]> AND Private Git Repository - prng_gpu.git/blob - prng_gpu.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
Merge branch 'master' of ssh://info.iut-bm.univ-fcomte.fr/prng_gpu
[prng_gpu.git] / prng_gpu.tex
1 %\documentclass{article}
2 \documentclass[10pt,journal,letterpaper,compsoc]{IEEEtran}
3 \usepackage[utf8]{inputenc}
4 \usepackage[T1]{fontenc}
5 \usepackage{fullpage}
6 \usepackage{fancybox}
7 \usepackage{amsmath}
8 \usepackage{amscd}
9 \usepackage{moreverb}
10 \usepackage{commath}
11 \usepackage[ruled,vlined]{algorithm2e}
12 \usepackage{listings}
13 \usepackage[standard]{ntheorem}
14
15 % Pour mathds : les ensembles IR, IN, etc.
16 \usepackage{dsfont}
17
18 % Pour avoir des intervalles d'entiers
19 \usepackage{stmaryrd}
20
21 \usepackage{graphicx}
22 % Pour faire des sous-figures dans les figures
23 \usepackage{subfigure}
24
25 \usepackage{color}
26
27 \newtheorem{notation}{Notation}
28
29 \newcommand{\X}{\mathcal{X}}
30 \newcommand{\Go}{G_{f_0}}
31 \newcommand{\B}{\mathds{B}}
32 \newcommand{\N}{\mathds{N}}
33 \newcommand{\BN}{\mathds{B}^\mathsf{N}}
34 \let\sur=\overline
35
36 \newcommand{\alert}[1]{\begin{color}{blue}\textit{#1}\end{color}}
37
38 \title{Efficient and Cryptographically Secure Generation of Chaotic Pseudorandom Numbers on GPU}
39 \begin{document}
40
41 \author{Jacques M. Bahi, Rapha\"{e}l Couturier,  Christophe
42 Guyeux, and Pierre-Cyrille Héam\thanks{Authors in alphabetic order}}
43    
44
45 \IEEEcompsoctitleabstractindextext{
46 \begin{abstract}
47 In this paper we present a new pseudorandom number generator (PRNG) on
48 graphics processing units  (GPU). This PRNG is based  on the so-called chaotic iterations.  It
49 is firstly proven  to be chaotic according to the Devaney's  formulation. We thus propose  an efficient
50 implementation  for  GPU that successfully passes the   {\it BigCrush} tests, deemed to be the  hardest
51 battery of tests in TestU01.  Experiments show that this PRNG can generate
52 about 20 billion of random numbers  per second on Tesla C1060 and NVidia GTX280
53 cards.
54 It is then established that, under reasonable assumptions, the proposed PRNG can be cryptographically 
55 secure.
56 A chaotic version of the Blum-Goldwasser asymmetric key encryption scheme is finally proposed.
57
58
59 \end{abstract}
60 }
61
62 \maketitle
63
64 \IEEEdisplaynotcompsoctitleabstractindextext
65 \IEEEpeerreviewmaketitle
66
67
68 \section{Introduction}
69
70 Randomness is of importance in many fields such as scientific simulations or cryptography. 
71 ``Random numbers'' can mainly be generated either by a deterministic and reproducible algorithm
72 called a pseudorandom number generator (PRNG), or by a physical non-deterministic 
73 process having all the characteristics of a random noise, called a truly random number
74 generator (TRNG). 
75 In this paper, we focus on reproducible generators, useful for instance in
76 Monte-Carlo based simulators or in several cryptographic schemes.
77 These domains need PRNGs that are statistically irreproachable. 
78 In some fields such as in numerical simulations, speed is a strong requirement
79 that is usually attained by using parallel architectures. In that case,
80 a recurrent problem is that a deflation of the statistical qualities is often
81 reported, when the parallelization of a good PRNG is realized.
82 This is why ad-hoc PRNGs for each possible architecture must be found to
83 achieve both speed and randomness.
84 On the other side, speed is not the main requirement in cryptography: the great
85 need is to define \emph{secure} generators able to withstand malicious
86 attacks. Roughly speaking, an attacker should not be able in practice to make 
87 the distinction between numbers obtained with the secure generator and a true random
88 sequence. 
