巨人计算机

巨人计算机
	巨像2计算机由Wrens运营。左侧的倾斜控制面板用于设置洛伦兹的“销”（或“凸轮”）模式。 “床架”纸带运输在右侧。
开发人员	Tommy Flowers ，由Sidney Broadhurst，William Chandler和Mark 2机器协助， Allen Coombs
制造商	邮局研究站
类型	专用电子数字可编程计算机
一代	第一代计算机
发布日期	MK 1：1943年12月; MK 2：1 1944年6月1日;
停产	1960
单位运送	12
媒体	电打字机输出; 使用开关和插头面板进行编程;
中央处理器	使用热阀和梯形的定制电路。 MK 2中总共1,600和2,400在MK 2中
记忆	没有（没有公羊）
展示	指示灯面板
输入	连续循环中最多20,000×5位字符的纸带
力量	8.5 kW

Colossus是由英国代码破解者在1943 - 1945年开发的一组计算机，以帮助对Lorenz Cipher的隐性分析。巨像使用热阀（真空管）进行布尔和计数操作。因此，Colossus被认为是世界上第一个可编程，电子，数字计算机，尽管它是由开关和插头编程的，而不是通过存储的程序进行编程的。

Colossus是由通用邮局（GPO）研究电话工程师Tommy Flowers设计的，以解决Bletchley Park 政府法典和Cypher School （GC＆CS）的数学家Max Newman提出的问题。艾伦·图灵（Alan Turing ）在密码分析中使用概率（见Banburismus ）有助于其设计。有时错误地指出，图灵设计了巨像来有助于谜团的隐性分析。（图灵的机器有助于解码谜团是机电炸弹，而不是巨像。）

原型《巨人马克1》（ Colossus Mark 1 ）被证明是在1943年12月工作，并于1944年初在布莱奇利公园（Bletchley Park）使用。改进的巨像马克2（Colossus Mark 2 D日诺曼底着陆时间的时间。战争结束时使用了十个巨像，并委托了第十一巨人。 Bletchley Park对这些机器的使用使盟国从德国高级司令部（ OKW ）及其在整个欧洲的军队司令部之间的截距Radiotelegraphy信息获得了大量的高级军事情报。

巨像机器的存在一直秘密，直到1970年代中期。除两台机器外，所有机器都被拆除为如此小的部分，无法推断出它们的使用。这两台保留机器最终在1960年代被拆除。托尼·萨尔（Tony Sale）和一个志愿者团队在2008年完成了Mark 2巨像的重建；它在Bletchley Park的国家计算博物馆展出。

目的和起源

Lorenz SZ机器有12个轮子，每个轮子都有不同数量的凸轮（或“销”）。

车轮号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

BP轮名 ψ₁ ψ₂ ψ₃ ψ₄ ψ₅ μ₃₇ μ₆₁ χ₁ χ₂ χ₃ χ₄ χ₅

凸轮数（销） 43 47 51 53 59 37 61 41 31 29 26 23

巨人计算机用于帮助使用未知设备进行加密的解密拦截的截断的射电射电触发器消息。情报信息显示，德国人称为无线传送机传输系统“Sägefisch” （Sawfish）。这导致英国人称加密的德国电信交通为“鱼”，而未知的机器及其截获的消息“ Tunny ”（Tunafish）（Tunafish）。

在德国人提高其操作程序的安全性之前，英国隐式分析师诊断了看不见的机器如何运作并建立了称为“英国Tunny ”的模仿。

据推测，该机器有十二个轮子，并在标准的5位ITA2电报代码中对消息字符使用了Vernam Ciphering技术。它是通过使用XOR Boolean函数将明文字符与关键字符的流相结合来实现这一目标来做到的，以产生密文。

1941年8月，德国运营商的错误导致了与相同机器设置的两个版本的两个版本的传输。这些被拦截并在Bletchley Park进行了工作。首先，非常有才华的GC＆C Cryptanalyst的John Tiltman得出了近4000个字符的关键流。然后，研究部分的新来者比尔·图特（Bill Tutte）使用此键流来弄清洛伦兹机器的逻辑结构。他推断了十二个轮子由两组五组组成，他将其命名为χ（ CHI ）和ψ（ PSI ）轮毂，其余两个他称为μ（ MU ）或“运动”车轮。卡轮定期使用加密的每个字母，而PSI车轮在电动机车轮的控制下不规则地踏上。

