Úsvit hackerů: závěr s Claudem Shannonem

Lukáš Erben 14. 5. 2013

Každý správný příběh by měl vyvrcholit spojením všech důležitých nitek a linií v jediné rozuzlení. I ten náš tak končí (ale nebojte, budou další). Většina nitek, které jsme sledovali, se totiž během prvních několika let po druhé světové válce spojila ve vznik oborů, díky nimž se můžeme potkat na webu.

Claude Shannon byl modelovým příkladem člověka, kterého dnes angličtina označuje termíny „nerd“ či „geek“. V Gaylordu, ve státě Michigan, kde strávil své dětství až do odchodu na univerzitu, chodil na školu, kde byla ředitelkou jeho matka. Exceloval v matematice a doma si postavil rádiem řízený model lodi či bezdrátový telegraf (s jehož pomocí si posílal zprávy s kamarádem). Už jako chlapec navíc „pracoval v telekomunikacích“ jako poslíček telegrafní společnosti Western Union.

Claude Elwood Shannon

Zapnuto a vypnuto – 1 a 0

Po studiích na University of Michigan, kde se poprvé seznámil s pracemi George Boolea, přešel v roce 1936 na MIT, kde záhy dostal možnost pracovat s diferenciálním analyzátorem Vannevara Bushe – jedním z prvních analogových počítačů. Už tehdy si Shannon uvědomil, že složité obvody a zapojení diferenciálního analyzátoru by bylo možné zjednodušit pomocí Booleových konceptů. Jeho magisterská práce „A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits“ z roku 1937 byla o rok později publikována v odborném časopise a později dokonce označena jako „jedna z nejvýznamnějších magisterských prací století“. Aby mne rusofilové a bolševikomilci (opět) neobvinili z nadržování kapitalistickému západu a americkým imperialistům, je fér uvést, že teorii elektrických spínaných obvodů s využitím booleovské logiky navrhl o dva roky dříve na Moskevské Státní Univerzitě Viktor Šestakov – nicméně poprvé svou práci publikoval až v roce 1941.

Shannon ve své práci pochopitelně ještě neuvažoval o počítačích – řešil problematiku uspořádání elektromagnetických relé v telefonních ústřednách. Nicméně využití elektrických přepínačů pro logické operace (s využitím stavů AND/NOT – 0/1) je dodnes základním principem výpočetní techniky a Shannon tak položil základy pro systematický design digitálních obvodů. V roce 1940, po dokončení doktorandského studia měl příležitost setkat mezi dalšími i s Johnem von Neumannem, ale také s řadou dalších věhlasných matematiků, fyziků či biologů. V jeho hlavě se tak začaly formovat myšlenky na téma Teorie informace. Velmi trefně to ve svém článku popisuje Jan Kapoun:

Diplomová práce měla ovšem ještě dalekosáhlejší důsledky. Vytvořila základ, na němž stojí princip digitálního počítače. Nesnáze, které dělaly těžkou hlavu raným počítačovým průkopníkům od Babbage až po Mauchlyho, byly totiž způsobeny i lpěním na desítkové soustavě. Shannon přesvědčivě dokázal, že těmto problémům se lze vyhnout pomocí logiky založené na extrémně malé množině, obsahující jen dva prvky: jedničku a nulu (resp. zapnuto a vypnuto).

Jan Kapoun, Průkopníci informačního věku (CIO Business World).

Válka a kryptoanalýza

Válečné období prožil Claude Shannon v Bellových laboratořích, kde pracovat na systémech pro kontrolu střelby a věnoval se kryptografii – přesto zůstával i výstředním „nerdem“.

Válečná léta strávená v Bellových laboratořích byla obdobím, kdy se postupně – na pozadí Shannonovy činnosti spojené s vývojem zaměřovačů a účinných metod kryptografie – rodila koncepce informace. Shannon, povahou velmi sdílný a přátelský, byl racionálním, uvážlivým člověkem, ale podobně jako řada jiných vědců nepostrádal nepřehlédnutelné rysy výstřednosti – do ústavu jezdil na vlastnoručně vyrobené jednokolce a měl zvláštní zálibu v žonglování. To způsobovalo, že jej nezasvěcení pozorovatelé s nemalým údivem považovali za cirkusáka, jenž se jakýmsi nedopatřením ocitl ve výzkumném ústavu.

Jan Kapoun, Průkopníci informačního věku (CIO Business World).