89 Finally, a small part of the community working in this domain focuses on a
90 third requirement, that is to define chaotic generators.
91 The main idea is to take benefits from a chaotic dynamical system to obtain a
92 generator that is unpredictable, disordered, sensible to its seed, or in other word chaotic.
93 Their desire is to map a given chaotic dynamics into a sequence that seems random 
94 and unassailable due to chaos.
95 However, the chaotic maps used as a pattern are defined in the real line 
96 whereas computers deal with finite precision numbers.
97 This distortion leads to a deflation of both chaotic properties and speed.
98 Furthermore, authors of such chaotic generators often claim their PRNG
99 as secure due to their chaos properties, but there is no obvious relation
100 between chaos and security as it is understood in cryptography.
101 This is why the use of chaos for PRNG still remains marginal and disputable.
102
103 The authors' opinion is that topological properties of disorder, as they are
104 properly defined in the mathematical theory of chaos, can reinforce the quality
105 of a PRNG. But they are not substitutable for security or statistical perfection.
106 Indeed, to the authors' mind, such properties can be useful in the two following situations. On the
107 one hand, a post-treatment based on a chaotic dynamical system can be applied
108 to a PRNG statistically deflective, in order to improve its statistical 
109 properties. Such an improvement can be found, for instance, in~\cite{bgw09:ip,bcgr11:ip}.
110 On the other hand, chaos can be added to a fast, statistically perfect PRNG and/or a
111 cryptographically secure one, in case where chaos can be of interest,
112 \emph{only if these last properties are not lost during
113 the proposed post-treatment}. Such an assumption is behind this research work.
114 It leads to the attempts to define a 
115 family of PRNGs that are chaotic while being fast and statistically perfect,
116 or cryptographically secure.
117 Let us finish this paragraph by noticing that, in this paper, 
118 statistical perfection refers to the ability to pass the whole 
119 {\it BigCrush} battery of tests, which is widely considered as the most
120 stringent statistical evaluation of a sequence claimed as random.
121 This battery can be found in the well-known TestU01 package~\cite{LEcuyerS07}.
122 Chaos, for its part, refers to the well-established definition of a
123 chaotic dynamical system proposed by Devaney~\cite{Devaney}.
124
125
126 In a previous work~\cite{bgw09:ip,guyeux10} we have proposed a post-treatment on PRNGs making them behave
127 as a chaotic dynamical system. Such a post-treatment leads to a new category of
128 PRNGs. We have shown that proofs of Devaney's chaos can be established for this
129 family, and that the sequence obtained after this post-treatment can pass the
130 NIST~\cite{Nist10}, DieHARD~\cite{Marsaglia1996}, and TestU01~\cite{LEcuyerS07} batteries of tests, even if the inputted generators
131 cannot.
132 The proposition of this paper is to improve widely the speed of the formerly
133 proposed generator, without any lack of chaos or statistical properties.
134 In particular, a version of this PRNG on graphics processing units (GPU)
135 is proposed.
136 Although GPU was initially designed  to accelerate
137 the manipulation of  images, they are nowadays commonly  used in many scientific
138 applications. Therefore,  it is important  to be able to  generate pseudorandom
139 numbers inside a GPU when a scientific application runs in it. This remark
140 motivates our proposal of a chaotic and statistically perfect PRNG for GPU.  
141 Such device
142 allows us to generate almost 20 billion of pseudorandom numbers per second.
143 Furthermore, we show that the proposed post-treatment preserves the
144 cryptographical security of the inputted PRNG, when this last has such a 
145 property.
146 Last, but not least, we propose a rewriting of the Blum-Goldwasser asymmetric
147 key encryption protocol by using the proposed method.
148
149 The remainder of this paper  is organized as follows. In Section~\ref{section:related
150   works} we  review some GPU implementations  of PRNGs.  Section~\ref{section:BASIC
151   RECALLS} gives some basic recalls  on the well-known Devaney's formulation of chaos, 
152   and on an iteration process called ``chaotic
153 iterations'' on which the post-treatment is based. 
154 The proposed PRNG and its proof of chaos are given in  Section~\ref{sec:pseudorandom}.
155 Section~\ref{sec:efficient    PRNG}   presents   an   efficient
156 implementation of  this chaotic PRNG  on a CPU, whereas   Section~\ref{sec:efficient PRNG
157   gpu}   describes and evaluates theoretically  the  GPU   implementation. 
