Размышления о думающих машинах. Тьюринг. Компьютерное исчисление - Rafael Lahoz-Beltra

Тьюринг и его современники вряд ли могли предположить, что одним из основных способов применения компьютеров станет развлекательная индустрия. Моделирование, симуляции или имитация действий реальной системы, такой как движение подлодки, сегодня стало важнейшей сферой использования компьютеров, позволяющей моделировать ситуации, которые иначе большинство людей никогда не могли бы пережить. Видеоигры-симуляторы позволяют изучить работу системы (например, навигацию), управлять ресурсами (персонал, топливо и так далее) или решать трудные задачи (допустим, возникающие во время сражения). Симуляторы субмарин представляют собой тип видеоигр, позволяющих управлять подводной лодкой. Как правило, игра состоит в выполнении серии миссий, в которых нужно потопить один или несколько кораблей и выдержать атаку противника, используя карты, радар, перископ и торпеды.

Стратегия Action in the North Atlantic, классическая игра-симулятор.

После окончания Первой мировой войны, 23 февраля 1918 года, немецкий инженер Артур Шербиус (1878-1929) запатентовал «Энигму», машину для шифрования сообщений. Фирма «Шербиус & Риттер», основанная изобретателем и его партнером, сразу же начала торговать устройством, однако позже права на его использование были проданы немецкому предприятию Chiffriermaschinen Aktien-Gesellschaft. В начале 1920-х годов «Энигма» была представлена публике в двух городах Европы, с тех пор начались продажи целого ряда моделей для гражданского использования. В своем названии они имели одну из букв: А, В, С, D. Изначально машина создавалась для шифрования информации о сделках, но пик ее использования пришелся на период войны. В Испании продавалась модель D, применявшаяся во время Гражданской войны. Самым важным клиентом производителей стала Германия. Для нее была разработана модель G; модель Funkschlussel, или М, стала использоваться на флоте, модель «Вермахт», или I, — в армии. Последняя разработка стала самой популярной, поэтому мы остановимся на пояснении принципа ее функционирования. В 1942 году свою модель стал использовать и немецкий подводный флот. Любопытно, что 40 % всех машин «Энигма» было изготовлено в годы Второй мировой войны. Для немцев эта машина стала жизненно необходимой, и Гитлер отдал приказ о включении ее в программу вооружения Третьего рейха.

Хотя с виду машина очень напоминала пишущую, внутри нее скрывался беспрецедентно сложный механизм. В основе его действия лежала комбинация механических и электрических компонентов. Механическая часть включала клавиатуру и систему дисков, или барабанов, называемых роторами. Контакты роторов соответствовали 26 буквам алфавита, от А до Z. Когда оператор нажимал на клавишу, начиналось вращение одного из роторов, затем следующего, потом, одного за другим, соседних — шаг за шагом справа налево. Такой ритм поворотов обепечивался за счет выемок в роторах и позволял, например, шифровать букву А даже в одном и том же тексте разными символами. Ротор был изготовлен так, что на каждой из двух сторон его диска располагались контакты, которые при соприкосновении с соседним ротором замыкали электрическую цепь.

Внутри каждого ротора находилось 26 проводов, соединявших все контакты на одной из его сторон с контактами на другой стороне. Если добавить к этому, что в каждом роторе было собственное переплетение проводов, соединявших контакты, получится поистине дьявольская машина. Обычно на «Энигме» было три или четыре ротора, которые при нажатии клавиши задействовали электрическую цепь, каждый раз разную. А поскольку роторы в каждый момент использовали разные электрические цепи, одной и той же букве всегда соответствовал новый символ.

Управление «Энигмой» требовало выполнения следующих операций. В первую очередь, перед шифрованием или дешифровкой сообщения оператор должен был перевести все роторы справа налево в определенное положение. Далее роторы вращались до достижения начального положения, обозначенного одной из 26 букв алфавита — это была единственная буква, видимая через специальное отверстие. Начальный порядок и положение роторов задавали код для шифрования и дешифровки сообщений. К этим двум характеристикам добавилась и третья — возможность изменить сеть проводов, соединяющих контакты между двумя сторонами ротора.

