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[prng_gpu.git] / prng_gpu.tex
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19 % Pour mathds : les ensembles IR, IN, etc.
20 \usepackage{dsfont}
21
22 % Pour avoir des intervalles d'entiers
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30 \externaldocument[A-]{supplementary}
31
32
33
34 \newtheorem{notation}{Notation}
35
36 \newcommand{\X}{\mathcal{X}}
37 \newcommand{\Go}{G_{f_0}}
38 \newcommand{\B}{\mathds{B}}
39 \newcommand{\N}{\mathds{N}}
40 \newcommand{\BN}{\mathds{B}^\mathsf{N}}
41 \let\sur=\overline
42
43 \newcommand{\alert}[1]{\begin{color}{blue}\textit{#1}\end{color}}
44
45
46
47 \title{Efficient and Cryptographically Secure Generation of Chaotic Pseudorandom Numbers on GPU}
48 \begin{document}
49
50 \author{Jacques M. Bahi, Rapha\"{e}l Couturier,  Christophe
51 Guyeux, and Pierre-Cyrille Héam\thanks{Authors in alphabetic order}}
52    
53
54 \IEEEcompsoctitleabstractindextext{
55 \begin{abstract}
56 In this paper we present a new pseudorandom number generator (PRNG) on
57 graphics processing units  (GPU). This PRNG is based  on the so-called chaotic iterations.  It
58 is firstly proven  to be chaotic according to the Devaney's  formulation. We thus propose  an efficient
59 implementation  for  GPU that successfully passes the   {\it BigCrush} tests, deemed to be the  hardest
60 battery of tests in TestU01.  Experiments show that this PRNG can generate
61 about 20 billion of random numbers  per second on Tesla C1060 and NVidia GTX280
62 cards.
63 It is then established that, under reasonable assumptions, the proposed PRNG can be cryptographically 
64 secure.
65 A chaotic version of the Blum-Goldwasser asymmetric key encryption scheme is finally proposed.
66
67
68 \end{abstract}
69 }
70
71 \maketitle
72
73 \IEEEdisplaynotcompsoctitleabstractindextext
74 \IEEEpeerreviewmaketitle
75
76
77 \section{Introduction}
78
79 Randomness is of importance in many fields such as scientific simulations or cryptography. 
80 ``Random numbers'' can mainly be generated either by a deterministic and reproducible algorithm
81 called a pseudorandom number generator (PRNG), or by a physical non-deterministic 
82 process having all the characteristics of a random noise, called a truly random number
83 generator (TRNG). 
84 In this paper, we focus on reproducible generators, useful for instance in
85 Monte-Carlo based simulators or in several cryptographic schemes.
86 These domains need PRNGs that are statistically irreproachable. 
87 In some fields such as in numerical simulations, speed is a strong requirement
88 that is usually attained by using parallel architectures. In that case,
89 a recurrent problem is that a deflation of the statistical qualities is often
90 reported, when the parallelization of a good PRNG is realized.
91 This is why ad-hoc PRNGs for each possible architecture must be found to
92 achieve both speed and randomness.
93 On the other side, speed is not the main requirement in cryptography: the great
94 need is to define \emph{secure} generators able to withstand malicious
95 attacks. Roughly speaking, an attacker should not be able in practice to make 
96 the distinction between numbers obtained with the secure generator and a true random
97 sequence.  However, in an equivalent formulation, he or she should not be
98 able (in practice) to predict the next bit of the generator, having the knowledge of all the 
99 binary digits that have been already released. ``Being able in practice'' refers here
100 to the possibility to achieve this attack in polynomial time, and to the exponential growth
101 of the difficulty of this challenge when the size of the parameters of the PRNG increases.
102
103
104 Finally, a small part of the community working in this domain focuses on a
105 third requirement, that is to define chaotic generators.
106 The main idea is to take benefits from a chaotic dynamical system to obtain a
107 generator that is unpredictable, disordered, sensible to its seed, or in other word chaotic.
108 Their desire is to map a given chaotic dynamics into a sequence that seems random 
109 and unassailable due to chaos.
110 However, the chaotic maps used as a pattern are defined in the real line 
111 whereas computers deal with finite precision numbers.
112 This distortion leads to a deflation of both chaotic properties and speed.
113 Furthermore, authors of such chaotic generators often claim their PRNG
114 as secure due to their chaos properties, but there is no obvious relation
115 between chaos and security as it is understood in cryptography.
116 This is why the use of chaos for PRNG still remains marginal and disputable.
117
118 The authors' opinion is that topological properties of disorder, as they are
119 properly defined in the mathematical theory of chaos, can reinforce the quality
120 of a PRNG. But they are not substitutable for security or statistical perfection.
121 Indeed, to the authors' mind, such properties can be useful in the two following situations. On the
122 one hand, a post-treatment based on a chaotic dynamical system can be applied
123 to a PRNG statistically deflective, in order to improve its statistical 
124 properties. Such an improvement can be found, for instance, in~\cite{bgw09:ip,bcgr11:ip}.
125 On the other hand, chaos can be added to a fast, statistically perfect PRNG and/or a
126 cryptographically secure one, in case where chaos can be of interest,
127 \emph{only if these last properties are not lost during
128 the proposed post-treatment}. Such an assumption is behind this research work.
129 It leads to the attempts to define a 
130 family of PRNGs that are chaotic while being fast and statistically perfect,
131 or cryptographically secure.
132 Let us finish this paragraph by noticing that, in this paper, 
133 statistical perfection refers to the ability to pass the whole 
134 {\it BigCrush} battery of tests, which is widely considered as the most
135 stringent statistical evaluation of a sequence claimed as random.
136 This battery can be found in the well-known TestU01 package~\cite{LEcuyerS07}.
137 More precisely, each time we performed a test on a PRNG, we ran it
138 twice in order to observe if all $p-$values are inside [0.01, 0.99]. In
139 fact, we observed that few $p-$values (less than ten) are sometimes
140 outside this interval but inside [0.001, 0.999], so that is why a
141 second run allows us to confirm that the values outside are not for
142 the same test. With this approach all our PRNGs pass the {\it
143   BigCrush} successfully and all $p-$values are at least once inside
144 [0.01, 0.99].
145 Chaos, for its part, refers to the well-established definition of a
146 chaotic dynamical system proposed by Devaney~\cite{Devaney}.
147
148 In a previous work~\cite{bgw09:ip,guyeux10} we have proposed a post-treatment on PRNGs making them behave
149 as a chaotic dynamical system. Such a post-treatment leads to a new category of
150 PRNGs. We have shown that proofs of Devaney's chaos can be established for this
151 family, and that the sequence obtained after this post-treatment can pass the
152 NIST~\cite{Nist10}, DieHARD~\cite{Marsaglia1996}, and TestU01~\cite{LEcuyerS07} batteries of tests, even if the inputted generators
153 cannot.
154 The proposition of this paper is to improve widely the speed of the formerly
155 proposed generator, without any lack of chaos or statistical properties.
156 In particular, a version of this PRNG on graphics processing units (GPU)
157 is proposed.
158 Although GPU was initially designed  to accelerate
159 the manipulation of  images, they are nowadays commonly  used in many scientific
160 applications. Therefore,  it is important  to be able to  generate pseudorandom
161 numbers inside a GPU when a scientific application runs in it. This remark
162 motivates our proposal of a chaotic and statistically perfect PRNG for GPU.  
163 Such device
164 allows us to generate almost 20 billion of pseudorandom numbers per second.
165 Furthermore, we show that the proposed post-treatment preserves the
166 cryptographical security of the inputted PRNG, when this last has such a 
167 property.
168 Last, but not least, we propose a rewriting of the Blum-Goldwasser asymmetric
169 key encryption protocol by using the proposed method.
170
171
172 {\bf Main contributions.} In this paper a new PRNG using chaotic iteration
173 is defined. From a theoretical point of view, it is proven that it has fine
174 topological chaotic properties and that it is cryptographically secured (when
175 the initial PRNG is also cryptographically secured). From a practical point of
176 view, experiments point out a very good statistical behavior. An optimized
177 original implementation of this PRNG is also proposed and experimented.
178 Pseudorandom numbers are generated at a rate of 20GSamples/s, which is faster
179 than in~\cite{conf/fpga/ThomasHL09,Marsaglia2003} (and with a better
180 statistical behavior). Experiments are also provided using BBS as the initial
181 random generator. The generation speed is significantly weaker.
182 Note also that an original qualitative comparison between topological chaotic
183 properties and statistical test is also proposed.
184
185
186
187
188 The remainder of this paper  is organized as follows. In Section~\ref{section:related
189   works} we  review some GPU implementations  of PRNGs.  Section~\ref{section:BASIC
190   RECALLS} gives some basic recalls  on the well-known Devaney's formulation of chaos, 
191   and on an iteration process called ``chaotic
192 iterations'' on which the post-treatment is based. 
193 The proposed PRNG and its proof of chaos are given in  Section~\ref{sec:pseudorandom}.
194
195 Section~\ref{The generation of pseudorandom sequence} illustrates the statistical
196 improvement related to the chaotic iteration based post-treatment, for
197 our previously released PRNGs and a new efficient 
198 implementation on CPU.
199
200  Section~\ref{sec:efficient PRNG
201   gpu}   describes and evaluates theoretically  the  GPU   implementation. 
202 Such generators are experimented in 
203 Section~\ref{sec:experiments}.
204 We show in Section~\ref{sec:security analysis} that, if the inputted
205 generator is cryptographically secure, then it is the case too for the
206 generator provided by the post-treatment.
207 A practical
208 security evaluation is also outlined in Section~\ref{sec:Practicak evaluation}.
209 Such a proof leads to the proposition of a cryptographically secure and
210 chaotic generator on GPU based on the famous Blum Blum Shub
211 in Section~\ref{sec:CSGPU} and to an improvement of the
212 Blum-Goldwasser protocol in Sect.~\ref{Blum-Goldwasser}.
213 This research work ends by a conclusion section, in which the contribution is
214 summarized and intended future work is presented.
215
216
217
218
219 \section{Related work on GPU based PRNGs}
220 \label{section:related works}
221
222 Numerous research works on defining GPU based PRNGs have already been proposed  in the
223 literature, so that exhaustivity is impossible.
224 This is why authors of this document only give reference to the most significant attempts 
225 in this domain, from their subjective point of view. 
226 The  quantity of pseudorandom numbers generated per second is mentioned here 
227 only when the information is given in the related work. 
228 A million numbers  per second will be simply written as
229 1MSample/s whereas a billion numbers per second is 1GSample/s.
230
231 In \cite{Pang:2008:cec}  a PRNG based on  cellular automata is defined
232 with no  requirement to an high  precision  integer   arithmetic  or to any bitwise
233 operations. Authors can   generate  about
234 3.2MSamples/s on a GeForce 7800 GTX GPU, which is quite an old card now.
235 However, there is neither a mention of statistical tests nor any proof of
236 chaos or cryptography in this document.
237
238 In \cite{ZRKB10}, the authors propose  different versions of efficient GPU PRNGs
239 based on  Lagged Fibonacci or Hybrid  Taus.  They have  used these
240 PRNGs   for  Langevin   simulations   of  biomolecules   fully  implemented   on
241 GPU. Performances of  the GPU versions are far better than  those obtained with a
242 CPU, and these PRNGs succeed to pass the {\it BigCrush} battery of TestU01. 
243 However the evaluations of the proposed PRNGs are only statistical ones.
244
245
246 Authors of~\cite{conf/fpga/ThomasHL09}  have studied the  implementation of some
247 PRNGs on  different computing architectures: CPU,  field-programmable gate array
248 (FPGA), massively parallel  processors, and GPU. This study is of interest, because
249 the  performance  of the  same  PRNGs on  different architectures are compared. 
250 FPGA appears as  the  fastest  and the most
251 efficient architecture, providing the fastest number of generated pseudorandom numbers
252 per joule. 
253 However, we notice that authors can ``only'' generate between 11 and 16GSamples/s
254 with a GTX 280  GPU, which should be compared with
255 the results presented in this document.
256 We can remark too that the PRNGs proposed in~\cite{conf/fpga/ThomasHL09} are only
257 able to pass the {\it Crush} battery, which is far easier than the {\it Big Crush} one.
258
259 Lastly, Cuda  has developed  a  library for  the  generation of  pseudorandom numbers  called
260 Curand~\cite{curand11}.        Several       PRNGs        are       implemented, among
261 other things 
262 Xorwow~\cite{Marsaglia2003} and  some variants of Sobol. The  tests reported show that
263 their  fastest version provides  15GSamples/s on  the new  Fermi C2050  card. 
264 But their PRNGs cannot pass the whole TestU01 battery (only one test is failed).
265 \newline
266 \newline
267 We can finally remark that, to the best of our knowledge, no GPU implementation has been proven to be chaotic, and the cryptographically secure property has surprisingly never been considered.
268
269 \section{Basic Recalls}
270 \label{section:BASIC RECALLS}
271
272 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
273 topological chaos and chaotic iterations. We assume the reader is familiar
274 with basic notions on topology (see for instance~\cite{Devaney}).
275
276
277 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
278 \label{subsec:Devaney}
279 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$
280 denotes the $i^{th}$ component of a vector $V$. $f^{k}=f\circ ...\circ f$
281 is for the $k^{th}$ composition of a function $f$. Finally, the following
282 notation is used: $\llbracket1;N\rrbracket=\{1,2,\hdots,N\}$.
