1943: Երկրորդ աշխարհամարտի ընթացքում ապակոդավորման համար կիրառված Colossus համակարգիչը

Երբ ընթանում էր երկրորդ համաշխարհային պատերազմը և պատերզամող կողմերը բացի բուն մարտերից նաև պայքարում էին հակառակորդի գաղտնի ինֆորմացիան որսալու շուրջ, 1943–1945 թթ. ստեղծվեց Colossus համակարգիչների շարքը, որոնք ծառայում էին գերմանական հույժ գաղտնի հաղորդագրություններն ապակոդավորելու գործին։

Colossus-ը ստեղծվել է Բրիտանական Գլխավոր Փոստային Բաժանմունքի (GPO) հետազոտական հեռախոսային ինժիներ Tommy Flowers-ի կողմից՝ լուծելու մաթեմատիկոս Max Newman-ի կողմից առաջադրված խնդիրը։

Tommy Flowers (1905–1998)

Ինժիներ Tommy Flowers-ի գաղափարը Լորենցի անիվների կարգավորումներն էլեկտրոնային տեսքով ներկայացնելն էր՝ վերջ տալով սինխրոնացված ժապավեններին։ Չնայած շատ հոռետեսներին՝ Flowers-ը Colossus Mark 1-ը կառուցելու վրա ծախսեց 10 ամիս, որն ավարտեց 1943թ. Դեկտեմբերի 8-ին։

Լորենց SZ42՝ երկրորդ աշխարհամարտի ժամանակ գերմանական բանակի կողմից կիրառված ռոտորային ծածկագրման սարքը

Colossus Mark 1

Colossus Mark 1-ը պարունակում էր 1500 ռադիոլամպ՝ ավելին, քան նախկինում երբևէ որևէ սարքավորման մեջ կիրառվել էր։ Այն օգտագործում էր ֆոտոբջիջներ պերֆորացված թղթային ժապավենից վայրկյանում 5000 նշան վերծանելու համար։ Այն ուներ սահմանափակ հիշողություն՝ 5 բիթի չափով և կիրառում էր տրամաբանական տարրեր։

Լորենցի ծածկագիրը անիվային կարգավորումները սիմուլացնում էին տիրատրոնների՝ գազով լցված տրիոդների հավաքածուով, որոնք կատարում էին 1 բիթանոց կուտակիչի դեր։ Այնուհետև արդյունքները տպվում էին մեքենագրական սարքով։

Colossus Mark 2

Colossus Mark 1 -ն արագորեն փոխարինվեց Colossus Mark 2-ով, որոնցից առաջինն ավարտին հասցվեց 1944 թ. հունիսին: Ստեղծվեցին 9 այդպիսի Mark 2-ներ, իսկ բնօրինակը թարմացվեց՝ վերածվելով 10-րդին: Դրանցից յուրաքանչյուրը զբաղեցնում էր մի մեծ սենյակ:

Colossus Mark 2-ն օգտագործում էր 2500 ռադիոլամպ և վերծանում էր ժապավենը հինգ անգամ ավելի արագ, քան իր նախորդը:

Ահա, թե ինչպես էր աշխատում Colossus համակարգիչը

Տվյալների մուտքագրումը կատարվում էր ծածկագրված հաղորդագրությունների թղթային ժապավենի ֆոտոէլեկտրական ընթերցմամբ: Սա կարգավորվում էր շարունակական շղթայով այնպես, որ այն կարող էր ընթերցվել և վերընթերցվել բազմաթիվ անգամներ,քանի որ տվյալների ներքին պահոց չկար:

Colossusում օգտագործվող պերֆորացված թղթային ժապավենը

Տվյալների վերծանում պերֆորացված թղթային ժապավենները վերծանվում էին մեքենայի կողմից, և ժապավենից էլեկտրական ազդանշանները մշակվում էին էլեկտրոնային ձևով: Colossus-ն օգտագործում էր օպտիկական սենսորներ ժապավենների վրա անցքեր հայտնաբերելու համար: Զարգացման ընթացքում ժապավենային ընթերցիչը կարդում էր մինչև 9700 նշան վայրկյանում (53 mph) նախքան ժապավենի վնասվելը: Ուստի կանոնավոր օգտագործման համար սահմանվեց 5000 նշան վայրկյանում (40 ft/s (12.2 m/s; 27.3 mph)) արագությունը:

“Bedstead” սարքը կարևոր բաղադրիչ էր, որ տեղափոխում էր կոդավորված տվյալներ պարունակող թղթային ժապավենը մեքենայի միջով։ Այն կիրառում էր պտտվող թմբուկներ և օպտիկական սենսորներ տվյալների վերծանման և մշակման ժամանակ ժապավենի շարժը կարգավորելու համար։

Ազդանշանների մշակում — մեքենան օգտագործում էր մի շարք վակուումային լամպեր՝ իրականացնելու էլեկտրոնային լոգիկա և մշակման գործողություններ:Վակուումային լամպերը նախատեսված էին ազդանշանի ուժեղացման, սվիտչինգի և հիմնական թվաբանական գործողություններ կատարելու համար:

Colossus համակարգչի վակուումային լամպերը

Բուլյան լոգիկա — Colossus-ը ապակոդավորման համար Բուլյան լոգիկա կիրառող ամենավաղ համակարգիչներից մեկն էր։ Այն գործարկում էր AND, OR, XOR գեյթերը՝ մուտքագրվող տվյալները վերլուծելու համար։ Այս լոջիք գեյթերը նախատեսված էին տվյալների ներսում բիթերի մշակման և համեմատման համար։

AND, OR, XOR լոջիք գեյթերը թվային շղթայում հիմնական կառուցման բլոկներ են, որոնք կատարում են տրամաբանական գործողություններ մեկ կամ ավելի բինար մուտքերի վրա՝ բինար ելքեր ստեղծելու համար։

Կոդավորման սխեմաների որոնում — Colossus-ի առաջնային նպատակը ծածկագրված հաղորդագրությունների ներսում կոդավորման սխեմաներ գտնելն էր։ Այն որոնում էր հաջորդականությունների կամ բնութագրիչների կրկնություն, որոնք կարող էին օգտագործվել Լորենցի ծածկագրի մեքենայական կարգավորումները դուրս բերելու համար։

Կրիպտանալիզ — համեմատելով մեքենայի ելքերը մեքենայի ենթադրյալ կարգավորումների հիման վրա ակնկալվող ելքերի հետ՝ Colossus-ն օգնում էր կրիպտանալիստներին սահմանել ծածկագրման համար կիրառվող ճիշտ կարգավորումները։

Տարբեր կարգավորումների փորձարկումը — Colossus-ն օգտագործվում էր հնարավորինս մեծ թվով մեքենայական կարգավորումների արագ փորձարկման համար։ Այս գործընթացը կոչվում էր “ներխուժում” Լորենցի ծածկագիր։ Հենց ճիշտ կարգավորումները հստակեցվում էին, կոդավորված հաղորդագրություններն ապակոդավորվում էին։

Արդյունքի արտածում — արդյունքները սովորաբար տպագրվում էին թղթային ժապավենի վրա կամ ցուցադրվում էկրանին։ Այդ արդյունքները թույլ էին տալիս կրիպտանալիստնարին վերականգնել բնօրինակ հանդիսացող չկոդավորված հաղորդագրությունները ։

Ծրագրավորման տեխնիկաները — Colossus-ը ստեղծված էր գերմանական ծածկագրերը կոտրելու կոնկրետ նպատակով։ Դա ծրագրավորելու համար ինժիներներն ու ապակոդավորողները պետք է ապակոդավորմանն ուղղված գործողություններ կատարելու հստակ կարգավորումներ տային մեքենային։ Ծրագրավորման գործընթացը գլխավորապես ներառում էր մեքենայի անջատիչների, մալուխների և մյուս ապարատային բաղադրիչների ցանկալի տրամաբանական գործողություններ կատարելու կարգավորումները։ Ի տարբերություն ժամանակակից բարձր ծրագրավորման լեզուներով համակարգիչների՝ Colossus-ի ծրագրավորումը ավելի շատ ֆիզիկական աշխատանք կատարող և ապարատային ուղղվածության էր։

