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

В конце Второй мировой войны в Блетчли-парке насчитывалось 10 тысяч человек личного состава. Это был гигантский шпионский комплекс, работавший против нацистской Германии. Деятельность велась в разных отделах, размещенных в отдельных домиках-ангарах. В одном отделе технические специалисты и аналитики занимались перехватом сообщений немецкого правительства или армии, в другом шла дешифровка радиограмм, в третьем на основании дешифрованных сообщений пытались реконструировать сценарии военных операций или намерения немцев. Принимая во внимание, что немцы использовали разные сети связи, отделы также имели соответствующие подразделения, которые работали с разными конфигурациями «Энигмы» для каждой сети. С этой целью персонал Блетчли-парка присвоил каждой сети кодовые имена: Red (красный), Shark (акула), Chaffinch (зяблик).

В домике номер 8 (Hut 8) работал Алан Тьюринг, приглашенный в Блетчли-парк 4 сентября 1939 года, то есть на следующий день после объявления Британией войны Германии. Миссия ученого предполагала дешифровку кодов «Энигмы» немецкого подводного флота, активно участвовавшего в морской блокаде Британских островов. Как рассказывает британский историк Аса Бриггс (р. 1921), также работавший в Блетчли-парке с 1942 по 1945 год в домике б, среди сотрудников комплекса было много талантливых людей, но гением считался Алан Тьюринг. В этот период ученый ездил в США, чтобы организовать сотрудничество двух стран-союзниц. Существует мнение, что Тьюринг разрабатывал систему шифровки телефонных сообщений высшего руководства США и Соединенного Королевства, Рузвельта и Черчилля. При выполнении этого задания он сотрудничал с Дилли Ноксом (1884-1943), криптографом, получившим образование в Королевском колледже Кембриджского университета. Также они совместно занимались вопросом ускоренной автоматической расшифровки сообщений, кодированных с помощью «Энигмы». Предложенный метод оказался более эффективным, чем метод поляков, чьи знания о шифровальной машине были собраны в «Трактате об «Энигме» ( Treatise on Enigma).

В этот период Тьюринг, которого коллеги называли Проф (сокращение от английского слова professor), привлекал всеобщее внимание довольно эксцентричными выходками. Например, он привязывал свою чашку к батарее отопления, чтобы ее не украли. Также в некоторых биографиях отмечается, что он несколько раз отказывался от транспорта и бежал из Блетчли в Лондон (а это примерно 64 километра) для участия в рабочих совещаниях.

В ходе войны в Британии была создана новая машина, в которой использовались идеи польской «бомбы», и она получила название Bombe[1 По одной из версий, оно происходит от названия десерта из мороженого Bombe glacee в виде шара или цилиндра. — Примеч. ред.]. Эта электромеханическая система воспроизводила работу группы машин «Энигма». Ее оригинальная версия была разработана Аланом Тьюрингом в 1939 году в Блетчли-парке, а построена Гарольдом Кином (1894-1973) из British Tabulating Machine Company (BTM) — предприятия, связанного с другим гигантом США, со временем получившим название IBM. В тот момент обе компании по разные стороны Атлантики занимались продажами табуляторов и машин для переписи населения. С помощью устройства, придуманного Германом Холлеритом (1860-1929), стало возможным чтение перфокарт, используемых для переписи: перфорация той или иной ячейки кодировала ответы. Существует версия, высказанная Эдвином Блэком в его книге «IBM и Холокост» (2001), что Адольф Гитлер закупил у IBM партию табуляторов, с помощью которых в 1933 году была сделана перепись еврейского населения Германии, и за это президент IBM Томас Уотсон (1874-1956) получил в 1937 году Орден Заслуг германского орла из рук самого фюрера.

Впоследствии Гордон Уэлчман (1906-1985) усовершенствовал оригинальную модель Bombe, поэтому окончательный вариант устройства известен как Bombe Тьюринга — Уэлчмана, в то время как польская машина-предшественница называлась криптологической бомбой (Bomba kryptologiczna). Окончательный вариант Bombe весил около тонны и включал 108 роторов, соединенных по три, что соответствовало трем роторам «Энигмы». В свою очередь, группы по три ротора соединялись в дюжины. Таким образом, машина состояла из трех отделов по 12 групп из трех роторов. Все эти роторы выполняли ту же работу, что и «Энигма», только в обратном направлении — для расшифровки сообщений. С механической точки зрения роторы имели ту же внутреннюю систему проводов, что и «Энигма»; рефлектор воспроизводился в довольно простом виде: контакты и провода были дублированы.

