Υπολογιστής Κολοσσός

Σκοπός και προέλευση

Οι τακτικές ραδιοφωνικές μεταδόσεις των μηνυμάτων "Tunny" άρχισαν τον Ιούνιο του 1941. Οι Βρετανοί αποκωδικοποιητές είδαν ότι χρησιμοποιούσε έναν κώδικα πέντε μονάδων όπως ένα σύστημα τηλεγραφημάτων. Η έρευνά τους έδειξε επίσης ότι η κωδικοποίηση γινόταν από μια μηχανή κρυπτογράφησης με 12 τροχούς (ρότορες). Για κάθε νέο μήνυμα που στέλνονταν, οι τροχοί έπρεπε πρώτα να περιστρέφονται σε νέες θέσεις. Η θέση εκκίνησης του μηνύματος επιλέγονταν από τον χειριστή που έστελνε το μήνυμα. Αυτός έλεγε στον χειριστή που λάμβανε το μήνυμα ποιες ήταν οι θέσεις εκκίνησης με 12 γράμματα που δεν ήταν κωδικοποιημένα. Ο συνολικός αριθμός των πιθανών θέσεων εκκίνησης των 12 τροχών ήταν πράγματι πολύ μεγάλος.

Η μηχανή κωδικοποίησης πρόσθεσε μαζί το απλό κείμενο (την μη κωδικοποιημένη έκδοση του μηνύματος) και μια ροή χαρακτήρων (γράμματα, αριθμοί, σημεία στίξης) που ονομάζεται ροή κλειδιών (μια ροή φαινομενικά τυχαίων χαρακτήρων) που παρήγαγε για να φτιάξει το κρυπτοκείμενο (την κωδικοποιημένη έκδοση του μηνύματος). Το κρυπτογραφημένο κείμενο, το οποίο δεν έβγαζε κανένα νόημα, μεταδιδόταν μέσω ραδιοφώνου. Στο άκρο λήψης, μια πανομοιότυπη μηχανή αφαιρούσε το keystream για να παράγει το απλό κείμενο του μηνύματος.

Αν οι Γερμανοί χειριστές λειτουργούσαν πάντα σωστά, κανένα μήνυμα δεν θα είχε την ίδια θέση εκκίνησης των τροχών. Ωστόσο, γίνονταν λάθη. Βοηθούσαν τους Βρετανούς αποκωδικοποιητές. Στις 30 Αυγούστου 1941 στάλθηκαν δύο εκδοχές του ίδιου μηνύματος, το οποίο είχε μήκος σχεδόν 4.000 χαρακτήρων, με τις ίδιες θέσεις εκκίνησης των τροχών. Αυτό το λάθος ήταν πολύ χρήσιμο για τους ερευνητές κωδικοθραύστες. Ένας κωδικοθραύστης με το όνομα John Tiltman κατάφερε να πάρει το keystream από αυτά τα μηνύματα.

Οι αποκωδικοποιητές προσπάθησαν να υπολογίσουν τις λεπτομέρειες της μηχανής από αυτές τις πληροφορίες, αλλά στην αρχή απέτυχαν. Στη συνέχεια προστέθηκε ένας νεαρός κωδικοθραύστης, ο Bill Tutte, στον οποίο ανατέθηκε η εργασία. Μετά από πολλή δουλειά τα κατάφερε και παρήγαγε μια λογική περιγραφή της αόρατης μηχανής. Το έργο αυτό έχει χαρακτηριστεί ως "το μεγαλύτερο πνευματικό επίτευγμα του Β' Παγκοσμίου Πολέμου". Ο Tutte επεξεργάστηκε ότι η μηχανή έφτιαχνε κάθε χαρακτήρα του keystream συνδυάζοντας τα αποτελέσματα δύο σετ πέντε τροχών. Χρησιμοποίησε ελληνικά γράμματα για να ονομάσει τους τροχούς. Ονόμασε το ένα σετ πέντε τροχών χ ("chi") και το άλλο σετ πέντε τροχών ψ ("psi"). Υπολόγισε ότι οι τροχοί χ μετακινούνταν κατά μία θέση για κάθε νέο χαρακτήρα που κωδικοποιούνταν. Οι τροχοί ψ, ωστόσο, δεν κινούνταν τακτικά. Μετακινούνταν μόνο μερικές φορές. Το αν οι τροχοί ψ μετακινούνταν ή όχι ελεγχόταν από δύο τροχούς που ονόμασε δύο τροχούς μ ("mu") ή "κινητήριους τροχούς".

