هيث روبنسون (آلة فك الشفرات)

كان جهاز "هيث روبنسون" آلةً استخدمها محللو الشفرات البريطانيون في مدرسة الشفرات والرموز الحكومية في بليتشلي بارك خلال الحرب العالمية الثانية لتحليل شفرة لورنز . وقد مكّن هذا من فك تشفير الرسائل المكتوبة بشفرة التلغراف الألمانية التي تنتجها آلة التشفير الخطية لورنز SZ40/42 . أطلق محللو الشفرات على كلٍّ من الشفرة والآلات اسم "توني"، نسبةً إلى أنواع مختلفة من شفرات التلغراف الألمانية التي أطلقوا عليها أسماء أسماك . كان الجهاز في الأساس آلةً كهروميكانيكية، لا تحتوي إلا على بضع عشرات من الصمامات (أنابيب التفريغ) ، ^{[ 2 ]} وكان سلفًا لحاسوب كولوسوس الإلكتروني . أطلق عليه اسم "هيث روبنسون" من قبل المجندات البحريات اللواتي كنّ يشغلنه، نسبةً إلى رسام الكاريكاتير ويليام هيث روبنسون ، الذي كان يرسم أجهزةً ميكانيكيةً بالغة التعقيد لمهام بسيطة، على غرار (وقبل إلى حدٍّ ما) روب غولدبيرغ في الولايات المتحدة ^{[ 3 ].}

وضع ماكس نيومان المواصفات الوظيفية للجهاز . أما التصميم الهندسي الرئيسي فكان من عمل فرانك موريل ^{[ 4 ]} في محطة أبحاث مكتب البريد في دوليس هيل بشمال لندن، حيث صمم زميله تومي فلاورز "وحدة الدمج". ^{[ 5 ]} وقام الدكتور سي إي وين ويليامز من مؤسسة أبحاث الاتصالات في مالفيرن بتصميم عدادات الصمامات الإلكترونية عالية السرعة وعدادات المرحلات. ^{[ 5 ]} بدأ البناء في يناير 1943، ^{[ 6 ]} وتم تسليم النموذج الأولي للجهاز إلى بليتشلي بارك في يونيو، واستُخدم لأول مرة للمساعدة في قراءة حركة المرور المشفرة الحالية بعد ذلك بوقت قصير. ^{[ 7 ]}

نظراً لبطء جهاز روبنسون وعدم موثوقيته، فقد تم استبداله لاحقاً بجهاز كولوسوس لأغراض عديدة، بما في ذلك الأساليب المستخدمة ضد آلة التشفير لورنز SZ42 ذات الاثني عشر دواراً (التي تحمل الاسم الرمزي توني، نسبةً إلى سمكة التونة). ^{[ 8 ] [ 9 ]}

استندت الطريقة التي طبقتها آلة هيث روبنسون إلى "تقنية 1+2" التي ابتكرها بيل توت . ^{[ 10 ]} وتضمنت هذه التقنية فحص أول نبضتين من النبضات الخمس ^{[ 11 ]} لأحرف الرسالة الموجودة على شريط النص المشفر، ودمجهما مع أول نبضتين من جزء من المفتاح الذي تم توليده بواسطة${\displaystyle \chi }$عجلات آلة لورنز. تضمن ذلك قراءة حلقتين طويلتين من الشريط الورقي، إحداهما تحتوي على النص المشفر والأخرى${\displaystyle \chi }$مكون من مكونات المفتاح. من خلال جعل شريط المفتاح أطول بحرف واحد من شريط الرسالة، يصبح كل موضع من مواضع البداية الـ 1271 لـ${\displaystyle \chi }$₁${\displaystyle \chi }$_{تمت تجربة التسلسل رقم 2} على الرسالة. ^{[ 12 ]} تم تجميع عدد لكل موضع بداية، وإذا تجاوز "المجموع المحدد مسبقًا"، تمت طباعته. كان أعلى عدد هو الأكثر احتمالًا أن يكون هو الذي يحتوي على القيم الصحيحة لـ${\displaystyle \chi }$₁ و${\displaystyle \chi }$_2. باستخدام هذه القيم، يتم ضبط إعدادات الآخر${\displaystyle \chi }$يمكن محاولة كسر العجلات الخمس جميعها${\displaystyle \chi }$مواضع بدء العجلات لهذه الرسالة. وهذا بدوره سمح بتأثير${\displaystyle \chi }$يتم مهاجمة مكون المفتاح المراد إزالته والرسالة المعدلة الناتجة عنه بواسطة طرق يدوية في Testery .

كان "السرير" عبارة عن نظام بكرات تُدار حوله حلقتان متصلتان من الشريط بشكل متزامن. في البداية، كان ذلك يتم بواسطة زوج من عجلات مسننة على محور مشترك. ثم تم تغيير ذلك إلى نظام بكرات احتكاكية مع الحفاظ على التزامن بواسطة العجلات المسننة، وذلك بعد أن تبين أن هذا النظام يُقلل من تلف الأشرطة. وقد تم تحقيق سرعات تصل إلى 2000 حرف في الثانية للأشرطة القصيرة، و1000 حرف فقط للأشرطة الطويلة. كانت الأشرطة تُمرر أمام مجموعة من الخلايا الكهروضوئية حيث تُقرأ الأحرف والإشارات الأخرى. ^{[ 13 ]} تراوحت أطوال الأشرطة الممكنة على السرير من 2000 إلى 11000 حرف. ^{[ 14 ]}

