Как стать автором
Обновить
138.89
Serverspace
IT-инфраструктура | Кешбэк 17% по коду HABR

Творец Колосса. История Томаса Флауэрса

Уровень сложностиПростой
Время на прочтение9 мин
Количество просмотров5.9K


Говорят, что война — это битва не только снарядов и брони, но и информационных технологий. В современном мире это действительно так, однако справедливость данного высказывания в полной мере относится и ко Второй мировой войне. На Германскую авиационную промышленность работали созданные Конрадом Цузе компьютеры Z2 и Z3, а на фронте немецкая армия вовсю использовала сложные системы шифрования для передачи сообщений, которые союзникам требовалось оперативно расшифровывать. И здесь им на помощь пришла мощная вычислительная машина, которую построил простой инженер почтовой службы, британец Томми Флауэрс.

На самом деле Флауэрс, конечно, был не совсем простым инженером, и к работе над компьютером, который позже получил название Colossus, его привлек ни кто иной, как Алан Тьюринг. Примечательно также и то, что о большом, а тем более — «колоссальном» компьютере изначально никто не помышлял, задачи перед Флауэрсом стояли куда как более скромные. Однако — обо всем по порядку.

Томас Гарольд Флауэрс появился на свет в лондонском Ист-Энде 22 декабря 1905 года, в семье каменщика. Эта работа считалась сезонной, и потому семья Флауэрсов жила небогато, а в зимний период так и вовсе приходилось экономить. Тем не менее, родители сделали все возможное, чтобы Том получил достойную профессию: как это было принято в первых десятилетиях XX века в Англии, юноша устроился в Королевский арсенал Вулиджа — оружейное предприятие на южном берегу Темзы, где он одновременно мог зарабатывать и обучаться основам механики и машиностроения. Уже в раннем возрасте Томас проявил тягу к знаниям: он поступил на вечернее отделение Лондонского университета, чтобы стать специалистом по электротехнике. Эти знания очень пригодились ему, когда в 1926 году молодой человек устроился на Британскую королевскую почту, а точнее — в ее телекоммуникационный департамент, который ведал телеграфом и телефонной связью.



В отличие от США, где телефонизацией населения занимались частные корпорации, в Великобритании дела обстояли несколько иначе. Изначально там тоже возникли две конкурирующие телефонные фирмы: мистера Белла и мистера Эдиссона, но вскоре почтовое министерство решило, что телефон является всего лишь разновидностью телеграфа, на который у почты имелась государственная монополия. Ссылаясь на законы (принятые за 20 лет до изобретения телефонной связи), почтовое ведомство через суд прибрало новую технологию к рукам. Правда, спустя какое-то время чиновникам пришлось идти на попятную, поскольку для оборудования переговорных пунктов и подключения новых абонентов нужны были телефонные аппараты и АТС, а частные компании наотрез отказывались продавать их монополисту. В итоге к началу века сложилась странная компромиссная ситуация, когда формально телефонная сеть принадлежала Королевской почте, но ее техническим обеспечением и обслуживанием занимались частные компании, правда, по выдаваемой министерством специальной лицензии и с уплатой соответствующих сборов в королевскую казну.



Во второй половине XIX века станции в основном обслуживались девушками-телефонистками, которые по просьбе «барышня, соедините, пожалуйста, с Бейкер-стрит, 111» послушно втыкали щуп с проводом в соответствующее гнездо коммутатора. Затем технический прогресс породил механические «самодействующие коммутаторы», а во времена Флауэрса уже активно разрабатывались и внедрялись автоматические электронные АТС, работающие на реле и вакуумных лампах. Проектированием именно такой станции и занялся Томас, перейдя в 1930 году на работу в исследовательский центр почтового отделения в Доллис-Хилл на северо-западе Лондона. К 1939 году его группа создала коммутационную станцию, содержавшую более 3000 вакуумных ламп (не считая реле), которая была способна обслуживать порядка 1000 абонентских линий. Флауэрс позже писал, что «к началу Второй мировой войны я, пожалуй, был единственным человеком в Британии, который понял, что лампы можно надежно использовать в больших масштабах для высокоскоростных вычислений».


Ламповая АТС Флауэрса

Война поставила перед инженерами-электронщиками принципиально иные задачи и создала новые вызовы. Немцы активно использовали на полях сражений коммуникации с шифрованными сообщениями, созданными с помощью машины «Энигма», а позже — более совершенной машины Лоренца. Взлом этих шифров стал первоочередной задачей, над которой бились ведущие инженеры и математики, включая Алана Тьюринга. С этой целью в Блетчли-Парке, в 80 км к западу от Лондона, было создано специальное правительственное учреждение — Государственная школа кодов и шифрования (GC&CS), где Тьюринг и его коллеги строили релейную электронную машину «Бомба» (the Bombe machine) для взлома германских шифров. К этой работе Тьюринг старался привлечь лучших английских инженеров-электронщиков, одним из которых оказался Томас Флауэрс. В феврале 1943 года Тьюринг познакомил его с Максом Ньюманом, возглавлявшим проект по дешифровке кода, созданного германской шифровальной машиной с телетайпом Lorenz SZ40/42 — еще более совершенной, чем «Энигма». Код был настолько сложен, что его расшифровка с помощью релейных машин вроде «Бомбы» могла бы занять годы.