283
284
285 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f :
286 \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
287
288 \begin{definition}
289 The function $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
290 $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq
291 \varnothing$.
292 \end{definition}
293
294 \begin{definition}
295 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$
296 if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
297 \end{definition}
298
299 \begin{definition}
300 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic
301 points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$,
302 any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without
303 necessarily the same period).
304 \end{definition}
305
306
307 \begin{definition}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
308 The function $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
309 topologically transitive.
310 \end{definition}
311
312 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined
313 on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
314
315 \begin{definition}
316 \label{sensitivity} The function $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
317 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
318 neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that
319 $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
320
321 The constant $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
322 \end{definition}
323
324 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is
325 chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of
326 sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an
327 element of the definition of chaos). To sum up, quoting Devaney
328 in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is unpredictable because of the
329 sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or
330 simplified into two subsystems which do not interact because of topological
331 transitivity. And in the midst of this random behavior, we nevertheless have an
332 element of regularity''. Fundamentally different behaviors are consequently
333 possible and occur in an unpredictable way.
334
335
336
337 \subsection{Chaotic Iterations}
338 \label{sec:chaotic iterations}
339
340
341 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in
342 \mathds{N}^*$ of elements  (or \emph{cells}), so that each  cell has a
343 Boolean  \emph{state}. Having $\mathsf{N}$ Boolean values for these
344  cells  leads to the definition of a particular \emph{state  of the
345 system}. A sequence which  elements belong to $\llbracket 1;\mathsf{N}
346 \rrbracket $ is called a \emph{strategy}. The set of all strategies is
347 denoted by $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}.$
348
349 \begin{definition}
350 \label{Def:chaotic iterations}
351 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let
352 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be
353 a  function  and  $S\in  \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$  be  a  ``strategy''.  The  so-called
354 \emph{chaotic      iterations}     are     defined      by     $x^0\in
355 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and
356 \begin{equation}
357 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
358 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
359 \begin{array}{ll}
360   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\
361   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.
362 \end{array}\right.
363 \end{equation}
364 \end{definition}
365
366 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is
367 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .  Note  that in  a more
368 general  formulation,  $S^n$  can   be  a  subset  of  components  and
369 $\left(f(x^{n-1})\right)_{S^{n}}$      can     be      replaced     by
370 $\left(f(x^{k})\right)_{S^{n}}$, where  $k<n$, describing for example,
371 delays  transmission~\cite{Robert1986,guyeux10}.  Finally,  let us  remark that
372 the term  ``chaotic'', in  the name of  these iterations,  has \emph{a
373 priori} no link with the mathematical theory of chaos, presented above.
374
375
376 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations
377 are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
378
379 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta
380 (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function
381 $F_{f}:  \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} 
382 \longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$
383 \begin{equation*}
384 \begin{array}{lrll}
385 & (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+ f(E)_{k}.\overline{\delta
386 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket}%
387 \end{array}%
388 \end{equation*}%
389 \noindent where + and . are the Boolean addition and product operations.
390 Consider the phase space:
391 \begin{equation}
392 \mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times
393 \mathds{B}^\mathsf{N},
394 \end{equation}
395 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
396 \begin{equation}
397 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
398 \end{equation}
399 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
400 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
401 \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
402 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket
403 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations proposed in
404 Definition \ref{Def:chaotic iterations} can be described by the following iterations:
405 \begin{equation}
406 \left\{
407 \begin{array}{l}
408 X^0 \in \mathcal{X} \\
409 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
410 \end{array}%
411 \right.
412 \end{equation}%
413
414 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic
415 iterations. The shift function is a famous example of a chaotic
416 map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as
417 chaotic. 
418 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y =
419 (\check{S},\check{E})\in
420 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
421 \begin{equation}
422 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
423 \end{equation}
424 \noindent where
425 \begin{equation}
426 \left\{
427 \begin{array}{lll}
428 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
429 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
430 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
431 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
432 \end{array}%
433 \right.
434 \end{equation}
435
436
437 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
438 \begin{itemize}
439 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then
440 their distance should increase too.
441 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective
442 strategies start with the same terms, then the distance between these two points
443 must be small because the evolution of the two systems will be the same for a
444 while. Indeed, both dynamical systems start with the same initial condition,
445 use the same update function, and as strategies are the same for a while, furthermore
446 updated components are the same as well.
447 \end{itemize}
448 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
449 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$
450 differ in $n$ cells ($d_e$ is indeed the Hamming distance). In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a
451 measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More
452 precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first
453 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is
454 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
455 The impact of this choice for a distance will be investigated at the end of the document.
456
457 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
458
459 \begin{proposition}
460 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in
461 the metric space $(\mathcal{X},d)$.
462 \end{proposition}
463
464 The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial
465 Boolean negation $f_0(x_1,\hdots, x_\mathsf{N}) =  (\overline{x_1},\hdots, \overline{x_\mathsf{N}})$ \cite{guyeux10}. To obtain a characterization, we have secondly
466 introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
467
468 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. The
469 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
470 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
471 $\mathds{B}^\mathsf{N}$; for all $x\in\mathds{B}^\mathsf{N}$ and 
472 $i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket$,
473 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
474 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
475 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
476 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
477 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
478 We have then proven in \cite{bcgr11:ip} that,
479
480
481 \begin{theorem}
482 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
483 Let $f:\mathds{B}^\mathsf{N}\to\mathds{B}^\mathsf{N}$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
484 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
485 \end{theorem}
486
487 Finally, we have established in \cite{bcgr11:ip} that,
488 \begin{theorem}
489   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
490   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
491   matrix and $M$
492   a $n\times n$ matrix defined by 
493   $
494   M_{ij} = \frac{1}{n}\check{M}_{ij}$ %\textrm{ 
495   if $i \neq j$ and  
496   $M_{ii} = 1 - \frac{1}{n} \sum\limits_{j=1, j\neq i}^n \check{M}_{ij}$ otherwise.
497   
498   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
499   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
500   a law that tends to the uniform distribution 
501   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
502 \end{theorem} 
503
504
505 These results of chaos and uniform distribution have led us to study the possibility of building a
506 pseudorandom number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
507 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  \mathsf{N} \rrbracket^{\mathds{N}} 
508 \times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is built from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
509 \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$
510 during implementations (due to the discrete nature of $f$). Indeed, it is as if
511 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  \mathsf{N}
512 \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance, in PRNG, or a physical noise in TRNG).
513 Let us finally remark that the vectorial negation satisfies the hypotheses of both theorems above.
514
515 \section{Application to Pseudorandomness}
516 \label{sec:pseudorandom}
517
518 \subsection{A First Pseudorandom Number Generator}
519
520 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
521 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
522 leading thus to a new PRNG that 
523 should improve the statistical properties of each
524 generator taken alone. 
525 Furthermore, the generator obtained in this way possesses various chaos properties that none of the generators used as present input.
526
527
528
529 \begin{algorithm}[h!]
530 \begin{small}
531 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$
532 ($n$ bits)}
533 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
534 $x\leftarrow x^0$\;
535 $k\leftarrow b + PRNG_1(b)$\;
536 \For{$i=0,\dots,k$}
537 {
538 $s\leftarrow{PRNG_2(n)}$\;
539 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
540 }
541 return $x$\;
542 \end{small}
543 \caption{An arbitrary round of $Old~ CI~ PRNG_f(PRNG_1,PRNG_2)$}
544 \label{CI Algorithm}
545 \end{algorithm}
546
547
548
549
550 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
551 It takes as input: a Boolean function $f$ satisfying Theorem~\ref{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques};
552 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations
553 between two outputs is at least $b$
554 and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
555 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
556 inputted generators $PRNG_i(k), i=1,2$,
557  which must return integers
558 uniformly distributed
559 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
560 For instance, these PRNGs can be the \textit{XORshift}~\cite{Marsaglia2003},
561 being a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia
562 that repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number
563 with a bit shifted version of it. Such a PRNG, which has a period of
564 $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. 
565 This XORshift, or any other reasonable PRNG, is used
566 in our own generator to compute both the number of iterations between two
567 outputs (provided by $PRNG_1$) and the strategy elements ($PRNG_2$).
568
569 %This former generator has successively passed various batteries of statistical tests, as the NIST~\cite{bcgr11:ip}, DieHARD~\cite{Marsaglia1996}, and TestU01~\cite{LEcuyerS07} ones.
570
571
572 \begin{algorithm}[h!]
573 \begin{small}
574 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
575 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
576 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
577 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
578 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
579 $y\leftarrow{z}$\;
580 return $y$\;
581 \end{small}
582 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
583 \label{XORshift}
584 \end{algorithm}
585
586
587 \subsection{A ``New CI PRNG''}
588
589 In order to make the Old CI PRNG usable in practice, we have proposed 
590 an adapted version of the chaotic iteration based generator in~\cite{bg10:ip}.
591 In this ``New CI PRNG'', we prevent a given bit from changing twice between two outputs.
592 This new generator is designed by the following process. 
593
594 First of all, some chaotic iterations have to be done to generate a sequence 
595 $\left(x^n\right)_{n\in\mathds{N}} \in \left(\mathds{B}^{32}\right)^\mathds{N}$ 
596 of Boolean vectors, which are the successive states of the iterated system. 
597 Some of these vectors will be randomly extracted and our pseudorandom bit 
598 flow will be constituted by their components. Such chaotic iterations are 
599 realized as follows. Initial state $x^0 \in \mathds{B}^{32}$ is a Boolean 
600 vector taken as a seed and chaotic strategy $\left(S^n\right)_{n\in\mathds{N}}\in 
601 \llbracket 1, 32 \rrbracket^\mathds{N}$ is
602 an \emph{irregular decimation} of $PRNG_2$ sequence, as described in 
603 Algorithm~\ref{Chaotic iteration1}.
604
605 Then, at each iteration, only the $S^n$-th component of state $x^n$ is 
606 updated, as follows: $x_i^n = x_i^{n-1}$ if $i \neq S^n$, else $x_i^n = \overline{x_i^{n-1}}$.
607 Such a procedure is equivalent to achieving chaotic iterations with
608 the Boolean vectorial negation $f_0$ and some well-chosen strategies.
609 Finally, some $x^n$ are selected
610 by a sequence $m^n$ as the pseudorandom bit sequence of our generator.
611 $(m^n)_{n \in \mathds{N}} \in \mathcal{M}^\mathds{N}$ is computed from $PRNG_1$, where $\mathcal{M}\subset \mathds{N}^*$ is a finite nonempty set of integers.
612
613 The basic design procedure of the New CI generator is summarized in Algorithm~\ref{Chaotic iteration1}.
614 The internal state is $x$, the output state is $r$. $a$ and $b$ are those computed by the two input
615 PRNGs. Lastly, the value $g(a)$ is an integer defined as in Eq.~\ref{Formula}.
616 This function must be chosen such that the outputs of the resulted PRNG are uniform in $\llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket$. Function of \eqref{Formula} achieves this
617 goal (other candidates and more information can be found in ~\cite{bg10:ip}).
618
619 \begin{equation}
620 \label{Formula}
621 m^n = g(y^n)=
622 \left\{
623 \begin{array}{l}
624 0 \text{ if }0 \leqslant{y^n}<{C^0_{32}},\\
625 1 \text{ if }{C^0_{32}} \leqslant{y^n}<\sum_{i=0}^1{C^i_{32}},\\
626 2 \text{ if }\sum_{i=0}^1{C^i_{32}} \leqslant{y^n}<\sum_{i=0}^2{C^i_{32}},\\
627 \vdots~~~~~ ~~\vdots~~~ ~~~~\\
628 N \text{ if }\sum_{i=0}^{N-1}{C^i_{32}}\leqslant{y^n}<1.\\
629 \end{array}
630 \right.
631 \end{equation}
632
633 \begin{algorithm}
634 \textbf{Input:} the internal state $x$ (32 bits)\\
635 \textbf{Output:} a state $r$ of 32 bits
636 \begin{algorithmic}[1]
637 \FOR{$i=0,\dots,N$}
638 {
639 \STATE$d_i\leftarrow{0}$\;
640 }
641 \ENDFOR
642 \STATE$a\leftarrow{PRNG_1()}$\;
643 \STATE$k\leftarrow{g(a)}$\;
644 \WHILE{$i=0,\dots,k$}
645
646 \STATE$b\leftarrow{PRNG_2()~mod~\mathsf{N}}$\;
647 \STATE$S\leftarrow{b}$\;
648     \IF{$d_S=0$}
649     {
650 \STATE      $x_S\leftarrow{ \overline{x_S}}$\;
651 \STATE      $d_S\leftarrow{1}$\;
652
653     }
654     \ELSIF{$d_S=1$}
655     {
656 \STATE      $k\leftarrow{ k+1}$\;
657     }\ENDIF
658 \ENDWHILE\\
659 \STATE $r\leftarrow{x}$\;
660 \STATE return $r$\;
661 \medskip
662 \caption{An arbitrary round of the new CI generator}
663 \label{Chaotic iteration1}
664 \end{algorithmic}
665 \end{algorithm}
666
667 \subsection{Improving the Speed of the Former Generator}
668
669 Instead of updating only one cell at each iteration, we now propose to choose a
670 subset of components and to update them together, for speed improvement. Such a proposition leads 
671 to a kind of merger of the two sequences used in Algorithms 
672 \ref{CI Algorithm} and \ref{Chaotic iteration1}. When the updating function is the vectorial negation,
673 this algorithm can be rewritten as follows:
674
675 \begin{equation}
676 \left\{
677 \begin{array}{l}
678 x^0 \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket, S \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket^\mathds{N} \\
679 \forall n \in \mathds{N}^*, x^n = x^{n-1} \oplus S^n,
680 \end{array}
681 \right.
