Colossus: ordenador programable de Bletchley Park que ayudó a descifrar

Las transmisiones regulares por radio de los mensajes "Tunny" comenzaron en junio de 1941. Los descifradores británicos vieron que utilizaba un código de cinco unidades como un sistema de teleimpresora. Sus investigaciones también mostraron que la codificación se realizaba mediante una máquina de cifrado de rotor con 12 ruedas (rotores). Para cada nuevo mensaje enviado, las ruedas debían girar primero a nuevas posiciones. La posición inicial del mensaje era elegida por el operador que enviaba el mensaje. Éste indicaba al operador que recibía el mensaje cuáles eran las posiciones de inicio con 12 letras que no estaban codificadas. El número total de posiciones de inicio posibles de las 12 ruedas era muy grande.

La máquina codificadora sumaba el texto plano (la versión no codificada del mensaje) y un flujo de caracteres (letras, números, signos de puntuación) llamado flujo clave (un flujo de caracteres aparentemente aleatorios) que generaba para hacer el texto cifrado (la versión codificada del mensaje). El texto cifrado, que no tenía sentido, se transmitía por radio. En el extremo receptor, una máquina idéntica eliminaba el flujo de claves para producir el texto plano del mensaje.

Si los operadores alemanes trabajaran siempre correctamente, no habría dos mensajes con la misma posición de inicio de las ruedas. Sin embargo, se cometieron errores. Éstos ayudaron a los rompecódigos británicos. El 30 de agosto de 1941 se enviaron dos versiones del mismo mensaje, de casi 4.000 caracteres, con las mismas posiciones de inicio de las ruedas. Este error fue muy útil para los rompecódigos de investigación. Un rompecódigos llamado John Tiltman fue capaz de obtener el flujo de claves de estos mensajes.

Los codebreakers trataron de averiguar los detalles de la máquina a partir de esta información, pero al principio fracasaron. Entonces se les unió un joven rompecódigos llamado Bill Tutte al que se le encomendó el trabajo. Después de mucho trabajo lo consiguió, y produjo una descripción lógica de la máquina no vista. Este trabajo ha sido descrito como "el mayor logro intelectual de la Segunda Guerra Mundial". Tutte dedujo que la máquina fabricaba cada carácter del flujo de claves combinando los efectos de dos conjuntos de cinco ruedas. Utilizó letras griegas para nombrar las ruedas. Llamó a un conjunto de cinco las ruedas χ ("chi"), y al otro conjunto de cinco las ruedas ψ ("psi"). Calculó que las ruedas χ se movían en una posición por cada nuevo carácter codificado. Las ruedas ψ, sin embargo, no se movían regularmente. Sólo se movían en algunas ocasiones. El hecho de que las ruedas ψ se movieran o no estaba controlado por dos ruedas que él llamó μ ("mu") o "ruedas motoras".

Max Newman era matemático y descifrador de códigos en Bletchley Park. Se le encomendó la tarea de elaborar cómo una máquina podría descifrar los mensajes "Tunny". La máquina haría un cálculo para muchas posiciones de inicio posibles de las χ ruedas. La posición de inicio que diera el mayor recuento de este cálculo era probablemente la correcta. La primera máquina se llamó "Heath Robinson". No funcionó muy bien. Tenía dos cintas de papel perforado que debían funcionar exactamente juntas. Una cinta contenía el texto cifrado en un bucle continuo. La segunda cinta en bucle contenía patrones hechos por las ruedas de la máquina codificadora. Las cintas a menudo se estiraban o se rompían cuando iban a 2000 caracteres por segundo. A veces las cintas no se alineaban; entonces los recuentos eran erróneos.

Tommy Flowers trabajaba en la estación de investigación de la Oficina de Correos en Dollis Hill, al noroeste de Londres. Se le pidió que examinara la máquina de Heath Robinson. Pensó que era una máquina débil. Diseñó una máquina electrónica para hacer el mismo trabajo. Haría los patrones de la máquina codificadora por vía electrónica de modo que sólo se necesitara una cinta de papel. En febrero de 1943 le mostró a Max Newman este diseño. El diseño necesitaba 1.500 válvulas termoiónicas (tubos de vacío). Pocas personas pensaron que tantas válvulas podrían funcionar sin fallar mucho. Se encargaron más máquinas Heath Robinson. Flowers, sin embargo, siguió con la idea de una máquina electrónica. Consiguió el apoyo de Gordon Radley, su jefe en la Estación de Investigación de Correos. Tommy Flowers y su equipo comenzaron a trabajar en Colossus en febrero de 1943.

