X-Git-Url: https://bilbo.iut-bm.univ-fcomte.fr/and/gitweb/hdrcouchot.git/blobdiff_plain/6805214bbb0a65ad2b0c90972dc14c541e6b851d..d69000ebda300fc836232f34cebb88ddfce4ac98:/14Secrypt.tex diff --git a/14Secrypt.tex b/14Secrypt.tex index a04c11e..bc59ba1 100644 --- a/14Secrypt.tex +++ b/14Secrypt.tex @@ -1,16 +1,29 @@ On a vu dans le chapitre précédent que pour avoir un générateur à sortie uniforme, il est nécessaire que la matrice d'adjacence du graphe d'itération du -système soit doublement stochastique. Nous présentons dans cette partie une -méthode permettant de générer de telles matrices. - -Les approches théoriques basées sur la programmation logique par contraintes sur -domaines finis ne sont pas envisageables en pratique dès que la taille des -matrices considérées devient suffisamment grande. - +système soit doublement stochastique. Nous présentons dans cette partie +des méthodes effectives permettant de générer de telles matrices. +La première est basée sur la programmation logique par contraintes +(Section~\ref{sec:plc}). +Cependant celle-ci souffre de ne pas passer à l'échelle et ne fournit pas +une solution en un temps raisonnable dès que la fonction à engendrer +porte sur un grand nombre de bits. Une approche plus pragmatique consiste à supprimer un cycle hamiltonien dans le -graphe d'itérations, ce qui revient à supprimer en chaque n{\oe}ud de ce graphe une -arête sortante et une arête entrante. +graphe d'itérations $\textsc{giu}(\neg)$ (section~\ref{sec:hamiltonian}). +Pour obtenir plus rapidement une distribution uniforme, l'idéal serait +de supprimer un cycle hamiltonien qui nierait autant de fois chaque bit. +Cette forme de cycle est dit équilibré. La section~\ref{sub:gray} établit le +lien avec les codes de Gray équilibrés, étudiés dans la litérature. +La section suivante présente une démarche de génération automatique de code de Gray équilibré (section~\ref{sec:induction}). +La vitesse avec laquelle l'algorithme de PRNG converge en interne vers +une distribution unifiorme est étduiée théoriquement et pratiquement à la +section~\ref{sec:mixing}. +L'extension du travail aux itérations généralisées est présenté à la +section~\ref{sec:prng:gray:general}. +Finalement, des instances de PRNGS engendrés selon les méthodes détaillées dans +ce chapitre sont présentés en section~\ref{sec:prng;gray:tests}. +Les sections~\ref{sec:plc} à~\ref{sub:gray} ont été publiées +à~\ref{chgw+14:oip}. % This aim of this section is to show @@ -21,7 +34,7 @@ arête sortante et une arête entrante. % This part is addressed in the first section. Next, we analyse the first % results to provide a generation of DSSC matrices with small mixing times. -\section{Programmation logique par contraintes sur des domaines finis} +\section{Programmation logique par contraintes sur des domaines finis}\label{sec:plc} Tout d'abord, soit ${\mathsf{N}}$ le nombre d'éléments. Pour éviter d'avoir à gérer des fractions, on peut considérer que les matrices (d'incidence) à générer ont des lignes et des colonnes dont les @@ -94,7 +107,7 @@ C'est évidemment une relation d'équivalence. -\subsection{Analyse de l'approche} +%\subsection{Analyse de l'approche}\label{sub:prng:ana} Exécutée sur un ordinateur personnelle, PROLOG trouve en moins d'une seconde les 49 solutions pour $n=2$, @@ -114,7 +127,7 @@ comparé les fonctions non équivalentes selon leur proportion -\begin{xpl} +\begin{xpl}\label{xpl:mixing:3} Le tableau~\ref{table:mixing:3} fournit les 5 fonctions booléennes qui ont les temps de mélange les plus petits pour $\varepsilon=10^{-5}$. \begin{table}[ht] @@ -126,13 +139,13 @@ $$ \hline f^a & (x_2 \oplus x_3, x_1 \oplus \overline{x_3},\overline{x_3}) & 16 \\ \hline -f^* & (x_2 \oplus x_3, \overline{x_1}\overline{x_3} + x_1\overline{x_2}, -\overline{x_1}\overline{x_3} + x_1x_2) & 17 \\ +f^* & (x_2 \oplus x_3, \overline{x_1}.\overline{x_3} + x_1\overline{x_2}, +\overline{x_1}.\overline{x_3} + x_1x_2) & 17 \\ \hline -f^b & (\overline{x_1}(x_2+x_3) + x_2x_3,\overline{x_1}(\overline{x_2}+\overline{x_3}) + \overline{x_2}\overline{x_3}, & \\ +f^b & (\overline{x_1}(x_2+x_3) + x_2x_3,\overline{x_1}(\overline{x_2}+\overline{x_3}) + \overline{x_2}.\overline{x_3}, & \\ & \qquad \overline{x_3}(\overline{x_1}+x_2) + \overline{x_1}x_2) & 26 \\ \hline -f^c & (\overline{x_1}(x_2+x_3) + x_2x_3,\overline{x_1}(\overline{x_2}+\overline{x_3}) + \overline{x_2}\overline{x_3}, & \\ +f^c & (\overline{x_1}(x_2+x_3) + x_2x_3,\overline{x_1}(\overline{x_2}+\overline{x_3}) + \overline{x_2}.