使用足够随机的键流，一个vernam Cipher删除了具有不同字符频率分布不均匀的明文消息的自然语言属性，以在Ciphertext中产生统一的分布。 Tunny Machine做得很好。但是，密码分析师弄清楚，通过检查字符到字符的频率分布在密文中变化，而不是普通字符，与均匀性有所不同，从而为系统提供了一种方式。这是通过“差异”与其继任者一起XOR-ED的“差异”来实现的。德国投降后，盟军捕获了一台Tunny机器，发现它是机电 Lorenz SZ （ Schlüsselzusatzgerät ，Cipher附件）在线密码机。

为了解密发送的消息，必须执行两个任务。第一个是“折断车轮”，这是所有车轮的凸轮图案的发现。这些模式是在洛伦兹机器上设置的，然后在固定的时间段内用于连续的不同消息。每个传输通常包含多个消息，都用车轮的不同启动位置包装。艾伦·图灵（Alan Turing）发明了一种被称为图林里（Turingery）的旋转方式。图灵的技术进一步发展为“矩形”，巨像可以生产表进行手动分析。 Colossi 2、4、6、7和9有一个“小工具”来帮助这一过程。

第二个任务是“车轮设置” ，该任务确定了特定消息的车轮的起始位置，只有在知道凸轮模式的情况下才能尝试。最初设计了巨像的这项任务。为了发现一条消息的Chi Wheels的起始位置，巨像比较了两个角色流，从评估可编程布尔功能的统计数据计数。这两条流是密文，它是通过纸带高速读取的，而在未知的德国机器的模拟中，它是内部生成的键流。一系列不同的巨像以发现可能的卡轮设置后，通过检查处理后的密文中字符的频率分布来检查它们。巨像产生了这些频率计数。

解密过程

符号
$P$	纯文本
$K$	钥匙 - 二进制XOR中使用的字符序列，并用明文给出ciphertext
$\chi$	关键的CHI组件
$\psi$	密钥的PSI组件
$\psi '$	扩展的PSI - PSI轮毂添加的字符的实际顺序，包括当它们不前进时
$Z$	密文
$D$	DECHI - 删除钥匙的CHI组件的密文
$\Delta$	上述任何Xored都带有其后继角色或位
$\oplus$	XOR操作
$\bullet$	Bletchley Park Shorthand用于电报代码空间（零）
$\mathbf {x}$	Bletchley Park Shorthand用于电报代码标记（一个）

通过使用差异并知道PSI轮子并未与每个字符相关，Tutte弄清楚了Chi -stream的两个差异（冲动）针对差异密文的差异，这将产生非随机的统计量。这被称为Tutte的“ 1+2中断” 。它涉及计算以下布尔函数：

\Delta Z_{1}\oplus \Delta Z_{2}\oplus \Delta \chi _{1}\oplus \Delta \chi _{2}=\bullet

并计算其产生的“ false”（零）的次数。如果该数字超过了被称为“集合”的预定阈值的预定阈值，则将其打印出来。密码分析家将检查打印输出，以确定哪个推定的起始位置最有可能是CHI -1和CHI -2轮的正确启动位置。

然后，该技术将应用于其他或单一的冲动对，以确定所有五个卡轮的可能启动位置。由此，可以获得密文的DECHI （D），可以通过手动方法从中取出PSI分量。如果Ciphertext的DECHI版本中字符的频率分布在某些范围内，则认为Chi Wheels的“车轮设置”已被视为实现，并且消息设置和DECHI被传递给“测试”。。这是由拉尔夫测试师少校领导的布莱奇利公园（Bletchley Park）的部分，其中大部分解密工作是通过手动和语言方法完成的。

巨像还可以得出PSI和电动车轮的起始位置。在战争的最后几个月中，有很多可用的巨像，并且有大量的Tunny消息的数量减少了，因此定期使用此额外功能的可行性已成为可能。

