Colossus (počítač)

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 11. února 2020; kontroly vyžadují 17 úprav .
 Operace Ultra

Ultra • Enigma • Enigma kryptoanalýza • Kryptologická bomba • Bombe • Lorentz • Colossus • Bletchley Park

Colossus (z  angličtiny  -  "Colossus") je tajný britský počítač navržený a postavený v roce 1943 k dešifrování zachycených německých rádiových zpráv zašifrovaných pomocí systému Lorenz SZ . Počítač se skládal z 1 500 elektronek (2 500 u Colossus Mark II), což z Colossa dělá největší počítač své doby (nejbližší konkurent[ co? ] měl pouze 150 lamp). Vytvoření a zprovoznění v roce 1944 umožnilo zkrátit čas na rozluštění zachycených zpráv z několika týdnů na několik hodin. Modernizace Colossus Mark II je považován za první programovatelný počítač v historii počítačů [1] .

Do konce války bylo v provozu 10 kolosů [2] [3] .

Důvody pro vytvoření

V roce 1940 si britská rádiová odposlechová služba začala všímat rádiových zpráv neobvyklého druhu. Místo obvyklé Morseovy abecedy pro rádiový provoz měly tyto zprávy Baudotův kód používaný v dálnopisech . Zachycený rentgenový záznam byl okamžitě přenesen do vládní školy kódů a šifer k podrobné analýze. Jak se ukázalo, nové zprávy se lišily nejen kódováním, ale také šifrovací metodou: byla mnohem složitější než šifra Enigma , kterou už britská rozvědka dostatečně prozkoumala . Nová šifra dostala kódové jméno "Tunny" ( tuňák z  angličtiny  -  "tuna"). Britští analytici nazývali zakódovaný německý dálnopisný provoz "Fish" ( ryba z  angličtiny  -  "ryba") a jeho odrůdy - názvy různých druhů ryb [4] [pozn. 1] . V Bletchley Parku byla vytvořena samostatná jednotka pro studium nové šifry, ale navzdory tomu analýza postupovala pomalu.

V srpnu 1941 udělal jeden z německých kryptografů tu chybu, že vysílal dvě mírně odlišné rádiové zprávy jednu po druhé, zašifrované stejným klíčem . Oba radiogramy byly zachyceny [Pozn. 2] . To umožnilo Britům nejen rozluštit text zprávy, ale také získat poměrně dlouhý fragment sekvence šifry. Ukázalo se, že nové německé zařízení bylo postaveno na obvyklém principu šifrovacích kol, ale počet kol byl neobvykle velký: na rozdíl od Enigmy měl Tanni 12 kol místo pěti [4] .

Získané informace umožnily ručně dešifrovat některé zprávy "Tanni", ale to vyžadovalo příliš mnoho času. Průlom v práci přišel z úsilí Williama Tutta , mladého matematika v Bletchley Park. Tutt navrhl použití statistických metod pro analýzu a vytvořil statistický model „Tunny“. Díky tomu se mu podařilo zjistit, že šifrovací klíč se skládá ze dvou částí. První částí bylo pravidlo, podle kterého byly na ráfek každého kola instalovány malé mechanické hroty. Druhou část klíče, zvanou šablona kola, zadal sám operátor pro přenos několika zpráv (což byla také chyba německých kryptografů). Celkem se jednalo o 501 vzorů, jejichž délky se lišily a byly coprime .

Statistická analýza podle Tuttovy metody vyžadovala velké množství výpočtů, pro které společně s inženýry z Dollis Hillbyl postaven speciální stroj nazvaný Heath Robinson (podle anglického umělce Williama Heatha Robinsona, který se proslavil ilustrováním knih Normana Huntera o profesoru Brainstomovi, výstředním a zapomnětlivém vynálezci nesmyslně komplikovaných mechanismů pro směšně jednoduché akce ). Stroj měl vysokorychlostní vstup děrné pásky a elektronické logické obvody. Jeho účelem bylo vypočítat polohu Lorenzových disků. Stroj umožňoval dešifrovat zprávy Tunni, ale nebyl dostatečně rychlý a navíc ani dostatečně spolehlivý.

Pro urychlení dešifrování zpráv navrhl Tommy Flowers spolu s oddělením Maxe Newmana v roce 1943 zásadně nový dešifrovací stroj, který se jmenoval Colossus, a již na začátku roku 1944 bylo v plném proudu relativně rychlé automatické dešifrování zpráv. [1] .

