Lorenz und Enigma: unterschiedliche Systeme, unterschiedliche Aufgaben
Im Zweiten Weltkrieg verwenden die deutschen Streitkräfte mehrere Verschlüsselungssysteme. Die dabei entstehenden Signale unterscheiden sich. Entsprechend braucht man auch unterschiedliche Maschinen und Verfahren, um die Nachrichten zu entschlüsseln.
| System |
Betroffene Kommunikation |
Zugehörige britische Maschine |
| Enigma |
Viele militärische Nachrichten, darunter per Morsefunk übermittelte Meldungen |
Die elektromechanische Bombe unterstützt die Suche nach Einstellungen. |
| Lorenz SZ40/SZ42 |
Nachrichten höherer Führungsebenen über Fernschreiber |
Colossus beschleunigt einen Teil der Analyse der Verschlüsselung. |
Ein Fernschreiber übermittelt Zeichen als elektrische Signale und kann sie auf der Empfängerseite ausdrucken. Lorenz verknüpft diese Signale mit einer Folge, die ein Mechanismus mit zwölf Rädern erzeugt. In Bletchley Park sind das Lorenz-System und sein Nachrichtenverkehr unter dem Namen Tunny bekannt.
Diese Unterscheidung ist entscheidend: Colossus ist nicht einfach eine schnellere Bombe. Die Biografie von Alan Turing erläutert seinen Beitrag zu den Arbeiten an Enigma. Die elektronische Konstruktion von Colossus stammt dagegen von Flowers und seinen Mitarbeitern.
Die Struktur einer unbekannten Maschine erschließen
Die britischen Fachleute beginnen Lorenz zu verstehen, ohne ein deutsches Gerät untersuchen zu können. John Tiltman erzielt einen entscheidenden Durchbruch, indem er Nachrichten analysiert, die mit denselben Einstellungen verschlüsselt wurden. Bill Tutte rekonstruiert anschließend die logische Struktur des Systems anhand der erkannten Regelmäßigkeiten.
Damit wird ein systematischer Angriff möglich. Der enorme Arbeitsaufwand verschwindet jedoch nicht: Für eine Nachricht müssen weiterhin die verwendeten Einstellungen gefunden und die Ergebnisse ausgewertet werden.
Zwei Abteilungen übernehmen sich ergänzende Aufgaben. Die Testery unter Ralph Tester arbeitet an der Entschlüsselung von Tunny. Die Newmanry unter Max Newman entwickelt Verfahren, mit denen sich Teile der Suche maschinell erledigen lassen. Newman sucht keine Maschine, die Deutsch versteht. Er will wiederkehrende Rechenschritte automatisieren, die von den Kryptoanalytikern vorgegeben werden.
Auch britische Tunny-Maschinen, die die Funktionsweise des Verschlüsselungssystems nachbilden, sind an der Gewinnung des Klartexts beteiligt. Colossus ist somit ein Teil einer Arbeitskette und übernimmt nicht sämtliche Schritte. Das Museum erläutert die verschiedenen Geräte und ihre Aufgaben.
Wonach Colossus in einer Nachricht sucht
Verschlüsselung verändert das Erscheinungsbild eines Textes. Dennoch können die in Bletchley Park entwickelten Verfahren durch bestimmte Verknüpfungen nützliche statistische Regelmäßigkeiten sichtbar machen.
Colossus durchläuft die verschlüsselten Zeichen, verknüpft sie mit Folgen, die Annahmen über die Lorenz-Räder darstellen, und zählt, wie oft eine ausgewählte Bedingung erfüllt ist. Je nach Test kann eine ungewöhnlich hohe oder niedrige Anzahl auf eine aussichtsreiche Einstellung hindeuten.
Stell dir dazu einen vereinfachten Versuch vor: Du prüfst mehrere Einstellungen an denselben Daten und vergleichst die Werte. Ein auffälliges Ergebnis verdient Aufmerksamkeit, muss aber noch überprüft werden. Dieses Bild erklärt den statistischen Ansatz, ohne die tatsächlichen Formeln des Angriffs nachzubilden.
