39° 6′ 53.28″ N, 76° 46′ 29.28″ W
Die amerikanische National Security Agency, oder NSA, war einmal so geheim, dass Insider sie scherzhaft »No Such Agency« (etwa »es gibt keine solche Behörde«) nannten. Doch Hollywood-Filmemacher, die auf der Suche nach etwas noch geheimerem und gefährlicherem als die CIA waren, rückten die NSA mit Filmen wie Das Mercury-Puzzle und Der Staatsfeind Nr. 1 ins Blickfeld des öffentlichen Interesses. Außerdem scheinen die Aufgaben der NSA, wie die Entwicklung und das Knacken von Codes, elektronische Überwachung, Abhören, Internetüberwachung und Datamining, in dieser Zeit der allgegenwärtigen elektronischen Kommunikation immer mehr an Bedeutung zu gewinnen.
Dennoch hängt über der täglichen Arbeit der NSA ein Schleier des Geheimnisvollen. Daher ist das öffentliche Museum der NSA, das National Cryptologic Museum, eine überraschende Entdeckung. Das Museum wurde 1993 eingeweiht und ist in einem alten Motel direkt neben dem NSA-Hauptquartier in Fort Meade, Maryland, untergebracht.
Das kleine Museum war ursprünglich nur NSA-Mitarbeitern zugänglich und beherbergt eine vorzügliche Sammlung von Artefakten zur Geschichte der Chiffren und des Codeknackens. Der Eintritt in das Museum ist frei.
Ein guter Ausgangspunkt ist die funktionsfähige Enigma, die im Zweiten Weltkrieg von Nazideutschland zur Verschlüsselung von Nachrichten verwendet wurde. Zu jener Zeit wurden die Enigma-Codes als sicher betrachtet, dann aber in England unter großer Geheimhaltung doch geknackt (siehe Kapitel 40). Bei der im NSA-Museum ausgestellten Enigma haben Sie die seltene Möglichkeit, das Gerät anzufassen und verschlüsselte Nachrichten zu erzeugen.
Die SIGSALY-Ausstellung zeigt Teile der Ausrüstung, die während des Zweiten Weltkriegs zur sicheren Telefonkommunikation zwischen dem Pentagon und dem britischen Kriegsministerium verwendet wurde. SIGSALY wog 55 Tonnen und war so groß, dass es nicht in einem Regierungsbüro in London installiert werden konnte. So landete das System im Selfridges-Warenhaus in der Oxford Street. SIGSALY funktionierte so, dass ein zufälliges Rauschen in die Unterhaltung eingespeist wurde, um die gesprochenen Wörter zu überlagern. Dieses zufällige Rauschen wurde auf einer Seite eingefügt und auf der anderen Seite wieder entfernt, sodass eine sichere Unterhaltung möglich war: Lauscher hörten nur etwas, das wie eine atmosphärische Störung klang. Dieses zufällige Rauschen war auf einer Schallplatte gespeichert. Jede Seite besaß eine Kopie der gleichen Aufnahme (die so gesehen den Verschlüsselungsschlüssel bildete). Beide Aufnahmen mussten mit genau der gleichen Geschwindigkeit wiedergegeben werden, damit sie synchron liefen. Eine einzelne Aufnahme ermöglichte gerade einmal 12 Minuten sicherer Konversation.
Ebenfalls im Museum ausgestellt sind viele Kryptographie-Objekte aus der Zeit vor dem Zweiten Weltkrieg. Einige, etwas spekulative Objekte zur möglichen Kommunikation amerikanischer Sklaven sind Decken mit eingestickte Mustern, die ein frühes Beispiel für die Steganographie (eine Nachricht wird so versteckt, dass nicht Eingeweihte nicht einmal erkennen, dass es sich um eine Nachricht handelt) darstellen. Die Ausstellung zum amerikanischen Bürgerkrieg zeigt Codebücher und einen faszinierenden Chiffre-Zylinder, der mithilfe des Vigenère-Systems verschlüsselt (Details zu Chiffren finden Sie in Kapitel 121).
Die Ausstellung zum Kalten Krieg zeigt die Bedeutung der Luftaufklärung anhand einer kompletten Air Force C-130, die sich außerhalb des Museums befindet. Sie ist den 17 Soldaten gewidmet, deren C-130 von der Sowjetunion abgeschossen wurde, nachdem sie sich aus dem türkischen Luftraum in den armenischen verirrt hatten.
