Computador Colossus

Objetivo e origens

As transmissões de rádio regulares de mensagens "Tunny" começaram em junho de 1941. Os quebra-cabeças britânicos viram que utilizava um código de cinco unidades como um sistema de tele-impressão. Suas pesquisas também mostraram que a codificação estava sendo feita por uma máquina cifradora de rotor com 12 rodas (rotores). Para cada nova mensagem enviada, as rodas tinham primeiro que ser viradas para novas posições. A posição inicial da mensagem foi escolhida pelo operador que estava enviando a mensagem. Ele disse ao operador que estava recebendo a mensagem quais eram as posições de partida com 12 letras que não estavam codificadas. O número total de posições de partida possíveis das 12 rodas era realmente muito grande.

A máquina codificadora adicionou o texto simples (a versão não codificada da mensagem) e um fluxo de caracteres (letras, números, pontuação) chamado keystream (um fluxo de caracteres aparentemente aleatórios) que ele gerou para fazer o texto cifrado (a versão codificada da mensagem). O texto criptografado, que não fazia sentido, era transmitido por rádio. Na extremidade receptora, uma máquina idêntica removeu o fluxo de chave para produzir o texto da mensagem.

Se os operadores alemães trabalhassem sempre corretamente, nenhuma das duas mensagens teria a mesma posição de partida das rodas. No entanto, foram cometidos erros. Eles ajudaram os quebra-cabeças britânicos. Em 30 de agosto de 1941, duas versões da mesma mensagem, que tinha quase 4.000 caracteres, foram enviadas com a mesma posição de partida das rodas. Este erro foi muito útil para os quebra-cabeças de pesquisa. Um quebra-cabeças chamado John Tiltman foi capaz de obter o fluxo de chaves a partir destas mensagens.

Os quebra-cabeças tentaram resolver os detalhes da máquina a partir desta informação, mas no início falharam. Em seguida, um jovem quebra-cabeças chamado Bill Tutte, a quem foi dado o trabalho, juntou-se a eles. Depois de muito trabalho, ele conseguiu, e produziu uma descrição lógica da máquina invisível. Este trabalho foi descrito como "a maior conquista intelectual da Segunda Guerra Mundial". Tutte descobriu que a máquina fez cada um dos caracteres do keystream ao combinar os efeitos de dois conjuntos de cinco rodas. Ele usou letras gregas para nomear as rodas. Ele chamou um conjunto de cinco rodas χ ("chi"), e o outro conjunto de cinco rodas ψ ("psi"). Ele calculou que os desdobramentos χ se moviam em uma posição para cada novo caractere codificado. As rodas ψ, no entanto, não se movimentavam regularmente. Eles só se movimentavam em parte do tempo. Se as rodas ψ se moviam ou não era controlado por duas rodas que ele chamou de μ ("mu") ou "rodas motorizadas".

Max Newman foi matemático e quebra-códigos no Parque Bletchley. Ele recebeu o trabalho de descobrir como uma máquina poderia quebrar as mensagens "Tunny". A máquina faria um cálculo para muitas posições de partida possíveis das rodas χ. A posição de partida que dava a maior contagem deste cálculo era provavelmente a correta. A primeira máquina foi chamada de "Heath Robinson". Isto não funcionou muito bem. Ela tinha duas fitas de papel perfurado que tinham que funcionar exatamente juntas. Uma fita continha o texto cifrado em um loop contínuo. A segunda fita com laço continha padrões feitos pelas rodas da máquina codificadora. As fitas freqüentemente esticavam ou partiam a cada segundo a 2000 caracteres. Às vezes as fitas não se alinhavam; então as contagens estavam erradas.

A máquina que recebeu o nome de código "Tunny" por parte dos britânicos. Os alemães a usavam para codificar as comunicações secretas por tele-impressão. Ela só foi vista pelos Aliados no final da Segunda Guerra Mundial quando souberam que era a Lorenz SZ42. Ele tinha dez rodas, cada uma com um número diferente de cames. Havia um total de 501 cames, cada um dos quais podia ser colocado na posição elevada (ativa) ou na posição inferior (inativa).

Construindo a Colossus

Tommy Flowers trabalhou no Post Office Research Station em Dollis Hill, no noroeste de Londres. Ele foi convidado a olhar a máquina Heath Robinson. Ele achava que era uma máquina fraca. Ele projetou uma máquina eletrônica para fazer o mesmo trabalho. Ele fazia os padrões da máquina codificadora por eletrônica para que apenas uma fita de papel fosse necessária. Em fevereiro de 1943, ele mostrou a Max Newman este projeto. O projeto precisava de 1.500 válvulastermiônicas (tubos de vácuo). Poucas pessoas pensavam que tantas válvulas poderiam funcionar sem falhar muito. Mais máquinas Heath Robinson foram encomendadas. Flores, entretanto, foram mantidas com a idéia de uma máquina eletrônica. Ele recebeu apoio da pessoa encarregada da Estação de Pesquisa dos Correios que se chamava Gordon Radley. Tommy Flowers e sua equipe começaram a trabalhar na Colossus em fevereiro de 1943.