Die technische Darstellung von Ben North für die Computer Conservation Society beschreibt unter anderem die Suche nach den Anfangsstellungen der sogenannten Chi-Räder. Die wirklichen Verfahren nutzen den besonderen Aufbau von Lorenz. Sie probieren nicht wahllos sämtliche denkbaren Kombinationen durch.
Von Heath Robinson zu Flowers’ elektronischem Entwurf
Zwei Lochstreifen im Gleichlauf halten
Eine frühere Maschine, Heath Robinson, geht 1943 in Betrieb. Sie vergleicht Informationen auf zwei Lochstreifen: Einer enthält die abgefangene Nachricht, der andere die für die Tests benötigten Folgen.
Beide Streifen synchron laufen zu lassen, ist schwierig. Verschieben sich ihre Positionen gegeneinander, vergleicht die Maschine die falschen Datenpaare. Es geht deshalb nicht nur um Geschwindigkeit. Die Zuordnung muss während des gesamten Durchlaufs stimmen.
Flowers schlägt vor, die benötigten Folgen elektronisch innerhalb der Maschine zu erzeugen. Nur der Nachrichtenstreifen muss dann noch eingelesen werden. Damit entfällt die Synchronisierung zweier Papierstreifen; die technischen Grenzen des verbleibenden Lesegeräts bestehen allerdings weiter.
Erfahrungen aus der Fernmeldetechnik
Flowers arbeitet an der Forschungsstelle des General Post Office in Dollis Hill in London. Durch seine Arbeit an Telefonanlagen ist er mit dem Einsatz von Elektronenröhren vertraut.
Diese Bauteile können Signale schalten, ohne auf die Bewegung eines mechanischen Kontakts warten zu müssen. Das ermöglicht schnelle Verarbeitung, weckt aber auch Zweifel: Wie soll eine Maschine mit so vielen Röhren über längere Zeit zuverlässig laufen?
Flowers setzt auf eine stabile Auslegung und seine praktischen Erfahrungen. Dazu gehört, wiederholtes Ein- und Ausschalten möglichst zu vermeiden. Röhren werden dadurch nicht unfehlbar. Zuverlässigkeit hängt ebenso von den Schaltungen, der Stromversorgung, den Tests und der Wartung ab.
Colossus entsteht im Team. Harry Fensom und Don Horwood bauen das erste Modell in Bletchley Park wieder zusammen. Allen Coombs spielt später bei der Entwicklung des Mark II eine wichtige Rolle. Flowers leitet den elektronischen Entwurf, während Anforderungen und Methoden im Austausch mit den Kryptoanalytikern entstehen.
Im Inneren: einlesen, Folgen erzeugen und zählen
Am Weg der Daten lässt sich die Arbeitsweise verstehen, ohne jede einzelne Schaltung zu verfolgen.
Vereinfachter Funktionsablauf: Die Pfeile zeigen Verarbeitungsschritte, nicht die genaue räumliche Anordnung der Bauteile. Schalter und Verbindungen legen fest, welche Tests ausgeführt werden.
1. Die Nachricht vom Lochstreifen lesen
Die verschlüsselten Zeichen stehen auf einem Papierstreifen mit fünf binären Positionen je Zeichen. An jeder Position ist entweder ein Loch vorhanden oder keines. Kombinationen dieser beiden Zustände stellen die Information dar. Auf dem Streifen befindet sich also die verschlüsselte Nachricht, nicht das Programm der Maschine.
Der Streifen bildet eine Schleife und läuft durch ein fotoelektrisches Lesegerät. Licht, das durch die Löcher fällt, wird in elektrische Signale umgesetzt. Gelesen werden etwa 5.000 Zeichen pro Sekunde. Zugleich gibt der Streifen den Takt vor, mit dem die Verarbeitung synchronisiert wird.