La cinta con el mensaje debía leerse rápidamente. Tommy Flowers probó el lector de cinta hasta 9.700 letras/segundo (53 mph (85 km/h)) antes de que la cinta se rompiera. Seleccionó 5.000 caracteres por segundo como una buena velocidad para el trabajo habitual. Esto significaba que la cinta de papel se movía a 40 pies/s (12 m/s) o 27,3 mph (43,9 km/h). Los circuitos electrónicos eran accionados por una señal hecha a partir de la lectura de los agujeros de la rueda dentada de la cinta perforada.

El primer Colossus funcionó en Dollis Hill en diciembre de 1943. Luego desmontaron el Colossus y lo trasladaron a Bletchley Park. Llegó allí el 18 de enero de 1944. Harry Fensom y Don Horwood lo volvieron a montar. Colossus leyó su primer mensaje el 5 de febrero. Después del primer Colossus (Mark 1) hubo nueve máquinas Mark 2. Cada una de ellas tenía 2.400 válvulas. Eran más fáciles de usar. Podían programarse para trabajar a una velocidad cinco veces superior a la de la Mark 1. Una Mark 2 Colossus funcionó por primera vez el 1 de junio de 1944.

Al principio, Colossus sólo se utilizaba para encontrar los lugares de inicio de las ruedas utilizadas para un mensaje (llamado ajuste de las ruedas). Los descifradores de códigos descubrieron cómo utilizar el Mark 2 para ayudar a encontrar los patrones de las levas de las ruedas (rotura de la rueda). Al final de la guerra había diez ordenadores Colossus trabajando en Bletchley Park. Esto significó que se descifraron muchos mensajes.

El Colossus utilizaba piezas que eran nuevas en aquella época. Utilizaba tubos de vacío, tiratrones y fotomultiplicadores. Leía del papel con luz. Luego hacía una cosa especial para cada letra; la cosa especial podía cambiarse. Contaba las veces que esta cosa especial era "verdadera". Se sabe que las máquinas con muchos tubos de vacío se rompen mucho. Se rompen más cuando se encienden, así que las máquinas Colossus sólo se apagaban cuando se rompía una pieza.

Colossus fue la primera de las máquinas digitales electrónicas que podía tener un programa. No podía cambiar tanto como las máquinas posteriores:

• no tenía ningún programa en su interior. Una persona utilizaba enchufes, cables e interruptores para cambiar el programa. Así es como lo configuraron para que hiciera algo nuevo.
• Colossus no era una máquina de uso general. Estaba hecha para un solo tipo de descifrado de códigos: operaciones de recuento y booleanas.

No era un ordenador Turing-completo, aunque Alan Turing estuviera en Bletchley Park. Todavía no se había pensado en esta idea, y la mayoría de las otras primeras máquinas de computación modernas no eran Turing-completas (como: el ordenador Atanasoff-Berry, la máquina electromecánica de relés Harvard Mark I, las máquinas de relés de los Laboratorios Bell de George Stibitz y otros, o los primeros planos de Konrad Zuse). Tuvo que pasar mucho tiempo para que los ordenadores se utilizaran para muchos usos, en lugar de ser sólo una calculadora para resolver un problema difícil.

Para qué se utilizaban los ordenadores Colossus era muy secreto. El propio Colossus fue muy secreto incluso durante muchos años después de la Guerra. Por eso el Colossus no pudo incluirse en la historia del hardware informático durante mucho tiempo. Nadie sabía lo importantes que eran las Flores y las otras personas que ayudaron a fabricarlas.

No mucha gente conocía este ordenador secreto, por lo que tuvo poco efecto directo en el nuevo diseño de los ordenadores posteriores; el EDVAC fue el primer diseño que tuvo más efecto en el diseño posterior de los ordenadores.

Una vez que se fabricó el Colossus, algunas personas ya sabían que se podían fabricar dispositivos informáticos digitales de alta velocidad (sin piezas móviles como los relés eléctricos) y que no se rompían demasiado. Sólo este conocimiento fue suficiente para tener un gran efecto en los diseños de los primeros ordenadores en Gran Bretaña y probablemente en Estados Unidos. Las personas que conocieron el Colossus fueron importantes en el campo de los primeros ordenadores en Gran Bretaña. En 1972, Herman Goldstine escribió que:

Gran Bretaña tenía tal vitalidad (energía o empuje) que pudo, justo después de la guerra, iniciar tantos proyectos bien planificados y realizados en el campo de la informática.

Al escribirlo, Goldstine no conocía Colossus. No sabía lo que dejaba a los proyectos de las personas que lo conocían. Gente como Alan Turing (con el Pilot ACE y el ACE), y Max Newman e I. J. Good (con el Manchester Mark 1 y otros primeros ordenadores Manchester). Brian Randell escribió más tarde que:

El proyecto COLOSSUS fue una fuente importante de esta vitalidad (energía o impulso), que no ha sido bien comprendida o conocida, al igual que la importancia de su lugar en la línea de tiempo de la invención del ordenador digital.