A fita com a mensagem tinha que ser lida em velocidade. Tommy Flowers testou o leitor de fita até 9.700 letras/segundo (53 mph (85 km/h)) antes que a fita se partisse. Ele selecionou 5.000 caracteres cada segundo como uma boa velocidade para trabalho regular. Isto significava que a fita de papel se movia a 40 pés/s (12 m/s) ou 27,3 mph (43,9 km/h). Os circuitos eletrônicos eram acionados por um sinal feito a partir da leitura dos orifícios da roda dentada da fita perfurada.

O primeiro Colossus trabalhou no Dollis Hill em dezembro de 1943. Depois desmontaram o Colossus e o mudaram para Bletchley Park. Chegou lá em 18 de janeiro de 1944. Harry Fensom e Don Horwood o colocaram de volta. A Colossus leu sua primeira mensagem no dia 5 de fevereiro. Após o primeiro Colossus (Mark 1), havia nove máquinas Mark 2. Cada uma delas tinha 2.400 válvulas. Elas eram mais fáceis de usar. Elas podiam ser programadas para funcionar a cinco vezes a velocidade da Mark 1. Uma Mark 2 Colossus trabalhou pela primeira vez em 1 de junho de 1944.

No início, o Colossus só era usado para encontrar os locais de partida da roda utilizados para uma mensagem (chamada de ajuste da roda). Os quebra-cabeças trabalhavam como usar a Marca 2 para ajudar a encontrar os padrões dos cames nas rodas (quebra-roda). No final da guerra, havia dez computadores Colossus trabalhando no Bletchley Park. Isto significou que muitas mensagens foram decodificadas.

Projeto e uso

A Colossus usava peças que eram novas na época. Utilizava tubos de vácuo, tiratrões e fotomultiplicadores. Leu a partir de papel com luz. Depois fazia uma coisa especial para cada carta; a coisa especial podia ser mudada. Contava com que freqüência essa coisa especial era "verdadeira". As máquinas com muitos tubos de vácuo eram conhecidas por quebrar muito. Elas quebram mais ao ligar, então as máquinas Colossus só eram desligadas quando uma peça se partia.

A Colossus foi a primeira das máquinas digitais eletrônicas que poderiam ter um programa. Ele não podia mudar tanto quanto as máquinas posteriores:

• não tinha nenhum programa dentro de si. Uma pessoa usava fichas, fios e interruptores para mudar o programa. Foi assim que foi configurado para uma coisa nova a ser feita.
• A Colossus não era uma máquina de uso geral. Foi feita para apenas um tipo de quebra de código: contagem e operações booleanas.

Não era um computador completo da Turing, apesar de Alan Turing estar no Bletchley Park. Esta idéia ainda não havia sido pensada, e a maioria das outras primeiras máquinas de computação moderna não eram Turing-complete (como: o Atanasoff-Berry Computer, a máquina de relé eletromecânico Mark I de Harvard, as máquinas de relé Bell Labs de George Stibitz e outros, ou os primeiros planos de Konrad Zuse). Levou muito tempo para que os computadores fossem usados para muitos usos, ao invés de apenas uma calculadora para resolver apenas um problema difícil.

Influência e destino

O que os computadores Colossus eram usados era muito secreto. O próprio Colosso era altamente secreto mesmo por muitos anos após a Guerra. É por isso que o Colossus não pôde ser incluído na história do hardware de computação por um longo tempo. Ninguém sabia como eram importantes as Flores e as outras pessoas que ajudaram a fabricá-lo.

Poucas pessoas sabiam sobre este computador secreto, portanto ele teve pouco efeito direto sobre o novo design de computadores posteriores; EDVAC foi o design inicial que teve mais efeito sobre o design de computadores posteriores.

Uma vez que o Colossus foi feito, algumas pessoas agora sabiam que dispositivos de computação digital eletrônicos de alta velocidade (sem peças móveis como relés elétricos) podiam ser feitos e não quebravam muito. Apenas este conhecimento era suficiente para ter um grande efeito nos projetos dos primeiros computadores na Grã-Bretanha e provavelmente nos EUA. As pessoas que conheciam a Colossus eram importantes no campo da informática primitiva na Grã-Bretanha. Em 1972, Herman Goldstine escreveu isso:

A Grã-Bretanha tinha uma vitalidade (energia ou impulso) tal que poderia logo após a guerra iniciar tantos projetos bem planejados e bem feitos no campo da informática.

Por escrito, a Goldstine não conhecia a Colossus. Ele não sabia o que restava aos projetos de pessoas que sabiam sobre ele. Pessoas como Alan Turing (com o Pilot ACE e ACE), e Max Newman e I. J. Good (com o Manchester Mark 1 e outros computadores do início de Manchester). Brian Randell escreveu isso mais tarde:

o projeto COLOSSUS foi uma fonte importante desta vitalidade (energia ou impulso), que não foi bem compreendida ou conhecida, assim como a importância de seus lugares na linha do tempo da invenção do computador digital.

