51° 59′ 54.6″ N, 0° 44′ 36.6″ W
Das British National Museum of Computing hat es schwer, mit dem Computer History Museum in den USA (Kapitel 86) mitzuhalten, da die Geschichte der Computer größtenteils von US-Unternehmen geschrieben wurde. Dennoch hat auch Großbritannien in der frühen Computergeschichte eine bedeutende Rolle gespielt (nicht zuletzt wegen des Einflusses des größten Computerwissenschaftlers von allen, Alan Turing; siehe Kapitel 66).
Der Star der Museumsausstellung ist der rekonstruierte Colossus-Computer, der im zweiten Weltkrieg entwickelt und eingesetzt wurde. Colossus nutzte als einer der ersten Computer Vakuumröhren (anstelle mechanischer Relais), war also bereits ein elektronischer Computer. Wie moderne Computer verwendete er das Binärsystem (siehe Kasten) und war programmierbar – wenn auch nur für die begrenzte Aufgabe, die Lorenz-Chiffre zu knacken.
Die Maschine las eine abgefangene Nachricht von einem sich schnell drehenden Papierband ein und berechnete dann die Einstelllungen der Lorenz-Maschine, die zur Übertragung der Nachricht verwendet wurde. Die Lorenz-Chiffre basierte, im Gegensatz zur Enigma, auf dem Binärsystem. Jeder zu übertragende Buchstabe wurde zuerst in eine aus fünf Bits (0 oder 1) bestehende Zahl umgewandelt. Dieser Buchstabe basierte auf dem Standard Baudot-Code, der zur Telegraphie verwendet wurde. Der Buchstabe A konnte als 00011 übertragen werden, B als 11001, C als irgendeine andere Kombination aus 1 und 0, und so weiter.
Die Lorenz-Maschine erzeugte scheinbar zufällige 5-Bit-Gruppen mit einem neuen Muster für jeden übertragenen Buchstaben. Tatsächlich aber produzierte die Maschine keine zufälligen Muster, sondern folgte einer schwer zu entschlüsselnden Sequenz, die auf den Einstellungen der Maschine basierte.
Das Binärsystem
Moderne Computer verwenden genau wie der Colossus aus dem Zweiten Weltkrieg das Binärsystem zur Darstellung von Zahlen (und sie nutzen Zahlen, um alles andere darzustellen). Für einen Computer sind Bilder, Musik, Dokumente und alles andere bloß Listen aus Zahlen, und diese Zahlen werden als binäre Einsen und Nullen gespeichert.
Das Binärsystem wird genutzt, weil es sich dabei um das einfachste Zahlensystem handelt, und weil es bezüglich der Elektrik einfach zu handhaben ist (eine 1 kann für das Vorhandensein von Strom stehen, bei der 0 ist kein Strom vorhanden). Außerdem lässt sich jede Zahl binär darstellen. Bei einem anderen System müsste man einen Weg finden, komplexere Zahlen elektrisch darzustellen – bevor Binärcomputer üblich waren, nutzten beispielsweise Analogcomputer Spannungspegel, um Zahlen darzustellen (0,5 Volt für die Zahl 0,5, 2 Volt für die 2 etc.). Das Binärsystem hat den großen Vorteil der Einfachheit: 1 steht für an, 0 für aus. Daher kann man das Binärsystem auch nutzen, um Informationen magnetisch zu speichern. Bei Festplatten könnte beispielsweise die 1 der Nordpol eines magnetischen Teils der Platte sein, 0 der Südpol. Auch die optische Speicherung ist so möglich: Beim Lesen von CDs und DVDs werden mit einem Laser die Spuren der Disks abtastet und das Vorhandensein bzw. Fehlen von Lücken im Material erkannt. Hierdurch werden dann die Einsen und Nullen repräsentiert.
Das Binärsystem ist das System zur Basis 2. Die uns vertraute Arithmetik nutzt das System zur Basis 10. Nehmen wir zum Beispiel die Zahl 128. Wenn wir uns an die Grundschule zurückerinnern, dann können wir uns das als eine 1 in der 100-er-Stelle, eine 2 in der 10-er-Stelle und eine 8 in der 1-er-Stelle vorstellen. Während Sie eine Zahl von rechts nach links durchgehen, werden die Stellen mit 1, 10, 100, 1000, und so weiter nummeriert. Jede Stelle ist 10-mal größer als die vorherige. Dieser Multiplikationsfaktor wird Basis genannt.
Beim Binärsystem werden die Stellen hingegen mit 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 usw. durchnummeriert. Jede Stelle ist doppelt so groß wie die vorherige, d.h. die Zahl 13 zur Basis 10 entspricht der 1101 zur Basis 2. Es gibt also eine 1 in der 8-er-Stelle, eine 1 in der 4-er-Stelle und eine 1 in der 1-er-Stelle. Sie können dies schnell überprüfen, indem Sie die Stellen aufaddieren, in der eine 1 steht: 8 + 4 + 1 = 13.
Die Basis bestimmt auch die Ziffern, die für jede Stelle verwendet werden können. Für die Basis 10 lauten die Ziffern 0, 1, ..., 9, beim Binärsystem sind nur die Ziffern 0 und 1 erlaubt (genau wie es beim Dezimalsystem nicht möglich ist, eine 11 an der 10-er-Stelle einzusetzen, können Sie im Binärsystem keine 3 an der 2-er-Stelle eintragen).