Ο Max Newman ήταν μαθηματικός και αποκωδικοποιητής στο Bletchley Park. Του δόθηκε η εργασία να επεξεργαστεί πώς μια μηχανή θα μπορούσε να σπάσει τα μηνύματα "Tunny". Η μηχανή θα έκανε έναν υπολογισμό για πολλές πιθανές θέσεις εκκίνησης των τροχών χ. Η θέση εκκίνησης που έδινε τη μεγαλύτερη μέτρηση από αυτόν τον υπολογισμό ήταν πιθανό να είναι η σωστή. Η πρώτη μηχανή ονομάστηκε "Heath Robinson". Αυτό δεν λειτούργησε πολύ καλά. Είχε δύο διάτρητες χάρτινες ταινίες που έπρεπε να λειτουργούν ακριβώς μαζί. Η μία ταινία περιείχε το κρυπτογραφημένο κείμενο σε έναν συνεχή βρόχο. Η δεύτερη ταινία με βρόχο περιείχε μοτίβα που δημιουργούνταν από τους τροχούς της μηχανής κωδικοποίησης. Οι ταινίες συχνά τεντώνονταν ή έσπαγαν όταν προχωρούσαν με 2000 χαρακτήρες κάθε δευτερόλεπτο. Μερικές φορές οι ταινίες δεν ευθυγραμμίζονταν- τότε οι μετρήσεις ήταν λανθασμένες.

Το μηχάνημα που είχε την κωδική ονομασία "Tunny" από τους Βρετανούς. Οι Γερμανοί το χρησιμοποίησαν για την κωδικοποίηση μυστικών επικοινωνιών με τηλεεκτυπωτή. Δεν το είδαν οι Σύμμαχοι μέχρι το τέλος του Β' Παγκοσμίου Πολέμου, όταν έμαθαν ότι επρόκειτο για το Lorenz SZ42. Είχε δέκα τροχούς ο καθένας με διαφορετικό αριθμό έκκεντρων. Υπήρχαν συνολικά 501 έκκεντρα, καθένα από τα οποία μπορούσε να τεθεί στην ανυψωμένη (ενεργή) θέση ή στην κατεβασμένη (ανενεργή) θέση.

Κτίριο Κολοσσός

Ο Tommy Flowers εργαζόταν στον ερευνητικό σταθμό του ταχυδρομείου στο Dollis Hill στο βορειοδυτικό Λονδίνο. Του ζητήθηκε να εξετάσει το μηχάνημα Heath Robinson. Πίστευε ότι ήταν ένα αδύναμο μηχάνημα. Σχεδίασε ένα ηλεκτρονικό μηχάνημα για να κάνει την ίδια δουλειά. Θα έφτιαχνε τα μοτίβα της μηχανής κωδικοποίησης με ηλεκτρονικά μέσα, έτσι ώστε να χρειάζεται μόνο μία χάρτινη ταινία. Τον Φεβρουάριο του 1943 έδειξε στον Μαξ Νιούμαν αυτό το σχέδιο. Το σχέδιο χρειαζόταν 1.500 θερμιονικέςβαλβίδες (λυχνίες κενού). Λίγοι πίστευαν ότι τόσες πολλές βαλβίδες θα μπορούσαν να λειτουργήσουν χωρίς πολλές βλάβες. Παραγγέλθηκαν περισσότερες μηχανές Heath Robinson. Ο Flowers, ωστόσο, συνέχισε με την ιδέα μιας ηλεκτρονικής μηχανής. Πήρε υποστήριξη από τον υπεύθυνο του Ερευνητικού Σταθμού του Ταχυδρομείου, ο οποίος ονομαζόταν Gordon Radley. Ο Τόμι Φλάουερς και η ομάδα του άρχισαν να εργάζονται πάνω στον Κολοσσό τον Φεβρουάριο του 1943.

