Colossus arvuti

Eesmärk ja päritolu

"Tunny" sõnumite regulaarne raadiosaatmine algas 1941. aasta juunis. Briti koodimurdjad nägid, et see kasutas viieühendilist koodi nagu teleprinteri süsteem. Nende uuringud näitasid ka, et kodeerimist teostas 12 ratta (rootoriga) salakirjutusmasin. Iga uue sõnumi saatmiseks tuli rattad kõigepealt uutesse positsioonidesse keerata. Sõnumi lähtepositsiooni valis operaator, kes sõnumit saatis. Ta ütles sõnumit vastuvõtvale operaatorile, millised olid algpositsioonid 12 kodeerimata tähega. 12 ratta võimalike stardipositsioonide koguarv oli tõepoolest väga suur.

Kodeerimismasin liidab kokku lihtteksti (sõnumi kodeerimata versiooni) ja märkide voo (tähed, numbrid, kirjavahemärgid), mida nimetatakse võtmevooks (pealtnäha juhuslikest märkidest koosnev voog), mille ta genereeris, et koostada salatekst (sõnumi kodeeritud versioon). Krüptotekst, mis polnud mõistlik, edastati raadio teel. Vastuvõtja poolel eemaldas identne masin võtmevoo, et saada sõnumi selge tekst.

Kui saksa operaatorid töötaksid alati õigesti, ei oleks kahel sõnumil sama rataste lähteasend. Siiski tehti vigu. Need aitasid briti koodimurdjaid. 30. augustil 1941 saadeti kaks versiooni samast sõnumist, mis oli peaaegu 4000 tähemärki pikk, samade rataste alguspositsioonidega. See viga oli uurivatele koodimurdjatele väga kasulik. Koodimurdja nimega John Tiltman suutis neist sõnumitest saada võtmevoo.

Koodimurdjad püüdsid selle teabe põhjal välja töötada masina üksikasju, kuid esialgu ei õnnestunud neil seda teha. Seejärel liitus nendega noor salamurdja nimega Bill Tutte, kellele see ülesanne anti. Pärast palju tööd õnnestus tal see ja ta koostas nähtamatu masina loogilise kirjelduse. Seda tööd on kirjeldatud kui "teise maailmasõja suurimat intellektuaalset saavutust". Tutte töötas välja, et masin valmistas iga võtmevoo tähemärgi kahe viie ratta komplekti mõju kombineerimise teel. Ta kasutas rataste nimetamiseks kreeka tähti. Ta nimetas ühte viiest rattakomplektist χ ("chi") ja teist viiest rattakomplektist ψ ("psi"). Ta arvutas välja, et χ-rattad liikusid iga uue kodeeritud tähemärgi kohta ühe positsiooni võrra. ψ-rattad aga ei liikunud korrapäraselt. Nad liikusid ainult mõnda aega. Seda, kas ψ-rattad liikusid edasi või mitte, kontrollisid kaks ratast, mida ta nimetas μ ("mu") või "mootorrattadeks".

Max Newman oli matemaatik ja koodimurdja Bletchley Parkis. Talle anti ülesanne välja töötada, kuidas masin saaks "Tunny" sõnumeid murda. Masin teeks arvutusi paljude võimalike χ-rataste stardipositsioonide kohta. Tõenäoliselt oli õige see stardipositsioon, mis andis selle arvutuse põhjal suurima arvu. Esimese masina nimi oli "Heath Robinson". See ei töötanud väga hästi. Sellel oli kaks augustatud paberilinti, mis pidid täpselt koos töötama. Üks lint sisaldas salakirjateksti pidevas tsüklis. Teine linti sisaldas mustreid, mida kodeerimismasina rattad tekitasid. Lindid venisid või katkesid sageli, kui nad töötasid 2000 tähemärki sekundis. Mõnikord ei olnud lindid ühel joonel; siis olid loendused valed.