设计和构造

Colossus是为“ Newmanry ”开发的，该部分由数学家Max Newman领导，该部分负责针对十二个Rotor Lorenz SZ40/42在线电视连接密码机器（代码为Tunny，用于Tunafish）的机器方法。巨像设计源于先前的项目，该项目生产了一台被称为“ Heath Robinson ”的计数器。尽管它证明了该过程的这一部分的机器分析概念，但最初是不可靠的。电力机电部件相对较慢，很难同步两个循环纸带，一个包含包含的消息，另一个代表Lorenz机器键流的一部分每秒2000个字符。

Tommy Flowers MBE是Dollis Hill的邮局研究站的高级电气工程师和Switching Group负责人。在他在巨像工作之前，他从1941年2月开始在Bletchley Park的GC＆C工作，以改善用于德国谜语密码机的隐脑分析中使用的炸弹。艾伦·图灵（Alan Turing）向他推荐了马克斯·纽曼（Max Newman），后者对炸弹的工作印象深刻。 Heath Robinson机器的主要组件如下。

磁带传输和阅读机制，该机制以每秒1000到2000个字符在1000到2000个字符之间的循环键和消息录像带。
实现Tutte方法逻辑的组合单元。
由Malvern电信研究机构（TRE）的Ce Wynn-Williams设计的计数单元，该单元计算了逻辑函数返回指定的真实价值的次数。

鲜花被带进去设计希思·鲁滨逊的组合单元。他没有对必须与留言胶带同步的钥匙胶带的系统印象深刻，并且他自己设计了一台电子机器，通过拥有洛伦兹的电子模拟来消除了对钥匙胶带的需求（ TUNNY）机器。他于1943年2月向麦克斯·纽曼（Max Newman）介绍了这一设计，但是提出的一到两到两千个热阀（真空管和蒂拉龙）的想法可以可靠地合作，受到了极大的怀疑，因此从Dollis Hill订购了更多的鲁滨逊。然而，从他的战前工作中知道，大多数热气门故障都是由于电源时的热应力而导致的，因此不能将机器降低到非常低的水平下降。另外，如果加热器以低压启动，然后慢慢升至全电压，则热应力会降低。阀本本身可以焊接，以避免插入式底座问题，这可能是不可靠的。鲜花坚持了这个想法，并得到了研究站主任W戈登·拉德利（W Gordon Radley）的支持。

从1943年2月上旬开始，鲜花和他的团队组成的大约五十人花了11个月的时间设计和构建了一台机器，该机器通过电子产生的车轮图案通过电子方式来分配Heath Robinson的第二张胶带。鲜花用自己的钱来为该项目。该原型Mark 1巨像包含1,600个热阀（管）。它于1943年12月8日在Dollis Hill表现出色，并被拆除并运往Bletchley Park，并于1月18日交付，并由Harry Fensom和Don Horwood重新组装。它在1月份运作，并于1944年2月5日成功攻击了其第一个信息。这是一个大型结构，被称为“巨像”，据称是WRNS运营商。然而，1944年1月18日，由马克斯·纽曼（Max Newman）撰写的国家档案馆中的备忘录记录了“巨像今天到来”。

在原型的开发过程中，已经开发了改进的设计 - Mark 2巨像。其中有四个是在1944年3月下令的，到4月底，该命令的数量已增加到十二。 Dollis Hill承受着压力，要求在6月1日之前将其中的第一个工作。艾伦·库姆斯（Allen Coombs）接管了生产标记2洛杉矶（Mark 2 Colossi）的领导，其中第一个（包含2400个阀门）于1944年6月1日在08:00开始运营，正好赶上D-Day 的盟军入侵诺曼底。随后，巨像以每月约1个速度交付。到Ve Day时，Bletchley Park有十个巨人在工作，开始了第十一个。

Mark 2设计的主要单元如下。

带有8个光电池阅读机制的胶带传输。
一个六个字符的FIFO Shift寄存器。
十二个thyratron环存储，模拟了洛伦兹机器为每个车轮生成一个位流。
用于指定程序和“设置总计”的开关面板。
执行布尔操作的一组功能单元。
一个“跨度计数器”，可以暂停对磁带的一部分进行计数。
处理时钟，启动和停止信号，反读数和打印的主控件。
五个电子计数器。
电动打字机。