682 \label{equation Oplus}
683 \end{equation}
684 where $\oplus$ is for the bitwise exclusive or between two integers. 
685 This rewriting can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
686 sequence $S$, which is an integer of $\mathsf{N}$ binary digits, presents
687 the list of cells to update in the state $x^n$ of the system (represented
688 as an integer having $\mathsf{N}$ bits too). More precisely, the $k-$th 
689 component of this state (a binary digit) changes if and only if the $k-$th 
690 digit in the binary decomposition of $S^n$ is 1.
691
692 The single basic component presented in Eq.~\ref{equation Oplus} is of 
693 ordinary use as a good elementary brick in various PRNGs. It corresponds
694 to the following discrete dynamical system in chaotic iterations:
695
696 \begin{equation}
697 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
698 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
699 \begin{array}{ll}
700   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
701   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
702 \end{array}\right.
703 \label{eq:generalIC}
704 \end{equation}
705 where $f$ is the vectorial negation and $\forall n \in \mathds{N}$, 
706 $\mathcal{S}^n \subset \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$ is such that
707 $k \in \mathcal{S}^n$ if and only if the $k-$th digit in the binary
708 decomposition of $S^n$ is 1. Such chaotic iterations are more general
709 than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} because, instead of updating only one term at each iteration,
710 we select a subset of components to change.
711
712
713 Obviously, replacing the previous CI PRNG Algorithms by 
714 Equation~\ref{equation Oplus}, which is possible when the iteration function is
715 the vectorial negation, leads to a speed improvement 
716 (the resulting generator will be referred as ``Xor CI PRNG''
717 in what follows).
718 However, proofs
719 of chaos obtained in~\cite{bg10:ij} have been established
720 only for chaotic iterations of the form presented in Definition 
721 \ref{Def:chaotic iterations}. The question is now to determine whether the
722 use of more general chaotic iterations to generate pseudorandom numbers 
723 faster, does not deflate their topological chaos properties.
724
725
726 %%RAF proof en supplementary, j'ai mis le theorem.
727 % A vérifier
728
729  \subsection{Proofs of Chaos of the General Formulation of the Chaotic Iterations}
730 \label{deuxième def}
731 The proof is given in Section~\ref{A-deuxième def} of the annex document.
732 %% \label{deuxième def}
733 %% Let us consider the discrete dynamical systems in chaotic iterations having 
734 %% the general form: $\forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     }$, $  \forall     i\in
735 %% \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket $,
736
737 %% \begin{equation}
738 %%   x_i^n=\left\{
739 %% \begin{array}{ll}
740 %%   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
741 %%   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
742 %% \end{array}\right.
743 %% \label{general CIs}
744 %% \end{equation}
745
746 %% In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the cells whose id is
747 %% contained into the set $S^{n}$ are iterated.
748
749 %% Let us now rewrite these general chaotic iterations as usual discrete dynamical
750 %% system of the form $X^{n+1}=f(X^n)$ on an ad hoc metric space. Such a formulation
751 %% is required in order to study the topological behavior of the system.
752
753 %% Let us introduce the following function:
754 %% \begin{equation}
755 %% \begin{array}{cccc}
756 %%  \chi: & \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket \times \mathcal{P}\left(\llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket\right) & \longrightarrow & \mathds{B}\\
757 %%          & (i,X) & \longmapsto  & \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if }i \notin X, \\ 1 & \textrm{if }i \in X,  \end{array}\right.
758 %% \end{array} 
759 %% \end{equation}
760 %% where $\mathcal{P}\left(X\right)$ is for the powerset of the set $X$, that is, $Y \in \mathcal{P}\left(X\right) \Longleftrightarrow Y \subset X$.
761
762 %% Given a function $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, define the function:
763 %% $F_{f}:  \mathcal{P}\left(\llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket \right) \times \mathds{B}^{\mathsf{N}} 
764 %% \longrightarrow \mathds{B}^{\mathsf{N}}$
765 %% \begin{equation*}
766 %% \begin{array}{rll}
767 %%  (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+f(E)_{j}.\overline{\chi(j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket}%
768 %% \end{array}%
769 %% \end{equation*}%
770 %% where + and . are the Boolean addition and product operations, and $\overline{x}$ 
771 %% is the negation of the Boolean $x$.
772 %% Consider the phase space:
773 %% \begin{equation}
774 %% \mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N} \times
775 %% \mathds{B}^\mathsf{N},
776 %% \end{equation}
777 %% \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
778 %% \begin{equation}
779 %% G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), %\label{Gf} %%RAPH, j'ai viré ce label qui existe déjà avant...
780 %% \end{equation}
781 %% \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
782 %% (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
783 %% \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
784 %% $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)$. 
785 %% Then the general chaotic iterations defined in Equation \ref{general CIs} can 
786 %% be described by the following discrete dynamical system:
787 %% \begin{equation}
788 %% \left\{
789 %% \begin{array}{l}
790 %% X^0 \in \mathcal{X} \\
791 %% X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
792 %% \end{array}%
793 %% \right.
794 %% \end{equation}%
795
796 %% Once more, a shift function appears as a component of these general chaotic 
797 %% iterations. 
798
799 %% To study the Devaney's chaos property, a distance between two points 
800 %% $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})$ of $\mathcal{X}$ must be defined.
801 %% Let us introduce:
802 %% \begin{equation}
803 %% d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
804 %% \label{nouveau d}
805 %% \end{equation}
806 %% \noindent where $ \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} = \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
807 %%  }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}$  is once more the Hamming distance, and
808 %% $  \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})}  =  \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
809 %%  \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}$,
810 %% %%RAPH : ici, j'ai supprimé tous les sauts à la ligne
811 %% %% \begin{equation}
812 %% %% \left\{
813 %% %% \begin{array}{lll}
814 %% %% \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
815 %% %% }\delta (E_{k},\check{E}_{k})} \textrm{ is once more the Hamming distance}, \\
816 %% %% \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
817 %% %% \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
818 %% %% \end{array}%
819 %% %% \right.
820 %% %% \end{equation}
821 %% where $|X|$ is the cardinality of a set $X$ and $A\Delta B$ is for the symmetric difference, defined for sets A, B as
822 %% $A\,\Delta\,B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$.
823
824
825 %% \begin{proposition}
826 %% The function $d$ defined in Eq.~\ref{nouveau d} is a metric on $\mathcal{X}$.
827 %% \end{proposition}
828
829 %% \begin{proof}
830 %%  $d_e$ is the Hamming distance. We will prove that $d_s$ is a distance
831 %% too, thus $d$, as being the sum of two distances, will also be a distance.
832 %%  \begin{itemize}
833 %% \item Obviously, $d_s(S,\check{S})\geqslant 0$, and if $S=\check{S}$, then 
834 %% $d_s(S,\check{S})=0$. Conversely, if $d_s(S,\check{S})=0$, then 
835 %% $\forall k \in \mathds{N}, |S^k\Delta {S}^k|=0$, and so $\forall k, S^k=\check{S}^k$.
836 %%  \item $d_s$ is symmetric 
837 %% ($d_s(S,\check{S})=d_s(\check{S},S)$) due to the commutative property
838 %% of the symmetric difference. 
839 %% \item Finally, $|S \Delta S''| = |(S \Delta \varnothing) \Delta S''|= |S \Delta (S'\Delta S') \Delta S''|= |(S \Delta S') \Delta (S' \Delta S'')|\leqslant |S \Delta S'| + |S' \Delta S''|$, 
840 %% and so for all subsets $S,S',$ and $S''$ of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$, 
841 %% we have $d_s(S,S'') \leqslant d_e(S,S')+d_s(S',S'')$, and the triangle
842 %% inequality is obtained.
843 %%  \end{itemize}
844 %% \end{proof}
845
846
847 %% Before being able to study the topological behavior of the general 
848 %% chaotic iterations, we must first establish that:
849
850 %% \begin{proposition}
851 %%  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
852 %% $\left( \mathcal{X},d\right)$.
853 %% \end{proposition}
854
855
856 %% \begin{proof}
857 %% We use the sequential continuity.
858 %% Let $(S^n,E^n)_{n\in \mathds{N}}$ be a sequence of the phase space $%
859 %% \mathcal{X}$, which converges to $(S,E)$. We will prove that $\left(
860 %% G_{f}(S^n,E^n)\right) _{n\in \mathds{N}}$ converges to $\left(
861 %% G_{f}(S,E)\right) $. Let us remark that for all $n$, $S^n$ is a strategy,
862 %% thus, we consider a sequence of strategies (\emph{i.e.}, a sequence of
863 %% sequences).\newline
864 %% As $d((S^n,E^n);(S,E))$ converges to 0, each distance $d_{e}(E^n,E)$ and $d_{s}(S^n,S)$ converges
865 %% to 0. But $d_{e}(E^n,E)$ is an integer, so $\exists n_{0}\in \mathds{N},$ $%
866 %% d_{e}(E^n,E)=0$ for any $n\geqslant n_{0}$.\newline
867 %% In other words, there exists a threshold $n_{0}\in \mathds{N}$ after which no
868 %% cell will change its state:
869 %% $\exists n_{0}\in \mathds{N},n\geqslant n_{0}\Rightarrow E^n = E.$
870
871 %% In addition, $d_{s}(S^n,S)\longrightarrow 0,$ so $\exists n_{1}\in %
872 %% \mathds{N},d_{s}(S^n,S)<10^{-1}$ for all indexes greater than or equal to $%
873 %% n_{1}$. This means that for $n\geqslant n_{1}$, all the $S^n$ have the same
874 %% first term, which is $S^0$: $\forall n\geqslant n_{1},S_0^n=S_0.$
875
876 %% Thus, after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term, states of $E^n$ and $E$ are
877 %% identical and strategies $S^n$ and $S$ start with the same first term.\newline
878 %% Consequently, states of $G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are equal,
879 %% so, after the $max(n_0, n_1)^{th}$ term, the distance $d$ between these two points is strictly less than 1.\newline
880 %% \noindent We now prove that the distance between $\left(
881 %% G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is convergent to
882 %% 0. Let $\varepsilon >0$. \medskip
883 %% \begin{itemize}
884 %% \item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that the distance
885 %% between $\left( G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is
886 %% strictly less than 1 after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term (same state).
887 %% \medskip
888 %% \item If $\varepsilon <1$, then $\exists k\in \mathds{N},10^{-k}\geqslant
889 %% \varepsilon > 10^{-(k+1)}$. But $d_{s}(S^n,S)$ converges to 0, so
890 %% \begin{equation*}
891 %% \exists n_{2}\in \mathds{N},\forall n\geqslant
892 %% n_{2},d_{s}(S^n,S)<10^{-(k+2)},
893 %% \end{equation*}%
894 %% thus after $n_{2}$, the $k+2$ first terms of $S^n$ and $S$ are equal.
895 %% \end{itemize}
896 %% \noindent As a consequence, the $k+1$ first entries of the strategies of $%
897 %% G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are the same ($G_{f}$ is a shift of strategies) and due to the definition of $d_{s}$, the floating part of
898 %% the distance between $(S^n,E^n)$ and $(S,E)$ is strictly less than $%
899 %% 10^{-(k+1)}\leqslant \varepsilon $.
900
901 %% In conclusion,
902 %% %%RAPH : ici j'ai rajouté une ligne
903 %% %%TOF : ici j'ai rajouté un commentaire
904 %% %%TOF : ici aussi
905 %% $
906 %% \forall \varepsilon >0,$ $\exists N_{0}=max(n_{0},n_{1},n_{2})\in \mathds{N}
907 %% ,$ $\forall n\geqslant N_{0},$
908 %% $ d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
909 %% \leqslant \varepsilon .
910 %% $
911 %% $G_{f}$ is consequently continuous.
912 %% \end{proof}
913
914
915 %% It is now possible to study the topological behavior of the general chaotic
916 %% iterations. We will prove that,
917
918 %% \begin{theorem}
919 %% \label{t:chaos des general}
920 %%  The general chaotic iterations defined on Equation~\ref{general CIs} satisfy
921 %% the Devaney's property of chaos.
922 %% \end{theorem}
923
924 %% Let us firstly prove the following lemma.
925
926 %% \begin{lemma}[Strong transitivity]
927 %% \label{strongTrans}
928 %%  For all couples $X,Y \in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $X$, we can 
929 %% find $n \in \mathds{N}^*$ and $X' \in V$ such that $G^n(X')=Y$.
930 %% \end{lemma}
931
932 %% \begin{proof}
933 %%  Let $X=(S,E)$, $\varepsilon>0$, and $k_0 = \lfloor log_{10}(\varepsilon)+1 \rfloor$. 