Tvorba

V době, kdy byl návrh Colossusu zahájen, měl tým Maxe Newmana již v archivech automatizovaný optomechanický Robinson , který umožňoval částečný výpočet šifrovacího klíče systému Lorenz SZ Ukázalo se však, že pro řadu nedostatků není možné plně využít stávající vývoj. Jedním z vážných problémů Heatha Robinsona je obtížnost synchronizace dvou děrných pásek vstupních dat, kvůli které stroj během provozu často havaroval a měl nízkou rychlost čtení (až 1000 znaků za sekundu).

Tommy Flowers začal navrhovat Colossus od nuly. I přes negativní postoj k elektronkám běžný u jeho kolegů se rozhodl celý proces modelování fungování šifry přenést do elektronkových obvodů. Elementární elektronkové kombinace, jako je sčítání modulo 2, paměťové registry atd., doznaly oproti Heath Robinson značných změn.

Díky tomu se počet vstupních pásek snížil na jednu, zmizel problém se synchronizací a rychlost čtení se zvýšila na 5000 znaků za vteřinu. Navíc ve srovnání s Heath Robinsonem fungoval nový stroj mnohem stabilněji. Výsledné schéma sestávalo z 1500 elektronek a umožňovalo dekódování zpráv za 2-3 hodiny.

Brzy Allen Coombs (který později převzal projekt po odchodu Flowers) se připojil k týmu Newman and Flowers a již v létě 1944 byla představena nová verze Colossus Mark II, sestávající již z 2500 vakuových trubky a pracuje 5krát rychleji než jeho předchůdce. Charakteristickým rysem Mark II byla schopnost programovat. Ve skutečnosti je Colossus Mark II prvním strojem této třídy, prototypem moderních programovatelných zařízení [1] [4] [5] .

První zpráva rozluštěná pomocí Kolosu byla, že Hitler „spolknul“ dezinformace o neexistující armádě na jihu Anglie a věřil, že vylodění Spojenců se nebude konat v Normandii, ale v Pas de Calais [1] . Jakmile byly počítače Colossus zapnuty, nebyly nikdy vypnuty až do konce druhé světové války kvůli povaze elektronek [4] .

Obsluha stroje

Generování dat

Každý vodorovný řádek na pásce zprávy je symbol zašifrovaný pěti poli, z nichž každé může být proraženo nebo ne. Colossus přečetl takovou pásku rychlostí 5000 znaků za sekundu. Colossus měl velmi omezenou paměť, takže páska se zprávou byla čtena v kruhu, aby byl zajištěn nepřetržitý digitální datový tok . I zprávu o délce asi 25 000 znaků (asi 4 000 slov), která by mohla zabrat 10 stran tištěného textu, Colossus přečetl za pět sekund. Každou minutu byla taková zpráva přečtena asi 12krát. Digitální datový tok z pásky byl rozdělen do pěti samostatných kanálů pro paralelní zpracování, což výrazně zrychlilo rychlost stroje. Paralelně Colossus generoval pětiprvkový datový tok pomocí klíčového simulátoru pro Lorenzovu šifru .

Analýza dat

Colossus porovnal dva kanálové prvky postavy ze zprávy s ekvivalentními prvky z klíčového proudu, který postoupil o jednu pozici pokaždé, když se zpráva z pásky začala znovu číst. Pokaždé, když Colossus našel shodu, klíč byl považován za správný pro danou pozici a byl za něj udělen jeden „bod“. Po čtyřech nebo pěti minutách se brýle začaly sčítat elektronickým počítadlem a na panelu přední lampy se zobrazovaly jednotky, desítky, stovky a tisíce.

Výstup dat

Když skóre bylo dostatečně velké, tiskárna vytiskla příslušné pozice disku pro klíč, který dal toto skóre. Tyto pozice startovního disku byly poté použity v Lorenzově stroji k rozluštění zprávy. Přibližná doba, kterou trvalo nalezení potřebných výchozích pozic pro disky, byla asi hodina. Předchozí metody dešifrování takové zprávy trvaly několik dní.

Zapomnění

Po skončení 2. světové války zmizela potřeba počítačů třídy Colossus pro jejich úzké specifické zaměření. Vysoká míra utajení neumožnila, aby byl Colossus zařazen do otevřených zdrojů o historii výpočetní techniky až do října 2000 (oficiální odstranění tajemství). Informace o jejich existenci však začaly pronikat na veřejnost již od 70. let.