电子设计的大部分设计是汤米·弗洛斯（Tommy Flowers）的作品，在威廉·钱德勒（William Chandler），西德尼·布罗德赫斯特（Sidney Broadhurst）和艾伦·库姆斯（Allen Coombs）的协助下。随着伊利·斯佩特（Erie Speight）和阿诺德·林奇（ Arnold Lynch）的发展，开发了光电阅读机制。库姆布斯（Coombs）记得花朵，制作了他的设计粗略草稿，将其撕成碎片，然后将其分发给同事们，供他们进行详细的设计，并让他们的团队制造它。 Mark 2巨像均比原型更快五倍，而且操作更简单。

巨像的数据输入是通过光电读取包含的截止消息的纸带转录。这是在连续循环中排列的，因此可以多次读取和重新阅读 - 没有内部存储数据。该设计克服了通过阅读链轮孔来产生时钟信号来使电子设备与消息胶带速度同步的问题。因此，操作速度受到阅读胶带的机制的限制。在开发过程中，磁带读取器在磁带分解之前，每秒（53 mph）测试了最多9700个字符（53 mph）。因此，将5000个字符/秒（40 ft/s（12.2 m/s; 27.3 mph））被定位为定期使用的速度。 Flowers设计了一个6个字符的移位寄存器，该寄存器既用于计算Delta函数（ΔZ），又用于测试五个处理器中Tunny车轮的五个不同可能的起点。这个五向并行性使五个同时测试和计数能够执行每秒25,000个字符的有效处理速度。该计算使用了WT Tutte及其同事设计的算法来解密Tunny消息。

手术

Newmanry由Cryptanalysts组成，来自妇女皇家海军服务公司（WRNS）的运营商（称为“ WRENS”）以及永久手持维护和维修的工程师。到战争结束时，人员配备人员为272 wrens和27人。

一条新消息的操作巨像的第一份工作是准备纸带循环。这是由Wrens执行的，Wrens使用Bostik胶将两端粘在一起，确保了消息的末端和开始之间有150个字符的空白胶带。他们使用特殊的手打了他们在第三和第四通道之间插入一个起始孔2 + 1⁄2从空白部分末端的链轮孔，以及第四和第五通道之间的停止孔1 + 1⁄2链轮孔，从消息的字符末端。这些是由特殊定位的光电器读取的，并指示该消息即将启动以及何时结束。然后，操作员将纸带将纸带穿过大门和床架的皮带轮周围，并调节张力。两型式床架设计是从希思·罗宾逊（Heath Robinson）进行的，因此可以在上一个胶带上装载一张胶带。选择面板上的开关指定了“近”或“远”胶带。

在执行各种重置和归零任务之后，WREN运算符将在Cryptanalyst的指示下操作“总计”十年开关和K2面板开关以设置所需的算法。然后，他们将启动胶带电动机和灯，当胶带提高速度时，将操作主启动开关。

在Ve-Day带有十巨像的情况下，使用了7个用于“车轮设置”，而3粒旋转式折断。

程式设计

霍华德（Howard）竞选是美国海军的OP-20-G的数学家和隐型人士，他在Flowers的前言中写下了以下内容，1983年的论文“ The The Collessus的设计”。

我对巨像的看法是Cryptanalyst-Programmer。我告诉机器进行某些计算和计数，并在研究结果后告诉它去做另一项工作。它不记得先前的结果，如果有的话，它也无法对它采取行动。我和Colossus在一次互动中交替出现，有时对德国人的“ Geheimschreiber”进行了分析，被德国人称为“ Geheimschreiber”，而Cryptanalysts则进行了分析。

巨像不是存储的计算机。从循环留言纸带以及CHI ， PSI和电动机轮的电子模式发生器中读取五个并行处理器的输入数据。设置了处理器的程序并将其保留在开关和插孔面板连接上。每个处理器都可以评估布尔函数并计数并显示其产生消息录像带的“ false”（0）或“ true”（1）的指定值的次数。