934 %% Any point $X'=(S',E')$ such that $E'=E$ and $\forall k \leqslant k_0, S'^k=S^k$, 
935 %% are in the open ball $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$. Let us define 
936 %% $\check{X} = \left(\check{S},\check{E}\right)$, where $\check{X}= G^{k_0}(X)$.
937 %% We denote by $s\subset \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket$ the set of coordinates
938 %% that are different between $\check{E}$ and the state of $Y$. Thus each point $X'$ of
939 %% the form $(S',E')$ where $E'=E$ and $S'$ starts with 
940 %% $(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,\hdots)$, verifies the following properties:
941 %% \begin{itemize}
942 %%  \item $X'$ is in $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$,
943 %%  \item the state of $G_f^{k_0+1}(X')$ is the state of $Y$.
944 %% \end{itemize}
945 %% Finally the point $\left(\left(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,s^0, s^1, \hdots\right); E\right)$, 
946 %% where $(s^0,s^1, \hdots)$ is the strategy of $Y$, satisfies the properties
947 %% claimed in the lemma.
948 %% \end{proof}
949
950 %% We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}.
951
952 %% \begin{proof}[Theorem~\ref{t:chaos des general}]
953 %% Firstly, strong transitivity implies transitivity.
954
955 %% Let $(S,E) \in\mathcal{X}$ and $\varepsilon >0$. To
956 %% prove that $G_f$ is regular, it is sufficient to prove that
957 %% there exists a strategy $\tilde S$ such that the distance between
958 %% $(\tilde S,E)$ and $(S,E)$ is less than $\varepsilon$, and such that
959 %% $(\tilde S,E)$ is a periodic point.
960
961 %% Let $t_1=\lfloor-\log_{10}(\varepsilon)\rfloor$, and let $E'$ be the
962 %% configuration that we obtain from $(S,E)$ after $t_1$ iterations of
963 %% $G_f$. As $G_f$ is strongly transitive, there exists a strategy $S'$ 
964 %% and $t_2\in\mathds{N}$ such
965 %% that $E$ is reached from $(S',E')$ after $t_2$ iterations of $G_f$.
966
967 %% Consider the strategy $\tilde S$ that alternates the first $t_1$ terms
968 %% of $S$ and the first $t_2$ terms of $S'$: 
969 %% %%RAPH : j'ai coupé la ligne en 2
970 %% $$\tilde
971 %% S=(S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,$$$$\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots).$$ It
972 %% is clear that $(\tilde S,E)$ is obtained from $(\tilde S,E)$ after
973 %% $t_1+t_2$ iterations of $G_f$. So $(\tilde S,E)$ is a periodic
974 %% point. Since $\tilde S_t=S_t$ for $t<t_1$, by the choice of $t_1$, we
975 %% have $d((S,E),(\tilde S,E))<\epsilon$.
976 %% \end{proof}
977
978
979
980
981 %%RAF : mis en supplementary
982
983
984 \section{Statistical Improvements Using Chaotic Iterations}
985 \label{The generation of pseudorandom sequence}
986 The content is this section is given in Section~\ref{A-The generation of pseudorandom sequence} of the annex document.
987
988
989 %% \label{The generation of pseudorandom sequence}
990
991
992 %% Let us now explain why we have reasonable ground to believe that chaos 
993 %% can improve statistical properties.
994 %% We will show in this section that chaotic properties as defined in the
995 %% mathematical theory of chaos are related to some statistical tests that can be found
996 %% in the NIST battery. Furthermore, we will check that, when mixing defective PRNGs with
997 %% chaotic iterations, the new generator presents better statistical properties
998 %% (this section summarizes and extends the work of~\cite{bfg12a:ip}).
999
1000
1001
1002 %% \subsection{Qualitative relations between topological properties and statistical tests}
1003
1004
1005 %% There are various relations between topological properties that describe an unpredictable behavior for a discrete 
1006 %% dynamical system on the one
1007 %% hand, and statistical tests to check the randomness of a numerical sequence
1008 %% on the other hand. These two mathematical disciplines follow a similar 
1009 %% objective in case of a recurrent sequence (to characterize an intrinsically complicated behavior for a
1010 %% recurrent sequence), with two different but complementary approaches.
1011 %% It is true that the following illustrative links give only qualitative arguments, 
1012 %% and proofs should be provided later to make such arguments irrefutable. However 
1013 %% they give a first understanding of the reason why we think that chaotic properties should tend
1014 %% to improve the statistical quality of PRNGs.
1015 %% %
1016 %% Let us now list some of these relations between topological properties defined in the mathematical
1017 %% theory of chaos and tests embedded into the NIST battery. %Such relations need to be further 
1018 %% %investigated, but they presently give a first illustration of a trend to search similar properties in the 
1019 %% %two following fields: mathematical chaos and statistics.
1020
1021
1022 %% \begin{itemize}
1023 %%     \item \textbf{Regularity}. As stated in Section~\ref{subsec:Devaney}, a chaotic dynamical system must 
1024 %% have an element of regularity. Depending on the chosen definition of chaos, this element can be the existence of
1025 %% a dense orbit, the density of periodic points, etc. The key idea is that a dynamical system with no periodicity
1026 %% is not as chaotic as a system having periodic orbits: in the first situation, we can predict something and gain a
1027 %% knowledge about the behavior of the system, that is, it never enters into a loop. A similar importance for periodicity is emphasized in
1028 %% the two following NIST tests~\cite{Nist10}:
1029 %%     \begin{itemize}
1030 %%         \item \textbf{Non-overlapping Template Matching Test}. Detect generators that produce too many occurrences of a given non-periodic (aperiodic) pattern.
1031 %%         \item \textbf{Discrete Fourier Transform (Spectral) Test}. Detect periodic features (i.e., repetitive patterns that are close one to another) in the tested sequence that would indicate a deviation from the assumption of randomness.
1032 %%     \end{itemize}
1033
1034 %% \item \textbf{Transitivity}. This topological property previously introduced  states that the dynamical system is intrinsically complicated: it cannot be simplified into 
1035 %% two subsystems that do not interact, as we can find in any neighborhood of any point another point whose orbit visits the whole phase space. 
1036 %% This focus on the places visited by the orbits of the dynamical system takes various nonequivalent formulations in the mathematical theory
1037 %% of chaos, namely: transitivity, strong transitivity, total transitivity, topological mixing, and so on~\cite{bg10:ij}. A similar attention 
1038 %% is brought on the states visited during a random walk in the two tests below~\cite{Nist10}:
1039 %%     \begin{itemize}
1040 %%         \item \textbf{Random Excursions Variant Test}. Detect deviations from the expected number of visits to various states in the random walk.
1041 %%         \item \textbf{Random Excursions Test}. Determine if the number of visits to a particular state within a cycle deviates from what one would expect for a random sequence.
1042 %%     \end{itemize}
1043
1044 %% \item \textbf{Chaos according to Li and Yorke}. Two points of the phase space $(x,y)$ define a couple of Li-Yorke when $\limsup_{n \rightarrow +\infty} d(f^{(n)}(x), f^{(n)}(y))>0$ et $\liminf_{n \rightarrow +\infty} d(f^{(n)}(x), f^{(n)}(y))=0$, meaning that their orbits always oscillate as the iterations pass. When a system is compact and contains an uncountable set of such points, it is claimed as chaotic according
1045 %% to Li-Yorke~\cite{Li75,Ruette2001}. A similar property is regarded in the following NIST test~\cite{Nist10}.
1046 %%     \begin{itemize}
1047 %%         \item \textbf{Runs Test}. To determine whether the number of runs of ones and zeros of various lengths is as expected for a random sequence. In particular, this test determines whether the oscillation between such zeros and ones is too fast or too slow.
1048 %%     \end{itemize}
1049 %%     \item \textbf{Topological entropy}. The desire to formulate an equivalency of the thermodynamics entropy
1050 %% has emerged both in the topological and statistical fields. Once again, a similar objective has led to two different
1051 %% rewritting of an entropy based disorder: the famous Shannon definition of entropy is approximated in the statistical approach, 
1052 %% whereas topological entropy is defined as follows:
1053 %% $x,y \in \mathcal{X}$ are $\varepsilon-$\emph{separated in time $n$} if there exists $k \leqslant n$ such that $d\left(f^{(k)}(x),f^{(k)}(y)\right)>\varepsilon$. Then $(n,\varepsilon)-$separated sets are sets of points that are all $\varepsilon-$separated in time $n$, which
1054 %% leads to the definition of $s_n(\varepsilon,Y)$, being the maximal cardinality of all $(n,\varepsilon)-$separated sets. Using these notations, 
1055 %% the topological entropy is defined as follows: $$h_{top}(\mathcal{X},f)  = \displaystyle{\lim_{\varepsilon \rightarrow 0} \Big[ \limsup_{n \rightarrow +\infty} \dfrac{1}{n} \log s_n(\varepsilon,\mathcal{X})\Big]}.$$
1056 %% This value measures the average exponential growth of the number of distinguishable orbit segments. 
1057 %% In this sense, it measures the complexity of the topological dynamical system, whereas 
1058 %% the Shannon approach comes to mind when defining the following test~\cite{Nist10}:
1059 %%     \begin{itemize}
1060 %% \item \textbf{Approximate Entropy Test}. Compare the frequency of the overlapping blocks of two consecutive/adjacent lengths ($m$ and $m+1$) against the expected result for a random sequence.
1061 %%     \end{itemize}
1062
1063 %%     \item \textbf{Non-linearity, complexity}. Finally, let us remark that non-linearity and complexity are 
1064 %% not only sought in general to obtain chaos, but they are also required for randomness, as illustrated by the two tests below~\cite{Nist10}.
1065 %%     \begin{itemize}
1066 %% \item \textbf{Binary Matrix Rank Test}. Check for linear dependence among fixed length substrings of the original sequence.
1067 %% \item \textbf{Linear Complexity Test}. Determine whether or not the sequence is complex enough to be considered random.
1068 %%       \end{itemize}
1069 %% \end{itemize}
1070
1071
1072 %% We have proven in our previous works~\cite{guyeux12:bc} that chaotic iterations satisfying Theorem~\ref{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques} are, among other
1073 %% things, strongly transitive, topologically mixing, chaotic as defined by Li and Yorke,
1074 %% and that they have a topological entropy and an exponent of Lyapunov both equal to $ln(\mathsf{N})$,
1075 %% where $\mathsf{N}$ is the size of the iterated vector.
1076 %% These topological properties make that we are ground to believe that a generator based on chaotic
1077 %% iterations will probably be able to pass all the existing statistical batteries for pseudorandomness like
1078 %% the NIST one. The following subsections, in which we prove that defective generators have their
1079 %% statistical properties improved by chaotic iterations, show that such an assumption is true.
1080
1081 %% \subsection{Details of some Existing Generators}
1082
1083 %% The list of defective PRNGs we will use 
1084 %% as inputs for the statistical tests to come is introduced here.
1085
1086 %% Firstly, the simple linear congruency generators (LCGs) will be used. 
1087 %% They are defined by the following recurrence:
1088 %% \begin{equation}
1089 %% x^n = (ax^{n-1} + c)~mod~m,
1090 %% \label{LCG}
1091 %% \end{equation}
1092 %% where $a$, $c$, and $x^0$ must be, among other things, non-negative and inferior to 
1093 %% $m$~\cite{LEcuyerS07}. In what follows, 2LCGs and 3LCGs refer to two (resp. three) 
1094 %% combinations of such LCGs. For further details, see~\cite{bfg12a:ip,combined_lcg}.
1095
1096 %% Secondly, the multiple recursive generators (MRGs) which will be used,
1097 %% are based on a linear recurrence of order 
1098 %% $k$, modulo $m$~\cite{LEcuyerS07}:
1099 %% \begin{equation}
1100 %% x^n = (a^1x^{n-1}+~...~+a^kx^{n-k})~mod~m .
1101 %% \label{MRG}
1102 %% \end{equation}
1103 %% The combination of two MRGs (referred as 2MRGs) is also used in these experiments.
1104
1105 %% Generators based on linear recurrences with carry will be regarded too.
1106 %% This family of generators includes the add-with-carry (AWC) generator, based on the recurrence:
1107 %% \begin{equation}
1108 %% \label{AWC}
1109 %% \begin{array}{l}
1110 %% x^n = (x^{n-r} + x^{n-s} + c^{n-1})~mod~m, \\
1111 %% c^n= (x^{n-r} + x^{n-s} + c^{n-1}) / m, \end{array}\end{equation}
1112 %% the SWB generator, having the recurrence:
1113 %% \begin{equation}
1114 %% \label{SWB}
1115 %% \begin{array}{l}
1116 %% x^n = (x^{n-r} - x^{n-s} - c^{n-1})~mod~m, \\
1117 %% c^n=\left\{
1118 %% \begin{array}{l}
1119 %% 1 ~~~~~\text{if}~ (x^{i-r} - x^{i-s} - c^{i-1})<0\\
1120 %% 0 ~~~~~\text{else},\end{array} \right. \end{array}\end{equation}
1121 %% and the SWC generator, which is based on the following recurrence:
1122 %% \begin{equation}
1123 %% \label{SWC}
1124 %% \begin{array}{l}
1125 %% x^n = (a^1x^{n-1} \oplus ~...~ \oplus a^rx^{n-r} \oplus c^{n-1}) ~ mod ~ 2^w, \\
1126 %% c^n = (a^1x^{n-1} \oplus ~...~ \oplus a^rx^{n-r} \oplus c^{n-1}) ~ / ~ 2^w. \end{array}\end{equation}
1127
1128 %% Then the generalized feedback shift register (GFSR) generator has been implemented, that is:
1129 %% \begin{equation}
1130 %% x^n = x^{n-r} \oplus x^{n-k} .
