Секретный британский компьютер Colossus был создан для вскрытия немецкой переписки, зашифрованной с помощью системы Lorenz SZ. Долгое время существование машины хранилось в тайне и помимо разработчиков о ней знала лишь небольшая группа людей. Colossus по-праву считается уникальным компьютер своего времени, который по мощности и размерам превосходит остальные модели.



Начинается история возникновения Colossus с 1940 года. Британская спецслужба занимались поиском шпионов на территории страны и во время прослушивания радиоэфира сотрудникам удалось перехватить необычную шифрованную немецкую радиопередачу. Вместо привычного кода Морзе, сообщения были зашифрованы с помощью телеграфного кода Бодо. Материал отправили на анализ в Правительственную школу кодов и шифров (Government Code and Cypher School) в Блечли-Парк. Новый шифр стали называть «Танни» (англ. tunny — тунец), а сама криптосистема получила условное наименование FISH.

Для детального изучения выявленного шифра в Блечли-Парк создали специальное подразделение, которое занималось сугубо анализом «Танни». Процесс расшифровки продвигался крайне медленно до 1941 года, когда один из немецких шифровальщиков допустил серьезную ошибку. Он среагировал на просьбу повторно передать сообщение длинною около 4500 знаков на том же ключе, но во второй раз немного сократил исходный текст. Англичане перехватили обе радиограммы, что позволило им не только дешифровать телеграмму, но и получить длинную шифрующую последовательность. В результате проведенной работы специалисты выяснили, что немецкое устройство построено на принципе шифрующих колес, которых насчитывалось 12.



Уильям Томас Татт (1917 — 2002 гг.)

На основе добытой информации можно было вручную расшифровывать некоторые сообщения «Танни». Молодой математик Уильям Томас Тат (William Thomas Tutte) занялся взломом кода машины. С использованием метода криптоанализа полиалфавитных шифров Касиски (поиск групп символов, что повторяются в зашифрованном тексте) он выяснил, что длина ключевого слова равна сорока одному символу. Тат назвал компоненту «chi_1». Учитывая сложность устройства ключа, существовала и другая компонента «psi_1». В результате машина состояла из дисков «psi» и «chi», генерирующих каждые пять бит символа. Компоненты ключа объединялись функцией XOR и выходило, что ключ K можно было представить для каждого символа таким образом: «K = chi oplus psi».



Машина Lorenz SZ42

Проведенная Татом работа дала возможность исследовательской группы Блетчли-парка за несколько месяцев восстановить логическую структуру шифровальной машины. Переписку подобного рода можно было вскрывать и читать. Но этот процесс занимал слишком много времени, требовал трудоемких вычислений и казался малоэффективным. На обработку одной телеграммы уходило до нескольких недель ручного труда. Для быстрой расшифровки требовалось построить соответствующее устройство.



Томми Флоуэрс (1905 — 1998 гг.)

В 1943 году Томми Флоуэрсом (Tommy Flowers) и Френком Мореллом (Frank Morell) из Исследовательской станции Центрального почтамта (General Post Office) в Доллис Хилл была построена специальная машина Heath Robinson (названа в честь популярного героя комиксов — персонажа-изобретателя странных механизмов). Машина имела скоростной ввод с перфолент и электронные логические схемы, она занималась вычислением положения дисков Lorenz. Heath Robinson позволила расшифровывать сообщения «Танни», но не отличалась особой надежностью и работала недостаточно быстро.



Машина Heath Robinson

Главная проблема заключалась в точной синхронизации двух перфолент, на одной из которых находилось германское шифрованное сообщение, а на второй были набиты циклически повторяющиеся последовательности битов, порождаемые штифтовыми комбинациями вскрытых дисков шифратора. И несмотря на то, что оптомеханический считыватель обрабатывал пару перфолент с довольно высокой скоростью, бумага перфоленты растягивалась и приводила к сбоям синхронизации, ошибкам в вычислениях.



Макс Ньюман (1897 — 1984 гг.)

Расшифровка требовала ускоренной автоматизации, поэтому в Блетчли-парке было создано специальное подразделение, которое возглавил известный английский математик Макс Ньюман (Max Newman). В 1943 году сотрудники данной структуры совместно с Томми Флауэрсом спроектировали принципиально новую дешифровальную машину, которая получила название Colossus.



Colossus — чать 1



Colossus — чать 2

С 1944 года с помощью Colossus полным ходом проводилось дешифрование и вскрытие переписки высшего эшелона германского военного командования. Благодаря быстродействию надежного электронного компьютера время расшифровки сообщений с нескольких недель сократилось всего до 2-3 часов. Colossus являлся самым большим компьютером того времени, он использовал мощность 1500 электронных ламп и позволял обрабатывать 5000 знаков в секунду. Из-за особенности работы электрических ламп, однажды запущенные в работу компьютеры, не выключались до окончания Второй Мировой. Устройство обладало очень ограниченной памятью, поэтому лента сообщения читалась по кругу, чтобы обеспечить непрерывный цифровой поток данных. Colossus за пять секунд мог считать сообщение длинной на 25000 символов, занимающие до 10 страниц печатного текста.