Colossus-ի անջատիչների պանելը ձախից՝ ալգորիթմները ճշգրտող անջատիչները, և աջից՝ ընտրելու հաշվիչները։

Վերականգնում — Colossus մեքենաների գոյությունը գաղտնի էր պահվում մինչև 1970-ականների կեսերը։ Բացի երկուսից մյուս բոլոր մեքենաները մասնատվեցին մինչև այնքան փոքր մասերի, որ այլևս անհնար դարձավ դրանց կիրառությունը։ Պահպանված 2 մեքենաները վերջնականապես քանդվեցին 1960-ականներին։ 1993–2008թթ. լիարժեքորեն ֆունկցիոնալ Colossus Mark 2-ը վերականգնվեց Tony Sale-ի ղեկավարած թիմի կողմից։ Չնայած դիզայնի և սարքավորումների ոչնչացմանը՝ զարմանալիորեն մեծաքանակ նյութ էր պահպանվել՝ հիմնականում ինժիներների նոթատետրերում։

Tony Sale-ի կողմից ղեկավարած թիմը վերականգնած Colossus Mark 2-ը Բլիչլի Փարքում։ Այստեղ 2006թ Սեյլը վերահսկում է ծածկագրված հաղորդագրության ապակոդավորումը վերականգնված մեքենայով։

Ի՞նչ տվեց Colossus-ը

Colossus-ը նպաստեց մի շարք նշանակալի ձեռքբերումների և ազդեցությունների։

Համակարգչի նախաձեռնումը — Colossus-ը ամենավաղ սերնդի ծրագրավորվող թվային համակարգիչն էր, և դրա զարգացումն ու կիրառումը համարվում են համակարգչային էվոլյուցիայի վաղ քայլերը։ Դա նշանավորեց ծածկագրության և հետախուզության մեջ էլեկտրոնային համակարգիչների կիրառման մեկնարկը։

Ընդլայնված ապակոդավորման արդյունավետություն — ճշգրիտ ալգորիթմների և կարգավորումների միջոցով Colossus-ը նշանակալիորեն բարելավեց ապակոդավորման արդյունավետությունը և օգնեց վերծանել գերմանական բարդ ծածկագրերը։ Սա նվազեցրեց հաղորդագրությունների ապածածկագրման համար պահանջվող ժամանակը և մեծացրեց Դաշնակիցների՝ տեղեկատվական գործողություններում հաջողության հնարավորությունները։

Հաշվողական գիտության մեջ ներդրումը — Colossus-ի ստեղծման և կիրառման փորձը մեծ ներդրում ունեցավ հաշվողական տեխնոլոգիաների և էլեկտրոնային համակարգիչների հետագա զարգարման մեջ։ Այն թվային հաշվարկների մեջ էլեկտրոնային բաղադրիչների կիրառման համար հող նախապատրաստեց և նպաստեց ապագա ավելի հզոր և բազմակողմանի համակարգչային համակարգերի ստեղծմանը։

Արդյունքում Colossus-ը կարևոր դեր խաղաց ծածկագրերի վերծանման, հաշվողական տեխնոլոգիայի առաջընթացի և Երկրորդ աշխարհամարտի ընթացքում Դաշնակիցներին աջակցման մեջ։ Դրա գիտական և տեխնիկական նվաճումները ունեցան նշանակալի ազդեցություն հաշվողական և ծածկագրման ոլորտների հետագա զարգացման վրա։

Colossus մեքենաների գոյությունը գաղտնի էր պահվում մինչև 1970-ականների կեսերը։ Բացի երկուսից մյուս բոլոր մեքենաները մասնատվեցին մինչև այնքան փոքր մասերի, որ այլևս անհնար դարձավ դրանց կիրառությունը։ Պահպանված 2 մեքենաները վերջնականապես քանդվեցին 1960-ականներին։ 1993–2008թթ. լիարժեքորեն ֆունկցիոնալ Colossus Mark 2-ը վերականգնվեց Tony Sale-ի ղեկավարած թիմի կողմից։ Չնայած դիզայնի և սարքավորումների ոչնչացմանը՝ զարմանալիորեն մեծաքանակ նյութ էր պահպանվել՝ հիմնականում ինժիներների նոթատետրերում։