\overline{x_3}, & \\ & \overline{x_3}(\overline{x_1}+x_2) + \overline{x_1}x_2) & 29 \\ \hline f^d & (x_1\oplus x_2,x_3(\overline{x_1}+\overline{x_2}),\overline{x_3}) & 30 \\ @@ -182,57 +195,80 @@ On s'intéresse par la suite à la génération de ce genre de cycles. \begin{minipage}{0.35\linewidth} \begin{scriptsize} \begin{center} - $ \dfrac{1}{4} \left( - \begin{array}{cccccccc} - 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ + +\[ +M=\dfrac{1}{3} \left( +\begin{array}{llllllll} +1&1&1&0&0&0&0&0 \\ +1&1&0&0&0&1&0&0 \\ +0&0&1&1&0&0&1&0 \\ +0&1&1&1&0&0&0&0 \\ +1&0&0&0&1&0&1&0 \\ +0&0&0&0&1&1&0&1 \\ +0&0&0&0&1&0&1&1 \\ +0&0&0&1&0&1&0&1 +\end{array} +\right) +\] + + + + % $ \dfrac{1}{4} \left( + % \begin{array}{cccccccc} + % 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ - 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ + % 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ - 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 \\ + % 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 \\ - 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ + % 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ - 1 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0 \\ + % 1 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0 \\ - 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 \\ + % 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 \\ - 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 \\ + % 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 \\ - 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & 1 \\ + % 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & 1 \\ - \end{array} \right) $ + % \end{array} \right) $ + + + \end{center} \end{scriptsize} \end{minipage} }% \caption{Représentations de $f^*(x_1,x_2,x_3)= - (x_2 \oplus x_3, \overline{x_1}\overline{x_3} + x_1\overline{x_2}, - \overline{x_1}\overline{x_3} + x_1x_2)$.}\label{fig1} + (x_2 \oplus x_3, \overline{x_1}.\overline{x_3} + x_1\overline{x_2}, + \overline{x_1}.\overline{x_3} + x_1x_2)$.}\label{fig1} \end{center} \end{figure} -\section{Graphes - $\textsc{giu}(f)$ - $\textsc{gig}(f)$ - fortement connexes et doublement stochastiques} -% Secrypt 14 +% section{Graphes +% $\textsc{giu}(f)$ +% $\textsc{gig}(f)$ +% fortement connexes et doublement stochastiques}\label{sec:gen:dblstc} +% % +%Secrypt 14 -\subsection{Suppression des cycles hamiltoniens} +\section{Suppression des cycles hamiltoniens} \label{sec:hamiltonian} -Dans un premier temps, nous montrons en section~\ref{sub:removing:theory} que la +Dans un premier temps, nous montrons %en section~\ref{sub:removing:theory} +que la suppression d'un cycle hamiltonien produit bien des matrices doublement stochastiques. Nous établissons ensuite le lien avec les codes de Gray équilibrés. -\subsubsection{Aspects théoriques} -\label{sub:removing:theory} +%\subsubsection{Aspects théoriques} +%\label{sub:removing:theory} Nous donnons deux résultats complémentaires, reliant la suppression d'un cycle hamiltonien du $n$-cube, les matrices doublement stochastiques et la forte @@ -293,15 +329,15 @@ depuis n'importe quel n{\oe}ud. Le graphe des itérations $\textsf{giu}$ qui -Les preuves, relativement directes, sont laissées en exercices au lecteur. Par -contre, ce qui est moins aisé est la génération de cycles hamiltoniens dans le +%Les preuves, relativement directes, sont laissées en exercices au lecteur. +La génération de cycles hamiltoniens dans le $n$-cube, ce qui revient à trouver des \emph{codes de Gray cycliques}. On rappelle que les codes de Gray sont des séquences de mots binaires de taille fixe ($n$), dont les éléments successifs ne différent que par un seul bit. Un code de Gray est \emph{cyclique} si le premier élément et le dernier ne différent que par un seul bit. -\subsection{Lien avec les codes de Gray cycliques (totalement) équilibrés} +\section{Lien avec les codes de Gray cycliques (totalement) équilibrés} \label{sub:gray} La borne inférieure du nombre de codes de Gray ($\left(\frac{n*\log2}{e \log @@ -354,50 +390,72 @@ vérifiant $\sum_{i=1}^nNT_n(i) = 2^n$. ce code est totalement équilibré. \end{xpl} -\subsection{Génération de codes de Gray équilibrés par induction} +\section{Génération de codes de Gray équilibrés par induction} \label{sec:induction} -Dans leur article de 2004~\cite{ZanSup04}, Zanten et Suparta proposent un -algorithme inductif pour générer des codes de Gray équilibrés de $n$ bits à -partir de codes de $n-2$ bits. Cependant, leur méthode n'est pas -constructive. En effet, elle effectue des manipulations sur un partitionnement du -code de Gray initial de $n-2$ bits pour obtenir un code de Gray sur $n$ bits, -mais le résultat n'est pas systématiquement équilibré. Il est donc nécessaire -d'évaluer