Colossus проводил сравнение двух канальных элемента символа из сообщения с эквивалентными элементами из потока ключа. Каждый раз, когда сообщение с ленты начинало читаться заново, ключ продвигался на одну позицию. При нахождении устройством соответствия, ключ считался правильным для этой позиции и для него начислялось одно «очко». Спустя 4-5 минут электронный счетчик начинал складывать очки. На переднюю ламповую панель выводились единицы, десятки, сотни и тысячи. После того, как счет становился достаточно большим, печатающее устройство распечатывало соответствующие позиции дисков для ключа, который дал такой счет.



Работа операторов на Colossus

Если перевести на современные компьютеры, то производительность Colossus соответствовала бы процессору с частотой примерно 5,8 МГц. Но все же, Colossus нельзя назвать полноценным компьютером. В этом секретном устройстве имелись электронные схемы, выполнявшие цифровые функции, но не было электронной памяти. Данные хранились на замкнутой перфоленте, которая двигалась со скоростью 80 км/час.

Использование Colossus помогло расшифровать в общей сложности свыше 63 миллионов знаков перехваченных телеграмм немецкого верховного командования.

Успех Colossus вдохновил англичан на создание второй модели. В 1944 году к команде Нююмана и Флауэрса присоединился Аллен Кумбс (Allen William Mark Coombs). Совместно ученые построили более продвинутую версию компьютера — Colossus Mark II. Это устройство примерно в пять раз превосходило по размерам своего предшественника, отличалось повышенным быстродействием, насчитывало около 2500 электронных ламп и предоставляло возможности программирования. В связи с чем Colossus II часто рассматривают как первый в мире электронный программируемый компьютер.



Colossus Mark II

В 1945 году успех компьютеров Colossus начал постепенно угасать. Столь крупные машины по 2-3 м высотой и суммарной длиной около 5,5 м, представляющие комплекс из 8 крупных двухсторонних монтажных стоек разной ширины, были специализированы под определенные задачи и не отличались универсальностью. Кроме того высшее британское руководство всячески старалось скрыть от СССР свои мощные дешифровальные возможности. В следствии чего, по личному указанию Уинстона Черчилля, Colossus разобрали по частям и скрыли под печатью «секретно». За 1945 год полностью демонтировали восемь из десяти машин.

Две оставшиеся модели отправили сперва в Лондон, а затем в город Челтнем. Они перешли в пользование к криптографической спецслужбе Великобритании — Центру правительственной связи (Government Communications Headquarters, GCHQ). Компьютеры тайно использовались еще полтора десятка лет для тренировочных и вспомогательных криптографических задач. Но до 60-х годов разобрали и две последние модели. Помимо этого были уничтожены схемы-чертежи компьютеров Colossus. Проект содержался в строжайшей тайне еще долгие годы.

Кое-какие обрывочные сведения о Colossus стали понемногу появляться в газетах с середины 70-х годов.

И в 1994 году группа инженеров-энтузиастов во главе с Тони Сейлом (Tony Sale) занялась воспроизведением работоспособной копии этой машины, используя немногочисленные фотографии, а также записи, рассказы и эскизы от оставшихся в живых участников проекта. Восстановление Colossus проходило в блоке F Блетчли-парка. Первое видео с работающей моделью было записано уже в 1997 году. Но полностью восстановить компьютер удалось только к 2008 году.



Тони Сейл (1931 – 2011 гг.)

По словам Тони Сейла, восстановленная модель Colossus расшифровывала сообщения примерно со скоростью ноутбук с процессором Pentium 2 и необходимым ПО. И это при учете такой солидной разницы во времени.

В 2000 году власти Великобритании официально рассекретили технический отчет 1945 года о вскрытии шифра и машинах Colossus. Объемный документ спецслужба GCHQ передала в общедоступный Государственный архив (Public Record Office) в городе Кью.



Национальный музей компьютеров

Благодаря восстановлению Colossus в 2007 году открылся Национальный музей компьютеров (The National Museum of Computing), который также находится в Блетчли-парке.



Блетчли-парк

Мифы о британском Colossus

Учитывая секретность проекта и отсутствие полной информации по данному устройству, пробелы в его истории постепенно заполнились разными мифами. Ниже представлено опровержение к четырем из них.

Миф 1. Colossus является первой в мире цифровой ЭВМ.
Несмотря на то, что Colossus по многим параметрам на самом деле является уникальной разработкой, первым компьютером он все же не был. За это первенство могут побороться: немецкий изобретатель Конрад Цузе (Konrad Zuse) с Z3 и сотрудники Университета штата Айова Джон Атанасов (John Vincent Atanasoff) и его аспирант Клиффорд Берри (Clifford Berry) с компьютером АBC (Atanasoff Berry Computer).

Миф 2. Сам математик Алан Тьюринг занимался конструированием Colossus.
Поскольку Алан Тьюринг работал в той же сфере и занимался расшифровкой «Энигмы», он действительно был ознакомлен с проектом Colossus. И тем ни менее, не принимал непосредственного участия в разработке этого компьютера.

Миф 3. Британцы читали практически всю зашифрованную «Энигмой» переписку Германии.
Нацистская Германия применяла для шифровки сообщений не только «Энигму» — у немцев были и другие шифрующие устройства. И англичанам удавалось дешифровать далеко не всю секретную переписку этой машины.

Миф 4. Мощный программируемый компьютер Colossus обеспечивал быстрое вскрытие ключей «Энигмы».
Colossus создавался не для взлома ключей «Энигмы», а для вскрытия телеграфного шифратора Lorenz SZ, служившего для личной секретной переписки Гитлера с членами высшего командования Третьего Рейха.