Η κασέτα με το μήνυμα έπρεπε να διαβαστεί με ταχύτητα. Ο Tommy Flowers δοκίμασε το μηχάνημα ανάγνωσης ταινιών μέχρι 9.700 γράμματα/δευτερόλεπτο (53 mph (85 km/h)) πριν η ταινία σπάσει. Επέλεξε 5.000 χαρακτήρες ανά δευτερόλεπτο ως καλή ταχύτητα για τακτική εργασία. Αυτό σήμαινε ότι η χάρτινη ταινία κινούνταν με ταχύτητα 40 ft/s (12 m/s) ή 27,3 mph (43,9 km/h). Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα καθοδηγούνταν από ένα σήμα που προέκυπτε από την ανάγνωση των οπών των οδοντωτών τροχών της διάτρητης ταινίας.

Ο πρώτος Κολοσσός εργάστηκε στο Dollis Hill τον Δεκέμβριο του 1943. Στη συνέχεια αποσυναρμολογήθηκε ο Κολοσσός και μεταφέρθηκε στο Bletchley Park. Έφτασε εκεί στις 18 Ιανουαρίου 1944. Ο Harry Fensom και ο Don Horwood τον συναρμολόγησαν ξανά. Ο Κολοσσός διάβασε το πρώτο του μήνυμα στις 5 Φεβρουαρίου. Μετά τον πρώτο Κολοσσό (Mark 1) υπήρχαν εννέα μηχανές Mark 2. Το καθένα από αυτά είχε 2.400 βαλβίδες. Ήταν ευκολότερες στη χρήση. Μπορούσαν να προγραμματιστούν ώστε να λειτουργούν με πενταπλάσια ταχύτητα από το Mark 1. Μια μηχανή Mark 2 Colossus λειτούργησε για πρώτη φορά την 1η Ιουνίου 1944.

Στην αρχή ο Κολοσσός χρησιμοποιήθηκε μόνο για την εύρεση των θέσεων του τροχού εκκίνησης που χρησιμοποιήθηκαν για ένα μήνυμα (που ονομάστηκε ρύθμιση τροχού). Οι αποκωδικοποιητές βρήκαν τρόπο να χρησιμοποιήσουν το Mark 2 για να βοηθήσουν στην εύρεση των μοτίβων των εκκεντροφόρων στους τροχούς (σπάσιμο τροχού). Στο τέλος του πολέμου υπήρχαν δέκα υπολογιστές Colossus που εργάζονταν στο Bletchley Park. Αυτό σήμαινε ότι αποκωδικοποιήθηκαν πάρα πολλά μηνύματα.

Σχεδιασμός και χρήση

Ο Κολοσσός χρησιμοποίησε εξαρτήματα που ήταν καινούργια τότε. Χρησιμοποιούσε λυχνίες κενού, θυράτρον και φωτοπολλαπλασιαστές. Διάβαζε από χαρτί με φως. Στη συνέχεια έκανε ένα ειδικό πράγμα για κάθε γράμμα- το ειδικό πράγμα μπορούσε να αλλάξει. Μετρούσε πόσο συχνά αυτό το ειδικό πράγμα ήταν "αληθινό". Τα μηχανήματα με πολλούς σωλήνες κενού ήταν γνωστό ότι έσπαγαν συχνά. Σπάνε περισσότερο κατά την ενεργοποίηση, έτσι οι μηχανές Colossus απενεργοποιούνταν μόνο όταν έσπαγε ένα μέρος.

Ο Colossus ήταν η πρώτη από τις ηλεκτρονικές ψηφιακές μηχανές που μπορούσαν να έχουν πρόγραμμα. Δεν μπορούσε να αλλάξει τόσο πολύ όσο οι μεταγενέστερες μηχανές:

• δεν είχε κανένα πρόγραμμα μέσα του. Ένα άτομο χρησιμοποιούσε βύσματα, καλώδια και διακόπτες για να αλλάξει το πρόγραμμα. Με αυτόν τον τρόπο ρυθμίστηκε για ένα νέο πράγμα που έπρεπε να κάνει.
• Ο Κολοσσός δεν ήταν μια μηχανή γενικής χρήσης. Ήταν φτιαγμένος για ένα μόνο είδος παραβίασης κώδικα: μέτρηση και πράξεις Boolean.