les résultats obtenus à partir de tous les partitionnements réalisables -en suivant les contraintes spécifiées. Or, le nombre de possibilités augmente -exponentiellement (voir~\cite{Mons14} pour l'évaluation détaillée), ce qui rend -déraisonnable tout parcours exhaustif. Une amélioration proposée -dans~\cite{Mons14} permet de réduire le nombre de partitionnements considérés, -mais l'ordre de grandeur reste similaire. On constate donc clairement ici la -nécessité de trouver des algorithmes de génération de codes de Gray équilibrés -plus efficaces. Ce problème représente une des voies que nous souhaitons -explorer dans la suite de nos travaux. - -Le tableau~\ref{table:nbFunc} donne le nombre de fonctions différentes -compatibles avec les codes de Gray équilibrés générés par l'approche précédente -selon le nombre de bits. Il donne donc la taille de la classe des générateurs -pouvant être produits. Les cas 7 et 8 ne sont que des bornes minimales basées -sur des sous-ensembles des partitionnements possibles. +De nombreuses approches ont été developpées pour résoudre le problème de construire +un code de Gray dans un $\mathsf{N}$-cube~\cite{Robinson:1981:CS,DBLP:journals/combinatorics/BhatS96,ZanSup04}, +selon les propriétés que doit vérifier ce code. + +Dans les travaux~\cite{Robinson:1981:CS}, les auteurs +proposent une approche inductive de construction de code de Gray équilibrés +(on passe du $\mathsf{N}-2$ à $\mathsf{N}$) +pour peu que l'utilisateur fournisse une sous-séquence possédant certaines +propriétés à chaque pas inductif. +Ce travail a été renforcé dans ~\cite{DBLP:journals/combinatorics/BhatS96} +où les auteurs donnent une manière explicite de construire une telle sous-séquence. +Enfin, les autheurs de~\cite{ZanSup04} présentent une extension de l'algorithme de +\emph{Robinson-Cohn}. La présentation rigoureuse de cette extension leur permet +principalement de prouver que si $\mathsf{N}$ est une puissance de 2, +le code de Gray équilibré engendré par l'extension est toujours totalement équilibré et +que $S_{\mathsf{N}}$ est la séquence de transition d'un code de Gray de $\mathsf{N}$ bits +si $S_{\mathsf{N}-2}$ l'est aussi.. +Cependant les auteurs ne prouvent pas que leur approche fournit systématiquement +un code de Gray (totalement) équilibré. +Cette section montre que ceci est vrai en rappelant tout d'abord +l'extension de l'algorithme de \emph{Robinson-Cohn} pour un +code de Gray avec $\mathsf{N}-2$ bits. -\begin{table}[ht] - \begin{center} - \begin{tabular}{|l|c|c|c|c|c|} - \hline - $n$ & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 \\ - \hline - nb. de fonctions & 1 & 2 & 1332 & $>$ 2300 & $>$ 4500 \\ - \hline - \end{tabular} - \end{center} -\caption{Nombre de codes de Gray équilibrés selon le nombre de bits.}\label{table:nbFunc} -\end{table} +\begin{enumerate} +\item \label{item:nondet}Soit $l$ un entier positif pair. Trouver des sous-sequences +$u_1, u_2, \dots , u_{l-2}, v$ (possiblement vides) de $S_{\mathsf{N}-2}$ +telles que $S_{\mathsf{N}-2}$ est la concaténation de +$$ +s_{i_1}, u_0, s_{i_2}, u_1, s_{i_3}, u_2, \dots , s_{i_l-1}, u_{l-2}, s_{i_l}, v +$$ +où $i_1 = 1$, $i_2 = 2$, et $u_0 = \emptyset$ (la séquence vide). +\item\label{item:u'} Remplacer dans $S_{\mathsf{N}-2}$ les sequences $u_0, u_1, u_2, \ldots, u_{l-2}$ + par + $\mathsf{N} - 1, u'(u_1,\mathsf{N} - 1, \mathsf{N}) , u'(u_2,\mathsf{N}, \mathsf{N} - 1), u'(u_3,\mathsf{N} - 1,\mathsf{N}), \dots, u'(u_{l-2},\mathsf{N}, \mathsf{N} - 1)$ + respectivement, où $u'(u,x,y)$ est la séquence $u,x,u^R,y,u$ telle que + $u^R$ est $u$, mais dans l'ordre inverse. La séquence obtenue est ensuite notée $U$. +\item\label{item:VW} Contruire les séquences $V=v^R,\mathsf{N},v$, $W=\mathsf{N}-1,S_{\mathsf{N}-2},\mathsf{N}$. Soit alors $W'$ définie commé étant égale à $W$ sauf pour les +deux premiers éléments qui ont été intervertis. +\item La séquence de transition $S_{\mathsf{N}}$ est la concatenation $U^R, V, W'$. +\end{enumerate} + +L'étape~(\ref{item:nondet}) n'est pas constructive: il n'est pas précisé +comment sélectionner des sous-séquences qui assurent que le code obtenu est équilibré. +La théoreme suivante montre que c'est possible et sa preuve explique comment le faire. + + +\begin{theorem}\label{prop:balanced} +Soit $\mathsf{N}$ dans $\Nats^*$, et $a_{\mathsf{N}}$ défini par +$a_{\mathsf{N}}= 2 \left\lfloor \dfrac{2^{\mathsf{N}}}{2\mathsf{N}} \right\rfloor$. +il existe une séquence $l$ dans l'étape~(\ref{item:nondet}) de l'extension +de l'algorithme de \emph{Robinson-Cohn} extension telle que +le nombres de transitions $\textit{TC}_{\mathsf{N}}(i)$ +sont