1131 %% \label{GFSR}
1132 %% \end{equation}
1133
1134
1135 %% Finally, the nonlinear inversive (INV) generator~\cite{LEcuyerS07} has been studied, which is:
1136
1137 %% \begin{equation}
1138 %% \label{INV}
1139 %% \begin{array}{l}
1140 %% x^n=\left\{
1141 %% \begin{array}{ll}
1142 %% (a^1 + a^2 / z^{n-1})~mod~m & \text{if}~ z^{n-1} \neq 0 \\
1143 %% a^1 & \text{if}~  z^{n-1} = 0 .\end{array} \right. \end{array}\end{equation}
1144
1145
1146
1147 %% \begin{table}
1148 %% \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1149 %% \caption{TestU01 Statistical Test Failures}
1150 %% \label{TestU011}
1151 %% \centering
1152 %%   \begin{tabular}{lccccc}
1153 %%     \toprule
1154 %% Test name &Tests& Logistic           & XORshift      & ISAAC\\
1155 %% Rabbit                               &       38      &21             &14     &0       \\
1156 %% Alphabit                     &       17      &16             &9      &0       \\
1157 %% Pseudo DieHARD                       &126    &0              &2      &0      \\
1158 %% FIPS\_140\_2                         &16     &0              &0      &0      \\
1159 %% SmallCrush                   &15     &4              &5      &0       \\
1160 %% Crush                                &144    &95             &57     &0       \\
1161 %% Big Crush                    &160    &125            &55     &0       \\ \hline
1162 %% Failures             &       &261            &146    &0       \\
1163 %% \bottomrule
1164 %%   \end{tabular}
1165 %% \end{table}
1166
1167
1168
1169 %% \begin{table}
1170 %% \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1171 %% \caption{TestU01 Statistical Test Failures for Old CI algorithms ($\mathsf{N}=4$)}
1172 %% \label{TestU01 for Old CI}
1173 %% \centering
1174 %%   \begin{tabular}{lcccc}
1175 %%     \toprule
1176 %% \multirow{3}*{Test name} & \multicolumn{4}{c}{Old CI}\\
1177 %% &Logistic& XORshift& ISAAC&ISAAC  \\ 
1178 %% &+& +& + & + \\ 
1179 %% &Logistic& XORshift& XORshift&ISAAC  \\ \cmidrule(r){2-5}
1180 %% Rabbit                                       &7      &2      &0      &0       \\
1181 %% Alphabit                             & 3     &0      &0      &0       \\
1182 %% DieHARD                      &0      &0      &0      &0      \\
1183 %% FIPS\_140\_2                         &0      &0      &0      &0      \\
1184 %% SmallCrush                           &2      &0      &0      &0       \\
1185 %% Crush                                        &47     &4      &0      &0       \\
1186 %% Big Crush                            &79     &3      &0      &0       \\ \hline
1187 %% Failures                             &138    &9      &0      &0       \\
1188 %% \bottomrule
1189 %%   \end{tabular}
1190 %% \end{table}
1191
1192
1193
1194
1195
1196 %% \subsection{Statistical tests}
1197 %% \label{Security analysis}
1198
1199 %% Three batteries of tests are reputed and regularly used
1200 %% to evaluate the statistical properties of newly designed pseudorandom
1201 %% number generators. These batteries are named DieHard~\cite{Marsaglia1996},
1202 %% the NIST suite~\cite{ANDREW2008}, and the most stringent one called
1203 %% TestU01~\cite{LEcuyerS07}, which encompasses the two other batteries.
1204
1205
1206
1207 %% \label{Results and discussion}
1208 %% \begin{table*}
1209 %% \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1210 %% \caption{NIST and DieHARD tests suite passing rates for PRNGs without CI}
1211 %% \label{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for PRNGs without CI}
1212 %% \centering
1213 %%   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
1214 %%     \hline\hline
1215 %% Types of PRNGs & \multicolumn{2}{c|}{Linear PRNGs} & \multicolumn{4}{c|}{Lagged PRNGs} & \multicolumn{1}{c|}{ICG PRNGs} & \multicolumn{3}{c|}{Mixed PRNGs}\\ \hline
1216 %% \backslashbox{\textbf{$Tests$}} {\textbf{$PRNG$}} & LCG& MRG& AWC & SWB  & SWC & GFSR & INV & LCG2& LCG3& MRG2 \\ \hline
1217 %% NIST & 11/15 & 14/15 &\textbf{15/15} & \textbf{15/15}   & 14/15 & 14/15  & 14/15 & 14/15& 14/15& 14/15 \\ \hline
1218 %% DieHARD & 16/18 & 16/18 & 15/18 & 16/18 & \textbf{18/18} & 16/18 & 16/18 & 16/18& 16/18& 16/18\\ \hline
1219 %% \end{tabular}
1220 %% \end{table*}
1221
1222 %% Table~\ref{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for PRNGs without CI} shows the 
1223 %% results on the two first batteries recalled above, indicating that all the PRNGs presented
1224 %% in the previous section
1225 %% cannot pass all these tests. In other words, the statistical quality of these PRNGs cannot 
1226 %% fulfill the up-to-date standards presented previously. We have shown in~\cite{bfg12a:ip} that the use of chaotic
1227 %% iterations can solve this issue.
1228 %% %More precisely, to
1229 %% %illustrate the effects of chaotic iterations on these defective PRNGs, experiments have been divided in three parts~\cite{bfg12a:ip}:
1230 %% %\begin{enumerate}
1231 %% %  \item \textbf{Single CIPRNG}: The PRNGs involved in CI computing are of the same category.
1232 %% %  \item \textbf{Mixed CIPRNG}: Two different types of PRNGs are mixed during the chaotic iterations process.
1233 %% %  \item \textbf{Multiple CIPRNG}: The generator is obtained by repeating the composition of the iteration function as follows: $x^0\in \mathds{B}^{\mathsf{N}}$, and $\forall n\in \mathds{N}^{\ast },\forall i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket, x_i^n=$
1234 %% %\begin{equation}
1235 %% %\begin{array}{l}
1236 %% %\left\{
1237 %% %\begin{array}{l}
1238 %% %x_i^{n-1}~~~~~\text{if}~S^n\neq i \\
1239 %% %\forall j\in \llbracket1;\mathsf{m}\rrbracket,f^m(x^{n-1})_{S^{nm+j}}~\text{if}~S^{nm+j}=i.\end{array} \right. \end{array}
1240 %% %\end{equation}
1241 %% %$m$ is called the \emph{functional power}.
1242 %% %\end{enumerate}
1243 %% %
1244 %% The obtained results are reproduced in Table
1245 %% \ref{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for single CIPRNGs}.
1246 %% The scores written in boldface indicate that all the tests have been passed successfully, whereas an 
1247 %% asterisk ``*'' means that the considered passing rate has been improved.
1248 %% The improvements are obvious for both the ``Old CI'' and the ``New CI'' generators.
1249 %% Concerning the ``Xor CI PRNG'', the score is less spectacular. Because of a large speed improvement, the statistics
1250 %%  are not as good as for the two other versions of these CIPRNGs.
1251 %% However 8 tests have been improved (with no deflation for the other results).
1252
1253
1254 %% \begin{table*}
1255 %% \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1256 %% \caption{NIST and DieHARD tests suite passing rates for PRNGs with CI}
1257 %% \label{NIST and DieHARD tests suite passing rate the for single CIPRNGs}
1258 %% \centering
1259 %%   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
1260 %%     \hline
1261 %% Types of PRNGs & \multicolumn{2}{c|}{Linear PRNGs} & \multicolumn{4}{c|}{Lagged PRNGs} & \multicolumn{1}{c|}{ICG PRNGs} & \multicolumn{3}{c|}{Mixed PRNGs}\\ \hline
1262 %% \backslashbox{\textbf{$Tests$}} {\textbf{$Single~CIPRNG$}} & LCG  & MRG & AWC & SWB & SWC & GFSR & INV& LCG2 & LCG3& MRG2 \\ \hline\hline
1263 %% Old CIPRNG\\ \hline \hline
1264 %% NIST & \textbf{15/15} *  & \textbf{15/15} * & \textbf{15/15}   & \textbf{15/15}   & \textbf{15/15} * & \textbf{15/15} * & \textbf{15/15} *& \textbf{15/15} * & \textbf{15/15} * & \textbf{15/15} \\ \hline
1265 %% DieHARD & \textbf{18/18} *  & \textbf{18/18} * & \textbf{18/18} *  & \textbf{18/18} *  & \textbf{18/18}  & \textbf{18/18} * & \textbf{18/18} *& \textbf{18/18} * & \textbf{18/18} *& \textbf{18/18} * \\ \hline
1266 %% New CIPRNG\\ \hline \hline
1267 %% NIST & \textbf{15/15} *  & \textbf{15/15} * & \textbf{15/15}   & \textbf{15/15}  & \textbf{15/15} * & \textbf{15/15} * & \textbf{15/15} *& \textbf{15/15} * & \textbf{15/15} * & \textbf{15/15} \\ \hline
1268 %% DieHARD & \textbf{18/18} *  & \textbf{18/18} * & \textbf{18/18} * & \textbf{18/18} * & \textbf{18/18}  & \textbf{18/18} * & \textbf{18/18} * & \textbf{18/18} * & \textbf{18/18} *& \textbf{18/18} *\\ \hline
1269 %% Xor CIPRNG\\ \hline\hline
1270 %% NIST & 14/15*& \textbf{15/15} *   & \textbf{15/15}   & \textbf{15/15}   & 14/15 & \textbf{15/15} * & 14/15& \textbf{15/15} * & \textbf{15/15} *& \textbf{15/15}  \\ \hline
1271 %% DieHARD & 16/18 & 16/18 & 17/18* & \textbf{18/18} * & \textbf{18/18}  & \textbf{18/18} * & 16/18 & 16/18 & 16/18& 16/18\\ \hline
1272 %% \end{tabular}
1273 %% \end{table*}
1274
1275
1276 %% We have then investigated in~\cite{bfg12a:ip} if it were possible to improve
1277 %% the statistical behavior of the Xor CI version by combining more than one 
1278 %% $\oplus$ operation. Results are summarized in Table~\ref{threshold}, illustrating
1279 %% the progressive increasing effects of chaotic iterations, when giving time to chaos to get settled in.
1280 %% Thus rapid and perfect PRNGs, regarding the NIST and DieHARD batteries, can be obtained 
1281 %% using chaotic iterations on defective generators.
1282
1283 %% \begin{table*}
1284 %% \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1285 %% \caption{Number of $\oplus$ operations to pass the whole NIST and DieHARD batteries}
1286 %% \label{threshold}
1287 %% \centering
1288 %%   \begin{tabular}{|l||c|c|c|c|c|c|c|c|}
1289 %%     \hline
1290 %% Inputted $PRNG$ & LCG & MRG & SWC & GFSR & INV& LCG2 & LCG3  & MRG2 \\ \hline\hline
1291 %% Threshold  value $m$& 19 & 7  & 2& 1 & 11& 9& 3& 4\\ \hline\hline
1292 %% \end{tabular}
1293 %% \end{table*}
1294
1295 %% Finally, the TestU01 battery has been launched on three well-known generators 
1296 %% (a logistic map, a simple XORshift, and the cryptographically secure ISAAC, 
1297 %% see Table~\ref{TestU011}). These results can be compared with 
1298 %% Table~\ref{TestU01 for Old CI}, which gives the scores obtained by the
1299 %% Old CI PRNG that has received these generators.
1300 %% The obvious improvement speaks for itself, and together with the other
1301 %% results recalled in this section, it reinforces the opinion that a strong
1302 %% correlation between topological properties and statistical behavior exists.
1303
1304
1305 %% The next subsection will now give a concrete original implementation of the Xor CI PRNG, the
1306 %% fastest generator in the chaotic iteration based family. In the remainder,
1307 %% this generator will be simply referred to as CIPRNG, or ``the proposed PRNG'', if this statement does not
1308 %% raise ambiguity.
1309
1310
1311 \subsection{First Efficient Implementation of a PRNG based on Chaotic Iterations}
1312 \label{sec:efficient PRNG}
1313 %
1314 %Based on the proof presented in the previous section, it is now possible to 
1315 %improve the speed of the generator formerly presented in~\cite{bgw09:ip,guyeux10}. 
1316 %The first idea is to consider
1317 %that the provided strategy is a pseudorandom Boolean vector obtained by a
1318 %given PRNG.
1319 %An iteration of the system is simply the bitwise exclusive or between
1320 %the last computed state and the current strategy.
1321 %Topological properties of disorder exhibited by chaotic 
1322 %iterations can be inherited by the inputted generator, we hope by doing so to 
1323 %obtain some statistical improvements while preserving speed.
1324 %
1325 %%RAPH : j'ai viré tout ca
1326 %% Let us give an example using 16-bits numbers, to clearly understand how the bitwise xor operations
1327 %% are
1328 %% done.  
1329 %% Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are given as
1330 %% binary vectors.
