Colossus

Regelmäßige Radiosendungen von "Tunny"-Botschaften begannen im Juni 1941. Die britischen Codebrecher sahen, dass es einen fünfteiligen Code wie ein Fernschreibsystem verwendete. Ihre Forschungen zeigten auch, dass die Codierung durch eine Rotor-Chiffriermaschine mit 12 Rädern (Rotoren) erfolgte. Für jede neue Nachricht, die gesendet wurde, mussten die Räder zuerst in neue Positionen gedreht werden. Die Startposition für die Nachricht wurde von dem Bediener gewählt, der die Nachricht verschickte. Er teilte dem Operator, der die Nachricht erhielt, die Startpositionen mit 12 unverschlüsselten Buchstaben mit. Die Gesamtzahl der möglichen Startpositionen der 12 Räder war in der Tat sehr groß.

Die Kodiermaschine addierte den Klartext (die unkodierte Version der Nachricht) und einen Strom von Zeichen (Buchstaben, Zahlen, Interpunktion), den so genannten Keystream (ein Strom scheinbar zufälliger Zeichen), den sie erzeugte, um den Chiffriertext (die kodierte Version der Nachricht) zu erstellen. Der Chiffriertext, der keinen Sinn ergab, wurde per Funk übertragen. Auf der Empfangsseite entfernte eine identische Maschine den Schlüsselstrom, um den Klartext der Nachricht zu erzeugen.

Wenn die deutschen Operatoren immer korrekt arbeiteten, würden keine zwei Meldungen die gleiche Startposition der Räder haben. Es wurden jedoch Fehler gemacht. Sie halfen den britischen Codebrechern. Am 30. August 1941 wurden zwei Versionen der gleichen Nachricht, die fast 4.000 Zeichen lang war, mit den gleichen Startpositionen der Räder gesendet. Dieser Fehler war für die Forschungs-Codebrecher sehr nützlich. Ein Codebrecher namens John Tiltman war in der Lage, den Schlüsselstrom aus diesen Nachrichten zu erhalten.

Die Codebrecher versuchten, aus diesen Informationen die Details der Maschine herauszuarbeiten, aber zunächst scheiterten sie. Dann schloss sich ihnen ein junger Codebrecher namens Bill Tutte an, dem die Aufgabe übertragen wurde. Nach viel Arbeit gelang es ihm, und er erstellte eine logische Beschreibung der unsichtbaren Maschine. Diese Arbeit wurde als "die größte intellektuelle Errungenschaft des Zweiten Weltkriegs" bezeichnet. Tutte fand heraus, dass die Maschine jeden Hauptströmungscharakter durch die Kombination der Effekte von zwei Sätzen von fünf Rädern erzeugte. Er benannte die Räder mit griechischen Buchstaben. Er nannte einen Satz von fünf Rädern die χ ("chi") Räder und den anderen Satz von fünf Rädern die ψ ("psi") Räder. Er fand heraus, dass sich die Räder von χ für jedes neu kodierte Zeichen um eine Position bewegten. Die Räder von ψ bewegten sich jedoch nicht regelmäßig. Sie bewegten sich nur zeitweise. Ob sich die Räder von ψ weiterbewegten oder nicht, wurde von zwei Rädern gesteuert, die er zwei die μ ("mu") oder "Motorräder" nannte.

Max Newman war Mathematiker und Codebrecher in Bletchley Park. Ihm wurde die Aufgabe übertragen, herauszufinden, wie eine Maschine "Tunny"-Nachrichten knacken konnte. Die Maschine würde eine Berechnung für viele mögliche Startpositionen der Räder von χ durchführen. Die Startposition, die aus dieser Berechnung die größte Anzahl ergab, war wahrscheinlich die richtige. Die erste Maschine hieß "Heath Robinson". Dies funktionierte nicht sehr gut. Sie hatte zwei gestanzte Papierbänder, die genau zusammen funktionieren mussten. Ein Band enthielt den Chiffretext in einer Endlosschleife. Das zweite Schlaufenband enthielt Muster, die von den Rädern der Kodiermaschine erzeugt wurden. Bei einer Geschwindigkeit von 2000 Zeichen pro Sekunde dehnten sich die Bänder oft oder brachen. Manchmal reihten sich die Bänder nicht aneinander; dann waren die Zählungen falsch.