Os planos e máquinas da Colossus eram secretos desde quando foram feitos. Eles ficaram assim depois da Guerra, quando Winston Churchill ordenou a destruição da maioria das máquinas Colossus em "peças não maiores que a mão de um homem"; o próprio Tommy Flowers queimou os desenhos em uma lareira em Dollis Hill. Algumas peças, mudadas para parecer inocentes, foram levadas para o Laboratório de Máquinas Computacionais da Royal Society de Newman, na Universidade de Manchester. O Colossus Mark 1 foi desmontado e as peças foram enviadas de volta para os Correios. Dois computadores Colossus, juntamente com duas máquinas Tunny copiadas, foram mantidos. Eles foram transferidos para o novo escritório central da GCHQ em Eastcote em abril de 1946. Eles mudaram-se novamente com a GCHQ para Cheltenham entre 1952 e 1954. Um dos computadores, conhecido como Colossus Blue, foi desmontado em 1959; o outro, em 1960. Em seus últimos anos, os computadores foram usados para treinamento. Antes disso, houve tentativas de mudá-los (às vezes bem) para outros fins. Jack Good foi o primeiro a usá-los após a guerra, fazendo com que a NSA usasse o Colossus para fazer algo para o qual eles planejavam construir uma máquina para fins especiais. Colossus também foi usado para realizar contagens de letras em fita adesiva para testar a não aleatoriedade.

Nessa época, o Colosso ainda era secreto, muito depois de qualquer de seus detalhes técnicos ter sido de alguma importância. Isto se devia ao uso, por parte das agências de inteligência do Reino Unido, de máquinas do tipo Enigma que eles conseguiram que outros governos comprassem. As agências então quebravam os códigos usando diferentes maneiras. Se o conhecimento das máquinas de quebra de código fosse amplamente conhecido, ninguém teria aceito essas máquinas; ao contrário, elas teriam desenvolvido seus próprios métodos de criptografia, métodos que os serviços britânicos poderiam não ter sido capazes de quebrar. A necessidade de tais segredos foi aos poucos desaparecendo à medida que as comunicações passaram para a transmissão digital e os sistemas de criptografia totalmente digital se tornaram comuns nos anos 60.

O livro do Coronel Winterbotham, The Ultra Secret, foi publicado em 1975. Isto quebrou o segredo em torno do Colosso. Depois disso, os detalhes sobre o computador começaram a se tornar públicos no final dos anos 70.

Um relatório técnico de 500 páginas sobre a cifra Tunny e sua quebra de código - intitulado Relatório Geral sobre Tunny - foi entregue pela GCHQ ao Escritório Nacional de Registro Público em outubro de 2000; o relatório técnico completo está online.

Fazendo-o novamente

Uma equipe liderada por Tony Sale construiu uma cópia de trabalho de um Colossus Mark 2. Os planos e máquinas haviam sido destruídos, mas uma quantidade surpreendente de outro material não foi destruída. O leitor de fita ótica pode ter sido o maior problema, mas o Dr. Arnold Lynch, seu projetista, foi capaz de redesenhá-lo a partir de seus primeiros escritos. O Colossus reconstruído está em exposição no Museu Nacional de Informática, no H Block Bletchley Park em Milton Keynes, Buckinghamshire. Foi aqui que o Colosso No. 9 foi usado na guerra.

Em novembro de 2007, para marcar tanto o fim do trabalho quanto o início da arrecadação de fundos (pedindo dinheiro), eles organizaram uma competição. O dinheiro ajudaria o Museu Nacional de Informática com uma competição de cifras onde o Colossus reconstruído competia com radioamadores de todo o mundo. O primeiro a ouvir e decodificar três mensagens incitadas ganharia. Elas seriam cifradas usando o Lorenz SZ42 e transmitidas da estação de rádio no museu de computação Heinz Nixdorf MuseumsForum, na Alemanha. A competição foi facilmente vencida pelo radioamador Joachim Schüth. Schüth tinha se preparado para o evento. Ele fez seu próprio programa de processamento de sinal e quebra de código usando Ada. A equipe Colossus perdeu porque queria usar rádios da Segunda Guerra Mundial. Eles estavam com um dia de atraso por causa das más condições de rádio. O laptop de 1,4 GHz do vencedor, rodando seu próprio programa, levou menos de um minuto para encontrar as configurações para todas as 12 rodas. O quebra-cabeças alemão disse: "Meu laptop trabalhava em texto cifrado a uma velocidade de 1,2 milhões de letras por segundo - 240x mais rápido que o Colossus". Se você comparar os dois computadores, pode-se dizer que Colossus tinha uma velocidade de 5,8 MHz. Isso é muito rápido para um computador construído em 1944".

Em 2006, Tony Sale (à direita) está no comando. Eles estão quebrando uma mensagem decifrada com a máquina completa. Desde 1994, sua equipe está construindo um novo computador Colossus no Bletchley Park.

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