Masin, millele britid andsid koodnimetuse "Tunny". Sakslased kasutasid seda salajase teleprinteri side kodeerimiseks. Liitlased ei näinud seda enne Teise maailmasõja lõppu, kui nad said teada, et tegemist on Lorenz SZ42-ga. Sellel oli kümme ratast, millest igaühel oli erinev arv nukkudeid. Neid oli kokku 501, millest igaühel oli võimalik panna tõstetud (aktiivne) või langetatud (mitteaktiivne) asendisse.

Colossuse ehitamine

Tommy Flowers töötas postkontori uurimisjaamas Dollis Hillis Loode-Londonis. Tal paluti vaadata Heath Robinsoni masinat. Ta arvas, et see oli nõrk masin. Ta konstrueeris elektroonilise masina, mis teeks sama tööd. Ta valmistaks elektroonika abil kodeerimismasinate mustreid, nii et vaja oleks vaid ühte paberilinti. Veebruaris 1943 näitas ta Max Newmanile seda konstruktsiooni. Konstruktsioon vajas 1500 termioonventiili (vaakumtorusid). Vähesed arvasid, et nii palju klappe võiks töötada, ilma et palju ebaõnnestuks. Telliti rohkem Heath Robinsoni masinaid. Flowers jäi aga elektroonilise masina idee juurde. Ta sai toetust Postiameti uurimisjaama juhatajalt, kelle nimi oli Gordon Radley. Tommy Flowers ja tema meeskond alustasid tööd Colossuse kallal 1943. aasta veebruaris.

Lindi, millel oli sõnum, tuli lugeda kiirusega. Tommy Flowers katsetas lindilugejat kuni 9700 tähe sekundis (53 miili sekundis (85 km/h)), enne kui lindi purunes. Ta valis 5 000 tähemärki sekundis heaks kiiruseks tavatööks. See tähendas, et paberilint liikus kiirusega 40 jalga/s (12 m/s) ehk 27,3 mph (43,9 km/h). Elektroonilisi ahelaid ajendas signaal, mis saadi augulõikude lugemisest löödud lindi hammasrattadelt.

Esimene Colossus töötas Dollis Hillis 1943. aasta detsembris. Seejärel võeti Colossus lahti ja viidi Bletchley Parki. See jõudis sinna 18. jaanuaril 1944. Harry Fensom ja Don Horwood panid selle uuesti kokku. Colossus luges oma esimese sõnumi 5. veebruaril. Pärast esimest Colossust (Mark 1) oli üheksa Mark 2 masinat. Neis kõigis oli 2400 klappi. Neid oli lihtsam kasutada. Neid sai programmeerida töötama viis korda suurema kiirusega kui Mark 1. Mark 2 Colossus töötas esimest korda 1. juunil 1944.

Esialgu kasutati Colossust ainult sõnumi jaoks kasutatavate stardirattakohtade leidmiseks (nn rattakohtade määramine). Koodimurdjad töötasid välja, kuidas kasutada Mark 2, et aidata leida rataste nukkude mustreid (rataste murdmine). Sõja lõpus töötas Bletchley Parkis kümme Colossuse arvutit. See tähendas, et väga palju sõnumeid dekodeeriti.

Projekteerimine ja kasutamine

Colossus kasutas toona uusi osi. See kasutas vaakumlampe, türaatronid ja fotomultiplikaatorid. See luges paberilt valguse abil. Seejärel tegi see iga tähe jaoks erilise asja; seda erilist asja võis muuta. Ta luges, kui tihti see eriline asi oli "õige". Paljude vaakumtorudega masinad läksid teatavasti palju katki. Kõige rohkem purunevad nad sisselülitamisel, nii et Colossuse masinad lülitati välja ainult siis, kui mingi osa purunes.

Colossus oli esimene elektrooniline digimasin, millel võis olla programm. See ei suutnud nii palju muutuda kui hilisemad masinad:

• tal ei olnud mingit programmi enda sees. Inimene kasutas programmi muutmiseks pistikuid, juhtmeid ja lüliteid. Nii oli see seadistatud see uus asi teha.
• Colossus ei olnud üldotstarbeline masin. See oli mõeldud ainult üheainsa koodi murdmiseks: loendamiseks ja booletse loogika operatsioonideks.