Der Kalte Krieg trieb auch die Entwicklung der satellitengestützten Aufklärung voran. Im Museum sind die ersten amerikanischen Spionagesatelliten GRAB und GRAB II ausgestellt. 1960 und 1961 gestartet, hatte das Galactic Radiation Background Experiment die angebliche Aufgabe, die Solarstrahlung zu messen, doch insgeheim war es voller Geräte, die sowjetische Radarsignale aufspüren und messen konnten. Diese Radarsignale wurden dann verarbeitet und an Bodenstationen weitergegeben. Dadurch war es der NSA möglich, Daten über sowjetische Radarsysteme aus einer Höhe von 500 Meilen abzurufen. Weil Radar (und andere Radiosignale) über den Horizont hinausreichen, musste der GRAB-Satellit nur direkt auf die Radarstationen gerichtet werden. Er konnte dann einfach die Radarsignale abfangen, die sich in den Weltraum ausbreiteten.
In jüngerer Zeit wurde die computerbasierte Verschlüsselung zur Regel und damit auch computerbasierte Angriffe auf Verschlüsselungssysteme. Die Supercomputer-Ausstellung des Museums zeigt einen Cray YMP-Computer. Er wurde im Jahr 1993 (in dem auch der erste Web-Browser vorgestellt wurde) gebaut und besaß 32 GB Arbeitspeicher. Zu dieser Zeit verfügte ein Standard-PC mit dem neuen Intel Pentium-Prozessor über etwa 8 MB RAM. Der Cray verfügte aber nicht nur über 8000-mal mehr Speicher als ein PC, er konnte auch konnte 2,67 Milliarden Operationen pro Sekunde ausführen, die Leistungsfähigkeit war also etwa 3000-mal größer als die eines Intel Pentium, wie er in PCs zu finden ist.
Laut Museumsangaben besitzt die NSA die größte Supercomputer-Anlage der Welt, allerdings ist diese nicht für Besucher geöffnet! Daher gibt es zwar keinen Einblick in die heutigen Fähigkeiten der NSA (schließlich ist deren Arbeit immer noch streng geheim), doch das Museum bietet viel faszinierenden Stoff für Spekulationen bezüglich deren Möglichkeiten.
Details zum National Cryptologic Museum finden Sie auf der NSA-Website unter http://www.nsa.gov/about/cryptologic_heritage/museum/. Das Museum ist von Montag bis Freitag und am ersten und dritten Samstag im Monat geöffnet. Sie erreichen das Museum telefonisch unter +1 301-688-5849.
FROSTBURG: Die Connection Machine CM-5
Die Supercomputer-Ausstellung umfasst auch einen Computer, der so aussieht, als stamme er aus einem Film. Der schwarze Monolith der Connection Machine CM-5 ist höher als ein Mensch und verfügt über eine vertikale Matrix ständig flackernder roter LEDs, die zur Überwachung des Betriebs der Maschine genutzt wurden.
Die CM-5 gehört der NSA. Ihr Codename lautet FROSTBURG, in Anlehnung an eine Stadt in der Nähe des NSA-Hauptquartiers. Die CM-5 wurde zum nicht näher erläuterten mathematischen Knacken von Codes verwendet und verfügte über 512 parallel arbeitende Prozessoren mit einer Gesamtleistung von 65,5 Milliarden Operationen pro Sekunde. Sie besaß 500 GB RAM und lief unter einer Spezialversion des Unix-Betriebssystems mit dem Namen CMost. Die CM-5 wurde 1991 in der NSA installiert, zu einer Zeit also, als ein PC mit 4 MB RAM gemeinhin als »Highend« angesehen wurde.
FROSTBURG war der erste von der NSA gekaufte massivparallele Computer. Ein massivparalleler Computer besteht im Wesentlichen aus einer großen Anzahl unabhängiger Computer, jeder mit eigener CPU und eigenem Speicher ausgestattet, sowie einer Einrichtung zur Kommunikation dieser Computer untereinander. Die einzelnen Computer, üblicherweise Knoten (engl. Nodes) genannt, kommunizieren über ein internes Netzwerk, indem sie Nachrichten austauschen. Der FROSTBURG-Computer besaß 512 dieser Knoten.