Δεν ήταν ένας πλήρης υπολογιστής Turing, παρόλο που ο Alan Turing ήταν στο Bletchley Park. Η ιδέα αυτή δεν είχε ακόμη σκεφτεί, και οι περισσότερες από τις άλλες πρώιμες σύγχρονες υπολογιστικές μηχανές δεν ήταν πλήρεις κατά Turing (όπως: ο υπολογιστής Atanasoff-Berry, η ηλεκτρομηχανική μηχανή ρελέ του Harvard Mark I, οι μηχανές ρελέ των Bell Labs του George Stibitz και άλλων, ή τα πρώτα σχέδια του Konrad Zuse). Χρειάστηκε πολύς χρόνος για να χρησιμοποιηθούν οι υπολογιστές για πολλές χρήσεις, αντί για μια αριθμομηχανή μόνο για την επεξεργασία ενός δύσκολου προβλήματος.

Επιρροή και τύχη

Η χρήση των υπολογιστών Colossus ήταν πολύ μυστική. Ο ίδιος ο Κολοσσός ήταν άκρως απόρρητος ακόμη και για πολλά χρόνια μετά τον πόλεμο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ο Κολοσσός δεν μπορούσε να συμπεριληφθεί στην ιστορία του υπολογιστικού υλικού για μεγάλο χρονικό διάστημα. Κανείς δεν ήξερε πόσο σημαντικά ήταν εκείνα τα Λουλούδια και οι άλλοι άνθρωποι που βοήθησαν στην κατασκευή του.

Λίγοι άνθρωποι γνώριζαν για αυτόν τον μυστικό υπολογιστή, οπότε είχε μικρή άμεση επίδραση στο νέο σχεδιασμό των μεταγενέστερων υπολογιστών.Ο EDVAC ήταν ο πρώιμος σχεδιασμός που είχε τη μεγαλύτερη επίδραση στο σχεδιασμό των μεταγενέστερων υπολογιστών.

Μόλις κατασκευάστηκε ο Κολοσσός, κάποιοι γνώριζαν πλέον ότι μπορούσαν να κατασκευαστούν ψηφιακές υπολογιστικές συσκευές υψηλής ταχύτητας με ηλεκτρονικά (χωρίς κινούμενα μέρη όπως ηλεκτρικά ρελέ) και να μην σπάνε πολύ. Και μόνο αυτή η γνώση ήταν αρκετή για να έχει μεγάλη επίδραση στα σχέδια των πρώτων υπολογιστών στη Βρετανία και πιθανώς στις ΗΠΑ. Οι άνθρωποι που γνώριζαν για τον Colossus ήταν σημαντικοί στον τομέα των πρώτων υπολογιστών στη Βρετανία. Το 1972, ο Herman Goldstine έγραψε ότι:

Η Βρετανία είχε τόση ζωτικότητα (ενέργεια ή ορμή) που μπόρεσε αμέσως μετά τον πόλεμο να ξεκινήσει τόσα πολλά καλά σχεδιασμένα και καλοδουλεμένα έργα στον τομέα των υπολογιστών.

Όταν το έγραφε αυτό, ο Goldstine δεν γνώριζε τον Κολοσσό. Δεν ήξερε τι άφησε στα έργα των ανθρώπων που το γνώριζαν. Άνθρωποι όπως ο Alan Turing (με τον Pilot ACE και τον ACE) και οι Max Newman και I. J. Good (με τον Manchester Mark 1 και άλλους πρώιμους υπολογιστές του Manchester). Ο Brian Randell έγραψε αργότερα ότι:

το έργο COLOSSUS ήταν μια σημαντική πηγή αυτής της ζωτικότητας (ενέργειας ή κίνησης), η οποία δεν έχει γίνει κατανοητή ή γνωστή, όπως και η σημασία της θέσης του στη χρονική γραμμή της εφεύρεσης του ψηφιακού υπολογιστή.