1331 %% Table~\ref{TableExemple} shows the result of $x \oplus S^i$.
1332
1333 %% \begin{table}
1334 %% \begin{scriptsize}
1335 %% $$
1336 %% \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
1337 %% \hline
1338 %% x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
1339 %% \hline
1340 %% S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
1341 %% \hline
1342 %% x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
1343 %% \hline
1344
1345 %% \hline
1346 %%  \end{array}
1347 %% $$
1348 %% \end{scriptsize}
1349 %% \caption{Example of an arbitrary round of the proposed generator}
1350 %% \label{TableExemple}
1351 %% \end{table}
1352
1353
1354
1355
1356 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential PRNG based on chaotic iterations},label={algo:seqCIPRNG}}
1357 \begin{small}
1358 \begin{lstlisting}
1359
1360 unsigned int CIPRNG() {
1361   static unsigned int x = 123123123;
1362   unsigned long t1 = xorshift();
1363   unsigned long t2 = xor128();
1364   unsigned long t3 = xorwow();
1365   x = x^(unsigned int)t1;
1366   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
1367   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
1368   x = x^(unsigned int)t2;
1369   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
1370   x = x^(unsigned int)t3;
1371   return x;
1372 }
1373 \end{lstlisting}
1374 \end{small}
1375
1376
1377
1378 In Listing~\ref{algo:seqCIPRNG} a sequential  version of the proposed PRNG based
1379 on  chaotic  iterations  is  presented.   The xor  operator  is  represented  by
1380 \textasciicircum.  This function uses  three classical 64-bits PRNGs, namely the
1381 \texttt{xorshift},         the          \texttt{xor128},         and         the
1382 \texttt{xorwow}~\cite{Marsaglia2003}.  In the following, we call them ``xor-like
1383 PRNGs''.   As each  xor-like PRNG  uses 64-bits  whereas our  proposed generator
1384 works with 32-bits, we use the command \texttt{(unsigned int)}, that selects the
1385 32 least  significant bits  of a given  integer, and the  code \texttt{(unsigned
1386   int)(t$>>$32)} in order to obtain the 32 most significant bits of \texttt{t}.
1387
1388 Thus producing a pseudorandom number needs 6 xor operations with 6 32-bits numbers
1389 that  are provided by  3 64-bits  PRNGs.  This  version successfully  passes the
1390 stringent BigCrush battery of tests~\cite{LEcuyerS07}. 
1391 At this point, we thus
1392 have defined an efficient and statistically unbiased generator. Its speed is
1393 directly related to the use of linear operations, but for the same reason,
1394 this fast generator cannot be proven as secure.
1395
1396
1397
1398 \section{Efficient PRNGs based on Chaotic Iterations on GPU}
1399 \label{sec:efficient PRNG gpu}
1400
1401 In order to  take benefits from the computing power  of GPU, a program
1402 needs  to have  independent blocks  of  threads that  can be  computed
1403 simultaneously. In general,  the larger the number of  threads is, the
1404 more local  memory is  used, and the  less branching  instructions are
1405 used  (if,  while,  ...),  the  better the  performances  on  GPU  is.
1406 Obviously, having these requirements in  mind, it is possible to build
1407 a   program    similar   to    the   one   presented    in  Listing 
1408 \ref{algo:seqCIPRNG}, which computes  pseudorandom numbers on GPU.  To
1409 do  so,  we  must   firstly  recall  that  in  the  CUDA~\cite{Nvid10}
1410 environment,    threads    have     a    local    identifier    called
1411 \texttt{ThreadIdx},  which   is  relative  to   the  block  containing
1412 them. Furthermore, in  CUDA, parts of  the code that are executed by the  GPU, are
1413 called {\it kernels}.
1414
1415
1416 \subsection{Naive Version for GPU}
1417
1418  
1419 It is possible to deduce from the CPU version a quite similar version adapted to GPU.
1420 The simple principle consists in making each thread of the GPU computing the CPU version of our PRNG.  
1421 Of course,  the  three xor-like
1422 PRNGs  used in these computations must have different  parameters. 
1423 In a given thread, these parameters are
1424 randomly picked from another PRNGs. 
1425 The  initialization stage is performed by  the CPU.
1426 To do it, the  ISAAC  PRNG~\cite{Jenkins96} is used to  set  all  the
1427 parameters embedded into each thread.   
1428
1429 The implementation of  the three
1430 xor-like  PRNGs  is  straightforward  when  their  parameters  have  been
1431 allocated in  the GPU memory.  Each xor-like  works with  an internal
1432 number  $x$  that saves  the  last  generated  pseudorandom number. Additionally,  the
1433 implementation of the  xor128, the xorshift, and the  xorwow respectively require
1434 4, 5, and 6 unsigned long as internal variables.
1435
1436
1437 \begin{algorithm}
1438 \begin{small}
1439 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
1440 PRNGs in global memory\;
1441 NumThreads: number of threads\;}
1442 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1443 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
1444   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
1445   \For{i=1 to n} {
1446     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIPRNG}\;
1447     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
1448   }
1449   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
1450 }
1451 \end{small}
1452 \caption{Main kernel of the GPU ``naive'' version of the PRNG based on chaotic iterations}
1453 \label{algo:gpu_kernel}
1454 \end{algorithm}
1455
1456
1457
1458 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of the proposed  PRNG on
1459 GPU.  Due to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
1460 used simultaneously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
1461 inside   a    kernel   is   limited  (\emph{i.e.},    the    variable   \texttt{n}   in
1462 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}). For instance, if  $100,000$ threads are used and
1463 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)},
1464 then   the  memory   required   to  store all of the  internals   variables  of both the  xor-like
1465 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
1466 and  the pseudorandom  numbers generated by  our  PRNG,  is  equal to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
1467 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, that is, approximately $52$Mb.
1468
1469 This generator is able to pass the whole BigCrush battery of tests, for all
1470 the versions that have been tested depending on their number of threads 
1471 (called \texttt{NumThreads} in our algorithm, tested up to $5$ million).
1472
1473 \begin{remark}
1474 The proposed algorithm has  the  advantage of  manipulating  independent
1475 PRNGs, so this version is easily adaptable on a cluster of computers too. The only thing
1476 to ensure is to use a single ISAAC PRNG. To achieve this requirement, a simple solution consists in
1477 using a master node for the initialization. This master node computes the initial parameters
1478 for all the different nodes involved in the computation.
1479 \end{remark}
1480
1481 \subsection{Improved Version for GPU}
1482
1483 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
1484 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
1485 i.e., to use less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
1486 one xor-like PRNG by thread, saving  it into the shared memory, and then to use the results
1487 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
1488 thread uses the result of which other  one, we can use a combination array that
1489 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a combination has  been
1490 performed. 
1491
1492 In  Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2},  two  combination  arrays are  used.   The
1493 variable     \texttt{offset}    is     computed    using     the     value    of
1494 \texttt{combination\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
1495 representing the  indexes of  the other  threads whose results  are used  by the
1496 current one.   In this algorithm, we  consider that a 32-bits  xor-like PRNG has
1497 been chosen. In practice, we  use the xor128 proposed in~\cite{Marsaglia2003} in
1498 which  unsigned longs  (64 bits)  have been  replaced by  unsigned  integers (32
1499 bits).
1500
1501 This version  can also pass the whole {\it BigCrush} battery of tests.
1502
1503 \begin{algorithm}
1504 \begin{small}
1505 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
1506 in global memory\;
1507 NumThreads: Number of threads\;
1508 array\_comb1, array\_comb2: Arrays containing combinations of size combination\_size\;}
1509
1510 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1511 \If{threadId is concerned} {
1512   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1513   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1514   o1 = threadIdx-offset+array\_comb1[offset]\;
1515   o2 = threadIdx-offset+array\_comb2[offset]\;
1516   \For{i=1 to n} {
1517     t=xor-like()\;
1518     t=t\textasciicircum shmem[o1]\textasciicircum shmem[o2]\;
1519     shared\_mem[threadId]=t\;
1520     x = x\textasciicircum t\;
1521
1522     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1523   }
1524   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
1525 }
1526 \end{small}
1527 \caption{Main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
1528 version\label{IR}}
1529 \label{algo:gpu_kernel2} 
1530 \end{algorithm}
1531
1532 \subsection{Chaos Evaluation of the Improved Version}
1533
1534 A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists in an operation ($x=x\oplus t$) having 
1535 the form of Equation~\ref{equation Oplus}, which is equivalent to the iterative
1536 system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, an iteration of the general chaotic
1537 iterations is realized between the last stored value $x$ of the thread and a strategy $t$
1538 (obtained by a bitwise exclusive or between a value provided by a xor-like() call
1539 and two values previously obtained by two other threads).
1540 To be certain that we are in the framework of Theorem~\ref{t:chaos des general},
1541 we must guarantee that this dynamical system iterates on the space 
1542 $\mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\times\mathds{B}^\mathsf{N}$.
1543 The left term $x$ obviously belongs to $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
1544 To prevent from any flaws of chaotic properties, we must check that the right 
1545 term (the last $t$), corresponding to the strategies,  can possibly be equal to any
1546 integer of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$. 
1547
1548 Such a result is obvious, as for the xor-like(), all the
1549 integers belonging into its interval of definition can occur at each iteration, and thus the 
1550 last $t$ respects the requirement. Furthermore, it is possible to
1551 prove by an immediate mathematical induction that, as the initial $x$
1552 is uniformly distributed (it is provided by a cryptographically secure PRNG),
1553 the two other stored values shmem[o1] and shmem[o2] are uniformly distributed too,
1554 (this is the induction hypothesis), and thus the next $x$ is finally uniformly distributed.
1555
1556 Thus Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} is a concrete realization of the general
1557 chaotic iterations presented previously, and for this reason, it satisfies the 
1558 Devaney's formulation of a chaotic behavior.
1559
1560 \section{Experiments}
1561 \label{sec:experiments}
1562
1563 Different experiments  have been  performed in order  to measure  the generation
1564 speed. We have used a first computer equipped with a Tesla C1060 NVidia  GPU card
1565 and an
1566 Intel  Xeon E5530 cadenced  at 2.40  GHz,  and 
1567 a second computer  equipped with a smaller  CPU and  a GeForce GTX  280. 
1568 All the
1569 cards have 240 cores.
1570
1571 In  Figure~\ref{fig:time_xorlike_gpu} we  compare the  quantity of  pseudorandom numbers
1572 generated per second with various xor-like based PRNGs. In this figure, the optimized
1573 versions use the {\it xor64} described in~\cite{Marsaglia2003}, whereas the naive versions
1574 embed  the three  xor-like  PRNGs described  in Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}.   In
1575 order to obtain the optimal performances, the storage of pseudorandom numbers
1576 into the GPU memory has been removed. This step is time consuming and slows down the numbers
1577 generation.  Moreover this   storage  is  completely
1578 useless, in case of applications that consume the pseudorandom
1579 numbers  directly   after generation. We can see  that when the number of  threads is greater
1580 than approximately 30,000 and lower than 5 million, the number of pseudorandom numbers generated
1581 per second  is almost constant.  With the  naive version, this value ranges from 2.5 to
1582 3GSamples/s.   With  the  optimized   version,  it  is  approximately  equal to
1583 20GSamples/s. Finally  we can remark  that both GPU  cards are quite  similar, but in
1584 practice,  the Tesla C1060  has more  memory than  the GTX  280, and  this memory
1585 should be of better quality.
1586 As a  comparison,   Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}  leads   to the  generation of  about
1587 138MSample/s when using one core of the Xeon E5530.
1588
1589 \begin{figure}[htbp]
1590 \begin{center}
1591   \includegraphics[width=\columnwidth]{curve_time_xorlike_gpu.pdf}
1592 \end{center}
1593 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second with the xorlike-based PRNG}
1594 \label{fig:time_xorlike_gpu}
1595 \end{figure}
1596
1597
1598
1599
1600
1601 In Figure~\ref{fig:time_bbs_gpu} we highlight  the performances of the optimized
1602 BBS-based PRNG on GPU.  On  the Tesla C1060 we obtain approximately 700MSample/s
1603 and  on the  GTX 280  about  670MSample/s, which  is obviously  slower than  the
1604 xorlike-based PRNG on GPU. However, we  will show in the next sections that this
1605 new PRNG  has a strong  level of  security, which is  necessarily paid by  a speed
1606 reduction.
1607
1608 \begin{figure}[htbp]
1609 \begin{center}
1610   \includegraphics[width=\columnwidth]{curve_time_bbs_gpu.pdf}
1611 \end{center}
1612 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second using the BBS-based PRNG}
1613 \label{fig:time_bbs_gpu}
1614 \end{figure}
1615
1616 All  these  experiments allow  us  to conclude  that  it  is possible  to
1617 generate a very large quantity of pseudorandom  numbers statistically perfect with the  xor-like version.
1618 To a certain extend, it is also the case with the secure BBS-based version, the speed deflation being
1619 explained by the fact that the former  version has ``only''
1620 chaotic properties and statistical perfection, whereas the latter is also cryptographically secure,
1621 as it is shown in the next sections.
1622
1623
1624
1625
1626
1627
1628
1629 \section{Security Analysis}
1630
1631
1632 This section is dedicated to the security analysis of the
1633   proposed PRNGs, both from a theoretical and from a practical point of view.
