[세상을 바꾼 IT: 태동] Colossus, 전쟁으로 탄생한 세계 최초 디지털 컴퓨터

• 독일군의 승리를 이끈 암호전신기, 에니그마Enigma

에니그마

1939년 발발한 제2차 세계대전은 독일국이 일으킨 전쟁으로 독일군은 빠른 진격으로 유럽에서 승기를 잡았습니다. 독일군이 유럽에서 연승할 수 있는 이유는 훌륭한 암호전신기인 에니그마Enigma 덕분이었습니다. 에니그마Enigma는 제1차 세계대전 당시 독일제국의 암호가 해독되어 제1차 세계대전에 패배했음을 상기해 독일국이 강화한 암호전신기로 아르투르 슈르비우스에 의해 설계되었습니다.

에니그마 자판기를 누르면 회전자가 회전해 무작위로 결과물을 출력한다

에니그마Enigma는 26가지의 알파벳을 보유한 여러 회전자들이 회전하며 무작위로 결과물을 출력하는 것을 핵심으로 하는 암호전신기였습니다. 에니그마Enigma 자판기에 명령을 입력하는 순간 전류가 흐르며 3개의 회전자들이 연속적으로 회전해 출력을 담당하는 회전자에 처음 입력한 알파벳과 완전히 다른 알파벳이 출력되는 방식으로 작동했습니다. 각 회전자의 알파벳이 26개였기에 한 알파벳을 입력하면 출력 가능한 회전자 경우의 수는 26 X 26 X 26 = 17,576가지였습니다. 또 회전자 3개의 위치를 임의로 바꿀 수 있어 회전자 3개의 위치를 바꿈으로서 6가지 경우의 수가 추가되니 경우의 수가 26 X 26 X 26 X 6 = 105,456가지라는 엄청난 경우의 수가 되었습니다. 이는 곧 암호문을 맞힐 확률이 1 / 105,456임을 의미하는 것이었습니다.

에니그마로 출력한 암호문

독일국은 제1차 세계대전 패전 이후 암호의 중요성을 실감해 1926년부터 에니그마Enigma를 도입했습니다. 허나 1931년 폴란드 정보국Biuro Szyfrów이 에니그마Enigma 해독에 성공했습니다. 1939년 폴란드를 침공하며 제2차 세계대전을 일으킨 독일국은 적군이 에니그마Enigma 암호 해독을 하지 못하게 5개의 회전자 중 임의로 3개의 회전자를 선택하게 하고 24시간마다 암호체계를 바꾸는 두가지 경우의 수를 추가해 해독 확률을 더 낮추는 것으로 대응했습니다. 때문에 독일군과 맞써 싸우는 폴란드군은 에니그마Enigma를 해독하지 못하고 독일군의 공세를 막지 못했습니다.
 
 
 

• 에니그마Enigma를 해독할 기계, 봄브Bombe

폴란드 정보국 마리안 레예프스키가 개발한 봄바 크립토로직나

1939년 독일국이 폴란드를 침공하자 대영제국과 프랑스 제3공화국은 독일국에 선전포고했습니다. 이후 양국 간의 전쟁은 일어나지 않았지만 언젠가 반드시 전쟁이 일어날 것임을 누구나 알고 있었습니다. 이에 대영제국 정부는 1939년 앨런 튜링과 대영제국 암호학자들, 수학자들, 폴란드 정보국Biuro Szyfrów 출신 인재들을 소집해 에니그마Enigma를 해독할 기계를 만들 것을 명령했습니다. 특히 전쟁이 일어나기 전 폴란드 정보국Biuro Szyfrów의 암호학자인 마리안 레예프스키가 봄바 크립토로직나 Bomba kryptologiczna라는 기계를 개발해 에니그마Enigma를 미리 해독한 적이 있었기에 대영제국 정부는 그와 그의 기계를 받아 더 발전한 봄바 크립토로직나Bomba kryptologiczna를 개발할 것을 지시했습니다.

봄브

튜링 기계를 고안하며 계산하는 기계를 제시한 앨런 튜링은 1939년 에니그마Enigma와 동일하게 26개의 알파벳으로 이루어진 회전자를 독일군 암호문 문장과 동일한 갯수로 두고 전기신호를 설정해보고 기계를 돌려 독일군 암호와 동일한 문장이 나오는지 역추적하는 기계를 개발했습니다. 그것이 봄브Bombe로 1940년 대영제국의 수학자 고든 웰치먼이 에니그마Enigma를 완전해독할 수 있는 봄브Bombe로 개량해 독일국의 암호를 모두 해독했습니다.
 