Tommy Flowers arbeitete in der Forschungsstation der Post in Dollis Hill im Nordwesten Londons. Er wurde gebeten, sich die Heath-Robinson-Maschine anzusehen. Er dachte, es sei eine schwache Maschine. Er konstruierte eine elektronische Maschine, die die gleiche Aufgabe erfüllen sollte. Sie würde die Muster der Kodiermaschine durch Elektronik herstellen, so dass nur ein Papierband benötigt würde. Im Februar 1943 zeigte er Max Newman dieses Design. Die Konstruktion benötigte 1.500 thermionischeVentile (Vakuumröhren). Nur wenige Leute dachten, dass so viele Ventile ohne große Ausfälle funktionieren könnten. Weitere Heath Robinson-Maschinen wurden bestellt. Flowers blieb jedoch bei der Idee einer elektronischen Maschine. Unterstützung erhielt er von dem Verantwortlichen der Post-Forschungsstation, der Gordon Radley hieß. Tommy Flowers und sein Team begannen im Februar 1943 mit der Arbeit am Koloss.

Das Band mit der Botschaft darauf musste schnell gelesen werden. Tommy Flowers testete das Lesegerät mit bis zu 9.700 Buchstaben/Sekunde (53 mph (85 km/h)), bevor das Band riss. Er wählte 5.000 Zeichen pro Sekunde als eine gute Geschwindigkeit für die regelmäßige Arbeit. Dies bedeutete, dass sich das Papierband mit 12 m/s (40 ft/s) oder 43,9 km/h (27,3 mph) bewegte. Die elektronischen Schaltkreise wurden durch ein Signal angesteuert, das durch das Lesen der Transportlöcher des Lochstreifens erzeugt wurde.

Der erste Koloss arbeitete im Dezember 1943 auf dem Dollis-Hügel. Dann nahmen sie den Koloss auseinander und verlegten ihn nach Bletchley Park. Dort kam er am 18. Januar 1944 an. Harry Fensom und Don Horwood setzten ihn wieder zusammen. Colossus las seine erste Botschaft am 5. Februar. Nach dem ersten Colossus (Mark 1) gab es neun Mark-2-Maschinen. Diese hatten jeweils 2.400 Ventile. Sie waren einfacher zu bedienen. Sie konnten so programmiert werden, dass sie mit der fünffachen Geschwindigkeit der Mark 1 arbeiteten. Ein Mark 2-Koloss arbeitete erstmals am 1. Juni 1944.

Zuerst wurde Colossus nur dazu benutzt, die Start-Rad-Plätze zu finden, die für eine Nachricht verwendet wurden (Radstellung genannt). Codebrecher arbeiteten heraus, wie die Mark 2 verwendet werden konnte, um die Muster der Nocken auf den Rädern zu finden (Radbruch). Am Ende des Krieges arbeiteten zehn Colossus-Computer in Bletchley Park. Das bedeutete, dass sehr viele Nachrichten entschlüsselt wurden.

Colossus verwendete Teile, die damals neu waren. Er verwendete Vakuumröhren, Thyratronen und Photomultiplier. Er las mit Licht vom Papier ab. Dann machte er für jeden Buchstaben eine besondere Sache; die besondere Sache konnte geändert werden. Es zählte, wie oft dieses Besondere "wahr" war. Maschinen mit vielen Vakuumröhren gingen bekanntlich oft kaputt. Sie brechen am häufigsten beim Einschalten, so dass die Colossus-Maschinen nur ausgeschaltet wurden, wenn ein Teil brach.

Colossus war die erste der elektronischen Digitalmaschinen, die ein Programm haben konnte. Es konnte sich nicht so stark verändern wie spätere Maschinen:

• Es hatte kein Programm in sich. Eine Person benutzte Stecker, Kabel und Schalter, um das Programm zu ändern. Auf diese Weise wurde es für eine neue Aufgabe eingerichtet.
• Der Koloss war keine Allzweckmaschine. Er war nur für eine Art von Code-Breaking gedacht: Zählen und Boolesche Operationen.