1634
1635 \subsection{Theoretical Proof of Security}
1636 \label{sec:security analysis}
1637
1638 The standard definition
1639   of {\it indistinguishability} used is the classical one as defined for
1640   instance in~\cite[chapter~3]{Goldreich}. 
1641   This property shows that predicting the future results of the PRNG
1642   cannot be done in a reasonable time compared to the generation time. It is important to emphasize that this
1643   is a relative notion between breaking time and the sizes of the
1644   keys/seeds. Of course, if small keys or seeds are chosen, the system can
1645   be broken in practice. But it also means that if the keys/seeds are large
1646   enough, the system is secured.
1647 As a complement, an example of a concrete practical evaluation of security
1648 is outlined in the next subsection.
1649
1650 In this section the concatenation of two strings $u$ and $v$ is classically
1651 denoted by $uv$.
1652 In a cryptographic context, a pseudorandom generator is a deterministic
1653 algorithm $G$ transforming strings  into strings and such that, for any
1654 seed $s$ of length $m$, $G(s)$ (the output of $G$ on the input $s$) has size
1655 $\ell_G(m)$ with $\ell_G(m)>m$.
1656 The notion of {\it secure} PRNGs can now be defined as follows. 
1657
1658 \begin{definition}
1659 A cryptographic PRNG $G$ is secure if for any probabilistic polynomial time
1660 algorithm $D$, for any positive polynomial $p$, and for all sufficiently
1661 large $m$'s,
1662 $$| \mathrm{Pr}[D(G(U_m))=1]-Pr[D(U_{\ell_G(m)})=1]|< \frac{1}{p(m)},$$
1663 where $U_r$ is the uniform distribution over $\{0,1\}^r$ and the
1664 probabilities are taken over $U_m$, $U_{\ell_G(m)}$ as well as over the
1665 internal coin tosses of $D$. 
1666 \end{definition}
1667
1668 Intuitively,  it means  that  there is  no  polynomial time  algorithm that  can
1669 distinguish a  perfect uniform random generator  from $G$ with  a non negligible
1670 probability.   An equivalent  formulation of  this well-known  security property
1671 means that  it is  possible \emph{in practice}  to predict  the next bit  of the
1672 generator, knowing all  the previously produced ones.  The  interested reader is
1673 referred to~\cite[chapter~3]{Goldreich}  for more  information. Note that  it is
1674 quite easily possible to change the function $\ell$ into any polynomial function
1675 $\ell^\prime$ satisfying $\ell^\prime(m)>m)$~\cite[Chapter 3.3]{Goldreich}.
1676
1677 The generation schema developed in (\ref{equation Oplus}) is based on a
1678 pseudorandom generator. Let $H$ be a cryptographic PRNG. We may assume,
1679 without loss of generality, that for any string $S_0$ of size $N$, the size
1680 of $H(S_0)$ is $kN$, with $k>2$. It means that $\ell_H(N)=kN$. 
1681 Let $S_1,\ldots,S_k$ be the 
1682 strings of length $N$ such that $H(S_0)=S_1 \ldots S_k$ ($H(S_0)$ is the concatenation of
1683 the $S_i$'s). The cryptographic PRNG $X$ defined in (\ref{equation Oplus})
1684 is the algorithm mapping any string of length $2N$ $x_0S_0$ into the string
1685 $(x_0\oplus S_0 \oplus S_1)(x_0\oplus S_0 \oplus S_1\oplus S_2)\ldots
1686 (x_o\bigoplus_{i=0}^{i=k}S_i)$. One in particular has $\ell_{X}(2N)=kN=\ell_H(N)$. 
1687 We claim now that if this PRNG is secure,
1688 then the new one is secure too.
1689
1690 \begin{proposition}
1691 \label{cryptopreuve}
1692 If $H$ is a secure cryptographic PRNG, then $X$ is a secure cryptographic
1693 PRNG too.
1694 \end{proposition}
1695
1696 \begin{proof}
1697 The proposition is proven by contraposition. Assume that $X$ is not
1698 secure. By Definition, there exists a polynomial time probabilistic
1699 algorithm $D$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1700 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1701 $$| \mathrm{Pr}[D(X(U_{2N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)}.$$
1702 We describe a new probabilistic algorithm $D^\prime$ on an input $w$ of size
1703 $kN$:
1704 \begin{enumerate}
1705 \item Decompose $w$ into $w=w_1\ldots w_{k}$, where each $w_i$ has size $N$.
1706 \item Pick a string $y$ of size $N$ uniformly at random.
1707 \item Compute $z=(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1708   \bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i).$
1709 \item Return $D(z)$.
1710 \end{enumerate}
1711
1712
1713 Consider  for each $y\in \mathbb{B}^{kN}$ the function $\varphi_{y}$
1714 from $\mathbb{B}^{kN}$ into $\mathbb{B}^{kN}$ mapping $w=w_1\ldots w_k$
1715 (each $w_i$ has length $N$) to 
1716 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1717   \bigoplus_{i=1}^{i=k_1} w_i).$ By construction, one has for every $w$,
1718 \begin{equation}\label{PCH-1}
1719 D^\prime(w)=D(\varphi_y(w)),
1720 \end{equation}
1721 where $y$ is randomly generated. 
1722 Moreover, for each $y$, $\varphi_{y}$ is injective: if 
1723 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y\bigoplus_{i=1}^{i=k_1}
1724 w_i)=(y\oplus w_1^\prime)(y\oplus w_1^\prime\oplus w_2^\prime)\ldots
1725 (y\bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i^\prime)$, then for every $1\leq j\leq k$,
1726 $y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i^\prime=y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i$. It follows,
1727 by a direct induction, that $w_i=w_i^\prime$. Furthermore, since $\mathbb{B}^{kN}$
1728 is finite, each $\varphi_y$ is bijective. Therefore, and using (\ref{PCH-1}),
1729 one has
1730 $\mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(\varphi_y(U_{kN}))=1]$ and,
1731 therefore, 
1732 \begin{equation}\label{PCH-2}
1733 \mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{kN})=1].
1734 \end{equation}
1735
1736 Now, using (\ref{PCH-1}) again, one has  for every $x$,
1737 \begin{equation}\label{PCH-3}
1738 D^\prime(H(x))=D(\varphi_y(H(x))),
1739 \end{equation}
1740 where $y$ is randomly generated. By construction, $\varphi_y(H(x))=X(yx)$,
1741 thus
1742 \begin{equation}%\label{PCH-3}      %%RAPH : j'ai viré ce label qui existe déjà, il est 3 ligne avant
1743 D^\prime(H(x))=D(yx),
1744 \end{equation}
1745 where $y$ is randomly generated. 
1746 It follows that 
1747
1748 \begin{equation}\label{PCH-4}
1749 \mathrm{Pr}[D^\prime(H(U_{N}))=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{2N})=1].
1750 \end{equation}
1751  From (\ref{PCH-2}) and (\ref{PCH-4}), one can deduce that
1752 there exists a polynomial time probabilistic
1753 algorithm $D^\prime$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1754 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1755 $$| \mathrm{Pr}[D(H(U_{N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)},$$
1756 proving that $H$ is not secure, which is a contradiction. 
1757 \end{proof}
1758
1759
1760
1761 \subsection{Practical Security Evaluation}
1762 \label{sec:Practicak evaluation}
1763 This subsection is given in Section~\ref{A-sec:Practicak evaluation} of the annex document.
1764 %%RAF mis en annexe
1765
1766
1767 %% Pseudorandom generators based on Eq.~\eqref{equation Oplus} are thus cryptographically secure when
1768 %% they are XORed with an already cryptographically
1769 %% secure PRNG. But, as stated previously,
1770 %% such a property does not mean that, whatever the
1771 %% key size, no attacker can predict the next bit
1772 %% knowing all the previously released ones.
1773 %% However, given a key size, it is possible to 
1774 %% measure in practice the minimum duration needed
1775 %% for an attacker to break a cryptographically
1776 %% secure PRNG, if we know the power of his/her
1777 %% machines. Such a concrete security evaluation 
1778 %% is related to the $(T,\varepsilon)-$security
1779 %% notion, which is recalled and evaluated in what 
1780 %% follows, for the sake of completeness.
1781
1782 %% Let us firstly recall that,
1783 %% \begin{definition}
1784 %% Let $\mathcal{D} : \mathds{B}^M \longrightarrow \mathds{B}$ be a probabilistic algorithm that runs
1785 %% in time $T$. 
1786 %% Let $\varepsilon > 0$. 
1787 %% $\mathcal{D}$ is called a $(T,\varepsilon)-$distinguishing attack on pseudorandom
1788 %% generator $G$ if
1789
1790 %% \begin{flushleft}
1791 %% $\left| Pr[\mathcal{D}(G(k)) = 1 \mid k \in_R \{0,1\}^\ell ]\right.$
1792 %% \end{flushleft}
1793
1794 %% \begin{flushright}
1795 %% $ - \left. Pr[\mathcal{D}(s) = 1 \mid s \in_R \mathds{B}^M ]\right| \geqslant \varepsilon,$
1796 %% \end{flushright}
1797
1798 %% \noindent where the probability is taken over the internal coin flips of $\mathcal{D}$, and the notation
1799 %% ``$\in_R$'' indicates the process of selecting an element at random and uniformly over the
1800 %% corresponding set.
1801 %% \end{definition}
1802
1803 %% Let us recall that the running time of a probabilistic algorithm is defined to be the
1804 %% maximum of the expected number of steps needed to produce an output, maximized
1805 %% over all inputs; the expected number is averaged over all coin flips made by the algorithm~\cite{Knuth97}.
1806 %% We are now able to define the notion of cryptographically secure PRNGs:
1807
1808 %% \begin{definition}
1809 %% A pseudorandom generator is $(T,\varepsilon)-$secure if there exists no $(T,\varepsilon)-$distinguishing attack on this pseudorandom generator.
1810 %% \end{definition}
1811
1812
1813
1814
1815
1816
1817
1818 %% Suppose now that the PRNG of Eq.~\eqref{equation Oplus} will work during 
1819 %% $M=100$ time units, and that during this period,
1820 %% an attacker can realize $10^{12}$ clock cycles.
1821 %% We thus wonder whether, during the PRNG's 
1822 %% lifetime, the attacker can distinguish this 
1823 %% sequence from a truly random one, with a probability
1824 %% greater than $\varepsilon = 0.2$.
1825 %% We consider that $N$ has 900 bits.
1826
1827 %% Predicting the next generated bit knowing all the
1828 %% previously released ones by Eq.~\eqref{equation Oplus} is obviously equivalent to predicting the
1829 %% next bit in the BBS generator, which
1830 %% is cryptographically secure. More precisely, it
1831 %% is $(T,\varepsilon)-$secure: no 
1832 %% $(T,\varepsilon)-$distinguishing attack can be
1833 %% successfully realized on this PRNG, if~\cite{Fischlin}
1834 %% \begin{equation}
1835 %% T \leqslant \dfrac{L(N)}{6 N (log_2(N))\varepsilon^{-2}M^2}-2^7 N \varepsilon^{-2} M^2 log_2 (8 N \varepsilon^{-1}M)
1836 %% \label{mesureConcrete}
1837 %% \end{equation}
1838 %% where $M$ is the length of the output ($M=100$ in
1839 %% our example), and $L(N)$ is equal to
1840 %% $$
1841 %% 2.8\times 10^{-3} exp \left(1.9229 \times (N ~ln~ 2)^\frac{1}{3} \times (ln(N~ln~  2))^\frac{2}{3}\right)
1842 %% $$
1843 %% is the number of clock cycles to factor a $N-$bit
1844 %% integer.
1845
1846
1847
1848
1849 %% A direct numerical application shows that this attacker 
1850 %% cannot achieve its $(10^{12},0.2)$ distinguishing
1851 %% attack in that context.
1852
1853
1854
1855 \section{Cryptographical Applications}
1856
1857 \subsection{A Cryptographically Secure PRNG for GPU}
1858 \label{sec:CSGPU}
1859
1860 It is  possible to build a  cryptographically secure PRNG based  on the previous
1861 algorithm (Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}).   Due to Proposition~\ref{cryptopreuve},
1862 it simply consists  in replacing
1863 the  {\it  xor-like} PRNG  by  a  cryptographically  secure one.  
1864 We have chosen the Blum Blum Shub generator~\cite{BBS} (usually denoted by BBS) having the form:
1865 $$x_{n+1}=x_n^2~ mod~ M$$  where $M$ is the product of  two prime numbers (these
1866 prime numbers  need to be congruent  to 3 modulus  4). BBS is known to be
1867 very slow and only usable for cryptographic applications. 
1868
1869   
1870 The modulus operation is the most time consuming operation for current
1871 GPU cards.  So in order to obtain quite reasonable performances, it is
1872 required to use only modulus  on 32-bits integer numbers. Consequently
1873 $x_n^2$ need  to be lesser than $2^{32}$,  and thus the number $M$ must be
1874 lesser than $2^{16}$.  So in practice we can choose prime numbers around
1875 256 that are congruent to 3 modulus 4.  With 32-bits numbers, only the
1876 4 least significant bits of $x_n$ can be chosen (the maximum number of
1877 indistinguishable    bits    is    lesser    than   or    equals    to
1878 $log_2(log_2(M))$). In other words, to generate a  32-bits number, we need to use
1879 8 times  the BBS  algorithm with possibly different  combinations of  $M$. This
1880 approach is  not sufficient to be able to pass  all the tests of TestU01,
1881 as small values of  $M$ for the BBS  lead to
1882   small periods. So, in  order to add randomness  we have proceeded with
1883 the followings  modifications. 