Mathematisch wird eine Zahl mit n Ziffern im Dezimalsystem durch ihre Ziffern dargestellt (dn-1, dn-2, ..., d0). Jede Zahl wird entsprechend ihrer Stelle mit 10 potenziert (wobei 100 = 1 ist). Das Ergebnis wird dann summiert (siehe Gleichung 58.1).
Für das Binärsystem gilt das gleiche, nur dass die 10 durch eine 2 ersetzt wird und die Ziffern (bn-1, bn-2, ..., b0) auf 0 oder 1 beschränkt sind (siehe Gleichung 58.2).
Durch das Binärsystem sind Computer für bestimmte Operationen besonders gut geeignet – die Multiplikation und Division durch 10 ist im Dezimalsystem einfach (man fügt eine 0 hinzu oder entfernt die Stelle mit dem niedrigsten Wert). Das Gleiche gilt für die Multiplikation und Division durch 2 im Binärsystem (auch hier fügt man entweder eine 0 hinzu oder entfernt die Ziffer, die den niedrigsten Wert aufweist). Das Binärsystem bietet dem Computer außerdem die Möglichkeit, Zahlen und Logik auf die gleiche Weise zu behandeln – binär lassen sich Zahlen ebenso gut darstellen wie die Idee von wahr und falsch. Weisen wir die Werte 1 für »wahr« und 0 für »falsch« zu, dann kann ein Computer logische Entscheidungen wie »WENN X > 10 UND X < 20, DANN RAKETE STARTEN« treffen. (Mehr über Computer-Logik erfahren Sie in Abbildung 86.3). Diese Logik besteht aus dem Vergleich zweier Zahlen (im Binärformat) und einer logischen UND-Entscheidung.
Bei einem Computer entsprechen die runden Binärzahlen 1, 10, 100, 1000 und 10000 den Dezimalzahlen 1, 2, 4, 8 und 16. Aus diesem Grund haben Computer die Speichergrößen 4, 8, 16 oder 32 Gigabyte (und nicht 5, 10, 20 oder 30 Gigabyte).
Auch der Untertitel dieses Buches weist einen Bezug zum Binärsystem auf. Es werden deshalb 128 Orte vorgestellt, weil 128 eine runde Binärzahl (10000000) ist. Diese Anspielung sollte von jedem Computerfreak, der das Buch im Regal sieht, sofort verstanden werden. Wäre dieses Buch nicht für Freaks geschrieben worden, dann enthielte es wohl nur 100 Orte, und man hätte Ihnen 28 Orte vorenthalten.
Für jeden zu übertragenden Buchstaben wurden dessen 5 Bits mit den nächsten 5 Bits von der Lorenz-Maschine über eine XOR-Operation (dem sogenannten Exklusiv-ODER) verknüpft. Das XOR arbeitet Bit für Bit, d.h. es nimmt das erste Bit des Buchstabens und das erste Bit der Lorenz-Chiffre und kombiniert sie zu einem neuen ersten Bit. Dann nimmt es sich das zweite Bit des Buchstabens und der Lorenz-Chiffre vor, und so weiter (siehe Abbildung 58.1).
Die XOR-Operation funktioniert folgendermaßen: Sind die Bits gleich (entweder zwei Einsen oder zwei Nullen), dann ist das Ergebnis 0, doch bei unterschiedlichen Bits (eines ist 1 und das andere 0) ist das Ergebnis 1. Eine nette Eigenschaft der XOR-Operation besteht darin, dass wenn sie zweimal mit der gleichen Lorenz-Chiffre verwendet wird, man wieder den Originalbuchstaben erhält. Da sowohl bei der sendenden als auch der empfangenden Lorenz-Maschine die gleichen Einstellungen zum Einsatz kamen, erzeugten sie die gleichen Folgen scheinbar zufälliger Bits.
Für den von den Nazis übertragenen Binärcode bauten die Code-Knacker in Bletchley einen Binärcomputer, der die Entschlüsselung übernahm. Die originalen Colossus-Computer wurden zusammen mit allen Plänen zerstört, d. h. einer Anweisung Churchills gemäß in Stücke »nicht größer als eine Faust« zerlegt. Nach mühevoller Arbeit mit noch erhaltenen Plänen und den Erinnerungen derjenigen, die die Maschinen gebaut hatten, steht nun ein rekonstruierter Colossus in Bletchley und knackt wieder Chiffren.
Im Museum sind neben dem Colossus auch Ausstellungstücke des vordigitalen Zeitalters zu sehen, zum Beispiel Personal Computer, Luftfahrtsysteme und die Anfänge des elektronischen Büros mit massiven Mainframe-Computern. Ziel ist es, funktionierende Maschinen zu zeigen und deren Bedeutung zu erklären.
Ein echtes Erlebnis sind die Abendveranstaltungen mit den Erläuterungen zur Funktionsweise von Colossus. Dabei wird auch praktisch demonstriert, wie dieser die Lorenz-Chiffre knackt.
Das National Museum of Computing ist Teil von Bletchley Park (siehe Kapitel 40), besitzt aber eine eigene Website unter http://www.tnmoc.org/.