который также находится в Блетчли-парке.^[5]

Интересные факты

• Криптосистема, которую взламывал Colossus, получила прозвище "Рыба", а перехватываемые линии связи - "лещ", "макрель", "селедка" и пр.^[2]
• Первым расшифрованным с помощью Colossus сообщением было известием о том, что Гитлер "проглотил" дезинформацию о несуществующей армии на юге Англии и считал, что вторжение будет проходить через Па-де-Кале - северный регион Франции.^[1]
• Всего было построено 10 компьютеров Colossus ^[6]
• Включенные однажды компьютеры Colossus ни разу не выключались до окончания Второй Мировой войны из-за особенностей работы электронных ламп.^[2]
• Победитель Cipher Challendge так отзывался о Colossus: «Мой ноутбук с процессором 1,4 ГГц обрабатывает 1,2 миллиона символов в секунду, то есть в 240 раз быстрее, чем Colossus. Масштабируя частоту процессора по этому фактору, получим эквивалентную частоту для Colossus: 5,8 МГц. Для компьютера, созданного в 1944, это потрясающе, даже спустя 40 лет многие компьютеры еще не достигли этой скорости».^[7]

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3 4 5} Tony Sale (англ.) "Lecture given at the IEEE 18th February 1999"
2. ↑ ^{1 2 3 4 5} Популярная механика, "Колосс Британский: секретный предок компьютеров"
3. ↑ Allen W. M. Coombs (англ.). Annals of the History of Computing, Volume 5, Number 3, July 1983. "The Making of Colossus"
4. ↑ История персональных компьютеров: Британский "Колос"
5. ↑ The national museum of computing.
6. ↑ Первый в мире компьютер “Колосс” соревнуется с современными собратьями.
7. ↑ German Codebreaker receives Bletchley Park Honours.

Ссылки

• www.codesandciphers.org.uk - веб-сайт инженера Тони Сейла, "возродившего" Colossus
• Видео: Тони Сейл о возрождении Colossus Mark II