Τα σχέδια και τα μηχανήματα του Κολοσσού ήταν απόρρητα από τη στιγμή που κατασκευάστηκαν. Παρέμειναν έτσι και μετά τον πόλεμο, όταν ο Ουίνστον Τσόρτσιλ διέταξε την καταστροφή των περισσότερων μηχανών του Κολοσσού σε "κομμάτια όχι μεγαλύτερα από το χέρι ενός ανθρώπου"- ο ίδιος ο Τόμι Φλάουερς έκαψε τα σχέδια σε ένα τζάκι στο Ντόλις Χιλ. Ορισμένα τμήματα, αλλαγμένα ώστε να μοιάζουν αθώα, μεταφέρθηκαν στο Εργαστήριο Υπολογιστικών Μηχανών της Βασιλικής Εταιρείας του Νιούμαν στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ. Το Colossus Mark 1 αποσυναρμολογήθηκε και τα μέρη στάλθηκαν πίσω στο ταχυδρομείο. Δύο υπολογιστές Colossus, μαζί με δύο αντιγραμμένες μηχανές Tunny, κρατήθηκαν. Μεταφέρθηκαν στα νέα κεντρικά γραφεία της GCHQ στο Eastcote τον Απρίλιο του 1946. Μετακινήθηκαν και πάλι μαζί με την GCHQ στο Cheltenham μεταξύ 1952 και 1954. Ένας από τους υπολογιστές, γνωστός ως Colossus Blue, διαλύθηκε το 1959- ο άλλος το 1960. Τα τελευταία χρόνια, οι υπολογιστές χρησιμοποιήθηκαν για εκπαίδευση. Πριν από αυτό, είχαν γίνει προσπάθειες να τους αλλάξουν (μερικές φορές καλά) για άλλους σκοπούς. Ο Τζακ Γκουντ ήταν ο πρώτος που το χρησιμοποίησε μετά τον πόλεμο, πείθοντας την NSA να χρησιμοποιήσει τον Κολοσσό για να κάνει κάτι για το οποίο σχεδίαζε να κατασκευάσει μια μηχανή ειδικού σκοπού. Ο Κολοσσός χρησιμοποιήθηκε επίσης για να εκτελέσει μετρήσεις γραμμάτων σε ταινίες one-time pad για να ελέγξει τη μη τυχαιότητα.

Εκείνη την εποχή ο Κολοσσός ήταν ακόμη μυστικός, πολύ καιρό μετά τη σημασία που είχαν οι τεχνικές του λεπτομέρειες. Αυτό οφειλόταν στη χρήση από τις υπηρεσίες πληροφοριών του Ηνωμένου Βασιλείου μηχανών που έμοιαζαν με την Enigma και τις οποίες αγόραζαν άλλες κυβερνήσεις. Στη συνέχεια, οι υπηρεσίες έσπαγαν τους κώδικες χρησιμοποιώντας διαφορετικούς τρόπους. Αν η γνώση των μηχανών αποκωδικοποίησης ήταν ευρέως γνωστή, κανείς δεν θα είχε αποδεχθεί αυτές τις μηχανές- αντίθετα, θα είχαν αναπτύξει τις δικές τους μεθόδους κρυπτογράφησης, μεθόδους που οι βρετανικές υπηρεσίες ίσως να μην ήταν σε θέση να σπάσουν. Η ανάγκη για τέτοια μυστικά σιγά σιγά εξαφανίστηκε καθώς οι επικοινωνίες μετακινήθηκαν προς την ψηφιακή μετάδοση και τα πλήρως ψηφιακά συστήματα κρυπτογράφησης έγιναν κοινά τη δεκαετία του 1960.

Το βιβλίο του συνταγματάρχη Winterbotham The Ultra Secret κυκλοφόρησε το 1975. Αυτό έσπασε τη μυστικότητα γύρω από τον Κολοσσό. Μετά από αυτό, λεπτομέρειες σχετικά με τον υπολογιστή άρχισαν να δημοσιοποιούνται στα τέλη της δεκαετίας του 1970.

Μια τεχνική έκθεση 500 σελίδων σχετικά με το κρυπτογράφημα Tunny και την αποκρυπτογράφησή του - με τίτλο General Report on Tunny - παραδόθηκε από την GCHQ στο εθνικό γραφείο δημόσιων αρχείων τον Οκτώβριο του 2000- η πλήρης τεχνική έκθεση βρίσκεται στο διαδίκτυο.