Winston Churchill osobně podepsal dekret o zničení strojů, nicméně některé počítače Colossus Mark II pokračovaly v provozu pro výcvik nebo pomocné úkoly až do konce 50. let. V letech 1959-1960 byly zbývající kopie zničeny. Zároveň byly zničeny všechny nákresy a schémata použitá ke stavbě Kolosu [4] [6] .

Oživení

V roce 1994 skupina inženýrů vedená Tonym Salemzačal restaurovat pracovní kopii Colossus Mark II s použitím několika fotografií a také poznámek a příběhů od členů původního projektu. Restaurování probíhalo v bloku F Bletchley Parku, v místnosti, kde stál úplně první Colossus. První video s funkčním Colossem bylo natočeno již v roce 1997, ale počítač byl kompletně obnoven až v roce 2008 [1] .

Podle Tonyho Sale obnovený Colossus dešifruje zprávy přibližně stejnou rychlostí jako notebook Pentium II s příslušným softwarem, a to i přes více než půlstoletí generační rozdíl. Colossus funguje tak rychle, protože se zaměřuje pouze na luštění určitých šifer.

Díky restaurování Kolosu bylo v Bletchley Parku v roce 2007 otevřeno Národní počítačové muzeum .[7] . Ve stejném roce muzeum uspořádalo Cipher Challenge k dešifrování zpráv odeslaných z německého Heinz Nixdorf MuseumsForumv Paderbornu , zprávu, která byla zakódována strojem Lorenz SZ42 používaným německým velením během druhé světové války. Obnovený Colossus dekódoval zprávu za 3 hodiny a 15 minut. Vítězem Cipher Challenge se stal německý specialista Joachim Schueth, který úkol splnil za 46 sekund, který poznamenal: „Nebylo to fér, protože jsem používal moderní počítač, zatímco Colossus byl vytvořen před více než 60 lety ... My the laptop [s procesorem 1,4 GHz ] zpracovával šifrování rychlostí 1,2 milionu znaků za sekundu, tedy 240krát rychleji než Colossus. Změníme-li frekvenci procesoru tímto faktorem, dostaneme ekvivalentní frekvenci pro "Colossus": 5,8 MHz. To je na počítač vyrobený v roce 1944 úžasná rychlost. Ani po 40 letech mnoho počítačů takové rychlosti ještě nedosáhlo“ [8] .

Poznámky

Komentáře
  1. ↑ Němci nazvali nový systém Lorenz .
  2. ↑ Zachycená zpráva byla přenesena z Atén do Berlína. Německé tajné služby vážně podcenily možnosti britského rádiového odposlechu: úspěchy v dálkovém rádiovém příjmu umožnily Britům zaznamenávat i jednání na východní frontě.
Prameny
  1. ↑ 1 2 3 4 5 Tony Sale Přednáška na IEEE 18. února 1999 " 16. 2012 na Wayback Machine
  2. ↑ Jo Twist. Návrat Colossus označuje  den D. BBC News (1. června 2004). Datum přístupu: 7. února 2015. Archivováno z originálu 3. ledna 2015.
  3. ↑ Bletchley  Park . Škola matematiky a informatiky . Heriot-Watt University. Datum přístupu: 7. února 2015. Archivováno z originálu 12. ledna 2014.
  4. ↑ 1 2 3 4 5 Pták kiwi. Britský kolos: Tajný předchůdce počítačů . Populární mechanika (30. května 2006). Získáno 18. ledna 2022. Archivováno z originálu 18. ledna 2022.
  5. ↑ Allen Coombs Annals of the History of Computing, svazek 5, číslo 3, červenec 1983. „The Making of Colossus“ Archivováno 5. srpna 2012 na Wayback Machine
  6. ↑ Historie osobních počítačů Archivováno 23. května 2013 na Wayback Machine : Britský "Spike"
  7. ↑ Národní muzeum  výpočetní techniky . Získáno 5. září 2017. Archivováno z originálu 11. prosince 2019.
  8. ↑ German Codebreaker získává Bletchley Park Honors  (eng.)  (odkaz není k dispozici) . Bletchley Park (27. ledna 2008). Archivováno z originálu 1. února 2008.

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
 Kryptografie druhé světové války
Organizace
Osobnosti
Šifry a šifrovací zařízení
Kryptanalytická zařízení
 Rané počítače