Энигма

Ознакомившись с проектами Тьюринга и Ньюмана, Флауэрс предложил более технически сложную и амбициозную идею. А именно — построить электронно-вычислительную машину, содержащую более тысячи термоэмиссионных вакуумных ламп и большое количество реле, которая могла бы выполнять необходимые расчеты с достаточной эффективностью. Исходные закодированные сообщения, подлежащие расшифровке, он предложил записывать на перфорированную бумажную ленту — примерно тот же принцип несколькими годами ранее придумал Конрад Цузе, правда, в качестве перфоленты для ввода инструкций в свой компьютер он использовал более прочную и практичную целлулоидную кинопленку, для которой уже существовали надежные лентопротяжные механизмы.

Руководство, отвечавшее за финансирование разработок центра в Блетчли-Парке, сомневалось в работоспособности такой сложной электронной машины. Доводы Флауэрса о том, что в его лаборатории уже сейчас работает ламповая АТС, содержащая даже большее количество элементов, никого не убедили. Главным противником идеи был Гордон Уелчман из Британской компании по производству счетных машин (British Tabulating Machine Company, BTM), который выступал за использование реле вместо вакуумных ламп, поскольку они уже прекрасно зарекомендовали себя в конструкции «Бомбы». Он даже настраивал на отстранении от работ «мистера Флауэрса из Доллис-Хилл» за бестолковое растрачивание годных электронных ламп.

Тогда Томас начал проектирование и сборку компьютера в одном из помещений почтового отделения в Доллис-Хилл на свой страх и риск, финансируя проект из собственных средств. Вскоре он заручился поддержкой директора исследовательского центра в Доллис-Хилл У. Рэдли и получил приоритет в закупке комплектующих. Проектируемую им машину из-за внушительных размеров назвали Colossus.



Благодаря этой поддержке Флауэрс и собранная им команда инженеров смогли построить прототип «Колосса» за 11 месяцев, к декабрю 1943 года. Машина использовала вакуумные лампы для выполнения логических и математических операций. Закольцованная перфолента применялась для ввода в машину самого закодированного сообщения, которое требовалось расшифровать. В релейной «Бомбе» были задействованы сразу две ленты: одна — для зашифрованного сообщения, вторая — для ключей шифрования, при этом их считывание необходимо было точно синхронизировать, что негативно влияло на надежность работы системы. Благодаря альтернативной возможности ввода ключей с помощью переключателей и штекеров — привычным методом для Флауэрса, который ранее проектировал АТС и телефонные коммутаторы, — Colossus сумел избавиться от второй ленты.

К июлю 1944 года компьютер был модернизирован, в нем появились регистры сдвига, что позволило увеличить вычислительную мощность примерно в пять раз. Инженеры внесли и другие конструктивные изменения. Например, работая с прототипом, Флауэрс понял, что большинство случаев выхода из строя вакуумных ламп происходит в момент включения или отключения питания ЭВМ, поэтому первую версию «Колосса» старались по возможности не отключать от электрической сети. В модернизированной модели на платы сначала подавалось пониженное напряжение, которое выходило на «рабочий режим» после того, как лампы нагреются. Сами лампы стали припаивать к платам, чтобы избежать дребезга контактов при их нагревании в подпружиненных разъемах. Первая версия ЭВМ насчитывала 1600 вакуумных трубок, вторая — уже 2400. После успешных испытаний в лаборатории почтового отделения в Доллис-Хилл компьютер был разобран и перевезен в Блетчли-Парк, где его собрали заново.

Colossus был и вправду внушительной машиной: конструктивно он состоял из лентопротяжного механизма, содержащего 8 считывающих фотоэлементов, блока управления, обеспечивающего запуск и остановку ленты, набора функциональных модулей, выполняющих логические операции, шестиразрядного регистра сдвига, двенадцати кольцевых тиратронов, имитирующих немецкую шифровальную машину Лоренца, главного блока управления, задающего тактовую частоту, подающего сигналы запуска и остановки, а также модуля, управляющего считыванием датчиков и печатью. Кроме того, имелась панель с переключателями, позволявшими вводить данные в машину, и электрическая пишущая машинка в качестве устройства вывода.



Перехваченное разведкой зашифрованное сообщение вводилось в Colossus с помощью склеенной в кольцо бумажной перфоленты и считывалось фотоэлектрическими датчиками — между концом и началом сообщения присутствовал обязательный промежуток длиной в 150 символов. Ленту можно было прокрутить сколько угодно раз — внутреннего хранилища данных в «Колоссе» не имелось. Параметры для расшифровки выставлялись на панели управления с помощью штекеров и переключателей, после чего процесс запускался: движение ленты синхронизировалось с работой электроники благодаря генератору тактовых сигналов. Скорость работы компьютера во многом ограничивалась скоростью лентопротяжного механизма и прочностью самой бумажной ленты — при определенных условиях она просто рвалась. Экспериментальным путем была выбрана скорость передачи данных, соответствовавшая 5000 символам в секунду. С появлением в конструкции Colossus 6-разрядного сдвигового регистра эффективная скорость обработки возросла до 25 000 символов в секунду.