С конца 1942 года до весны 1943-го Тьюринг находился в США. Во время посещения лабораторий Белла он познакомился со знаменитым Клодом Шенноном (1916-2001), считающимся отцом современной теории информации. Хотя Тьюринг и мечтал поговорить с этим великим ученым о возможности создания искусственного интеллекта, в его задачу входил сбор идей для разработки системы шифровки голоса для защиты телефонных переговоров высших руководителей обеих стран, Рузвельта и Черчилля. Этот проект был назван SIGSALLY. Система шифровала голос с помощью так называемого случайного шума и часто использовалась союзниками во время войны. Любопытно, что SIGSALLY упоминается в научно-популярном романе «Криптомикон» (1999) Нила Стивенсона (р. 1959) в вымышленном разговоре двух персонажей: Лоуренса Ватерхауса и Алана Тьюринга. По окончании войны Тьюринг оставил Блетчли-парк и начал работать в Правительственном центре коммуникаций Ее Величества, где участвовал в создании переносного устройства для шифровки голоса Delilah. Для доказательства корректного функционирования системы во время шифровки и дешифровки использовалась запись голоса Уинстона Черчилля.

Процесс шифровки голоса состоит из нескольких этапов. Во-первых, необходимо собрать образцы звуков. Для получения образцов голоса нужно записать небольшие фрагменты в разное время, то есть определить частоту повторяемости образцов. В современных телефонных системах разговор передается на частотах ниже 4000 Гц, и это следует учитывать при настройке частоты образцов в телефонном разговоре. Во-вторых, полученный звук обрабатывается с помощью процесса нормализации.

Машины системы шифрования голоса Delilah.

Этот процесс нужен для того, чтобы удостовериться, что разница полученных звуков связана с их частотой, а не с шумами или другими артефактами, вызванными, к примеру, самой телефонной связью.

Кроме того, люди в зависимости от артикуляции по-разному произносят гласные, а в ходе нормализации эти различия устраняются. Затем нормализованный голос, наконец, шифруется. В процессе, разработанном Тьюрингом, фрагменты голоса нормализовались по шкале от 0 до 1. После нормализации фрагменты трансформировались с помощью арифметического оператора, модуля (мод). Этот оператор дает разницу от деления на целые числа: например, 5 мод 2 равно 1. В конце концов трансформированная таким образом волна голоса реконструировалась в обратной последовательности. Несмотря на высокий уровень разработки, эта система не нашла применения. Также интересно, что участие Тьюринга в обоих проектах осталось на втором плане, невзирая на его успехи во многих других исследовательских начинаниях.

Зашифрованное радиосообщение после перехвата превращалось во входные данные, Тьюринг принимал решение, каким должно быть соединение между группами по три ротора, по которым проходило сообщение до расшифровки, или выходных данных.

В Соединенных Штатах для армии также были созданы машины, выполнявшие сходные задачи, однако их конструкция была другой. Сами американцы считают, что их машины были более быстрыми, а crib-последовательности — более короткими по сравнению с английскими. Стандартная английская машина была эквивалентна 36 «Энигмам» и могла расшифровывать два или три сообщения одновременно. Для расшифровки она требовала выбора меню, где использовалось то, что англичане называли crib. Под этим понимался пример незашифрованного текста или сообщения, для которого имелось зашифрованное соответствие, например фрагмент перехваченного зашифрованного и расшифрованного текста. Для превращения crib в действенный инструмент нужно было хорошо знать немецкий военный жаргон, а также процедуру отправки сообщений. Очень важной стала информация о том, что «Энигма» никогда не шифровала букву, например А, самой собой. После выбора crib оператор Bombe разрабатывал меню, как показано в таблице ниже. Представим, что crib TURINGHABLAINGLES (ТЬЮРИНГГОВОРИТПОАНГЛИЙСКИ), а зашифрованный текст выглядит так (строка ЗТ): AIYLLVWPANNOZPOPE. Для того чтобы пример был более репрезентативным, мы использовали для шифровки текста модель «Энигмы» (http://www. bletchlypark.org.uk). На основании этих двух сообщений разработаем таблицу, в которой каждой букве зашифрованного текста будет соответствовать буква в оригинальном сообщении, или crib.