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  • 英国Pico ADC-212 示波器在布莱奇利公园巨型计算机还原项目中的运用案例
  • 发布时间:2009/11/4 15:40:38   修改时间:2009/11/4 15:40:38 浏览次数:2835
  • 英国Pico ADC-212 示波器在布莱奇利公园巨型计算机还原项目中的运用案例

    英国的秘密武器

    位于伦敦西北部50里的布莱奇利公园是曾经是二战期间的密码破译中心(别名 X). 正是在这里,一群天才数学家(包括阿兰.图灵Alan Turing)组成的特别行动小组破解希特勒和他的高级统帅部使用的德国英格码和其他更复杂的代码.

    战争期间,在布莱切利公园工作的人数增加到了一个高点,成千上万的人在昼夜不停的译码和进行信息分析。尽管有众多的人参与,但是德国最高指挥部却完全没有发现他们的安全正受到威胁,反而坚信他们的密码坚不可摧。

    密码的成功破译是盟国获胜的其中一个关键因素,许多历史学家确信他缩短了战争达2年之多,并且挽救了成千上万的生命。

    战后,公园内所有的踪迹都被毁灭了。这成为了布莱切利公园的一种保密文化,没有人讨论过一句关于开始到70年代中期的事情。就算是到了今天,许多在那工作的人也都不会轻易谈论这件事。

    战争期间,在布莱切利公园,许多精巧的辅助设备和机器都被开发出来应用于密码的破解,其中有一件就是世界上第一台计算机——巨型计算机。

     (许多年后,发明了世界上第一台计算机的这个荣誉给了美国人——埃尼阿克。尽管如此,在最近的几年英国与美国政府都公开了许多与巨型计算机相关的秘密信息。鉴于此,历史学家们都被迫去考究巨型计算机是世界第一台计算机这件事情,现在大部分都承认了这一事实。)

    德国密码

    二战期间,德国依赖于密码机来传送情报. 密码首次被破译是在波兰的战争上,随后陆续在布莱切利的许多战役上被破解了。(基于哈里斯编著的《密码》一书,一部由米克.贾格出资,由凯特.温丝蕾主演的电影将在明年上演。)尽管如此,德国军方高级指挥部并不依赖于密码机,而是一种基于电传打印机的复杂系统,采用由洛伦茨公司发明的机器进行传送.

    洛伦茨机是用打印机在上述纸带上打洞的方式工作的。(32个符号的波特码),信息是通过原文与一连串由模2加法得出的模糊字符组成的方式进行编码的(不含布尔运算中的NOR运算)在接收端,信息会再一次通过组合到一连串的模糊字符的方式进行解码。

    如果这些模糊字符是随即产生的,那么这些密码将不可能被破译。但是非常幸运的是,这些字符是在一个旋转的轮子上产生的,所以这些字符其实都是连续重复的。如果这些字符能够被拆分开来,那么密码就被破解了。

    在布莱切利,约翰旅长和剑桥大学毕业生比尔利用德国无线电话务员的漏洞重组这些随机的字符串并且发现了洛伦茨机是如何工作的。在1942年,这项工作完成后,多利斯希尔邮局实验室被要求建立一台仿制洛伦茨机工作原理的机器。(而在这个时候他们连洛伦茨机的图片都还没见过)。有了这台机器(名叫“金枪鱼”)后密码迎刃而解. 最后的问题在于时间,这种工作是非常耗费劳力的,以至于经常要花费上星期上月的时间去破解一条信息,待密码被破解后,最后所得到的信息已经没用了。

    巨型计算机的历史简介

    马科斯 纽曼,著名的数学家发明了一种自动寻找洛伦茨机设置的方法。其中与两圈的纸带有关。第一圈包含了需要译解的信息,第二圈包含了随机的字符串。该方法是这样的,在包含需要译解信息的第一圈纸带从机器出来时,第二圈纸带马上在相应位置出现。用这种方法每一种可能的机器设置都会被检测并标记下来。次数最多的那个设置就是“金枪鱼”破解密码所需要的。

    马文电信研究所研发了一台机器去实现这种方法。这台机器是基于机械继电器的,并被命名为“罗宾逊”。尽管罗宾逊可以工作了,但是却并不可靠。尤其是机械的读带机本身就存在难以在1000个字符每秒钟的工作速度下同时读取两圈纸带的问题。

    与罗宾逊一同研究相关解决方案的纽曼与汤米弗劳尔取得了联系。汤米弗劳尔是一名天才电子工程师,工作于多利斯希尔邮电局

    他创新性的解决了罗宾逊机器的相关问题。不用纸带,弗劳尔把这些重复的字符串存储到了一个巨大的电子阀门阵列中。这不仅解决了双圈纸带的问题,也解决了同步的问题。阀门在数字电子开关上的应用是突破性的一步,他大大加快了机器的工作速度,取代了机械继电器(在模拟信号放大的应用上,阀门在当时却被认为是一种非常不可靠的零部件)