158 Such generators are experimented in 
159 Section~\ref{sec:experiments}.
160 We show in Section~\ref{sec:security analysis} that, if the inputted
161 generator is cryptographically secure, then it is the case too for the
162 generator provided by the post-treatment.
163 Such a proof leads to the proposition of a cryptographically secure and
164 chaotic generator on GPU based on the famous Blum Blum Shum
165 in Section~\ref{sec:CSGPU}, and to an improvement of the
166 Blum-Goldwasser protocol in Sect.~\ref{Blum-Goldwasser}.
167 This research work ends by a conclusion section, in which the contribution is
168 summarized and intended future work is presented.
169
170
171
172
173 \section{Related works on GPU based PRNGs}
174 \label{section:related works}
175
176 Numerous research works on defining GPU based PRNGs have already been proposed  in the
177 literature, so that exhaustivity is impossible.
178 This is why authors of this document only give reference to the most significant attempts 
179 in this domain, from their subjective point of view. 
180 The  quantity of pseudorandom numbers generated per second is mentioned here 
181 only when the information is given in the related work. 
182 A million numbers  per second will be simply written as
183 1MSample/s whereas a billion numbers per second is 1GSample/s.
184
185 In \cite{Pang:2008:cec}  a PRNG based on  cellular automata is defined
186 with no  requirement to an high  precision  integer   arithmetic  or to any bitwise
187 operations. Authors can   generate  about
188 3.2MSamples/s on a GeForce 7800 GTX GPU, which is quite an old card now.
189 However, there is neither a mention of statistical tests nor any proof of
190 chaos or cryptography in this document.
191
192 In \cite{ZRKB10}, the authors propose  different versions of efficient GPU PRNGs
193 based on  Lagged Fibonacci or Hybrid  Taus.  They have  used these
194 PRNGs   for  Langevin   simulations   of  biomolecules   fully  implemented   on
195 GPU. Performances of  the GPU versions are far better than  those obtained with a
196 CPU, and these PRNGs succeed to pass the {\it BigCrush} battery of TestU01. 
197 However the evaluations of the proposed PRNGs are only statistical ones.
198
199
200 Authors of~\cite{conf/fpga/ThomasHL09}  have studied the  implementation of some
201 PRNGs on  different computing architectures: CPU,  field-programmable gate array
202 (FPGA), massively parallel  processors, and GPU. This study is of interest, because
203 the  performance  of the  same  PRNGs on  different architectures are compared. 
204 FPGA appears as  the  fastest  and the most
205 efficient architecture, providing the fastest number of generated pseudorandom numbers
206 per joule. 
207 However, we notice that authors can ``only'' generate between 11 and 16GSamples/s
208 with a GTX 280  GPU, which should be compared with
209 the results presented in this document.
210 We can remark too that the PRNGs proposed in~\cite{conf/fpga/ThomasHL09} are only
211 able to pass the {\it Crush} battery, which is far easier than the {\it Big Crush} one.
212
213 Lastly, Cuda  has developed  a  library for  the  generation of  pseudorandom numbers  called
214 Curand~\cite{curand11}.        Several       PRNGs        are       implemented, among
215 other things 
216 Xorwow~\cite{Marsaglia2003} and  some variants of Sobol. The  tests reported show that
217 their  fastest version provides  15GSamples/s on  the new  Fermi C2050  card. 
218 But their PRNGs cannot pass the whole TestU01 battery (only one test is failed).
219 \newline
220 \newline
221 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.
222
223 \section{Basic Recalls}
224 \label{section:BASIC RECALLS}
225
226 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
227 topological chaos and chaotic iterations. We assume the reader is familiar
228 with basic notions on topology (see for instance~\cite{Devaney}).
229
230
231 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
232
233 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$
234 denotes the $i^{th}$ component of a vector $V$. $f^{k}=f\circ ...\circ f$
235 is for the $k^{th}$ composition of a function $f$. Finally, the following
236 notation is used: $\llbracket1;N\rrbracket=\{1,2,\hdots,N\}$.
