Die Kolossmaschine

Max Newman

Max NewmanNachdem Bill Tutte den möglichen Doppel-Delta-Angriff gegen die Lorenz-Chiffre entdeckt hatte, schien die Entschlüsselung dieser deutschen Nachrichten machbar. Obwohl Tuttes Technik das Testen von nur etwa 1000 möglichen Radkombinationen erforderte, um die Radeinstellungen für eine Nachricht zu ermitteln, war dies immer noch eine Zahl, die groß genug war, um eine einigermaßen große Anzahl deutscher Nachrichten von Hand zu entschlüsseln.

Die Antwort auf dieses Problem bestand darin, den Doppel-Delta-Angriff in einer Art Computer zu mechanisieren. Max Newman, ein Mathematiker, der am Bletchley Park arbeitete, hatte die Idee, dass der Doppel-Delta-Angriff elektronisch ausgeführt werden könnte, wodurch die Zeit für die Bestimmung der Radeinstellungen für eine Nachricht erheblich verkürzt würde. Er stellte sich eine Maschine vor, die Chiffretext als Eingabe aufnimmt und mit allen möglichen Kombinationen von zwei identischen Rädern vergleicht. Die Kombination, die zu der höchsten Korrelation zwischen den Deltas dieser Ströme führte, würde dann als korrekte Einstellungen für zwei der χ-Räder gewählt.

Heath Robinson

Newmans erste Anfrage nach einer solchen Maschine führte zu den elektromechanischen Computern von Heath Robinson. Diese hatten erhebliche Geschwindigkeitsprobleme, da für den Doppeldelta-Angriff zwei gestanzte Papierbänder verglichen werden mussten. Wenn die Bänder mit hohen Geschwindigkeiten liefen, neigten sie dazu, sich zu dehnen und falsch auszurichten. Da die Maschine im Wesentlichen zwei Leser hatte, die jeweils einen Buchstaben auf dem Band lesen und vergleichen würden, war die Synchronisation sehr wichtig. Die Fehlausrichtung bedeutete, dass den Ergebnissen der Heath Robinson-Maschinen nicht immer vertraut werden konnte, wenn sie mit einigermaßen hohen Geschwindigkeiten betrieben wurden.Newman bestand darauf zu glauben, dass eine elektronische Methode gefunden werden könnte, um den Doppel-Delta-Angriff zu beschleunigen. Diese Beharrlichkeit führte ihn zu Tommy Flowers, einem Ingenieur, der für die Post arbeitete. Auf Wunsch von Newman entwarf Flowers Colossus, eine Maschine, die in der Lage wäre, den Doppel-Delta-Angriff elektronisch zu implementieren und somit die Zeit, die erforderlich ist, um die Radeinstellungen für eine Lorenz-verschlüsselte Nachricht zu bestimmen, erheblich zu verkürzen.

Colossus

Die Colossus-Maschine übertraf die Fähigkeiten des Heath Robinson erheblich. Es war in der Lage, Papierband mit 5000 Zeichen pro Sekunde zu lesen, fünfmal so schnell wie Heath Robinson. Darüber hinaus benötigte der Koloss keine zwei Papierbänder, da die Ausgabe der beiden Räder vollständig elektronisch generiert wurde. Somit war das einzige Band, das als Eingabe benötigt wurde, die verschlüsselte Nachricht. Obwohl Colossus in erster Linie für die Implementierung des Double Delta-Angriffs gegen die Lorenz-Chiffre entwickelt wurde, waren seine Logikschaltungen zu einem sehr großen Teil programmierbar. Die Programmierung erfolgte über Steckbretter und Schalter auf der Rückseite der Maschine. Obwohl sich dies sehr von modernen Computern zu unterscheiden scheint, die Programme im Speicher speichern, macht die elektronische Erzeugung des Steuerradausgangsstroms den Colossus zu einer revolutionären Maschine.

Colossus machine in acion

Der erste elektronische Computer

Obwohl ENIAC, der 1945 von der US-Regierung gebaute Computer, oft als der erste elektronische Computer gelobt wurde, verdient der Colossus Mk I diesen Titel tatsächlich. Der Koloss wurde vor ENIAC gebaut, aber aufgrund der streng geheimen Arbeiten im Bletchley Park wurden die Pläne zerstört und diejenigen, die daran gearbeitet hatten, zur Geheimhaltung verpflichtet. Colossus war jedoch ein elektronischer Computer. Es erfüllt diese Qualifikation, weil seine grundlegenden Bausteine für die Logik thermionische Ventile waren, die in den Vereinigten Staaten häufiger als Vakuumröhren bekannt sind. Diese Ventile sind automatische elektronische Schalter – das heißt, sie lassen nur dann Strom zwischen Anode und Kathode fließen, wenn ein dritter Draht auf einem bestimmten Potential liegt. Diese erfüllen eine nahezu identische Funktion wie Transistoren in modernen Computern. Darüber hinaus ermöglichen die thermionischen Ventile das Schalten mit Geschwindigkeiten in der Größenordnung von Millionen pro Sekunde, viel höher als bei früheren Rechenmaschinen. Tatsächlich war die Geschwindigkeit des Kolosses in erster Linie durch die Geschwindigkeit begrenzt, mit der das Band mit dem Chiffretext gelesen werden konnte.