tous $a_{\mathsf{N}}$ ou $a_{\mathsf{N}}+2$ +pour chaque $i$, $1 \le i \le \mathsf{N}$. +\end{theorem} +La preuve de ce théorème est donnée en annexes~\ref{anx:generateur}. -Ces fonctions étant générée, on s'intéresse à étudier à quelle vitesse +Ces fonctions étant générées, on s'intéresse à étudier à quelle vitesse un générateur les embarquant converge vers la distribution uniforme. C'est l'objectif de la section suivante. -\section{Quantifier l'écart par rapport à la distribution uniforme} +\section{Quantifier l'écart par rapport à la distribution uniforme}\label{sec:mixing} On considère ici une fonction construite comme à la section précédente. On s'intéresse ici à étudier de manière théorique les itérations définies à l'équation~(\ref{eq:asyn}) pour une @@ -518,18 +576,95 @@ Si $\tau$ est un temps d'arrêt fort, alors $d(t)\leq \max_{X\in\Bool^{\mathsf{N \P_X(\tau > t)$. \end{theorem} + +Soit alors $\ov{h} : \Bool^{\mathsf{N}} \rightarrow \Bool^{\mathsf{N}}$ la fonction +telle que pour $X \in \Bool^{\mathsf{N}} $, +$(X,\ov{h}(X)) \in E$ et $X\oplus\ov{h}(X)=0^{{\mathsf{N}}-h(X)}10^{h(X)-1}$. +La fonction $\ov{h}$ est dite {\it anti-involutive} si pour tout $X\in \Bool^{\mathsf{N}}$, +$\ov{h}(\ov{h}(X))\neq X$. + + \begin{theorem} \label{prop:stop} -If $\ov{h}$ is bijective et telle que if for every $X\in \Bool^{\mathsf{N}}$, +Si $\ov{h}$ is bijective et anti involutive $\ov{h}(\ov{h}(X))\neq X$, alors $E[\ts]\leq 8{\mathsf{N}}^2+ 4{\mathsf{N}}\ln ({\mathsf{N}}+1)$. \end{theorem} -Sans entrer dans les détails de la preuve, on remarque que le calcul -de cette borne ne tient pas en compte le fait qu'on préfère enlever des -chemins hamiltoniens équilibrés. +Les détails de la preuve sont donnés en annexes~\ref{anx:generateur}. +On remarque tout d'abord que la chaîne de Markov proposée ne suit pas exactement +l'algorithme~\ref{CI Algorithm}. En effet dans la section présente, +la probabilité de rester dans une configuration donnée +est fixée à $frac{1}{2}+\frac{1}{2n}$. +Dans l'algorithme initial, celle-ci est de ${1}{n}$. +Cette version, qui reste davantage sur place que l'algorithme original, +a été introduite pour simplifier le calcul de la borne sup +du temps d'arrêt. + + +Sans entrer dans les détails de la preuve, on remarque aussi +que le calcul de cette borne impose uniquement que +pour chaque n{\oe}ud du $\mathsf{N}$-cube +un arc entrant et un arc sortant sont supprimés. +Le fait qu'on enlève un cycle hamiltonien et que ce dernier +soit équilibré n'est pas pris en compte. En intégrant cette contrainte, la borne supérieure pourrait être réduite. -\section{Et les itérations généralisées?} +En effet, le temps de mixage est en $\Theta(N\ln N)$ lors d'une +marche aléatoire classique paresseuse dans le $\mathsf{N}$-cube. +On peut ainsi conjecturer que cet ordre de grandeur reste le même +dans le contexte du $\mathsf{N}$-cube privé d'un chemin hamiltonien. + +On peut évaluer ceci pratiquement: pour une fonction +$f: \Bool^{\mathsf{N}} \rightarrow \Bool^{\mathsf{N}}$ et une graine initiale +$x^0$, le code donné à l'algorithme algorithm~\ref{algo:stop} retourne le +nombre d'itérations suffisant tel que tous les éléments $\ell\in \llbracket 1,{\mathsf{N}} \rrbracket$ sont équitables. Il permet de déduire une approximation de $E[\ts]$ +en l'instanciant un grand nombre de fois: pour chaque nombre $\mathsf{N}$, +$ 3 \le \mathsf{N} \le 16$, 10 fonctionss ont été générées comme dans +ce chapitre. Pour chacune d'elle, le calcul d'une approximation de $E[\ts]$ +est exécuté 10000 fois avec une graine aléatoire.La Figure~\ref{fig:stopping:moy} +résume ces resultats. Dans celle-ci, un cercle représente une approximation de +$E[\ts]$ pour un $\mathsf{N}$ donné tandis que la courbe est une représentation de +la fonction $x \mapsto 2x\ln(2x+8)$. +On cosntate que l'approximation de $E[\ts]$ est largement inférieure +à la borne quadratique donnée au thérème~\ref{prop:stop} et que la conjecture +donnée au paragraphe précédent est sensée. + + +\begin{algorithm}[ht] +%\begin{scriptsize} +\KwIn{a function $f$, an initial configuration $x^0$ ($\mathsf{N}$ bits)} +\KwOut{a number of iterations $\textit{nbit}$} + +$\textit{nbit} \leftarrow 0$\; +$x\leftarrow x^0$\; +$\textit{fair}\leftarrow\emptyset$\; +\While{$\left\vert{\textit{fair}}\right\vert < \mathsf{N} $} +{ + $ s \leftarrow \textit{Random}(\mathsf{N})$ \; + $\textit{image} \leftarrow f(x) $\; + \If{$\textit{Random}(1) \neq 0$ and $x[s] \neq \textit{image}[s]$}{ + $\textit{fair} \leftarrow \textit{fair} \cup \{s\}$\; + $x[s] \leftarrow \textit{image}[s]$\; + } + $\textit{nbit} \leftarrow \textit{nbit}+1$\; +} +\Return{$\textit{nbit}$}\; +%\end{scriptsize} +\caption{Pseudo Code of stoping time calculus } +\label{algo:stop} +\end{algorithm} + + +\begin{figure} +\centering +\includegraphics[width=0.49\textwidth]{images/complexityET} +\caption{Average Stopping Time Approximation}\label{fig:stopping:moy} +\end{figure} + + + + +\section{Et les itérations généralisées?