Es war kein vollständiger Turing-Computer, auch wenn Alan Turing in Bletchley Park war. An diese Idee war noch nicht gedacht worden, und die meisten anderen frühneuzeitlichen Computermaschinen waren nicht Turing-komplett (wie: der Atanasoff-Berry-Computer, die elektro-mechanische Relaismaschine Mark I von Harvard, die Bell Labs Relaismaschinen von George Stibitz und anderen oder die ersten Pläne von Konrad Zuse). Es dauerte lange, bis Computer für viele Zwecke eingesetzt wurden, statt nur einen Taschenrechner nur für die Bearbeitung eines schwierigen Problems zu verwenden.

Wozu die Colossus-Computer benutzt wurden, war sehr geheim. Der Koloss selbst war auch nach dem Krieg noch viele Jahre lang streng geheim. Aus diesem Grund konnte Colossus lange Zeit nicht in die Geschichte der Computerhardware aufgenommen werden. Niemand wusste, wie wichtig Flowers und die anderen Menschen, die an seiner Entstehung beteiligt waren, waren.

Nicht viele Leute wussten über diesen geheimen Computer Bescheid, so dass er wenig direkte Auswirkungen auf das neue Design späterer Computer hatte; EDVAC war das frühe Design, das den größten Einfluss auf das spätere Computerdesign hatte.

Nach der Herstellung von Colossus wussten einige Leute nun, dass digitale Computergeräte mit hoher Geschwindigkeit (ohne bewegliche Teile wie elektrische Relais) hergestellt werden können und dass sie nicht zu viel kaputt machen. Allein dieses Wissen reichte aus, um einen großen Einfluss auf die Entwürfe der frühen Computer in Großbritannien und wahrscheinlich auch in den USA zu haben. Menschen, die über Colossus Bescheid wussten, waren im frühen Computerbereich in Großbritannien wichtig. Das schrieb 1972 Herman Goldstine:

Großbritannien hatte eine solche Vitalität (Energie oder Tatkraft), dass es gleich nach dem Krieg so viele gut geplante und durchgeführte Projekte im Computerbereich in Angriff nehmen konnte.

In diesem Schreiben schrieb Goldstine, dass er nichts von Colossus wusste. Er wusste nicht, was es den Projekten von Menschen, die davon wussten, hinterließ. Menschen wie Alan Turing (mit dem Pilot ACE und ACE) und Max Newman und I. J. Good (mit dem Manchester Mark 1 und anderen frühen Manchester-Computern). Brian Randell schrieb das später:

Das Projekt COLOSSUS war eine wichtige Quelle dieser Vitalität (Energie oder Antrieb), die noch nicht gut verstanden oder bekannt ist, wie auch die Bedeutung seiner Orte in der Zeitlinie der Erfindung des digitalen Computers.

Die kolossalen Pläne und Maschinen waren vor ihrer Herstellung geheim. Das blieb auch nach dem Krieg so, als Winston Churchill die Zerstörung der meisten Koloss-Maschinen in "Teile, die nicht größer als eine Menschenhand waren" befahl; Tommy Flowers selbst verbrannte die Entwürfe in einem Kamin auf dem Dollis Hill. Einige Teile, die so verändert wurden, dass sie unschuldig aussahen, wurden zum Newman's Royal Society Computing Machine Laboratory an der Universität Manchester gebracht. Der Colossus Mark 1 wurde auseinandergenommen und die Teile wurden an die Post zurückgeschickt. Zwei Colossus-Computer wurden zusammen mit zwei kopierten Tunny-Maschinen aufbewahrt. Sie wurden im April 1946 in das neue Hauptquartier des GCHQ in Eastcote verlegt. Zwischen 1952 und 1954 zogen sie erneut mit dem GCHQ nach Cheltenham um. Einer der Computer, bekannt als Colossus Blue, wurde 1959, der andere 1960 auseinandergenommen. In den späteren Jahren wurden die Computer für Trainingszwecke eingesetzt. Zuvor hatte es Versuche gegeben, sie (manchmal gut) für andere Zwecke umzurüsten. Jack Good war der erste, der sie nach dem Krieg einsetzte und die NSA dazu brachte, Colossus für etwas zu verwenden, für das sie eine Spezialmaschine bauen wollten. Colossus wurde auch dazu verwendet, Buchstabenzählungen auf einem einmaligen Klebeband durchzuführen, um auf Nicht-Zufälligkeit zu testen.