Los planos y la maquinaria del Colossus fueron secretos desde el momento de su fabricación. Siguieron siéndolo después de la Guerra, cuando Winston Churchill ordenó la destrucción de la mayoría de las máquinas Colossus en "partes no más grandes que la mano de un hombre"; el propio Tommy Flowers quemó los diseños en una chimenea en Dollis Hill. Algunas partes, cambiadas para que parecieran inocentes, fueron llevadas al Laboratorio de Máquinas de Computación de la Real Sociedad de Newman en la Universidad de Manchester. El Colossus Mark 1 fue desmontado y las piezas fueron enviadas a la Oficina de Correos. Se conservaron dos ordenadores Colossus, junto con dos máquinas Tunny copiadas. Se trasladaron a la nueva sede del GCHQ en Eastcote en abril de 1946. Se trasladaron de nuevo con el GCHQ a Cheltenham entre 1952 y 1954. Uno de los ordenadores, conocido como Colossus Blue, fue desmontado en 1959; el otro, en 1960. En sus últimos años, los ordenadores se utilizaron para la formación. Antes de eso, hubo intentos de cambiarlos (a veces bien) para otros fines. Jack Good fue el primero en utilizarlo después de la guerra, consiguiendo que la NSA usara Colossus para hacer algo para lo que estaban planeando construir una máquina de propósito especial. Colossus también se utilizó para realizar recuentos de letras en cintas de un solo uso para comprobar que no eran aleatorias.

En esta época el Coloso seguía siendo secreto, mucho después de que cualquiera de sus detalles técnicos tuviera alguna importancia. Esto se debió a que las agencias de inteligencia del Reino Unido utilizaron máquinas similares a la Enigma que consiguieron que otros gobiernos compraran. A continuación, las agencias descifraron los códigos de diferentes maneras. Si el conocimiento de las máquinas para romper códigos se hubiera conocido ampliamente, nadie habría aceptado estas máquinas; más bien, habrían desarrollado sus propios métodos para la codificación, métodos que los servicios del Reino Unido no habrían podido romper. La necesidad de tales secretos fue desapareciendo poco a poco, a medida que las comunicaciones se trasladaban a la transmisión digital y los sistemas de encriptación totalmente digitales se hicieron comunes en la década de 1960.

El libro del Coronel Winterbotham El Ultra Secreto salió a la luz en 1975. Esto rompió el secreto en torno al Coloso. Después de eso, los detalles sobre el ordenador comenzaron a hacerse públicos a finales de los años 70.

El GCHQ entregó un informe técnico de 500 páginas sobre el cifrado Tunny y su descifrado de códigos -titulado Informe general sobre Tunny- a la Oficina Nacional de Registros Públicos en octubre de 2000; el informe técnico completo está en línea.

Un equipo dirigido por Tony Sale construyó una copia funcional de un Colossus Mark 2. Los planos y las máquinas habían sido destruidos, pero una cantidad sorprendente de otro material no fue destruida. La mayor parte estaba en los cuadernos de los ingenieros, gran parte de ellos en EE.UU. El lector de cinta óptica podría haber sido el mayor problema, pero el Dr. Arnold Lynch, su diseñador, pudo rediseñarlo a partir de sus propios primeros escritos. El Coloso reconstruido está expuesto en el Museo Nacional de la Informática, en el bloque H de Bletchley Park, en Milton Keynes, Buckinghamshire. Aquí es donde se utilizó el Coloso nº 9 en la guerra.

En noviembre de 2007, para marcar tanto el final de las obras como el inicio de la recaudación de fondos (pidiendo dinero), organizaron un concurso. El dinero ayudaría al Museo Nacional de Informática con un concurso de cifrado en el que el Coloso reconstruido competiría con radioaficionados de todo el mundo. El primero en escuchar y descifrar tres mensajes cifrados ganaría. Se descifrarían utilizando el Lorenz SZ42 y se transmitirían desde la estación de radio del museo Heinz Nixdorf MuseumsForum Archivado el 2012-03-19 en la Wayback Machine de Alemania. El concurso lo ganó fácilmente el radioaficionado Joachim Schüth. Schüth se había preparado para el evento. Hizo su propio programa de procesamiento de señales y descifrado de códigos utilizando Ada. El equipo Colossus perdió porque quería utilizar radios de la Segunda Guerra Mundial,. Llegaron un día tarde debido a las malas condiciones de la radio. El portátil de 1,4 GHz del ganador, que ejecutaba su propio programa, tardó menos de un minuto en encontrar los ajustes de las 12 ruedas. El descifrador de códigos alemán dijo: "Mi portátil trabajó con el texto cifrado a una velocidad de 1,2 millones de letras por segundo, es decir, 40 veces más rápido que Colossus. Si se comparan los dos ordenadores, se puede decir que el Colossus tenía una velocidad de 5,8 MHz. Eso es muy rápido para un ordenador construido en 1944".

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