237
238
239 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f :
240 \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
241
242 \begin{definition}
243 The function $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
244 $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq
245 \varnothing$.
246 \end{definition}
247
248 \begin{definition}
249 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$
250 if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
251 \end{definition}
252
253 \begin{definition}
254 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic
255 points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$,
256 any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without
257 necessarily the same period).
258 \end{definition}
259
260
261 \begin{definition}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
262 The function $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
263 topologically transitive.
264 \end{definition}
265
266 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined
267 on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
268
269 \begin{definition}
270 \label{sensitivity} The function $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
271 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
272 neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that
273 $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
274
275 The constant $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
276 \end{definition}
277
278 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is
279 chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of
280 sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an
281 element of the definition of chaos). To sum up, quoting Devaney
282 in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is unpredictable because of the
283 sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or
284 simplified into two subsystems which do not interact because of topological
285 transitivity. And in the midst of this random behavior, we nevertheless have an
286 element of regularity''. Fundamentally different behaviors are consequently
287 possible and occur in an unpredictable way.
288
289
290
291 \subsection{Chaotic Iterations}
292 \label{sec:chaotic iterations}
293
294
295 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in
296 \mathds{N}^*$ of elements  (or \emph{cells}), so that each  cell has a
297 Boolean  \emph{state}. Having $\mathsf{N}$ Boolean values for these
298  cells  leads to the definition of a particular \emph{state  of the
299 system}. A sequence which  elements belong to $\llbracket 1;\mathsf{N}
300 \rrbracket $ is called a \emph{strategy}. The set of all strategies is
301 denoted by $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}.$
302
303 \begin{definition}
304 \label{Def:chaotic iterations}
305 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let
306 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be
307 a  function  and  $S\in  \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$  be  a  ``strategy''.  The  so-called
308 \emph{chaotic      iterations}     are     defined      by     $x^0\in
309 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and
310 \begin{equation}
311 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
312 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
313 \begin{array}{ll}
314   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\
315   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.
316 \end{array}\right.
317 \end{equation}
318 \end{definition}
319
320 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is
321 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .  Note  that in  a more
322 general  formulation,  $S^n$  can   be  a  subset  of  components  and
323 $\left(f(x^{n-1})\right)_{S^{n}}$      can     be      replaced     by
324 $\left(f(x^{k})\right)_{S^{n}}$, where  $k<n$, describing for example,
325 delays  transmission~\cite{Robert1986,guyeux10}.  Finally,  let us  remark that
326 the term  ``chaotic'', in  the name of  these iterations,  has \emph{a
327 priori} no link with the mathematical theory of chaos, presented above.
328
329
330 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations
331 are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
332
333 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta
334 (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function:
335 %%RAPH : ici j'ai coupé la dernière ligne en 2, c'est moche mais bon
336 \begin{equation}
337 \begin{array}{lrll}
338 F_{f}: & \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
339 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
340 & (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+ \right.\\
341 &       &              & \left. f(E)_{k}.\overline{\delta
342 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
343 \end{array}%
344 \end{equation}%
345 \noindent where + and . are the Boolean addition and product operations.
346 Consider the phase space:
347 \begin{equation}
348 \mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times
349 \mathds{B}^\mathsf{N},
350 \end{equation}
351 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
352 \begin{equation}
353 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
354 \end{equation}
355 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
356 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
357 \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
358 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket
359 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations proposed in
360 Definition \ref{Def:chaotic iterations} can be described by the following iterations:
361 \begin{equation}
362 \left\{
363 \begin{array}{l}
364 X^0 \in \mathcal{X} \\
365 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
366 \end{array}%
367 \right.
368 \end{equation}%
369
370 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic
371 iterations. The shift function is a famous example of a chaotic
372 map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as
373 chaotic. 
374 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y =
375 (\check{S},\check{E})\in
376 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
377 \begin{equation}
378 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
379 \end{equation}
380 \noindent where
381 \begin{equation}
382 \left\{
383 \begin{array}{lll}
384 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
385 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
386 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
387 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
388 \end{array}%
389 \right.
390 \end{equation}
391
392
393 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
394 \begin{itemize}
395 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then
396 their distance should increase too.