Zu dieser Zeit war der Koloss noch geheim, lange nachdem alle seine technischen Details von irgendeiner Bedeutung waren. Dies war darauf zurückzuführen, dass die britischen Geheimdienste rätselhafte Maschinen benutzten, die sie andere Regierungen dazu brachten, sie zu kaufen. Die Geheimdienste knackten die Codes dann auf verschiedene Weise. Wäre das Wissen um die Maschinen zum Knacken der Codes allgemein bekannt gewesen, hätte niemand diese Maschinen akzeptiert; vielmehr hätten sie ihre eigenen Methoden zur Verschlüsselung entwickelt, Methoden, die die britischen Dienste vielleicht nicht hätten brechen können. Der Bedarf an solchen Geheimnissen verschwand langsam, als die Kommunikation auf digitale Übertragung umstieg und in den 1960er Jahren volldigitale Verschlüsselungssysteme üblich wurden.

Oberst Winterbothams Buch The Ultra Secret erschien 1975. Damit wurde die Geheimhaltung um den Koloss gebrochen. Danach wurden Ende der 1970er Jahre Einzelheiten über den Computer bekannt.

Ein 500-seitiger technischer Bericht über die Tunny-Chiffre und ihren Code-Bruch - mit dem Titel General Report on Tunny - wurde im Oktober 2000 vom GCHQ an das nationale Public Record Office übergeben; der vollständige technische Bericht ist online.

Ein Team unter der Leitung von Tony Sale baute eine Arbeitskopie eines Colossus Mark 2. Die Pläne und Maschinen waren zerstört worden, aber eine überraschende Menge an anderem Material wurde nicht zerstört. Es befand sich größtenteils in den Notizbüchern der Ingenieure, ein Großteil davon in den USA. Das Lesegerät für optische Bänder war vielleicht das größte Problem, aber Dr. Arnold Lynch, sein Konstrukteur, war in der Lage, es anhand seiner eigenen ersten Schriften neu zu entwerfen. Der wiederaufgebaute Koloss ist im National Museum of Computing im H Block Bletchley Park in Milton Keynes, Buckinghamshire, zu sehen. Hier wurde der Koloss Nr. 9 im Krieg eingesetzt.

Im November 2007 veranstalteten sie zum Abschluss der Arbeit und zum Beginn der Geldbeschaffung (mit der Bitte um Geld) einen Wettbewerb. Das Geld sollte dem National Museum of Computing bei einem Chiffre-Wettbewerb helfen, bei dem der wiederaufgebaute Koloss mit Funkamateuren aus der ganzen Welt konkurrierte. Derjenige, der als erster drei verschlüsselte Botschaften hörte und entschlüsselte, würde gewinnen. Sie würden mit dem Lorenz SZ42 verschlüsselt und von der Funkstation im Computermuseum Heinz Nixdorf MuseumsForum in Deutschland übertragen. Den Wettbewerb gewann mit Leichtigkeit der Funkamateur Joachim Schüth. Schüth hatte sich auf die Veranstaltung vorbereitet. Er machte sein eigenes Signalverarbeitungs- und Code-Breaking-Programm mit Ada. Das Colossus-Team verlor, weil es Funkgeräte aus dem Zweiten Weltkrieg benutzen wollte. Wegen der schlechten Funkbedingungen kamen sie einen Tag zu spät. Der 1,4-GHz-Laptop des Siegers, auf dem sein eigenes Programm lief, brauchte weniger als eine Minute, um die Einstellungen für alle 12 Räder zu finden. Der deutsche Codebrecher sagte: "Mein Laptop arbeitete mit einer Geschwindigkeit von 1,2 Millionen Briefen pro Sekunde - 240x schneller als Colossus. Wenn man die beiden Computer vergleicht, könnte man sagen, dass Colossus eine Geschwindigkeit von 5,8 MHz hatte. Das ist sehr schnell für einen 1944 gebauten Computer".

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