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[14Secrypt.git] / crCOUCHOT14 / intro.tex
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2 From the last two decades,  many researchers have investigated the use
3 of       chaotic       systems       to       build       pseudorandom
4 sequences~\cite{915396,915385,5376454}.   Two    main   features   can
5 intuitively explain this interest:  first of all, chaotic systems have
6 unpredictable or disorder-like behavior  which is needed for producing
7 complex sequences.  Furthermore, such systems are extremely sensitive
8 to  the initial states  too: a  tiny difference in the input 
9 may lead  to dramatic changes in output.
10
11 Moreover,  the  property  of  chaos  is often  reduced  to  iterate  a
12 \emph{chaotic} function, namely the logistic map\footnote{The logistic
13 map is  defined by $X^0 \in  [0,1], X^{n+1} = \mu  X^n(1-X^n), \mu \in
14 [0,4]$.}~\cite{915396,915385},  the Arnolds  cat map\footnote{Discrete
15 Arnolds cat map is defined by  $(X^0, Y^0)\in [0,N]^2, X^{n+1} = 2 Y^n
16 + X^n$ mod $N$, $Y^{n+1} = X^n+Y^n$ mod $N$.}~\cite{5376454}\ldots
17 Au\-thors
18 are thus focused on finding parameters of such kind of functions which
19 are  the most  suitable  for generating  random-like sequences.   More
20 precisely,  they have  thus  to find  function  parameters that  avoid
21 parasitic attractors  and that lead  to a uniform distribution  of the
22 output.     To    check    how    accurate   are    their    generated
23 sequences~\cite{bfgw13:ij},  authors  are then  left  to submit  their
24 chaos-based  PRNG with  good  parameters on  statistical batteries  of
25 tests~\cite{DBLP:journals/corr/abs-1112-5239},                  namely:
26 DieHARD~\cite{Marsaglia1996},          NIST~\cite{Nist10},         and
27 TestU01~\cite{LEcuyerS07}.
28
29
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31 Devaney  has formalized~\cite{Devaney}  the fundamental  properties of
32 the chaotic maps, namely:  sensitive dependence on initial conditions,
33 transitivity, and density of periodic  points.  For short, a system is
34 sensitive  to  initial  conditions  if  any  point  contains,  in  any
35 neighborhood,  another  point   with  a  completely  different  future
36 trajectory.   Topological transitivity  is established  when,  for any
37 element, any neighborhood of  its future evolution eventually overlaps
38 with any  other open set.   On the contrary,  a dense set  of periodic
39 points is an element of regularity that a chaotic dynamical system has
40 to exhibit.   However, because  of the finiteness  of the memory  of a
41 computer, only  a kind  of discrete chaos  is generated.  This induces
42 that chaotic  properties, which  could have been  proven on  $\Reels$, can
43 however be lost on floating point numbers, which is the interpretation
44 domain of $\Reels$.
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46 To  avoid this  loss of  chaos, we  had constructed  chaos-based PRNGs
47 that  iterate a continuous  functions $G_f$  defined on  the discrete
48 domain $\llbracket  1 ;  n \rrbracket^{\Nats} \times  \{0,1\}^n$ where
49 $f$ is  a Boolean function (\textit{i.e.}, $f  : \{0,1\}^n \rightarrow
50 \{0,1\}^n$).           These          PRNGs         are          named
51 $\textit{CIPRNG}_f^1(u)$~\cite{bgw09:ip,guyeuxTaiwan10},
52 $\textit{CIPRNG}_f^2(u,v)$~\cite{wbg10:ip},                         and
53 $\textit{XOR~CIPRNG}(S)$~\cite{DBLP:journals/corr/abs-1112-5239},
54 where \textit{CI} stands for  \emph{Chaotic Iterations}, which have
55 been particularized according to the function they iterate.
56
57 Chaotic   properties  have   been  well   established  for   both  the
58 $\textit{XOR~CIPRNG}$   and  $\textit{CIPRNG}_f^1(u)$   under  certain
59 conditions  for  the iteration  function  $f$,  it  has been  formerly
60 deduced that it  was the case too for  the whole $\textit{CIPRNG}_f^2$
61 category of generators.  However, contrarily to what has been too much
62 rapidly deduced, this claim is not obvious (a subsequence of a chaotic
63 sequence  is   not  necessarily  a   chaotic  sequence  too)   and  it
64 necessitates a rigorous proof, which is the aim of this article.
65
66 The    remainder    of    the    paper    is    organized    as    follows.
67 Section~\ref{sec:notations}  recalls definitions  of  chaos properties
68 and  of the  family  of \textit{CIPRNG}.  Section~\ref{sec:wellchosen}
69 gives  the  complete  proof  of chaos  for  the  $\textit{CIPRNG}_f^2$
70 category.  This is the main  contribution of this work. The paper ends
71 with a conclusion section where intended future work is presented.