تمت قراءة الأشرطة المثقبة ضوئيًا عند "بوابة" وُضعت بالقرب من عجلة التروس قدر الإمكان لتقليل تأثير تمدد الأشرطة. وقُرئت الأحرف المتتالية على الشريط بواسطة مجموعة من عشر خلايا ضوئية، وخلية إضافية لثقوب عجلة التروس، وخليتين إضافيتين لإشارات "الإيقاف" و"البدء" التي تم ثقبها يدويًا بين القناتين الثالثة والرابعة، والرابعة والخامسة. ^{[ 13 ]}

صُمم هذا الجهاز بواسطة تومي فلاورز من محطة أبحاث مكتب البريد في دوليس هيل بشمال لندن. ^{[ 5 ]} واستخدم صمامات حرارية (أنابيب مفرغة) لتنفيذ المنطق. تضمن ذلك استخدام دالة "أو الحصرية" (XOR) المنطقية لدمج تدفقات البتات المختلفة. في " جدول الحقيقة " التالي، يُمثل الرقم 1 "صحيحًا" والرقم 0 يُمثل "خطأً". (في بليتشلي بارك، كان يُشار إليهما بـ x و • على التوالي).

تُعرف هذه الدالة أيضاً بأسماء أخرى، منها: "لا يساوي" (NEQ)، و" الجمع بتردد 2" (بدون حمل)، و"الطرح بتردد 2" (بدون استلاف). لاحظ أن الجمع والطرح بتردد 2 متطابقان. تشير بعض أوصاف فك تشفير Tunny إلى الجمع، بينما تشير أخرى إلى التفاضل، أي الطرح، لكنها جميعاً تعني الشيء نفسه.

طبّقت وحدة الدمج منطق طريقة توت الإحصائية . تطلّب ذلك تجربة الشريط الورقي الذي يحتوي على النص المشفر مقابل شريط يحتوي على مكوّن آلة تشفير لورنز المُولّد بواسطة عجلتي التشفير " تشي" المعنيتين في جميع المواضع الابتدائية الممكنة. ثمّ تمّ حساب العدد الإجمالي للأصفار المُولّدة ، حيث يشير العدد المرتفع إلى احتمال أكبر لصحة الموضع الابتدائي لتسلسل مفتاح "تشي" .

حصل وين ويليامز على درجة الدكتوراه من جامعة كامبريدج عن عمله في مختبر كافنديش مع السير إرنست رذرفورد . ^{[ 15 ]} في عام 1926، قام بتصميم مُضخِّم باستخدام صمامات حرارية (أنابيب مفرغة) لقياس التيارات الكهربائية الصغيرة جدًا الناتجة عن الكواشف في تجارب التفكك النووي. وقد حثّه رذرفورد على تكريس جهوده لتصميم مُضخِّم صمامات موثوق وطرق تسجيل هذه الجسيمات وعدّها. استخدم العداد أنابيب ثايراترون مملوءة بالغاز، وهي أجهزة ثنائية الاستقرار .

استخدمت العدادات التي صممها وين ويليامز لهيث روبنسون، ولاحقًا لأجهزة كمبيوتر كولوسوس، ثيراترونات لحساب الوحدات 1 و2 و4 و8؛ ومرحلات عالية السرعة لحساب الوحدات 16 و32 و48 و64؛ ومرحلات أبطأ لحساب 80 و160 و240 و320 و400 و800 و1200 و1600 و2000 و4000 و6000 و8000. ^{[ 14 ]} تمت مقارنة العدد الذي تم الحصول عليه لكل تشغيل لشريط الرسالة بقيمة محددة مسبقًا، وإذا تجاوزها، يتم عرضه مع عدد يشير إلى موضع شريط المفتاح بالنسبة لشريط الرسالة. كان على مشغلي Wren في البداية كتابة هذه الأرقام قبل عرض العدد التالي الذي تجاوز الحد - وهو ما كان "مصدرًا مثمرًا للخطأ"، ^{[ 16 ]} لذلك تم إدخال طابعة قريبًا.

كان جهاز هيث روبنسون الأصلي نموذجًا أوليًا، وقد أثبت فعاليته رغم وجود عدد من العيوب الخطيرة. ^{[ 16 ]} وقد تم التغلب تدريجيًا على جميع هذه العيوب باستثناء عيب واحد، وهو عدم القدرة على "التمديد" ^{[ 17 ]} ، وذلك في تطوير ما عُرف لاحقًا باسم " أولد روبنسون ". ^{[ 18 ]} إلا أن تومي فلاورز أدرك أنه يستطيع إنتاج جهاز يُولّد تيار المفاتيح إلكترونيًا، مما يُزيل المشكلة الرئيسية المتمثلة في الحفاظ على تزامن شريطين. كانت هذه هي بداية حاسوب كولوسوس.

على الرغم من نجاح برنامج كولوسوس، ظلّ أسلوب روبنسون ذا قيمة في حلّ بعض المشكلات. طُوّرت نسخ مُحسّنة منه، لُقّبت بـ"بيتر روبنسون" و"روبنسون وكليفر" نسبةً إلى متاجر كبرى في لندن. ^{[ 19 ]} وظهرت لاحقًا آلةٌ تُدعى "سوبر روبنسون" أو "سوبر روب" كتطويرٍ لهذه الأفكار. ^{[ 20 ]} صمّمها تومي فلاورز، وكانت مزوّدةً بأربعة قواعد ^{[ 21 ]} لتشغيل أربعة أشرطة، واستُخدمت في اختبار الأعماق و"الأسرار" أو عمليات الهجوم على النصوص الواضحة المعروفة . ^{[ 22 ] [ 23 ]}