    巨型计算机在19433月开始设计,并且在19441月首次在不莱斯利公园投入使用。巨型号计算机马上取得了成功,他能在数小时内就把德方高级密码给破解了。这给大规模进攻开始日提供了巨大的帮助。巨型号的进一步设计惊人的使得其具有更加快速的工作速度,当今奔腾电脑在破解同样密码任务的速度比他还要慢1倍。

    10台巨型计算机建立了,在剩下的战争期间,巨型计算机的设计得到了飞速的提升。这些机器被用于破解成千上万的拦截信息,这给盟军的最终胜利做出了巨大的贡献。

    在战争结束时,为了保护这些秘密,10台巨型计算机被拆毁,所有相关的技术图表都被烧毁。巨型计算机的存在这个秘密被掩埋了将近30年。

    巨型计算机重建工程

    前面已经提到过,关于在布莱切利所发生的事情在70年代的时候就已经开始曝光。90年代初期就发生了一场挽救布莱切利公园里是遗产的运动。其中的一名叫托尼肖尔参与者,第一个成为了布莱切利公园博物馆的管理者。(他在英国情报局保安处工作了多年,有一段时期是作为彼得赖特的技术助手,拥有着“捕谍者”的称号。)

    1993年,托尼肖尔收集了所有关于巨型号的资料,其中包括了一些战时的照片,机器线路图残片和一些对幸存设计工程师的采访。带着这些资料,他决定重建一台巨型计算机。

    1994年,重建计划在布莱切利公园开展,地点是原巨型号9计算机所在的地方。19966月,托尼肖尔和他的团队正式开始动工。(尽管只是进行2位字符水平的研究), 199666,启动仪式由英国特郡公爵主持,出席者中还包括了原巨型号设计者汤米弗劳尔教授,

    这项工作一直延续到今天,在博物馆开放日我们可以看到工程的进展情况(请看最后的链接)

    读者若需要获得更多关于重建计划的资料, Tony Sale has an excellent website.

    Pico示波器和光带阅读器

    巨型号的先驱——“罗宾逊”,首先遇到的问题是磁带阅读器。这种机器采用的是传统的读机方法,通过以磁带中间的一排带孔为基准读取磁带信息。这种方法限制了机器只能具有每秒1000个字符的速度,若超出这个速度,磁带将会受到损坏。

    1942年,阿诺德 林奇设计出了一台光带阅读器,具有每秒5000字符的阅读速度。采用光电系统不仅可以读取5位的数据字符,而且可以读取磁带上原有的基准带孔。磁带中间的这一排带孔被用作基准脉冲,确保整台机器的同步工作(现代计算机是采用主时钟作为同步基准的)。这种系统的优点是磁带与转轮的摩擦较小,对设备的工作速度要求并不苛刻。

    在重建的巨型号图片当中我们可以看到,磁带阅读器在右方。一道亮光穿透磁带,并且聚焦在高真空光电管上,一道光是用于读取数据的每一位字符,另外一道是用于读取时钟基准脉冲。这些光电管是原巨型号的组成部分并且因为整个团队只有剩余的一条,所以显得异常的珍贵。

    在光束照射到光电管前,它已经在通过光掩膜的时候被构造成型了。(光掩膜器被固定在左端木制框板上)。这使得阀门产生的信号均被构造成正方形模型。在光电管后方的黑色磁带是先进的附加设备,可避免受到上方荧光灯的照射!

    布莱切利巨型号重建工程是设立在一间房间里的,房内末端有一扇窗户供外部参观所用。非常不幸的是,这使得光电管很难被观察到,因为它们被安放在房间的两外一个较远的角落上。为了让观众能够了解到磁带阅读器的工作,他们决定捕捉相关的光电信号并且把它们显示在一个PC示波器上。这台PC示波器能够彩色显示从监测器上所获得的信息,这满足了几个人同时查看数据的要求。

    Pico的技术团队投身于信号的显示工作时,我想这是一项非常简单的任务,毕竟我们已经熟练于将示波器与电脑相连接的工作,并且具有比巨型号高上1000倍的速度,当然我们错了,这项任务所涉及的东西比我们想象的要多。我们起初的想法是把一台电脑与一台Picoscope ADC-212示波器设置在公共监视区域,并且把阀门所产生的信号通过一条长导线传输到示波器上。但问题是导线上的附带电容阻碍了阀门的正确工作。为了解决这个问题,Pico的一位技术人员大卫塞班设置了一个较大的输入电阻以及一个小电容的缓冲放大器。

    左端显示的缓冲放大器从光电二极管上获取信息并且通过约30英尺的线缆把它们传送到与电脑相连的示波器上。电源同样是通过这条线缆反馈到缓冲放大器,进行供电。

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