397 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective
398 strategies start with the same terms, then the distance between these two points
399 must be small because the evolution of the two systems will be the same for a
400 while. Indeed, both dynamical systems start with the same initial condition,
401 use the same update function, and as strategies are the same for a while, furthermore
402 updated components are the same as well.
403 \end{itemize}
404 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
405 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$
406 differ in $n$ cells ($d_e$ is indeed the Hamming distance). In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a
407 measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More
408 precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first
409 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is
410 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
411 The impact of this choice for a distance will be investigated at the end of the document.
412
413 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
414
415 \begin{proposition}
416 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in
417 the metric space $(\mathcal{X},d)$.
418 \end{proposition}
419
420 The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial
421 Boolean negation $f(x_1,\hdots, x_\mathsf{N}) =  (\overline{x_1},\hdots, \overline{x_\mathsf{N}})$ \cite{guyeux10}. To obtain a characterization, we have secondly
422 introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
423
424 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. The
425 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
426 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
427 $\mathds{B}^\mathsf{N}$; for all $x\in\mathds{B}^\mathsf{N}$ and 
428 $i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket$,
429 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
430 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
431 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
432 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
433 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
434 We have then proven in \cite{bcgr11:ip} that,
435
436
437 \begin{theorem}
438 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
439 Let $f:\mathds{B}^\mathsf{N}\to\mathds{B}^\mathsf{N}$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
440 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
441 \end{theorem}
442
443 Finally, we have established in \cite{bcgr11:ip} that,
444 \begin{theorem}
445   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
446   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
447   matrix and $M$
448   a $n\times n$ matrix defined by 
449   $
450   M_{ij} = \frac{1}{n}\check{M}_{ij}$ %\textrm{ 
451   if $i \neq j$ and  
452   $M_{ii} = 1 - \frac{1}{n} \sum\limits_{j=1, j\neq i}^n \check{M}_{ij}$ otherwise.
453   
454   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
455   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
456   a law that tends to the uniform distribution 
457   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
458 \end{theorem} 
459
460
461 These results of chaos and uniform distribution have led us to study the possibility of building a
462 pseudorandom number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
463 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  \mathsf{N} \rrbracket^{\mathds{N}} 
464 \times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is built from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
465 \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$
466 during implementations (due to the discrete nature of $f$). Indeed, it is as if
467 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  \mathsf{N}
468 \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance, in PRNG, or a physical noise in TRNG).
469 Let us finally remark that the vectorial negation satisfies the hypotheses of both theorems above.
470
471 \section{Application to Pseudorandomness}
472 \label{sec:pseudorandom}
473
474 \subsection{A First Pseudorandom Number Generator}
475
476 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
477 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
478 leading thus to a new PRNG that improves the statistical properties of each
479 generator taken alone. Furthermore, our generator 
480 possesses various chaos properties that none of the generators used as input
481 present.
482
483
484 \begin{algorithm}[h!]
485 \begin{small}
486 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$
487 ($n$ bits)}
488 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
489 $x\leftarrow x^0$\;
490 $k\leftarrow b + \textit{XORshift}(b)$\;
491 \For{$i=0,\dots,k$}
492 {
493 $s\leftarrow{\textit{XORshift}(n)}$\;
494 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
495 }
496 return $x$\;
497 \end{small}
498 \caption{PRNG with chaotic functions}
499 \label{CI Algorithm}
500 \end{algorithm}
501
502
503
504
505 \begin{algorithm}[h!]
506 \begin{small}
507 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
508 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
509 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
510 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
511 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
512 $y\leftarrow{z}$\;
513 return $y$\;
514 \end{small}
515 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
516 \label{XORshift}
517 \end{algorithm}
518
519
520
521
522
523 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
524 It takes as input: a Boolean function $f$ satisfying Theorem~\ref{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques};
525 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations is at least $b$
526 and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
527 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
528 \textit{XORshift}$(k)$ PRNGs~\cite{Marsaglia2003} that return integers
529 uniformly distributed
530 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
531 \textit{XORshift} is a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia,
532 which repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number
533 with a bit shifted version of it. This PRNG, which has a period of
534 $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. It is used
535 in our PRNG to compute the strategy length and the strategy elements.
536
537 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.