Seznámil se s metodami luštění Enigmy, které používali Britové, pravdou ovšem je, že pro jeho další práci měl zásadní význam zejména výzkum v oblasti balistiky. Ve své eseji „Vyhlazování dat a predikce v systémech pro kontrolu střelby“ se poprvé zaměřil na otázku oddělení signálu a šumu v telekomunikaci. Do úsvitu hackerů ale pochopitelně patří Claude Shannon i díky svému angažmá v oblasti kryptoanalýzy – byť bylo především v teoretické rovině. Jedním ze zásadních přínosů byl výzkum šifrovacích tabulek, které používali Sověti (věnován jim byl díl o projektu Venona) – Shannon prokázal, že se jedná o nerozluštitelný systém za předpokladu, že tabulky jsou skutečně náhodné, stejně dlouhé jako šifrovaný text a nikdy nejsou používané opakovaně ani prozrazeny (rozluštění bylo možné jen v případě chybného používání – což se pochopitelně stávalo). Zároveň vysvětlil, že jakýkoliv šifrovací systém je nerozluštitelný pouze při splnění výše uvedených předpokladů. Shannon si také uvědomil, že otázky přenosu informace a jejího šifrování (či kódování) spolu úzce souvisí.

Teorie komunikace a informace

Na sklonku války vytvořil Claude Shannon v Bell Labs řadu zajímavých zpráv a studií, které se věnovaly popisu toho, co je informace, jakým způsobem ji lze nejlépe přenášet a jak oddělit od šumu, ale i od obsahového kontextu a ověřovat její správnost (to je ve své podstatě zjednodušený popis práce, kterou prováděli během války kryptoanalytici). Po válce výsledky svého výzkumu, který kombinoval poznatky z řady vědních oborů (matematika, statistika a teorie pravděpodobnosti, elektrotechnika, kryptografie ale i termodynamika), shrnul do „Matematické teorie komunikace“, vydané v roce 1948 – v ní se pokusil vše matematicky popsat a zároveň určit základní jednotku informace.

Označil ji jako „binary digit“ neboli zkráceně „bit“, přičemž stanovil, že jeden bit reprezentuje informaci získanou odpovědí na jednu otázku typu ano/ne, u které je apriorní pravděpodobnost obou odpovědí stejná (odpověď pak lze vyjádřit jednou z dvojice číslic 0 či 1). Na základě tohoto určení kapacity sdělovacího kanálu (či média) rozvinul Shannon jak teorii přenosu dat (bez ohledu na jejich sémantiku), tak teorii datové komprese (související s kritériem věrnosti reprodukce zprávy).

Jan Kapoun, Průkopníci informačního věku (CIO Business World).

Původní verze z roku 1948 byla pochopitelně čistě odbornou a vědeckou publikací, později se ale dočkala i knižního vydání, které obsahuje též „popularizovanou“ verzi teorie, jejímž autorem je Warren Weaver. Claude Shannon v následujících letech vydal odtajněnou verzi své zprávy o kryptoanalýze, kterou vytvořil v Bell Labs (Communication theory of Secrecy systems), přispěl k tématu práce s jazykem (Prediction and Entropy of Printed English) a vytvořil teorii vzorkování, která se stala základem pro digitalizaci v telekomunikacích, ale i pro současná digitální média. Vzpomeňte si na Shannona, až si příště pustíte hudbu na CD, v MP3 nebo FLAC.

Jedním z pozdějších vynálezů C. Shannona byla elektromechanická myš Theseus, kterou využíval při výzkumu v oblasti umělé inteligence.

Epilog.V pozdějších letech se Shannon věnoval řadě „herních“ vynálezů – již v roce 1950 napsal knihu „Jak programovat počítač pro hraní šachů“ a je údajně i vynálezcem prvního „obléknutelného“ počítače, který bylo možné využívat při karetních hrách. Se svou ženou a Edem Thorpem jej údajně úspěšně vyzkoušeli v Las Vegas při hraní blackjacku. Své zkušenosti s aplikací teorie her (tzv. Kelly criterion – vyvinul jej Shannonův kolega z Bell Labs J.L. Kelly) dokonce úspěšně otestovali i na burze (a opět vydělali nemalé jmění). Tuto metodu údajně dodnes používá Warren Buffet.