See ei olnud Turingi komplektne arvuti, kuigi Alan Turing töötas Bletchley Parkis. Seda ideed ei olnud veel välja mõeldud ja enamik teisi varaseid kaasaegseid arvutusmasinaid ei olnud Turingi-komplektsed (näiteks Atanasoff-Berry arvuti, Harvardi Mark I elektromehaaniline releemasin, George Stibitzi ja teiste Bell Labs'i releemasinad või Konrad Zuse esimesed plaanid). Kulus palju aega, et arvuteid kasutataks mitmel otstarbel, mitte ainult ühe raske probleemi lahendamiseks mõeldud kalkulaatorit.

Mõju ja saatus

See, milleks Colossuse arvuteid kasutati, oli väga salajane. Colossus ise oli väga salajane isegi aastaid pärast sõda. Seetõttu ei saanud Colossust pikka aega arvutusriistvara ajalukku lülitada. Keegi ei teadnud, kui olulised olid see Flowers ja teised inimesed, kes aitasid seda teha.

Paljud inimesed ei teadnud sellest salajasest arvutist, mistõttu sellel oli vähe otsest mõju hilisemate arvutite uuele disainile; EDVAC oli varajane disain, mis mõjutas kõige rohkem hilisemat arvutidisaini.

Kui Colossus oli tehtud, teadsid mõned inimesed nüüd, et saab teha kiireid elektroonilisi (ilma liikuvate osadeta nagu elektrilised releed) digitaalseid arvutusseadmeid, mis ei lähe liiga palju katki. Ainuüksi sellest teadmisest piisas, et mõjutada varajaste arvutite projekteerimist Suurbritannias ja tõenäoliselt ka USAs. Inimesed, kes teadsid Colossusest, olid olulised varajases arvutivaldkonnas Suurbritannias. 1972. aastal kirjutas Herman Goldstine, et:

Suurbritannial oli selline elujõud (energia või hoog), et ta suutis kohe pärast sõda käivitada nii palju hästi kavandatud ja hästi teostatud projekte arvutivaldkonnas.

Seda kirjutades ei teadnud Goldstine Colossusest. Ta ei teadnud, mida see jättis projektidele inimestest, kes sellest teadsid. Sellised inimesed nagu Alan Turing (Pilot ACE ja ACE) ning Max Newman ja I. J. Good (Manchester Mark 1 ja teised varajased Manchesteri arvutid). Brian Randell kirjutas hiljem, et:

COLOSSUS-projekt oli selle elujõu (energia või tõukejõu) oluline allikas, mida ei ole hästi mõistetud ega teadvustatud, nagu ka selle tähtsust digitaalarvuti leiutamise ajajärgus.

Colossuse plaanid ja masinad olid salajased alates sellest ajast, kui need tehti. Nad jäid selleks ka pärast sõda, kui Winston Churchill andis käsu hävitada enamik Colossuse masinaid "osadeks, mis ei ole suuremad kui mehe käsi"; Tommy Flowers ise põletas plaanid Dollis Hillis asuvas kaminas. Mõned osad, mis olid muudetud süütuks, viidi Newmani Kuningliku Seltsi arvutimasinate laboratooriumisse Manchesteri Ülikoolis. Colossus Mark 1 võeti laiali ja osad saadeti tagasi postkontorisse. Kaks Colossuse arvutit koos kahe kopeeritud Tunny masinaga jäid alles. Need viidi 1946. aasta aprillis GCHQ uude peakontorisse Eastcote'is. Aastatel 1952-1954 kolisid need koos GCHQ-ga uuesti Cheltenhamisse. Üks arvutitest, mida tunti Colossus Blue nime all, võeti 1959. aastal laiali, teine 1960. aastal. Hilisematel aastatel kasutati arvuteid koolituseks. Enne seda oli püütud neid muuta (mõnikord hästi) muudeks eesmärkideks. Jack Good oli esimene, kes kasutas seda pärast sõda, saades NSA-d kasutama Colossust millekski, mille jaoks nad plaanisid ehitada eriotstarbelise masina. Colossust kasutati ka ühekordse pad-lindi tähtede loendamiseks, et testida mittesõltuvust.