Ein Standard-PC besitzt üblicherweise nur eine einzige CPU, die nur an einer einzigen Aufgabe arbeiten kann. Selbst bei Multitasking-Betriebssystemen wie Microsoft Windows oder Mac OS X arbeitet die CPU zu einem bestimmten Zeitpunkt nur an einer Aufgabe und das Betriebssystem schaltet ganz nach Bedarf zwischen den Programmen um. Im Gegensatz dazu kann ein massivparalleler Computer eine einzelne Aufgabe (etwa das Knacken eines Codes) in mehrere Teile zerlegen und diese Teile dann an verschiedene CPUs (oder Knoten) übergeben.
Beim Codeknacken könnte so die verschlüsselte Nachricht auf die CPUs verteilt werden, so dass jede CPU nur einen kleinen Teil verarbeitet. Auch die vorhandenen Schlüssel könnten aufgeteilt werden, so dass die einzelne CPU nur für eine kleine Anzahl von Schlüsseln testen muss, ob sich damit die Nachricht entschlüsseln lässt. Da die einzelnen Knoten der massivparallelen Maschine unabhängig und parallel arbeiten, können Aufgaben hier sehr schnell erledigt werden, für die man auf einem normalen PC Monate oder gar Jahre benötigen würde.
Bei der Konzeption solcher massivparallelen Rechner gibt es allerdings eine signifikante Herausforderung: Zwar arbeiten alle Knoten unabhängig voneinander, sie müssen aber miteinander kommunizieren, um Informationen auszutauschen. Jeder Knoten kann nur auf seinen eigenen Speicher, nicht aber auf die Speicher anderer Knoten zugreifen. Wenn ein Knoten Informationen von einem anderen Knoten benötigt, fordert er diese in einer Nachricht über das interne Netzwerk an und erhält im Gegenzug eine Antwort mit den entsprechenden Daten. Daher sind Aufbau und Geschwindigkeit des Kommunikationsnetzwerks von entscheidender Bedeutung für die Leistung des Computers.
Die Alternative zu einem internen Netzwerk ist ein gemeinsamer Speicher für alle Knoten. Bei diesem Shared-Memory-Design müssen die Knoten nicht miteinander Kommunizieren, dafür aber den Zugriff auf den Speicher koordinieren. Dies führt zu Konflikten, wenn mehrere Knoten zur selben Zeit auf den Speicher zugreifen möchten. Die Anzahl von Konflikten steigt daher mit der Anzahl der Knoten. Üblicherweise können Shared-Memory-Maschinen nicht mehr als 32 Knoten verwalten.
Bei der FROSTBURG CM-5 handelt es sich nicht um ein Shared-Memory-System: Die 512 Knoten sind über ein schnelles internes Netzwerk miteinander verbunden. Bei der einfachsten Form eines solchen Netzwerks würde jeder Knoten mit jedem anderen Knoten verbunden, sodass ein Geflecht von Verbindungen entstünde. Unglücklicherweise treten aber bei dieser Architektur Schwierigkeiten auf, wenn sich die Anzahl der Knoten erhöht.
Ein Computer mit 4 Knoten A, B, C und D beispielsweise benötigt insgesamt 6 Verbindungen, AB, AC, AD, BC, BD und CD, damit jeder Knoten direkt mit jedem anderen kommunizieren kann. Ein Computer mit 5 Knoten benötigt 10 Verbindungen, ein Computer mit 6 Knoten 15 Verbindungen und so weiter (siehe Abbildung 101.1).
Die Gesamtzahl der Verbindungen bei einem Computer mit einer geraden Anzahl von Knoten lässt sich mit der Formel n × (n – 1) / 2 berechnen. Der erste von n Knoten muss mit (n – 1) anderen Knoten verbunden werden, der nächste Knoten mit (n – 2) Knoten, also mit einem weniger, da er ja bereits mit dem ersten Knoten verbunden ist und diese Verbindung bereits bei (n – 1) mitgezählt wurde, der dritte Knoten mit (n – 3) Knoten und so weiter. Die Gesamtzahl der Verbindungen ist also (n – 1) + (n – 2) + ... + 1.