处理器的输入来自两个来源：磁带读数的移位寄存器和模仿Tunny Machine车轮的thyratron戒指。纸带上的字符称为Z，而Tunny Mimulator的字符是由Bill Tutte在计算机器逻辑结构时给他们的希腊字母所指的。在选择面板上，开关指定了z或Δz的开关，要幺或δ以及将数据传递到插孔场和“ K2开关面板”的数据。可以将这些信号指定为使用消息胶带的每个新通行证踩踏。

K2开关面板在左侧有一组开关以指定算法。右侧的开关选择了馈送结果的计数器。插头允许强加的专业条件较少。总体而言，K2开关面板开关和插件允许所选变量的大约50亿种不同的组合。

例如：一组消息胶带的运行最初可能涉及两个卡轮，例如Tutte的1+2算法中。这样的两轮运行被称为长期，平均需要八分钟，除非平行性被用来减少五倍的时间。随后的跑步可能只涉及设置一个卡轮，短途跑步大约需要两分钟。最初，在最初的长期之后，Cryptanalyst指定了要尝试的下一个要尝试的算法的选择。但是，经验表明，可以在一定案例中生产出对这种迭代过程的决策树。

影响力和命运

尽管巨像是具有可编程性的第一台电子数字机器，尽管受到现代标准的限制，但它不是通用机器，它是为一系列隐型任务而设计的，大多数涉及计算评估布尔算法的结果。

因此，巨人计算机不是整个图灵完整的机器。但是，旧金山大学教授本杰明·韦尔斯（Benjamin Wells）表明，如果制成的十个巨像机器都在特定的集群中重新排列，那么整个计算机都可以模拟通用的图灵机器，从而完成图灵。

巨人及其建设的原因是高度秘密，战后30年一直如此。因此，多年来，它没有包含在计算硬件的历史中，鲜花和他的同事被剥夺了应得的认可。战争后拆除了1至10的巨大，零件返回邮局。某些部分对其最初的目的进行了消毒，被带到了曼彻斯特大学的Max Newman的皇家学会计算机实验室。汤米·弗洛斯（Tommy Flowers）被命令销毁所有文件，并在娃娃山（Dollis Hill）的炉子中烧毁它们。他后来谈到该命令：

那是一个可怕的错误。我被指示摧毁了我所做的所有记录。我把所有图纸，计划以及有关巨像的所有信息都放在纸上，然后将其放入锅炉大火中。看到它燃烧。

1952年至1952年之间，巨色11和12以及两台副本的隧道机被保留，并于1946年4月转移到GCHQ的新总部在Eastcote的新总部，并再次与GCHQ送往Cheltenham 。于1959年被拆除；另一个在1960年。曾试图将它们适应其他目的，并取得不同的成功。在后来的几年中，他们被用于培训。杰克·古德（Jack Good）将他是战后第一个使用巨像的人如何说服美国国家安全局（美国国家安全机构）可以用来执行他们计划建造专用机器的功能。 Colossus还用于对一次性垫胶带进行角色计数以测试非随机性。

与巨像有关的少数人（知道大型，可靠，高速电子数字计算设备都是可行的）在英国以及美国的早期计算机工作中都发挥了重要作用。但是，它是如此秘密，对后来计算机的开发几乎没有直接影响。正是EDVAC是当时的开创性计算机架构。 1972年，赫尔曼·戈德斯汀（Herman Goldstine）不知道巨像及其对艾伦·图灵（ Ace ），马克斯·纽曼（Max Newman）（曼彻斯特计算机）和哈里·霍斯基（ Harry Huskey ）（ Bendix g-15 ）等人的遗产。

英国具有如此活力，以至于战争开始在计算机领域的许多构想良好且执行良好的项目。

布莱恩·兰德尔（Brian Randell）教授在1970年代发掘了有关巨像的信息，他对此表示：这一点：

我认为，巨像项目是这种活力的重要来源，这种活力在很大程度上没有得到欣赏，其在数字计算机发明的年代中的重要性也是如此。

兰德尔（Randell）的努力在1970年代中期开始结出果实。当温特布瑟（Winterbotham）队长在1974年出版了他的书《 Ultra Secret 。 1976年6月10日至15日，并允许在Dollis Hill的邮局研究站发表有关战时开发巨像的论文（1975年10月，英国政府发布了一系列公共记录办公室的字幕照片）。他的论文中对“启示”的兴趣导致了一次特别的晚间会议，当时兰德尔和库姆斯回答了进一步的问题。库姆斯后来写道，我们团队中没有人能忘记奖学金，目的感，最重要的是那些日子的喘不过气来。 1977年，兰德尔（Randell）发表了一篇文章，这是几本期刊中的第一台电子计算机。