2. Die Folgen für die Tests erzeugen
Schaltungen bilden die zu den Rädern gehörenden Folgen nach. Dabei gelten die für die jeweilige Suche vorbereiteten Einstellungen. So kann die Maschine dieselben verschlüsselten Zeichen mit verschiedenen Annahmen abgleichen, ohne für jede einen neuen Lochstreifen herstellen zu müssen.
Eingabedaten und Einstellungen haben also unterschiedliche Aufgaben: Der Lochstreifen liefert das zu untersuchende Material. Verbindungen und Schalter bestimmen, was die Maschine daran prüft.
3. Zählen und auffällige Ergebnisse ausgeben
Logische Schaltungen verknüpfen die Signale, während Zähler die Ergebnisse aufsummieren. Als interessant eingestufte Einstellungen und zugehörige Werte können ausgedruckt und von den Teams untersucht werden.
Die Zuordnung eines Werts zu den getesteten Radstellungen ermöglicht es den Kryptoanalytikern, Spuren zu vergleichen und weiterzuarbeiten. Der Ausdruck verbindet die elektronische Berechnung mit ihrer praktischen Auswertung.
Programmieren ohne gespeichertes Programm
Colossus wird mit Schaltern, Steckern und Verbindungen eingerichtet. Man wählt die logischen Operationen und Zählungen aus, die zur aktuellen Suche passen. Das bietet echte Flexibilität: Die Maschine führt nicht ständig nur einen einzigen unveränderlichen Test aus.
Ihre Programmierbarkeit bleibt jedoch an die spezialisierte Ausstattung gebunden. Sie erhält keine allgemeine Folge von Befehlen, die im Speicher liegt und wie die Daten eines modernen Programms verändert werden kann. Ein freier Wechsel zwischen Kryptoanalyse, Buchhaltung und wissenschaftlicher Simulation ist nicht vorgesehen.
Vier Begriffe müssen auseinandergehalten werden:
| Begriff |
Bedeutung bei Colossus |
| Elektronisch |
Die schnelle Verarbeitung erfolgt mit Röhrenschaltungen. Mechanische Bauteile und Relais sind trotzdem weiterhin vorhanden. |
| Digital |
Informationen werden durch unterscheidbare Zustände dargestellt, etwa binäre Werte, statt durch eine kontinuierlich veränderliche Größe. |
| Programmierbar |
Schalter und Verbindungen ermöglichen verschiedene Verarbeitungsabläufe innerhalb des vorgesehenen Einsatzgebiets. |
| Gespeichertes Programm |
Das trifft auf Colossus nicht zu: Ein allgemeines Befehlsprogramm wird nicht im Speicher abgelegt. |
Die Turingmaschine hingegen ist ein mathematisches Modell des Rechnens. Dass bei beiden von einem Band die Rede ist, macht Colossus nicht zur physischen Umsetzung dieses Modells. Hier führt das Papier eine verschlüsselte Nachricht durch eine eigens für deren Analyse gebaute Maschine.
Mark I und Mark II: Weiterentwicklung im laufenden Betrieb
Die ersten erfolgreichen Versuche finden Ende 1943 in Dollis Hill statt. Danach wird Colossus nach Bletchley Park gebracht und dort im Januar 1944 wieder aufgebaut.
Laut dem Kriegstagebuch des Post Office, Eintrag vom 29. Februar 1944, ist die Maschine am 5. Februar 1944 einsatzbereit. Anschließend beschreibt der Eintrag den täglichen Betrieb und weitere Verbesserungen. Wer Versuche, Aufbau und Einsatz voneinander trennt, versteht, weshalb sowohl 1943 als auch 1944 in Darstellungen der Anfänge auftauchen.
| Ausführung |
Zeitpunkt und Größenordnung |
Wichtigste Entwicklung |
| Mark I |
Im Februar 1944 in Betrieb; etwa 1.500 Röhren |
Erste praktisch eingesetzte Maschine nach diesem Entwurf. |
| Mark II |
Erstmals am 1. Juni 1944 im Einsatz; etwa 2.400 Röhren |
Mehr Verarbeitungsmöglichkeiten und stärkere Parallelverarbeitung. |
Die Röhrenzahlen sind Näherungswerte. Manche Darstellungen runden bei den weiterentwickelten Maschinen auf 2.500 auf. Die Zahlen verdeutlichen die Größe der Anlage; eine Röhre entspricht dabei nicht etwa einem ausgeführten Befehl.