Принцип работы «Колосса» в целом напоминал современные программные средства для подбора ключей к некоторым типам троянов-шифровальщиков. Изначально британцам была неизвестна конструкция и принципы действия немецкой шифровальной машины Лоренца, но, анализируя перехваченные зашифрованные сообщения, они все-таки сумели построить ее математическую модель. Прорыв в исследованиях произошел, когда немцы по ошибке передали две версии одного и того же сообщения, зашифрованные одним ключом. Криптоаналитики быстро поняли, что машина использует технику шифрования Вернама в стандартном 5-битном телеграфном коде ITA2, выполняя над потоком символов операцию XOR c определенным набором ключевых значений. Для их выбора машина оснащена 12 колесами, положение которых и определяет ключ шифрования. Чтобы расшифровать сообщение, необходимо было вычислить начальное положение колес в машине Лоренца – эту задачу и решал Colossus.


Машина Лоренца

Решал он ее настолько успешно, что к окончанию войны в эксплуатации находились десять таких ЭВМ, а одиннадцатая была готова войти в строй. «Колоссы» эксплуатировал военно-морской флот Великобритании, военная разведка, ВВС, а также многие другие ведомства. Некоторые историки считают, что использование Colossus для расшифровки сообщений германской армии способствовало разрушению планов вермахта и сократило срок Второй мировой войны примерно на два года. Эти машины оказали значительное влияние на планирование высадки союзных войск в Нормандии и других войсковых операций. Так, благодаря расшифрованному «Колоссом» докладу фельдмаршала Эрвина Роммеля стало известно, что одно из мест, выбранных союзниками в качестве точки десантирования парашютной дивизии США, на самом деле было занято хорошо подготовленной к обороне базой немецкой танковой дивизии, поэтому точку высадки в спешном порядке изменили.



После окончания Второй мировой все ЭВМ Colossus были демонтированы и разобраны — кроме двух, которые забрала себе британская разведка. Они использовались для расшифровки советской дипломатической переписки и перехваченных сообщений военных в годы холодной войны. Узнав о том, что создание прототипа «Колосса» Том Флауэрс финансировал за свой счет, британское правительство выплатило ему компенсацию в размере 1000 фунтов стерлингов. Этой суммы, конечно, не хватило, чтобы покрыть расходы Флауэрса, поэтому он разделил ее со своими коллегами, которые помогали ему собирать и тестировать эту машину.

В начале 50-х Флауэрс попытался открыть свое дело — компанию по производству и сборке коммерческих ЭВМ, но банки, в которые он обратился, отказали ему в кредите, поскольку посчитали создание столь сложной электронной конструкции технически нереализуемым проектом. Сообщить банкирам о том, что он уже успешно собрал и ввел в эксплуатацию 10 таких машин, Флауэрс не мог, так как это стало бы нарушением закона о государственной тайне, которым охранялась конструкция и сам факт существования «Колоссов». Некоторая часть его разработок оставалась засекреченной вплоть до 2011 года.



Отчаявшись стать бизнесменом, Флауэрс вернулся на телефонную станцию и проработал там начальником отдела коммутации до самой пенсии, на которую он вышел в 1969 году. Томас Гарольд Флауэрс скончался в 1998-м в возрасте 92 лет, оставив жену и двух сыновей.

Несмотря на то, что Colossus был исключительно прикладной машиной, решавшей одну конкретную задачу по расшифровке немецких сообщений, то есть, эта машина не считалась полной по Тьюрингу, она оказала значительное влияние на развитие компьютерных технологий в Великобритании и во всем мире. Семья Тома Флауэрса все эти годы находилась в неведении: всё, что они знали, — это то, что его работа во время войны была чем-то «секретным и важным». В 2010 году в районе, где родился Флауэрс, был открыт Центр информационных и коммуникационных технологий для молодежи его имени. Спустя 70 лет после создания «Колосса», в 2013 году, компания British Telecom открыла мемориал, установив бронзовый бюст Томми Флауэрса в парке перед одним из своих офисов. А три года спустя эта компания основала институт имени Томми Флауэрса, который готовит специалистов в области телекоммуникаций. Так были увековечены заслуги этого выдающегося изобретателя и инженера, работа которого приблизила окончание Второй мировой войны и, возможно, изменила ход истории.

Источники: Tommy Flowers: The Man Who Built Colossus, Tommy Flowers, Royal Arsenal, Bombe, British Tabulating Machine Company, Colossus computer, GCHQ.

Реклама: В Serverspace пользователи могут развернуть облачные серверы и создать виртуальную инфраструктуру для своих IT-проектов. С помощью удобной панели они могут самостоятельно управлять своими ресурсами и масштабировать их в любое время.

Теги:
Хабы:
Всего голосов 37: ↑36 и ↓1+45
Комментарии2

Публикации

Информация

Сайт
serverspace.ru
Дата регистрации
Дата основания
Численность
201–500 человек
Местоположение
Россия