Erstellen der χ-Räder

Um mit der Doppeldelta-Methode die richtigen χ-Radeinstellungen zu finden, musste zunächst das tatsächliche Muster von Einsen und Nullen auf jedem χ-Rad bekannt sein und elektronisch in Colossus gespeichert werden. Dies wurde durch Ringe von Thyratronventilen erreicht. Ein Thyratronventil ähnelt einem thermionischen Ventil, enthält jedoch anstelle eines Vakuums eine bestimmte Menge Neongas. Dies bedeutet, dass, sobald ein Strom durch das Ventil fließen darf, dieser fortgesetzt wird, bis eine bestimmte entgegengesetzte Spannung an zwei der Leitungen angelegt wird. Auf diese Weise kann ein Thyratron ein Bit Information elektronisch speichern. Ringe dieser Ventile, die in genauen Zahlen angeordnet waren, um die Räder der Lorenz-Verschlüsselungsmaschine nachzuahmen, wurden verwendet, um alle möglichen Kombinationen für zwei identische Räder zu erzeugen. Sobald das Muster von Einsen und Nullen auf den Rädern bekannt war, konnten diese in den Thyratronringen gespeichert und verwendet werden, um die richtigen Einstellungen für mehrere Nachrichten zu finden.

Running Colossus

Die Colossus-Maschine wurde von einem Bandleser angetrieben, der Stanzlöcher in einem Band abtastete, die den verschlüsselten Text einer Nachricht darstellten. Die Stanzlöcher wurden von einem photoelektrischen Lesegerät in eine Folge von Impulsen umgewandelt, die dann zur Verarbeitung an die arithmetischen und logischen Schaltungen von Colossus gesendet wurden. Das Band enthielt auch eine Reihe von “Kettenradlöchern”, die für den Zeitpunkt der Verarbeitung verwendet wurden. Jeder Impuls aus einem schwarzen Loch war im Wesentlichen ein Tick der Uhr, die Colossus lief.

Bei jedem Tick werden Impulse vom Band und von den Thyratronringen an Delta-Schaltungen gesendet, die das Delta jedes Bitstroms berechnen. Die Dreieckschaltungen enthalten Kondensatoren, die einen Impuls so lange verzögern, dass er zum nächsten Eingangsimpuls addiert werden kann (Modulo 2). Dieser Prozess berechnet das Delta jedes Eingabestroms, da er eine Eins ausgibt, wenn zwei aufeinanderfolgende Bits unterschiedlich sind, und eine Null, wenn sie gleich sind. Das Delta des Stroms aus zwei Bitspalten auf dem Band (die zwei Impulse in der verschlüsselten Nachricht darstellen) und zwei Thyratronringen (die zwei Χ-Räder darstellen) werden dann gesendet, um von den Logikschaltungen kombiniert zu werden. Wie auf der Seite zum Double Delta-Angriff beschrieben, waren die Radeinstellungen, die die meisten Nullen aus dem obigen Prozess erzeugten, wahrscheinlich korrekt.

Colossus enthielt Zähler, um jedes Mal zu verfolgen, wenn die Kombination der beiden Eingangsdelta-Ströme in den Logikschaltungen eine Null erzeugte. Ein Bediener der Maschine würde manuell einen Schwellwert einstellen, der, wenn er um die Anzahl der Nullen für bestimmte Radeinstellungen überschritten würde, dazu führen würde, dass die Radeinstellungen und die Anzahl der Nullen für diese Einstellungen ausgedruckt würden. Somit könnten alle Kombinationen, die zu wenig Nullen produzierten, ignoriert werden, da ihre Zählung den Schwellenwert nicht überschreiten würde und daher nicht ausgedruckt würde.

Parallelität

Um die Berechnung zu beschleunigen, wurde Colossus entwickelt, um fünf Vergleiche parallel durchzuführen. Es wurde ein sogenanntes “Schieberegister” verwendet, das die letzten sechs Bits speichert, die vom Band kommen. Auf diese Weise könnten fünf Deltas gleichzeitig berechnet werden. Der Name “Schieberegister” kommt von der Tatsache, dass, wenn jedes neue Bit in das Register kommt, alle anderen um eine Stelle verschoben werden und das älteste entfernt wird. Die Verfügbarkeit von sechs Bits bedeutet, dass die fünf Deltas gleichzeitig aus der Nachricht entnommen werden können. Wenn diese alle mit der gleichen Ausgabe der Thyratronringe verglichen werden, ergibt sich, dass fünf aufeinanderfolgende Schleifen des Bandes in der Zeit einer Schleife durchgeführt werden können. Mit dem Aufkommen des Schieberegisters konnten also fünfmal so viele deutsche Nachrichten verarbeitet werden, wie es sonst möglich gewesen wäre.

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