2000年10月，GCHQ发行了一份500页的有关Tunny Cipher及其隐式分析的技术报告，即“ Tunny on Tunny的通用报告”，已由GCHQ发布给国家公共记录办公室，并包含了与之合作的密码学家的迷人Paean对Colossus。：

遗憾的是，不可能对巨像在工作中的迷恋有足够的想法。它的庞大而明显的复杂性；薄纸的奇妙速度在闪闪发光的皮带轮上绕；不可能的幼稚乐趣，跨度，打印主标头和其他小工具；纯粹的机械解码字母的巫师（一个新手以为她是骗子）；打字机在未经人类援助的情况下打印正确的分数时的不可思议的行动；显示器的阶梯；渴望期望的时期最终在渴望得分的突然出现中；以及各种各样的跑步的奇怪节奏：庄严的闯入，短期不稳定的短跑，旋转式的规律性，被马车回收的野生飞跃打断的矩形矩形，汽车奔跑的疯狂摇晃，甚至是伪造的伪造得分的狂热狂热。

重建

由托尼·萨尔（Tony Sale）领导的团队在1993年至2008年之间进行了巨像2的功能重建。尽管蓝图和硬件被破坏了，但令人惊讶的材料仍然存在，主要是在工程师的笔记本上，但是在美国，光磁带读取器可能带来了最大的问题，但Arnold Lynch博士，它的Arnold Lynch博士原始设计师能够将其重新设计为自己的原始规范。在国家计算机博物馆的历史上正确的位置，在历史上正确的位置，位于白金汉郡米尔顿·凯恩斯的H Block Bletchley Park 。

2007年11月，为了庆祝项目完成并标志着国家计算机博物馆的筹款计划的开始，一个密码挑战使重建的巨像反对全球无线电业余爱好者，以首次接收并解码三条消息，并解码了三条消息，并使用Lorenz SZ42进行了分解并从亨氏尼克斯多夫博物馆博物馆的DL0HNF广播电台DL0HNF传输。挑战很容易由业余无线电约阿希姆·舒斯（JoachimSchüth）赢得，他已经精心准备了该活动，并使用ADA制定了自己的信号处理和破坏代码的代码。巨人团队对使用第二次世界大战无线电设备的愿望受到阻碍，由于接待条件不佳，将他们推迟了一天。尽管如此，胜利者的1.4 GHz笔记本电脑运行了自己的代码，花了不到一分钟的时间才能找到所有12个轮子的设置。德国代码破坏者说：“我的笔记本电脑以每秒120万个字符的速度消化了密文，比巨像快240倍。如果您按该因素扩展CPU频率，那么您将获得巨像的5.8 MHz。对于1944年建造的计算机而言，速度很大。”

密码挑战验证了重建项目的成功完成。托尼·萨尔（Tony Sale）评论说：“根据当今的表现，巨像与六十年前一样好。” “我们很高兴向在布莱奇利公园（Bletchley Park）工作的人们致敬，他们的脑力设计了这些奇妙的机器，这些机器打破了这些密码，并将战争缩短了多个月。”

其他含义

在1970年的电影《巨像：福宾项目》中，有一台虚构的计算机名为Colossus ，该项目是根据DF Jones的1966年小说《巨像》所基于的。这是一个巧合，因为它预先发布了有关巨像甚至其名称的信息。

尼尔·史蒂芬森（Neal Stephenson ）的小说《密码素》（Cryptonomicon ，1999年）还包含了图灵和布莱奇利公园（Turing and Bletchley Park）扮演的历史作用的虚构待遇。

车轮号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
BP轮名	ψ₁	ψ₂	ψ₃	ψ₄	ψ₅	μ₃₇	μ₆₁	χ₁	χ₂	χ₃	χ₄	χ₅
凸轮数（销）	43	47	51	53	59	37	61	41	31	29	26	23