}\label{sec:prng:gray:general} Le chaptire précédent a présenté un algorithme de PRNG construit à partir d'itérations unaires. On pourrait penser que cet algorithme est peu efficace puisqu'il @@ -538,9 +673,9 @@ chaque itération qu'un seul élément de $[n]$. On pourrait penser à un algorithme basé sur les itérations généralisées, c'est-à-dire qui modifierait une partie des éléments de $[n]$ à chaque itération. -C'est l'algorithme~\ref{CI Algorithm:prng:g}. +C'est l'algorithme~\ref{CI Algorithm:prng:g} donné ci-après. -\begin{algorithm}[h] +\begin{algorithm}[ht] %\begin{scriptsize} \KwIn{une fonction $f$, un nombre d'itérations $b$, une configuration initiale $x^0$ ($n$ bits)} @@ -567,4 +702,399 @@ Par exemple, pour $n=3$, l'ensemble $\textit{Set}(6)$ vaudraitt $\{3,2\}$. On remarque aussi que l'argument de la fonction $\textit{Random}$ passe de $n$ à $2^n$. +On a le théorème suivant qui étend le théorème~\ref{thm:prng:u} aux itérations +généralisées. + +\begin{theorem}\label{thm:prng:g} + Soit $f: \Bool^{n} \rightarrow \Bool^{n}$, $\textsc{gig}(f)$ son + graphe des itérations généralisées, $\check{M}$ la matrice d'adjacence + correspondante à ce graphe + et $M$ une matrice $2^n\times 2^n$ + définie par + $M = \dfrac{1}{2^n} \check{M}$. + Si $\textsc{gig}(f)$ est fortement connexe, alors + la sortie du générateur de nombres pseudo aléatoires détaillé par + l'algorithme~\ref{CI Algorithm:prng:g} suit une loi qui + tend vers la distribution uniforme si + et seulement si $M$ est une matrice doublement stochastique. +\end{theorem} + +La preuve de ce théorème est la même que celle du théorème~\ref{thm:prng:u}. +Elle n'est donc pas rappelée. + +\begin{xpl} + + On reprend l'exemple donné à la section~\ref{sec:plc}. + Dans le $3$-cube, le cycle hamiltonien défini par la séquence + $000,100,101,001,011,111,110,010,000$ a été supprimé engendrant + la fonction $f^*$ définie par + $$f^*(x_1,x_2,x_3)= + (x_2 \oplus x_3, \overline{x_1}.\overline{x_3} + x_1\overline{x_2}, +\overline{x_1}.\overline{x_3} + x_1x_2). +$$ + +Le graphe $\textsc{gig}(f^*)$ est représenté à la +Figure~\ref{fig:iteration:f*}. +La matrice de Markov $M$ correspondante est donnée à +la figure~\ref{fig:markov:f*}. + +\begin{figure}[ht] + \begin{center} + \subfigure[Graphe $\textsc{gig}(f^*)$ + \label{fig:iteration:f*}]{ + \begin{minipage}{0.55\linewidth} + \centering + \includegraphics[width=\columnwidth]{images/iter_f}% + \end{minipage} + }% + \subfigure[Matrice de Markov associée au $\textsc{gig}(f^*)$ + \label{fig:markov:f*}]{% + \begin{minipage}{0.35\linewidth} + \begin{scriptsize} + \begin{center} + $ \dfrac{1}{4} \left( + \begin{array}{cccccccc} + 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ + + 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ + + 0 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 \\ + + 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ + + 1 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0 \\ + + 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 \\ + + 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 \\ + + 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & 1 \\ + + \end{array} \right) $ + \end{center} + \end{scriptsize} + \end{minipage} + }% + \caption{Représentations de $f^*(x_1,x_2,x_3)= + (x_2 \oplus x_3, \overline{x_1}.\overline{x_3} + x_1\overline{x_2}, + \overline{x_1}.\overline{x_3} + x_1x_2)$.}\label{fig1} + \end{center} +\end{figure} +\end{xpl} + + + +\begin{table}[ht] + \begin{center} + \begin{scriptsize} + \begin{tabular}{|c|c|l|c|c|} + \hline + $n$ & fonction & $f(x)$, $f(x)$ pour $x \in [0,1,2,\hdots,2^n-1]$ & $b$ & $b'$ \\ + \hline + 4 & $f^{*4}$ & [13,10,9,14,3,11,1,12,15,4,7,5,2,6,0,8] & \textbf{17} & \textbf{38} \\ + \hline + \multirow{4}{0.5cm}{5}& $f^{*5}$ & [29, 22, 25, 30, 19, 27, 24, 16, 21, 6, 5, 28, 23, 26, 1, & \textbf{13} & 48 \\ + & & 17, 31, 12, 15, 8, 10, 14, 13, 9, 3, 2, 7, 20, 11, 18, 0, 4] & & \\ + \cline{2-5} + & $g^{*5}$ & [29, 22, 21, 30, 19, 27, 24, 28, 7, 20, 5, 4, 23, 26, 25, & 15 & \textbf{47} \\ + & & 17, 31, 12, 15, 8, 10, 14, 13, 9, 3, 2, 1, 6, 11, 18, 0, 16 + & & \\ + + \hline + \multirow{8}{0.5cm}{6}& $f^{*6}$ & + [55, 60, 45, 56, 58, 42, 61, 40, 53, 50, 52, 54, 59, 34, 33, & \multirow{4}{0.5cm}{\textbf{11}}& \multirow{4}{0.5cm}{55}\\ +& & 49, 39, 62, 47, 46, 11, 43, 57, 8, 37, 6, 36, 4, 51, 38, 1, & & \\ +& & 48, 63, 26, 25, 30, 19, 27, 17, 28, 31, 20, 23, 21, 18, 22, & & \\ +& & 16, 24, 13, 12, 29, 44, 10, 14, 41, 0, 15, 2, 7, 5, 35, 3, 9, 32] & &\\ + \cline{2-5} +&$g^{*6}$ & [55, 60, 45, 44, 43, 62, 61, 48, 53, 50, 52, 36, 59, 51, 33, & \multirow{4}{0.5cm}{12}& \multirow{4}{0.5cm}{\textbf{54}}\\ + & & 49, 15, 14, 47, 46, 35, 58, 57, 56, 7, 54, 39, 37, 3, 38, 1, & & \\ + & & 40, 63, 26, 25, 30, 19, 27, 17, 28, 31, 20, 23, 21, 18, 22, & & \\ + & & 16, 24, 13, 12, 29, 8, 10, 42, 41, 0, 5, 2, 4, 6, 11, 34, 9, 32] & & \\ + \hline + \multirow{9}{0.5cm}{7} &$f^{*7}$ & [111, 94, 93, 116, 122, 114, 125, 88, 115, 126, 85, 84, 123, & \multirow{9}{0.5cm}{\textbf{10}} & \multirow{9}{0.5cm}{\textbf{63}} \\ + & & 98, 81, 120, 109, 78, 105, 110, 99, 107, 104, 108, 101, 118, & & \\ + & & 117, 96, 103, 66, 113, 64, 79, 86, 95, 124, 83, 91, 121, 24, & & \\ + & & 119, 22, 69, 20, 87, 18, 17, 112, 77, 76, 73, 12, 74, 106, 72, & & \\ + & & 8, 7, 102, 71, 100, 75, 82, 97, 0, 127, 54, 57, 62, 51, 59, & & \\ + & & 56, 48, 53, 38, 37, 60, 55, 58, 33, 49, 63, 44, 47, 40, 42, & & \\ + & & 46, 45, 41, 35, 34, 39, 52, 43, 50, 32, 36, 29, 28, 61, 92, & & \\ + & & 26, 90, 89, 25, 19, 30, 23, 4, 27, 2, 16, 80, 31, 10, 15, 14, & & \\ + & & 3, 11, 13, 9, 5, 70, 21, 68, 67, 6, 65, 1] & & \\ + \hline + \multirow{20}{0.5cm}{8} & $f^{*8}$ & +[223, 190, 249, 254, 187, 251, 233, 232, 183, 230, 247, 180,& +\multirow{20}{0.5cm}{9}& +\multirow{20}{0.5cm}{71}\\ +& & 227, 178, 240, 248, 237, 236, 253, 172, 203, 170, 201, 168,& & \\ +& & 229, 166, 165, 244, 163, 242, 241, 192, 215, 220, 205, 216,& & \\ +& & 218, 222, 221, 208, 213, 210, 212, 214, 219, 211, 217, 209,& & \\ +& & 239, 202, 207, 140, 139, 234, 193, 204, 135, 196, 199, 132,& & \\ +& & 194, 130, 225, 200, 159, 62, 185, 252, 59, 250, 169, 56, 191,& & \\ +& & 246, 245, 52, 243, 50, 176, 48, 173, 238, 189, 44, 235, 42,& & \\ +& & 137, 184, 231, 38, 37, 228, 35, 226, 177, 224, 151, 156, 141,& & \\ +& & 152, 154, 158, 157, 144, 149, 146, 148, 150, 155, 147, 153,& & \\ +& & 145, 175, 206, 143, 12, 11, 142, 129, 128, 7, 198, 197, 4, 195,& & \\ +& & 2, 161, 160, 255, 124, 109, 108, 122, 126, 125, 112, 117, 114,& & \\ +& & 116, 100, 123, 98, 97, 113, 79, 106, 111, 110, 99, 74, 121,& & \\ +& & 120, 71, 118, 103, 101, 115, 66, 65, 104, 127, 90, 89, 94, 83,& & \\ +& & 91, 81, 92, 95, 84, 87, 85, 82, 86, 80, 88, 77, 76, 93, 72,& & \\ +& & 107, 78, 105, 64, 69, 102, 68, 70, 75, 67, 73, 96, 55, 58, 45,& & \\ +& & 188, 51, 186, 61, 40, 119, 182, 181, 53, 179, 54, 33, 49, 15,& & \\ +& & 174, 47, 60, 171, 46, 57, 32, 167, 6, 36, 164, 43, 162, 1, 0,& & \\ +& & 63, 26, 25, 30, 19, 27, 17, 28, 31, 20, 23, 21, 18, 22, 16,& & \\ +& & 24, 13, 10, 29, 14, 3, 138, 41, 136, 39, 134, 133, 5, 131,& & \\ +& & 34, 9, 8]&&\\ + \hline + \end{tabular} + \end{scriptsize} + \end{center} +\caption{Fonctions avec matrices DSCC et le plus faible temps de mélange}\label{table:functions} +\end{table} + +Le tableau~\ref{table:functions} reprend une synthèse de +fonctions qui ont été générées selon la méthode détaillée +à la section~\ref{sec:hamiltonian}. +Pour chaque nombre $n=3$, $4$, $5$ et $6$, +tous les cycles hamiltoniens non isomorphes ont été générés. Pour les +valeur de $n=7$ et $8$, seules $10^{5}$ cycles ont été évalués. Parmi +toutes les fonctions obtenues en enlevant du $n$-cube ces cycles, n'ont été +retenues que celles qui minimisaient le temps de mélange relatif à une valeur de +$\epsilon$ fixée à $10^{-8}$ et pour un mode donné. +Ce nombre d'itérations (\textit{i.e.}, ce temps de mélange) +est stocké dans la troisième +colonne sous la variable $b$. +La variable $b'$ reprend le temps de mélange pour +l'algorithme~\ref{CI Algorithm}. +On note que pour un nombre $n$ de bits fixé et un mode donné d'itérations, +il peut avoir plusieurs fonctions minimisant ce temps de mélange. De plus, comme ce temps +de mélange est construit à partir de la matrice de Markov et que celle-ci dépend +du mode, une fonction peut être optimale pour un mode et ne pas l'être pour l'autre +(c.f. pour $n=5$). + +Un second résultat est que ce nouvel algorithme réduit grandement le nombre +d'itérations suffisant pour obtenir une faible déviation par rapport à une +distribution uniforme. On constate de plus que ce nombre décroit avec +le nombre d'éléments alors qu'il augmente dans l'approche initiale où +l'on marche. + +Cela s'explique assez simplement. Depuis une configuration initiale, le nombre +de configurations qu'on ne peut pas atteindre en une itération est de: +\begin{itemize} +\item $2^n-n$ en