Το ξανακάνω

Μια ομάδα με επικεφαλής τον Tony Sale κατασκεύασε ένα λειτουργικό αντίγραφο ενός Colossus Mark 2. Τα σχέδια και οι μηχανές είχαν καταστραφεί, αλλά ένα εκπληκτικό ποσό άλλου υλικού δεν είχε καταστραφεί. Βρισκόταν κυρίως στα σημειωματάρια των μηχανικών, μεγάλο μέρος του οποίου βρισκόταν στις Η.Π.Α. Ο αναγνώστης οπτικών ταινιών μπορεί να αποτελούσε το μεγαλύτερο πρόβλημα, αλλά ο Dr. Arnold Lynch, ο σχεδιαστής του, κατάφερε να τον επανασχεδιάσει από τα δικά του πρώτα γραπτά. Ο ανακατασκευασμένος Κολοσσός εκτίθεται στο Εθνικό Μουσείο Πληροφορικής, στο H Block Bletchley Park στο Milton Keynes, Buckinghamshire. Εκεί χρησιμοποιήθηκε ο Κολοσσός Νο 9 κατά τη διάρκεια του πολέμου.

Τον Νοέμβριο του 2007, για να σηματοδοτήσουν το τέλος των εργασιών και την έναρξη της συγκέντρωσης χρημάτων (ζητώντας χρήματα), διεξήγαγαν έναν διαγωνισμό. Τα χρήματα θα βοηθούσαν το Εθνικό Μουσείο Πληροφορικής με έναν διαγωνισμό κρυπτογράφησης όπου ο ανακατασκευασμένος Κολοσσός θα ανταγωνιζόταν ραδιοερασιτέχνες από όλο τον κόσμο. Ο πρώτος που θα άκουγε και θα αποκωδικοποιούσε τρία κρυπτογραφημένα μηνύματα θα κέρδιζε. Η κρυπτογράφηση θα γινόταν με τη χρήση του Lorenz SZ42 και θα μεταδιδόταν από τον ραδιοφωνικό σταθμό του μουσείου υπολογιστών Heinz Nixdorf MuseumsForum στη Γερμανία. Τον διαγωνισμό κέρδισε εύκολα ο ραδιοερασιτέχνης Joachim Schüth. Ο Schüth είχε προετοιμαστεί για την εκδήλωση. Έφτιαξε το δικό του πρόγραμμα επεξεργασίας σήματος και αποκωδικοποίησης με τη χρήση του Ada. Η ομάδα του Κολοσσού έχασε επειδή ήθελε να χρησιμοποιήσει ραδιόφωνα του Β' Παγκοσμίου Πολέμου,. Άργησαν μια μέρα εξαιτίας των κακών ραδιοφωνικών συνθηκών. Ο φορητός υπολογιστής 1,4 GHz του νικητή, που εκτελούσε το δικό του πρόγραμμα, χρειάστηκε λιγότερο από ένα λεπτό για να βρει τις ρυθμίσεις και για τους 12 τροχούς. Ο Γερμανός αποκωδικοποιητής είπε: "Ο φορητός υπολογιστής μου δούλευε το κρυπτογράφημα με ταχύτητα 1,2 εκατομμυρίων γραμμάτων ανά δευτερόλεπτο - 240 φορές ταχύτερα από τον Κολοσσό. Αν συγκρίνετε τους δύο υπολογιστές, θα μπορούσατε να πείτε ότι ο Κολοσσός είχε ταχύτητα 5,8 MHz. Αυτό είναι πολύ γρήγορο για έναν υπολογιστή που κατασκευάστηκε το 1944".

Το 2006, υπεύθυνος είναι ο Tony Sale (δεξιά). Σπάνε ένα κρυπτογραφημένο μήνυμα με την ολοκληρωμένη μηχανή. Από το 1994 η ομάδα του κατασκευάζει έναν νέο υπολογιστή Colossus στο Bletchley Park.

Σχετικές σελίδες

• ENIAC
• Υπερυπολογιστής
• Enigma (μηχανή)
• Lorenz Cipher