 
 

• 로렌츠 암호전신기Lorenz-Schlüsselmaschine 등장

로렌츠 암호전신기

대영제국과 연합군은 봄브Bombe로 에니그마Enigma를 일찍 해독했지만 독일국이 눈치체지 못하게 해독하지 못한 척 시늉을 했습니다. 그래서 독일국은 에니그마Enigma가 훌륭한 암호전신기로 활동하고 있다고 믿었습니다. 하지만 독일국은 에니그마Enigma가 언젠가 해독되리라고 생각했고 1942년 아돌프 히틀러의 직접 명령 등 가장 중요한 군사문서를 전달하기 위해 더 상위 암호전신기를 개발했습니다. 그 전신기는 로렌츠 암호전신기Lorenz-Schlüsselmaschine로 에니그마Enigma 원리를 이용했지만 훨씬 복잡한 체계를 갖췄습니다.

로렌츠 암호전신기 회전자 구성 (OKW = 독일 국방군 최고사령부 / BP = 로렌츠 AG 기업)

OKW 기준 회전자 명칭

A

B

C

D

E

F

G

H

I

K

L

M

BP 기준 회전자 명칭

ψ1

ψ2

ψ3

ψ4

ψ5

μ37

μ61

χ1

χ2

χ3

χ4

χ5

톱니 수

43

47

51

53

59

37

61

41

31

29

26

23

로렌츠 암호전신기Lorenz-Schlüsselmaschine는 12개의 회전자로 구성되어 있으며 각각의 회전자는 μ, ψ, χ 3종류로 구성되어있으며 각 종류별 회전자의 숫자 개수도 다 달랐습니다. 거기에 숫자 개수 자체가 매우 커 모든 경우의 수를 총합하면 1.603 X 10^19라는 엄청난 수의 경우의 수가 나왔습니다. 이는 해독 확률이 1 / 1.603 X 10^19라는 극악한 확률이라는 뜻이었습니다. 이 확률은 봄브Bombe로 해독 불가능한 수준이었습니다. 이에 따라 대영제국은 또다른 해독기계 개발에 나섰습니다.
 
 
 

• 진공관을 사용한 세계최초 디지털 컴퓨터, 콜로서스Colossus

마크 2 콜로서스

대영제국의 수학자 맥스 뉴먼은 튜링 기계를 이용해 로렌츠 암호전신기Lorenz-Schlüsselmaschine를 해독할 기계 알고리즘을 제시했으며 그 청사진을 앨런 튜링이 받아 공학자인 토미 플라워스에게 전달했습니다. 1943년 토미 플라워스는 청사진을 받아 0과 1 두가지 명령만 전송하는 진공관을 이용해 알고리즘을 계산하는 기계를 만들었습니다. 1943년 해가 가기 전 토미 플라워스는 1,600개의 진공관으로 프로토타입을 만들었고 그 기계를 마크1 콜로서스 Mark 1 Colossus이라고 이름을 붙였습니다. 이어 1944년 연초에 마크 1 콜로서스 Mark 1 Colossus가 로렌츠 암호전신기Lorenz-Schlüsselmaschine의 암호를 해독하는데 성공했고 토미 플라워스는 1944년 2,400개의 진공관을 연결해 마크 2 콜로서스Mark 2 Colossus를 개발했습니다.

노르망디 상륙작전

마크 2 콜로서스Mark 2 Colossus는 진공관 간의 연결을 전선으로 연결해 논리구조를 회로를 설계했습니다. 그리고 변수를 천공 테이프로 로렌츠 암호전신기Lorenz-Schlüsselmaschine의 암호문을 입력하면 입력된 명령어를 전기신호로 변환해 값을 계산했고 해독 결과물을 출력하는 방식으로 작동했습니다. 마크 2 콜로서스Mark 2 Colossus의 해독 덕분에 서부 연합군은 노르망디 상륙작전에 성공해 동부전선에서 분투하는 소련군을 위해 또다른 전선을 열어 독일군을 사방에서 포위하는데 성공했습니다. 그리고 이는 소련군이 동부전선에서 쾌속진격해 베를린을 점령함으로서 제2차 세계대전을 연합군의 승리로 이끄는데 이바지했습니다.

콜로서스 설정 스위치

제2차 세계대전이 종전된 후에도 대영제국은 마크 2 콜로서스Mark 2 Colossus를 개량했고 콜로서스Colossus의 존재를 극비리로 부쳤습니다. 때문에 콜로서스Colossus는 세상에 알려지지 않았습니다. 콜로서스Colossus는 1946년 콜로시 11Colossi 11과 콜로시 12Colossi 12가 개발되었고 이후로도 많은 콜로서스Colossus 시리즈를 개발했습니다. 하지만 그 사이 미국에서 더 거대한 규모로 컴퓨터 개념이 정립되어갔습니다.