كولوسس
الاستعمال والمنشأ

تم استخدام حواسيب كولوسس لفك تشفير البرقيات المطبوعة التي تم اعتراضها والتي كانت مشفرة باستخدام جهاز غير معروف. كشفت معلومات الاستخبارات أن الألمان أطلقوا على نظام الطابعة عن بُعد اسم "Sägefisch"، أي سمكة المنشار بالإنجليزية (Sawfish). وهذا قاد البريطانيين لتسمية خط النقل الألماني المشفر بـ "Fish" أي السمكة، والجهاز غير المعروف ورسائله المعترضة بـ "Tunny"، أي سمكة التونا (Tunafish).
قبل أن يزيد الألمان من إجراءات الأمان في عملياتهم، تمكن محللو الشيفرات البريطانيون من تحليل كيفية عمل هذه الآلة الغامضة وبنوا نموذجًا مشابهًا لها أطلقوا عليه اسم "British Tunny"، أي حاسوب توني البريطاني.
تم الاستدلال على أن الآلة الغامضة تحتوي على اثنتي عشرة عتلة وتستخدم تقنيات فيرنام للتشفير على حروف رسائلها التي تكون بصيغة 5-بت، أي شفرات ATI2 في برقياتها. أكملت الآلة عملية التشفير عن طريق مزج حروف النص الواضح مع تدفق من المفاتيح باستخدام عمليات XOR الرياضية وعمليات بوليان الحسابية لإنتاج النص المشفر.
في أغسطس من عام 1941، ارتكب العمال الألمان خطأ فادحًا، إذ قاموا بنقل نموذجين لنفس الرسالة يحتويان على وصف دقيق لحالة الآلة الغامضة. تم اعتراض هاتين الرسالتين من قبل البريطانيين في بلتشلي بارك. وتمكن العالم الموهوب جون تيلتمان من مدرسة الرموز السرية والتشفير الحكومية (GC&CS) من تحديد دفق من المفاتيح بطول حوالي 4000 حرف. ثم قام بيل توتي، عضو جديد في قسم البحث، باستخدام هذا التدفق لفهم بنية آلة لورينز المنطقية. استنتج توتي أن العتلات الاثنتي عشرة تتألف من مجموعتين من خمسة عتلات، أطلق عليهما  χ (خي) وΨ (بسي)، في حين أطلق على العتلتين المتبقيتين µ (مو) أو عتلات الماكينة "motor". كانت عتلات مجموعة "خي" تصطف بانتظام مع كل حرف مشفر، بينما كانت عتلات مجموعة "بسي" غير منتظمة وتخضع لتحكم عتلات الماكينة.
مع تدفق كافٍ من المفاتيح بشكل عشوائي، تُخفي آلة فيرنم للتشفير اللغة الاعتيادية لرسائل النص الأصلي بحيث لا يتساوى توزيع الحروف المختلفة، مما يؤدي إلى تكوين شكل محدد للتوزيع في النص المشفر. قامت آلة توني بهذه العملية بكفاءة. ومع ذلك، تمكن مفككو الشفرات من تحليل توزيع الترددات التي تنتج من عمليات التغيير الحرفي في النص المشفر بدلاً من الحروف الأصلية، حيث كان هناك انحراف عن الوحدة الذي يوفر طريقًا للنظام. تم تحقيق هذا الإنجاز من خلال عملية "التفريق"، حيث تم مقارنة كل حرف بعمليات XOR مع خليفته. بعد استسلام الألمان، صادر الحلفاء نموذجًا لماكينة توني واكتشفوا أنها كانت الماكينة الإلكتروميكانيكية لورينز SZ (Schlüsselzusatzgerät, cipher attachment) المستخدمة في التشفير.
لفك تشفير الرسائل التي تم بثها، كان يجب تنفيذ مهمتين. كانت الأولى "تفكيك العتلات"، والتي تضمنت اكتشاف نمط عمل العتلات في كامَة الماكينة. هذه الأنماط كانت مركبة في ماكينة لورينز وتم استخدامها لفترة زمنية معينة لحل مجموعة متعاقبة من الرسائل. خلال كل عملية بث، والتي تضمنت عادة أكثر من رسالة واحدة، كانت هذه الرسائل مشفرة بتركيبة معينة من بداية كل عتلة. اخترع ألان تورنغ طريقة لتفكيك العتلات، والتي عُرفت فيما بعد باسم طريقة تورنغ لتفكيك الماكينة. تم تطوير تقنيات تورنغ لاحقًا إلى ما يعرف بـ "التقنيات المستطيلة"، والتي من خلالها يمكن لكولوسس إنتاج جداول للتحليل اليدوي. احتوت حواسيب كولوسس 2 و4 و6 و7 و9 على جزء إضافي للمساعدة في هذه العملية.
أما المهمة الثانية فكانت "إعداد العتلات"، التي تضمنت إعداد وتنظيم المواقع البدائية للعتلات لكتابة رسالة محددة. يمكن القيام بهذه المهمة بمجرد معرفة اصطفاف العتلات في كامَة الماكينة. كانت هذه هي المهمة الرئيسية التي صمم كولوسس لأجلها منذ البداية. لاكتشاف الموقع البدائي لعتلات مجموعة "تشي" لإنشاء رسالة، كان كولوسس يقارن بين تدفقين من الحروف ويجمع الإحصائيات من تقييم العمليات البوليانية المبرمجة. كان هذان التدفقان عبارة عن النص المشفر، الذي يتم قراءته من شريط بسرعة عالية، ودفق المفاتيح، الذي تم إنشاؤه لمحاكاة الماكينة الألمانية الغامضة. بعد تشغيل كولوسس عدة مرات لاكتشاف تتابع يشبه تتابع عتلات "تشي"، تم فحص هذا التتابع من خلال مراقبة توزيع تردد الحروف في النص المشفر الذي تتم معالجته. كان كولوسس ينتج إعدادات لهذه الترددات.