1884 \begin{itemize}
1885 \item
1886 Firstly, we  define 16 arrangement arrays  instead of 2  (as described in
1887 Algorithm \ref{algo:gpu_kernel2}), but only 2 of them are used at each call of
1888 the  PRNG kernels. In  practice, the  selection of   combination
1889 arrays to be used is different for all the threads. It is determined
1890 by using  the three last bits  of two internal variables  used by BBS.
1891 %This approach  adds more randomness.   
1892 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu},
1893 character  \& is for the  bitwise AND. Thus using  \&7 with  a number
1894 gives the last 3 bits, thus providing a number between 0 and 7.
1895 \item
1896 Secondly, after the  generation of the 8 BBS numbers  for each thread, we
1897 have a 32-bits number whose period is possibly quite small. So
1898 to add randomness,  we generate 4 more BBS numbers   to
1899 shift  the 32-bits  numbers, and  add up to  6 new  bits.  This  improvement is
1900 described  in Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}.  In  practice, the last 2 bits
1901 of the first new BBS number are  used to make a left shift of at most
1902 3 bits. The  last 3 bits of the  second new BBS number are  added to the
1903 strategy whatever the value of the first left shift. The third and the
1904 fourth new BBS  numbers are used similarly to apply  a new left shift
1905 and add 3 new bits.
1906 \item
1907 Finally, as  we use 8 BBS numbers  for each thread, the  storage of these
1908 numbers at the end of the  kernel is performed using a rotation. So,
1909 internal  variable for  BBS number  1 is  stored in  place  2, internal
1910 variable  for BBS  number 2  is  stored in  place 3,  ..., and finally, internal
1911 variable for BBS number 8 is stored in place 1.
1912 \end{itemize}
1913
1914 \begin{algorithm}
1915 \begin{small}
1916 \KwIn{InternalVarBBSArray: array with internal variables of the 8 BBS
1917 in global memory\;
1918 NumThreads: Number of threads\;
1919 array\_comb: 2D Arrays containing 16 combinations (in first dimension)  of size combination\_size (in second dimension)\;
1920 array\_shift[4]=\{0,1,3,7\}\;
1921 }
1922
1923 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1924 \If{threadId is concerned} {
1925   retrieve data from InternalVarBBSArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1926   we consider that bbs1 ... bbs8 represent the internal states of the 8 BBS numbers\;
1927   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1928   o1 = threadIdx-offset+array\_comb[bbs1\&7][offset]\;
1929   o2 = threadIdx-offset+array\_comb[8+bbs2\&7][offset]\;
1930   \For{i=1 to n} {
1931     t$<<$=4\;
1932     t|=BBS1(bbs1)\&15\;
1933     ...\;
1934     t$<<$=4\;
1935     t|=BBS8(bbs8)\&15\;
1936     \tcp{two new shifts}
1937     shift=BBS3(bbs3)\&3\;
1938     t$<<$=shift\;
1939     t|=BBS1(bbs1)\&array\_shift[shift]\;
1940     shift=BBS7(bbs7)\&3\;
1941     t$<<$=shift\;
1942     t|=BBS2(bbs2)\&array\_shift[shift]\;
1943     t=t\textasciicircum  shmem[o1]\textasciicircum     shmem[o2]\;
1944     shared\_mem[threadId]=t\;
1945     x = x\textasciicircum   t\;
1946
1947     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1948   }
1949   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId] using a rotation\;
1950 }
1951 \end{small}
1952 \caption{main kernel for the BBS based PRNG GPU}
1953 \label{algo:bbs_gpu}
1954 \end{algorithm}
1955
1956 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}, $n$ is for  the quantity of random numbers that
1957 a thread has to  generate.  The operation t<<=4 performs a left  shift of 4 bits
1958 on the variable  $t$ and stores the result in  $t$, and $BBS1(bbs1)\&15$ selects
1959 the last  four bits  of the  result of $BBS1$.   Thus an  operation of  the form
1960 $t<<=4; t|=BBS1(bbs1)\&15\;$  realizes in $t$ a  left shift of 4  bits, and then
1961 puts the 4 last bits of $BBS1(bbs1)$  in the four last positions of $t$.  Let us
1962 remark that the initialization $t$ is not a  necessity as we fill it 4 bits by 4
1963 bits, until  having obtained 32-bits.  The  two last new shifts  are realized in
1964 order to enlarge the small periods of  the BBS used here, to introduce a kind of
1965 variability.  In these operations, we make twice a left shift of $t$ of \emph{at
1966   most}  3 bits,  represented by  \texttt{shift} in  the algorithm,  and  we put
1967 \emph{exactly} the \texttt{shift}  last bits from a BBS  into the \texttt{shift}
1968 last bits of $t$. For this, an array named \texttt{array\_shift}, containing the
1969 correspondence between the  shift and the number obtained  with \texttt{shift} 1
1970 to make the \texttt{and} operation is used. For example, with a left shift of 0,
1971 we  make an  and operation  with 0,  with  a left  shift of  3, we  make an  and
1972 operation with 7 (represented by 111 in binary mode).
1973
1974 It should  be noticed that this generator has once more the form $x^{n+1} = x^n \oplus S^n$,
1975 where $S^n$ is referred in this algorithm as $t$: each iteration of this
1976 PRNG ends with $x = x \wedge t$. This $S^n$ is only constituted
1977 by secure bits produced by the BBS generator, and thus, due to
1978 Proposition~\ref{cryptopreuve}, the resulted PRNG is 
1979 cryptographically secure.
1980
1981 As stated before, even if the proposed PRNG is cryptocaphically
1982 secure, it does not mean that such a generator
1983 can be used as described here when attacks are
1984 awaited. The problem is to determine the minimum 
1985 time required for an attacker, with a given 
1986 computational power, to predict under a probability
1987 lower than 0.5 the $n+1$th bit, knowing the $n$
1988 previous ones. The proposed GPU generator will be
1989 useful in a security context, at least in some 
1990 situations where a secret protected by a pseudorandom
1991 keystream is rapidly obsolete, if this time to 
1992 predict the next bit is large enough when compared
1993 to both the generation and transmission times.
1994 It is true that the prime numbers used in the last
1995 section are very small compared to up-to-date 
1996 security recommendations. However the attacker has not
1997 access to each BBS, but to the output produced 
1998 by Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}, which is far
1999 more complicated than a simple BBS. Indeed, to
2000 determine if this cryptographically secure PRNG
2001 on GPU can be useful in security context with the 
2002 proposed parameters, or if it is only a very fast
2003 and statistically perfect generator on GPU, its
2004 $(T,\varepsilon)-$security must be determined, and
2005 a formulation similar to Eq.\eqref{mesureConcrete}
2006 must be established. Authors
2007 hope to achieve this difficult task in a future
2008 work.
2009
2010
2011 \subsection{Toward a Cryptographically Secure and Chaotic Asymmetric Cryptosystem}
2012 \label{Blum-Goldwasser}
2013 We finish this research work by giving some thoughts about the use of
2014 the proposed PRNG in an asymmetric cryptosystem.
2015 This first approach will be further investigated in a future work.
2016
2017 \subsubsection{Recalls of the Blum-Goldwasser Probabilistic Cryptosystem}
2018
2019 The Blum-Goldwasser cryptosystem is a cryptographically secure asymmetric key encryption algorithm 
2020 proposed in 1984~\cite{Blum:1985:EPP:19478.19501}.  The encryption algorithm 
2021 implements a XOR-based stream cipher using the BBS PRNG, in order to generate 
2022 the keystream. Decryption is done by obtaining the initial seed thanks to
2023 the final state of the BBS generator and the secret key, thus leading to the
2024  reconstruction of the keystream.
2025
2026 The key generation consists in generating two prime numbers $(p,q)$, 
2027 randomly and independently of each other, that are
2028  congruent to 3 mod 4, and to compute the modulus $N=pq$.
2029 The public key is $N$, whereas the secret key is the factorization $(p,q)$.
2030
2031
2032 Suppose Bob wishes to send a string $m=(m_0, \dots, m_{L-1})$ of $L$ bits to Alice:
2033 \begin{enumerate}
2034 \item Bob picks an integer $r$ randomly in the interval $\llbracket 1,N\rrbracket$ and computes $x_0 = r^2~mod~N$.
2035 \item He uses the BBS to generate the keystream of $L$ pseudorandom bits $(b_0, \dots, b_{L-1})$, as follows. For $i=0$ to $L-1$,
2036 \begin{itemize}
2037 \item $i=0$.
2038 \item While $i \leqslant L-1$:
2039 \begin{itemize}
2040 \item Set $b_i$ equal to the least-significant\footnote{As signaled previously, BBS can securely output up to $\mathsf{N} = \lfloor log(log(N)) \rfloor$ of the least-significant bits of $x_i$ during each round.} bit of $x_i$,
2041 \item $i=i+1$,
2042 \item $x_i = (x_{i-1})^2~mod~N.$
2043 \end{itemize}
2044 \end{itemize}
2045 \item The ciphertext is computed by XORing the plaintext bits $m$ with the keystream: $ c = (c_0, \dots, c_{L-1}) = m \oplus  b$. This ciphertext is $[c, y]$, where $y=x_{0}^{2^{L}}~mod~N.$
2046 \end{enumerate}
2047
2048
2049 When Alice receives $\left[(c_0, \dots, c_{L-1}), y\right]$, she can recover $m$ as follows:
2050 \begin{enumerate}
2051 \item Using the secret key $(p,q)$, she computes $r_p = y^{((p+1)/4)^{L}}~mod~p$ and $r_q = y^{((q+1)/4)^{L}}~mod~q$.
2052 \item The initial seed can be obtained using the following procedure: $x_0=q(q^{-1}~{mod}~p)r_p + p(p^{-1}~{mod}~q)r_q~{mod}~N$.
2053 \item She recomputes the bit-vector $b$ by using BBS and $x_0$.
2054 \item Alice finally computes the plaintext by XORing the keystream with the ciphertext: $ m = c \oplus  b$.
2055 \end{enumerate}
2056
2057
2058 \subsubsection{Proposal of a new Asymmetric Cryptosystem Adapted from Blum-Goldwasser}
2059
2060 We propose to adapt the Blum-Goldwasser protocol as follows. 
2061 Let $\mathsf{N} = \lfloor log(log(N)) \rfloor$ be the number of bits that can
2062 be obtained securely with the BBS generator using the public key $N$ of Alice.
2063 Alice will pick randomly $S^0$ in $\llbracket 0, 2^{\mathsf{N}-1}\rrbracket$ too, and
2064 her new public key will be $(S^0, N)$.
2065
2066 To encrypt his message, Bob will compute
2067 %%RAPH : ici, j'ai mis un simple $
2068 %\begin{equation}
2069 $c = \left(m_0 \oplus (b_0 \oplus S^0), m_1 \oplus (b_0 \oplus b_1 \oplus S^0), \hdots, \right.$
2070 $ \left. m_{L-1} \oplus (b_0 \oplus b_1 \hdots \oplus b_{L-1} \oplus S^0) \right)$
2071 %%\end{equation}
2072 instead of $\left(m_0 \oplus b_0, m_1 \oplus b_1, \hdots, m_{L-1} \oplus b_{L-1} \right)$. 
2073
2074 The same decryption stage as in Blum-Goldwasser leads to the sequence 
2075 $\left(m_0 \oplus S^0, m_1 \oplus S^0, \hdots, m_{L-1} \oplus S^0 \right)$.
2076 Thus, with a simple use of $S^0$, Alice can obtain the plaintext.
2077 By doing so, the proposed generator is used in place of BBS, leading to
2078 the inheritance of all the properties presented in this paper.
2079
2080 \section{Conclusion}
2081
2082
2083 In  this  paper, a formerly proposed PRNG based on chaotic iterations
2084 has been generalized to improve its speed. It has been proven to be
2085 chaotic according to Devaney.
2086 Efficient implementations on  GPU using xor-like  PRNGs as input generators
2087 have shown that a very large quantity of pseudorandom numbers can be generated per second (about
2088 20Gsamples/s), and that these proposed PRNGs succeed to pass the hardest battery in TestU01,
2089 namely the BigCrush.
2090 Furthermore, we have shown that when the inputted generator is cryptographically
2091 secure, then it is the case too for the PRNG we propose, thus leading to
2092 the possibility to develop fast and secure PRNGs using the GPU architecture.
2093 An improvement of the Blum-Goldwasser cryptosystem, making it 
2094 behave chaotically, has finally been proposed. 
2095
2096 In future  work we plan to extend this research, building a parallel PRNG for  clusters or
2097 grid computing. Topological properties of the various proposed generators will be investigated,
2098 and the use of other categories of PRNGs as input will be studied too. The improvement
2099 of Blum-Goldwasser will be deepened. Finally, we
2100 will try to enlarge the quantity of pseudorandom numbers generated per second either
2101 in a simulation context or in a cryptographic one.
2102
2103
2104
2105 \bibliographystyle{plain} 
2106 \bibliography{mabase}
2107 \end{document}