Dem deutschem Mathematiker Johann Gauss wird nachgesagt, seinen Grundschullehrer damit beeindruckt zu haben, die ersten 100 Zahlen (1 + 2 + ... + 100) schnell zusammenrechnen und das richtige Ergebnis (5050) nennen zu können. Er hatte nämlich erkannt, dass sich diese Summe mit (100 + 1) + (99 + 2) + ... + (51 + 50) berechnen ließ. Die Summe besteht somit aus 50 Teilsummen, alle mit dem Wert 101, sodass das Ergebnis 50 × 101 oder 5050 lautet.
Das gleiche Prinzip gilt auch für die Summierung von (n – 1) + (n – 2) + ... + 1. Dies kann man als (n – 1 + 1) + (n – 2 + 2) + ... schreiben. Die Summe besteht aus (n – 1) / 2 Teilsummen, daraus ergibt sich dann die Formel n × (n – 1) / 2.
Bei diesem Design wären für FROSTBURG insgesamt 130816 Verbindungen erforderlich gewesen. Außerdem war die CM-5 für tausende von Prozessoren ausgelegt. Dadurch wäre eine entsprechende Vermaschung unglaublich teuer geworden. Ein anderes Problem bei einer großen Zahl von Verbindungen ist die Geschwindigkeit. Während sich die physikalische Größe eines Supercomputers erhöht, nimmt dessen Geschwindigkeit ab. Informationen können innerhalb des Computers nur mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden. Ein kompakter Aufbau ist daher unumgänglich.
Bei der CM-5 wurde dieses Verbindungsproblem gelöst, indem ihre Knoten in einem sogenannten »Fat Tree« angeordnet wurden. In der Informatik ist ein Baum (tree) eine Menge von Punkten, die üblicherweise Knoten genannt werden und so miteinander verbunden sind, dass die resultierende Struktur an einen umgekehrten Baum erinnert (siehe Abbildung 101.2). Der Wurzel-Knoten befindet sich ganz oben und verfügt über Verbindungen mit den darunter liegenden Knoten. Die Knoten können sich über mehrere Ebenen erstrecken und enden mit den »Blatt-Knoten«, an denen es keine weiteren Verzweigungen mehr gibt.
Bei einem »fetten Baum« werden die Verbindungen zwischen den Knoten dicker, je näher man der Wurzel kommt. Bei der CM-5 folgt das Layout (die Topologie) des internen Netzwerks dem Prinzip eines solchen Fat Tree. Die Dicke der Verbindung repräsentiert deren Geschwindigkeit: je dicker, umso schneller. Die Rechnerknoten bilden die Blätter des Baums, während es sich bei den anderen Elementen um spezialisierte Routing-Chips handelt, die Nachrichten zwischen den Rechner-Knoten austauschen können (Abbildung 101.3).
Möchte ein Knoten mit einem anderen kommunizieren, übergibt er eine Nachricht an den Routing-Chip, mit dem er verbunden ist. Der Routing-Chip gibt die Nachricht im Baum nach oben weiter, bis eine Stelle erreicht ist, an der diese bis zum Zielknoten gelangen kann. Bei den benachbarten Knoten läuft die Nachricht durch einen einzelnen Routing-Chip, während bei weiter entfernten Knoten mehrere Routing-Chips durchlaufen werden müssen. Um sicherzustellen, dass die Nachrichten schnell und ungestört weitergeleitet werden, wird die Geschwindigkeit der Verbindungen (und Routing-Chips) auf jeder Ebene des Baums verdoppelt, wobei der Wurzel-Routing-Chip der schnellste ist und über die schnellsten Verbindungen verfügt.
Das vereinfachte Diagramm in Abbildung 101.3 zeigt einen binären Baum: Jeder Routing-Chip ist mit maximal zwei anderen Chips oder Knoten verbunden. Bei der CM-5 wurde hingegen ein Quartärbaum verwendet (jeder Chip war mit vier anderen Chips oder Knoten verbunden). Außerdem wurde die Geschwindigkeit nicht jeweils verdoppelt. Stattdessen wurde bei diesem System die Kommunikation untereinander um 3 bis 7 Mikrosekunden verzögert. Speziell isolierte Kabel übertrugen die Daten mit fast 90% der Lichtgeschwindigkeit.
Wenn man all diese Fakten kennt, ist es schon recht ernüchternd, dass diese so leistungsfähige Maschine für die NSA ein Museumsstück ist.