unaire. Ceci représente un rapport de + $\dfrac{2^n-n}{2^n} = 1-\dfrac{n}{2^n}$ + de toutes les configurations; plus $n$ est grand, + plus ce nombre est proche de $1$, et plus grand devient le nombre + d'itérations nécessaires pour atteinte une déviation faible; +\item $2^n-2^{n-1}$ dans le cas généralisé, + soit la moitié de toutes les configurations + quel que soit $n$; seul 1 bit reste constant tandis que tous les autres peuvent changer. Plus $n$ grandit, plus la proportion de bits constants diminue. +\end{itemize} + +Cependant, dans le cas généralisé, chaque itération a une complexité +plus élevée puisqu'il est nécessaire d'invoquer un générateur +produisant un nombre pseudo-aléatoire dans $[2^{n}]$ tandis qu'il suffit +que celui-ci soit dans $[n]$ dans le cas unaire. +Pour comparer les deux approches, +on considère que le générateur aléatoire embarqué est binaire, \textit{i.e.} ne génère qu'un bit (0 ou 1). + +Dans le cas généralisé, si l'on effectue $b$ itérations, +à chacune d'elles, la stratégie génère un nombre entre +$1$ et $2^n$. Elle fait donc $n$ appels à ce générateur. +On fait donc au total $b*n$ appels pour $n$ bits et +donc $b$ appels pour 1 bit généré en moyenne. +Dans le cas unaire, si l'on effectue $b'$ itérations, +à chacune d'elle, la stratégie génère un nombre entre +$1$ et $n$. +Elle fait donc $\ln(n)/\ln(2)$ appels à ce générateur binaire en moyenne. +La démarche fait donc au total $b'*\ln(n)/\ln(2)$ appels pour $n$ bits et +donc $b'*\ln(n)/(n*\ln(2))$ appels pour 1 bit généré en moyenne. +Le tableau~\ref{table:marchevssaute} donne des instances de +ces valeurs pour $n \in\{4,5,6,7,8\}$ et les fonctions +données au tableau~\ref{table:functions}. +On constate que le nombre d'appels par bit généré décroit avec $n$ dans le +cas des itérations généralisées et est toujours plus faible +que celui des itérations unaires. + + + +\begin{table}[ht] +$$ +\begin{array}{|l|l|l|l|l|l|} +\hline +\textrm{Itérations} & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 \\ +\hline +\textrm{Unaires} & 19.0 & 22.3 & 23.7 & 25.3 & 27.0\\ +\hline +\textrm{Généralisées} & 17 & 13 & 11 & 10 & 9\\ +\hline +\end{array} +$$ +\caption{Nombre moyen + d'appels à un générateurs binaire par bit généré}\label{table:marchevssaute} +\end{table} + + + + +\section{Tests statistiques}\label{sec:prng;gray:tests} + +La qualité des séquences aléatoires produites par +le générateur des itérations unaires ainsi que +celles issues des itérations généralisées a été évaluée à travers la suite +de tests statistiques développée par le +\emph{National Institute of Standards and Technology} (NIST). +En interne, c'est l'implantation de l'algorithme de Mersenne Twister qui +permet de générer la stratégie aléatoire. + + + + + Pour les 15 tests, le seuil $\alpha$ est fixé à $1\%$: + une valeur + qui est plus grande que $1\%$ signifie + que la chaîne est considérée comme aléatoire avec une confiance de $99\%$. + + +Les tableau~\ref{fig:TEST:generalise} donnent +une vision synthétique de ces expérimentations. +Nous avons évalué les fonctions préfixées par +$f$ (respecitvement $g$) avec les générateurs issus des itérations +généralisées (resp. unaires). +Quelle que soit la méthode utilisée, on constate que chacun des +générateurs passe +avec succes le test de NIST. + +Interpréter ces resultats en concluant que ces générateurs sont +tous équivalents serait erroné: la meilleur des +méthodes basées sur le mode des itérations +généralisées (pour $n=8$ par exemple) +est au moins deux fois plus rapide que la meilleur de celles qui +sont basées sur les itérations unaires. + + + + +%%%%%%%%% Relancer pour n=6, n=7, n=8 +%%%%%%%%% Recalculer le MT +%%%%%%%%% Regenerer les 10^6 bits +%%%%%%%%% Evaluer sur NIST + +\begin{table}[ht] + \centering + \begin{scriptsize} + + +\begin{tabular}{|l|r|r|r|r|} + \hline +Test & $f^{*5}$ &$f^{*6}$ &$f^{*7}$ &$f^{*8}$ \\ \hline +Fréquence (Monobit)& 0.401 (0.97)& 0.924 (1.0)& 0.779 (0.98)& 0.883 (0.99)\\ \hline +Fréquence ds un bloc& 0.574 (0.98)& 0.062 (1.0)& 0.978 (0.98)& 0.964 (0.98)\\ \hline +Somme Cumulé*& 0.598 (0.975)& 0.812 (1.0)& 0.576 (0.99)& 0.637 (0.99)\\ \hline +Exécution& 0.998 (0.99)& 0.213 (0.98)& 0.816 (0.98)& 0.494 (1.0)\\ \hline +Longue exécution dans un bloc& 0.085 (0.99)& 0.971 (0.99)& 0.474 (1.0)& 0.574 (0.99)\\ \hline +Rang& 0.994 (0.96)& 0.779 (1.0)& 0.191 (0.99)& 0.883 (0.99)\\ \hline +Fourier rapide& 0.798 (1.0)& 0.595 (0.99)& 0.739 (0.99)& 0.595 (1.0)\\ \hline +Patron sans superposition*& 0.521 (0.987)& 0.494 (0.989)& 0.530 (0.990)& 0.520 (0.989)\\ \hline +Patron avec superposition& 0.066 (0.99)& 0.040 (0.99)& 0.304 (1.0)& 0.249 (0.98)\\ \hline +Statistiques universelles& 0.851 (0.99)& 0.911 (0.99)& 0.924 (0.96)& 0.066 (1.0)\\ \hline +Entropie approchée (m=10)& 0.637 (0.99)& 0.102 (0.99)& 0.115 (0.99)& 0.350 (0.98)\\ \hline +Suite aléatoire *& 0.573 (0.981)& 0.144 (0.989)& 0.422 (1.0)& 0.314 (0.984)\\ \hline +Suite aléatoire variante *& 0.359 (0.968)& 0.401 (0.982)& 0.378 (0.989)& 0.329 (0.985)\\ \hline +Série* (m=10)& 0.469 (0.98)& 0.475 (0.995)& 0.473 (0.985)& 0.651 (0.995)\\ \hline +Complexité linaire& 0.129 (1.0)& 0.494 (1.0)& 0.062 (1.0)& 0.739 (1.0)\\ \hline + +\end{tabular} + \end{scriptsize} + + +\caption{Test de NIST pour les fonctions + du tableau~\ref{table:functions} selon les itérations généralisées}\label{fig:TEST:generalise} +\end{table} + + +\begin{table}[ht] + \centering + \begin{scriptsize} +\begin{tabular}{|l|r|r|r|r|} +\hline +Test & $g^{*5}$& $g^{*6}$& $f^{*7}$& $f^{*8}$\\ \hline +Fréquence (Monobit)& 0.236 (1.0)& 0.867 (0.99)& 0.437 (0.99)& 0.911 (1.0)\\ \hline +Fréquence ds un bloc& 0.129 (0.98)& 0.350 (0.99)& 0.366 (0.96)& 0.657 (1.0)\\ \hline +Somme Cumulé*& 0.903 (0.995)& 0.931 (0.985)& 0.863 (0.995)& 0.851 (0.995)\\ \hline +Exécution& 0.699 (0.98)& 0.595 (0.99)& 0.181 (1.0)& 0.437 (0.99)\\ \hline +Longue exécution dans un bloc& 0.009 (0.99)& 0.474 (0.97)& 0.816 (1.0)& 0.051 (1.0)\\ \hline +Rang& 0.946 (0.96)& 0.637 (0.98)& 0.494 (1.0)& 0.946 (1.0)\\ \hline +Fourier rapide& 0.383 (0.99)& 0.437 (1.0)& 0.616 (0.98)& 0.924 (0.99)\\ \hline +Patron sans superposition*& 0.466 (0.990)& 0.540 (0.989)& 0.505 (0.990)& 0.529 (0.991)\\ \hline +Patron avec superposition& 0.202 (0.96)& 0.129 (0.98)& 0.851 (0.99)& 0.319 (0.98)\\ \hline +Statistiques universelles& 0.319 (0.97)& 0.534 (0.99)& 0.759 (1.0)& 0.657 (0.99)\\ \hline +Entropie approchée (m=10)& 0.075 (0.97)& 0.181 (0.99)& 0.213 (0.98)& 0.366 (0.98)\\ \hline +Suite aléatoire *& 0.357 (0.986)& 0.569 (0.991)& 0.539 (0.987)& 0.435 (0.992)\\ \hline +Suite aléatoire variante *& 0.398 (0.989)& 0.507 (0.986)& 0.668 (0.991)& 0.514 (0.994)\\ \hline +Série* (m=10)& 0.859 (0.995)& 0.768 (0.99)& 0.427 (0.995)& 0.637 (0.98)\\ \hline +Complexité linaire& 0.897 (0.99)& 0.366 (0.98)& 0.153 (1.0)& 0.437 (1.0)\\ \hline + +\end{tabular} +\end{scriptsize} + + +\caption{Test de NIST pour les fonctions + du tableau~\ref{table:functions} selon les itérations unaires}\label{fig:TEST:unaire} +\end{table} + + +\begin{table}[ht] + \centering + \begin{scriptsize} + +\begin{tabular}{|l|r|r|r|r|} + \hline +Test & 5 bits& 6 bits & 7 bits & 8bits \\ \hline +Fréquence (Monobit)& 0.289 (1.0)& 0.437 (1.0)& 0.678 (1.0)& 0.153 (0.99)\\ \hline +Fréquence ds un bloc& 0.419 (1.0)& 0.971 (0.98)& 0.419 (0.99)& 0.275 (1.0)\\ \hline +Somme Cumulé*& 0.607 (0.99)& 0.224 (0.995)& 0.645 (0.995)& 0.901 (0.99)\\ \hline +Exécution& 0.129 (0.99)& 0.005 (0.99)& 0.935 (0.98)& 0.699 (0.98)\\ \hline +Longue exécution dans un bloc& 0.514 (1.0)& 0.739 (0.99)& 0.994 (1.0)& 0.834 (0.99)\\ \hline +Rang& 0.455 (0.97)& 0.851 (0.99)& 0.554 (1.0)& 0.964 (0.99)\\ \hline +Fourier rapide& 0.096 (0.98)& 0.955 (0.99)& 0.851 (0.97)& 0.037 (1.0)\\ \hline +Patron sans superposition*& 0.534 (0.990)& 0.524 (0.990)& 0.508 (0.987)& 0.515 (0.99)\\ \hline +Patron avec superposition& 0.699 (0.99)& 0.616 (0.95)& 0.071 (1.0)& 0.058 (1.0)\\ \hline +Statistiques universelles& 0.062 (0.99)& 0.071 (1.0)& 0.637 (1.0)& 0.494 (0.98)\\ \hline +Entropie approchée (m=10)& 0.897 (0.99)& 0.383 (0.99)& 0.366 (1.0)& 0.911 (0.99)\\ \hline +Suite aléatoire *& 0.365 (0.983)& 0.442 (0.994)& 0.579 (0.992)& 0.296 (0.993)\\ \hline +Suite aléatoire variante *& 0.471 (0.978)& 0.559 (0.992)& 0.519 (0.987)& 0.340 (0.995)\\ \hline +Série* (m=10)& 0.447 (0.985)& 0.298 (0.995)& 0.648 (1.0)& 0.352 (0.995)\\ \hline +Complexité linaire& 0.005 (0.98)& 0.534 (0.99)& 0.085 (0.97)& 0.996 (1.0)\\ \hline + +\end{tabular} + + + + + + + + + + + \end{scriptsize} + + +\caption{Test de NIST pour l'algorithme de Mersenne Twister}\label{fig:TEST:Mersenne} +\end{table} + + +\section{Conclusion} +Ce chaptitre a montré comment construire un PRNG chaotique, notamment à partir +de codes de Gray équilibrés. Une méthode completement automatique de +construction de ce type de codes a été présentée étendant les méthodes +existantes. +Dans le cas des itérations unaires, +l'algorithme qui en découle a un temps de mélange qui a +une borne sup quadratique de convergence vers la distribution uniforme. +Pratiquement, ce temps de mélange se rapproche de $N\ln N$. +Les expérimentations au travers de la batterie de test de NIST ont montré +que toutes les propriétés statistiques sont obtenues pour + $\mathsf{N} = 4, 5, 6, 7, 8$.