widgety

Byl to Claude Shannon, kdo si jako chlapec postavil domácí bezdrátový telegraf (jeho „bezpečnost“ byla námětem prvního dílu seriálu), pracoval jako poslíček u Western Union (ta hrála klíčovou roli v příběhu dílu druhého). Byl to opět Shannon, kdo se potkal v roce 1943 s Alanem Turingem a seznámil se s britskými s technikami dešifrování Enigmy (6. a 7. díl), které vycházely z práce Polských kryptoanalytiků (3. díl) (množná ještě více ale Shannona zaujala studie „Univerzální Turingovův Stroj“). Byl to opět Claude Shannon, kdo se během krátkého působení v Bell Labs (kde byla mimo jiné o třicet let dříve vyvinuta Vernamova proudová šifra – základ Enigmy i Lorenzovy šifry) zajímal o šifrování řeči a sepsal v roce 1945 zprávu „Matematická teorie kryptografie“ (publikováno 1949) v níž mimo jiné prokázal, že šifrovací tabulky používané Sověty (10. a 12. díl seriálu) jsou (při správném použití) nerozluštitelné a vlastně tak „odepsal“ metodu frekvenční analýzy, kterou objevil AlKidus (Al-Kindi) na počátku 9. století (0. díl – prolog). Ta byla v kombinaci s dalšími postupy využívána ještě v průběhu druhé světové války a svým způsobem propojovala celými miniseriál o „analogovém“ úsvitu hackerů (například v díle čtvrtém). A byl to konečně Shannon, kdo ve svém dvoudílném článku Matematická teorie komunikace navrhl metodu binárního kódování informace a posunul tak přenos a zpracování informace z analogové éry telegrafů do éry digitální. Shannon pochopitelně nebyl sám. Neméně zásadní roli hrála řada jeho předchůdců, současníků i pokračovatelů – ať už to byli Hollerith, Babbage, Bush, Boole, Aiken, Engelbart, Turing, McCarthy, Nelson, Zuse, von Neumann, Wirth, Brooks, Forrester, Sutherland, Wiener, Mauchly, Eckert a mnozí další. S některými z nich se nejspíš setkáme v pokračování Úsvitu hackerů. Tedy pokud máte chuť a náladu.

Napište nám, o jakých tématech (ať už jednorázově, nebo v podobě miniseriálu) z historie informatiky, bezpečnosti a komunikace byste si rádi něco přečetli. Nezaručím, že se vždy podaří témata zpracovat absolutně vyčerpávajícím způsobem (koneckonců prostor, čas i honorář jsou omezeny) a vzít v úvahu všechny teorie a zdroje (včetně řady oficiálně nepublikovaných, jak mi je někdy v diskuzích vyčítáno). Stejně tak neslíbím, že nabídnu zcela nestranný pohled, vždy se ale pokusím nabídnout zajímavý příběh a někdy i méně známé souvislosti. Ostatně i to bylo smyslem Úsvitu hackerů.

Použité zdroje

Našli jste v článku chybu?
Vitalia.cz: Očkování proti chřipce u dětí: ČR nemá pravidla

Očkování proti chřipce u dětí: ČR nemá pravidla

Vitalia.cz: Tesco nabízí desítky tun jídla zdarma

Tesco nabízí desítky tun jídla zdarma

Podnikatel.cz: Udělali jsme velkou chybu, napsal Čupr

Udělali jsme velkou chybu, napsal Čupr

Lupa.cz: Další Češi si nechali vložit do těla čip

Další Češi si nechali vložit do těla čip

Vitalia.cz: Jak Ondra o astma přišel

Jak Ondra o astma přišel

Podnikatel.cz: Letáky? Lidi zuří, ale ony stále fungují

Letáky? Lidi zuří, ale ony stále fungují

DigiZone.cz: Světový pohár v přímém přenosu na ČT

Světový pohár v přímém přenosu na ČT

Podnikatel.cz: Vánoce v září? Kaufland si legraci nedělá

Vánoce v září? Kaufland si legraci nedělá

Vitalia.cz: Voda z Vltavy před a po úpravě na pitnou

Voda z Vltavy před a po úpravě na pitnou

Vitalia.cz: Jsou vegani a vyrábějí nemléko

Jsou vegani a vyrábějí nemléko

Podnikatel.cz: Babišovi se nedá věřit, stěžovali si hospodští

Babišovi se nedá věřit, stěžovali si hospodští

Měšec.cz: TEST: Vyzkoušeli jsme pražské taxikáře

TEST: Vyzkoušeli jsme pražské taxikáře

Podnikatel.cz: Byla finanční manažerka, teď cvičí jógu

Byla finanční manažerka, teď cvičí jógu

Vitalia.cz: Fyzioterapeutka: Chůze naboso? Rozhodně ano!

Fyzioterapeutka: Chůze naboso? Rozhodně ano!

Vitalia.cz: Tohle jsou nejlepší česká piva podle odborníků

Tohle jsou nejlepší česká piva podle odborníků

DigiZone.cz: Technisat připravuje trojici DAB

Technisat připravuje trojici DAB

120na80.cz: Co je padesátkrát sladší než cukr?

Co je padesátkrát sladší než cukr?

Podnikatel.cz: Znáte už 5 novinek k #EET

Znáte už 5 novinek k #EET

Lupa.cz: Jak se prodává firma za miliardu?

Jak se prodává firma za miliardu?

Vitalia.cz: Test dětských svačinek: Tyhle ne!

Test dětských svačinek: Tyhle ne!