Parallelverarbeitung erlaubt es, mehrere Fälle gleichzeitig zu bearbeiten. Ein höherer Durchsatz bedeutet deshalb nicht unbedingt, dass das Papier schneller läuft. Die Suche gilt außerdem den Mustern auf den Rädern und nicht nur ihren Anfangsstellungen. Schon im Februar 1944 erwähnt das Tagebuch diese Arbeit. Verfahren und Ausstattung entwickeln sich mit den Anforderungen der Kryptoanalyse weiter.
Am Ende des Krieges sind zehn Colossus-Maschinen im Einsatz. Das erste Gerät bleibt kein isolierter Versuch. Es wird zum Ausgangspunkt einer Reihe tatsächlich genutzter Anlagen.
Die Bedienerinnen und die Menschen hinter dem gesamten Ablauf
Colossus wird unter anderem von Angehörigen des Women’s Royal Naval Service, den Wrens, bedient. Sie ermöglichen die aufeinanderfolgenden Durchläufe: Lochstreifen einlegen, Einstellungen vornehmen, den Betrieb überwachen und Ausgaben entgegennehmen. Fertige Schaltungen allein reichen nicht aus, um Tag für Tag Nachrichten auszuwerten.
Joanna Chorley beschreibt in ihrem 2015 von ABC veröffentlichten Interview unter anderem das Einlegen der Streifen und das Prüfen der Verbindungen. Das National Museum of Computing erinnert an ihre technische Neugier und ihre Gespräche mit den Ingenieuren. Solche Erinnerungen machen Menschen sichtbar, die in einer nur auf die Konstrukteure konzentrierten Geschichte fehlen.
Hinzu kommen die Beschäftigten beim Funkabhören, bei der Vorbereitung der Lochstreifen, bei Entschlüsselung und Wartung sowie bei der Auswertung der gewonnenen Informationen. Ein Übertragungsfehler, eine falsche Einstellung oder ein Defekt kann ansonsten korrekte Arbeit zunichtemachen. Die Organisation zählt ebenso wie die Geschwindigkeit des Geräts.
Strategischer Nutzen und jahrzehntelange Geheimhaltung
Das Lesen von Nachrichten höherer Führungsebenen hilft den Alliierten, Absichten und Organisation des Gegners zu verstehen. Colossus beschleunigt einen Teil dieser Arbeit innerhalb eines viel umfassenderen Nachrichtendienstbetriebs. Es wäre irreführend, der Maschine allein den Erfolg der Landung in der Normandie oder eine genau bezifferte Verkürzung des Krieges zuzuschreiben.
Die Geheimhaltung endet 1945 nicht. Acht der zehn Maschinen werden nach dem Krieg zerstört. Zwei bleiben laut GCHQ bis in die 1960er-Jahre für nachrichtendienstliche Aufgaben erhalten. Die Beteiligten sind weiterhin zur Verschwiegenheit verpflichtet.
Erste offizielle Informationen werden 1975 öffentlich, wie das National Museum of Computing erläutert. Die Forschungen des Informatikhistorikers Brian Randell tragen dazu bei, Colossus und seine Teams anzuerkennen. Damit ist allerdings nicht sofort die gesamte Dokumentation zugänglich. Das Wissen über das Projekt wächst nach und nach.
Die Geheimhaltung begrenzt sowohl die öffentliche Wahrnehmung als auch die offene Weitergabe technischer Erkenntnisse. Die Erfahrungen der Beteiligten löscht sie nicht aus. Solche Wissenstransfers lassen sich würdigen, ohne jeden Nachkriegscomputer zum direkten Nachfolger von Colossus zu erklären.