Sel ajal oli Colossus veel salajane, ammu pärast seda, kui kõik selle tehnilised üksikasjad olid veel olulised. See oli tingitud sellest, et Ühendkuningriigi luureagentuurid kasutasid Enigma-laadseid masinaid, mida nad panid teisi valitsusi ostma. Seejärel murdsid agentuurid koodid erinevatel viisidel. Kui teadmised koodimurdmismasinatest oleksid olnud laialdaselt teada, ei oleks keegi neid masinaid aktsepteerinud; pigem oleksid nad välja töötanud omaenda krüpteerimismeetodid, meetodid, mida Ühendkuningriigi teenistused ei oleks võinud murda. Vajadus selliste saladuste järele kadus aeglaselt, kui side üle läks digitaalsele edastamisele ja 1960. aastatel muutusid üldlevinud digitaalsed krüpteerimissüsteemid.

Kolonel Winterbothami raamat "Ülisaladus" ilmus 1975. aastal. See katkestas kolossaali ümber oleva saladuse. Pärast seda hakkasid 1970ndate lõpus avalikuks saama üksikasjad arvuti kohta.

GCHQ andis 2000. aasta oktoobris riiklikule avalike dokumentide ametile 500-leheküljelise tehnilise aruande Tunny salakirja ja selle koodimurdmise kohta - pealkirjaga "General Report on Tunny"; täielik tehniline aruanne on Internetis.

Making it again

Tony Sale'i juhitud meeskond ehitas Colossus Mark 2 töötava koopia. Plaanid ja masinad olid hävitatud, kuid üllatavalt palju muud materjali ei olnud hävitatud. See oli peamiselt inseneride märkmikutes, millest suur osa oli USAs. Optiline lindilugeja võis olla suurimaks probleemiks, kuid selle konstruktor dr Arnold Lynch suutis selle oma esimeste kirjutiste põhjal ümber kujundada. Ümberehitatud Colossus on välja pandud The National Museum of Computing'is, H Block Bletchley Parkis Milton Keynes'is, Buckinghamshire'is. Seal kasutati Colossus nr 9 sõja ajal.

2007. aasta novembris korraldasid nad nii tööde lõpetamise kui ka rahakogumise (raha küsimise) alguse tähistamiseks konkursi. Raha aitaks The National Museum of Computing'ile korraldada šifreerimisvõistluse, kus ümberehitatud Colossus võistles raadioamatööridega üle kogu maailma. Võidaks see, kes esimesena kuulaks ja dekodeeriks kolm kodeeritud sõnumit. Need šifreeritakse Lorenz SZ42 abil ja edastatakse Heinz Nixdorf MuseumsForumi arvutimuuseumi raadiojaamast Saksamaal. Võistluse võitis kergelt raadioamatöör Joachim Schüth. Schüth oli selleks ürituseks valmistunud. Ta tegi oma signaalitöötlus- ja koodimurdmisprogrammi, kasutades Adat. Colossuse meeskond kaotas, sest nad tahtsid kasutada teise maailmasõja aegseid raadioid,. Nad jäid halva raadioolukorra tõttu ühe päeva hiljaks. Võitja 1,4 GHz sülearvutil, millel jooksutas tema enda programm, kulus vähem kui minut, et leida kõigi 12 ratta seaded. Saksa koodimurdja ütles: "Minu sülearvuti töötas šifreeritud tekstiga kiirusega 1,2 miljonit tähte sekundis - 240 korda kiiremini kui Colossus. Kui võrrelda neid kahte arvutit, siis võiks öelda, et Colossuse kiirus oli 5,8 MHz. See on 1944. aastal ehitatud arvuti jaoks väga kiire."

2006. aastal vastutab Tony Sale (paremal). Nad murravad valmis masinaga krüptitud sõnumit. Alates 1994. aastast on tema meeskond ehitanud Bletchley Parkis uut Colossuse arvutit.

Seotud leheküljed

• ENIAC
• Superarvuti
• Enigma (masin)
• Lorenz Cipher