Оригинальная модель «Энигмы» была серьезно усовершенствована за годы войны. Например, если войсковая модель «Вермахт» и модель ВВС Германии включали пять роторов, то модель для флота была оснащена уже восемью роторами. Более того, после последнего ротора добавлялся элемент, названный рефлектором, для шифрования в обратном порядке. То есть результат последнего ротора вновь менялся путем возвращения роторов от последнего слева к первому справа. В этой машине процесс шифрования совпадал с процессом дешифровки, и ни одна буква не могла быть зашифрована самой собой.

Немецкие солдаты во время Второй мировой войны передают сообщения с помощью «Энигмы·.

Алан Тьюринг, фотография сделана в 1951 году.

Разные модели «Энигмы·.

Очевидно, что эти особенности успешно использовали британские криптографы в Блетчли-парке, где был построен большой комплекс для дешифровки перехваченных немецких радиосообщений. Кроме рефлектора, расположенного слева от роторов, справа от них находилось колесико входа, или стартер, соединявший клавиатуру, с помощью которой вводилось сообщение, с лампами, подсвечивавшими соответствующие буквы в исходящем зашифрованном сообщении. На фронтальной части «Энигмы» имелась коммутационная панель, позволявшая превращать одну букву в другую, помимо шифрования с помощью роторов. Если учесть все устройства, участвовавшие в трансформации одной буквы (коммутационная панель, роторы и рефлектор), количество возможных конфигураций определялось количеством перестановок разных устройств и достигало невероятной цифры 10114. Это впечатляет, принимая во внимание, что человеческий мозг содержит 1011 нейронов, а количество атомов во Вселенной оценивается как 1080. Обладая такой чудовищной машиной, Германия чувствовала себя уверенно, и передача радиосообщений с военными приказами представлялась ей полностью безопасной. Однако обстоятельства сложились не в пользу неприступной «Энигмы», так как на захваченных немецких субмаринах были обнаружены несколько шифровальных машин и книг с кодами.

Польша, довольно сильно пострадавшая от нацистов, получила «Энигму» невероятным способом: машина была отправлена в Варшаву по почте из Германии. Благодаря этому группа математиков из кабинета криптографии бюро шифров (BS 4) Генштаба Польши под руководством Мариана Режевского (1905- 1980) смогла расшифровать сообщения, кодированные с помощью «Энигмы», а саму машину затем вернули отправителю. Поляки, а позже и представители других стран-союзниц обнаружили одну особенность шифровок: немцы в сообщениях в закодированном виде передавали начальное положение роторов, то есть указывали одну из 26 букв, которую можно было увидеть в специальном окошке. Например, если начальным положением ротора была буква В, в сообщении эта информация отображалась как ВВ. С 1932 года Режевский и его команда успешно расшифровывали перехваченные немецкие сообщения.

Польские математики создали машину, эмулирующую работу двух синхронизованных «Энигм», — циклометр. Позже они изобрели криптоаналитическую машину — «бомбу», с помощью которой можно было обнаружить закономерности повторения в сообщении букв. В «бомбе» использовалась серия роторов, и она эмулировала работу трех синхронизированных «Энигм», что соответствовало одной машине с тремя роторами. Анализ цикличности букв в сообщениях, так называемый анализ следов, или матриц, позволил автоматизировать дешифровку перехваченных сообщений.

Но этот метод работал недолго. В 1938 году немцы добавили к машине еще три ротора, так что их общее количество достигло шести. Теперь полякам для успешной дешифровки сообщений требовалось около 60 «бомб». Экономических ресурсов для дальнейшей работы не хватало, и Польша приняла решение передать в 1939 году накопленные данные британской и французской разведкам. Британцы приняли вызов и создали GC&CCS (Правительственную школу кодирования и шифрования), расположенную в Блетчли-парке, рядом с Милтон- Кинс, городке вблизи Лондона. Группа польских криптографов отправилась во Францию, где они работали совместно с секретной французской службой до конца 1942 года, занимаясь дешифровкой немецких сообщений и переправляя данные в Блетчли-парк. После того как немцы захватили юг Франции, польские криптографы и сами через Испанию отправились в Соединенное Королевство. Польские историки считают, что британцы не оценили должным образом талант польских математиков.