In den 1990er-Jahren beginnen Tony Sale und ein Team von Freiwilligen mit einem Nachbau. Sie arbeiten mit bruchstückhaften Unterlagen und persönlichen Erinnerungen. Die entstandene Maschine befindet sich im National Museum of Computing im Block H von Bletchley Park. Es handelt sich um einen Nachbau, nicht um ein seit dem Krieg unversehrt erhaltenes Original.
Welchen Platz hat Colossus unter den ersten Computern?
Hinter dem Ausdruck „erster Computer“ verbergen sich verschiedene Maßstäbe: elektronische oder elektromechanische Technik, Programmierbarkeit, spezialisierter oder allgemeiner Einsatz und ein externes oder gespeichertes Programm.
Colossus gilt allgemein als erster programmierbarer elektronischer Digitalrechner, dessen Programmierbarkeit auf sein Einsatzgebiet begrenzt ist. Diese genaue Einordnung ist aussagekräftiger als ein unkommentierter Anspruch auf den ersten Platz. Eine wesentliche Leistung besteht darin, dass schnelle und konfigurierbare elektronische Verarbeitung in großem Maßstab auch unter realen Einsatzbedingungen funktioniert.
Konrad Zuses Z3 steht für einen anderen, elektromechanischen Weg. ENIAC bietet einen weiteren Vergleich: einen elektronischen Universalrechner, der zunächst über Verbindungen und Schalter eingerichtet wird. Die ersten Rechner mit gespeichertem Programm, darunter Baby und EDSAC, veranschaulichen einen anderen Wandel: Die Programmbefehle werden im Speicher abgelegt.
Diese Vergleiche zeigen unterschiedliche Entscheidungen und realisierte Maschinen. Sie beschreiben keine Abfolge, in der jedes Team einfach das Vorgängermodell übernimmt. Colossus macht deutlich, dass aus einer eng umrissenen Aufgabe eine bedeutende Neuerung entstehen kann, ohne dass eine einzige Maschine schon alle Eigenschaften eines modernen Computers besitzt.
Häufige Fragen
Bedeuten 5.000 Zeichen pro Sekunde auch 5.000 Nachrichten?
Nein. Diese Zahl beschreibt das Einlesen der Zeichen vom Lochstreifen. Eine Nachricht umfasst viele Zeichen und kann mehrere Durchläufe erfordern, um unterschiedliche Einstellungen zu prüfen. Gemeint ist nicht die Anzahl vollständig entschlüsselter Nachrichten pro Sekunde.
Konnte ein statistisches Ergebnis in die Irre führen?
Ja. Ein auffälliger Wert liefert eine Spur, die geprüft werden muss, keine Gewissheit. Die Ergebnisse müssen mit den anderen Schritten der Kryptoanalyse abgeglichen werden. Die Maschine ersetzt daher weder die Verfahren noch die Kontrollen der Teams.
Lässt sich die Geschwindigkeit mit einem heutigen Computer vergleichen?
Nur wenn für beide genau dieselbe Aufgabe und dieselben Daten festgelegt werden. Lesegeschwindigkeit, Anzahl der Tests und Zeit bis zur vollständigen Entschlüsselung messen unterschiedliche Dinge. Eine einzelne Zahl erlaubt deshalb keinen sinnvollen Vergleich zweier Maschinen.
Was unterscheidet Colossus von ENIAC?
Colossus ist ein programmierbarer elektronischer Digitalrechner für bestimmte kryptoanalytische Aufgaben. ENIAC wurde dagegen für allgemeinere numerische Berechnungen entwickelt. Ihre Ausstattung und Konfiguration ermöglichen unterschiedliche Verarbeitungsabläufe. In ihrer ursprünglichen Ausführung führt keine der beiden Maschinen ein im Speicher abgelegtes Befehlsprogramm aus. ENIAC wird später verändert: 1948 führt er in Schalterbänken codierte Befehle aus. Für das Programm verwendet er dabei keinen wiederbeschreibbaren Speicher, wie ihn der Manchester Baby nutzt.