538
539 \subsection{Improving the Speed of the Former Generator}
540
541 Instead of updating only one cell at each iteration, we can try to choose a
542 subset of components and to update them together. Such an attempt leads
543 to a kind of merger of the two sequences used in Algorithm 
544 \ref{CI Algorithm}. When the updating function is the vectorial negation,
545 this algorithm can be rewritten as follows:
546
547 \begin{equation}
548 \left\{
549 \begin{array}{l}
550 x^0 \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket, S \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket^\mathds{N} \\
551 \forall n \in \mathds{N}^*, x^n = x^{n-1} \oplus S^n,
552 \end{array}
553 \right.
554 \label{equation Oplus}
555 \end{equation}
556 where $\oplus$ is for the bitwise exclusive or between two integers. 
557 This rewriting can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
558 sequence $S$, which is an integer of $\mathsf{N}$ binary digits, presents
559 the list of cells to update in the state $x^n$ of the system (represented
560 as an integer having $\mathsf{N}$ bits too). More precisely, the $k-$th 
561 component of this state (a binary digit) changes if and only if the $k-$th 
562 digit in the binary decomposition of $S^n$ is 1.
563
564 The single basic component presented in Eq.~\ref{equation Oplus} is of 
565 ordinary use as a good elementary brick in various PRNGs. It corresponds
566 to the following discrete dynamical system in chaotic iterations:
567
568 \begin{equation}
569 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
570 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
571 \begin{array}{ll}
572   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
573   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
574 \end{array}\right.
575 \label{eq:generalIC}
576 \end{equation}
577 where $f$ is the vectorial negation and $\forall n \in \mathds{N}$, 
578 $\mathcal{S}^n \subset \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$ is such that
579 $k \in \mathcal{S}^n$ if and only if the $k-$th digit in the binary
580 decomposition of $S^n$ is 1. Such chaotic iterations are more general
581 than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} because, instead of updating only one term at each iteration,
582 we select a subset of components to change.
583
584
585 Obviously, replacing Algorithm~\ref{CI Algorithm} by 
586 Equation~\ref{equation Oplus}, which is possible when the iteration function is
587 the vectorial negation, leads to a speed improvement. However, proofs
588 of chaos obtained in~\cite{bg10:ij} have been established
589 only for chaotic iterations of the form presented in Definition 
590 \ref{Def:chaotic iterations}. The question is now to determine whether the
591 use of more general chaotic iterations to generate pseudorandom numbers 
592 faster, does not deflate their topological chaos properties.
593
594 \subsection{Proofs of Chaos of the General Formulation of the Chaotic Iterations}
595 \label{deuxième def}
596 Let us consider the discrete dynamical systems in chaotic iterations having 
597 the general form:
598
599 \begin{equation}
600 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
601 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
602 \begin{array}{ll}
603   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
604   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
605 \end{array}\right.
606 \label{general CIs}
607 \end{equation}
608
609 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the cells whose id is
610 contained into the set $S^{n}$ are iterated.
611
612 Let us now rewrite these general chaotic iterations as usual discrete dynamical
613 system of the form $X^{n+1}=f(X^n)$ on an ad hoc metric space. Such a formulation
614 is required in order to study the topological behavior of the system.
615
616 Let us introduce the following function:
617 \begin{equation}
618 \begin{array}{cccc}
619  \chi: & \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket \times \mathcal{P}\left(\llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket\right) & \longrightarrow & \mathds{B}\\
620          & (i,X) & \longmapsto  & \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if }i \notin X, \\ 1 & \textrm{if }i \in X,  \end{array}\right.
621 \end{array} 
622 \end{equation}
623 where $\mathcal{P}\left(X\right)$ is for the powerset of the set $X$, that is, $Y \in \mathcal{P}\left(X\right) \Longleftrightarrow Y \subset X$.
624
625 Given a function $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, define the function:
626 %%RAPH : j'ai coupé la dernière ligne en 2, c'est moche
627 \begin{equation}
628 \begin{array}{lrll}
629 F_{f}: & \mathcal{P}\left(\llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket \right) \times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
630 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
631 & (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+\right.\\
632 &       &             &\left.f(E)_{j}.\overline{\chi(j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
633 \end{array}%
634 \end{equation}%
635 where + and . are the Boolean addition and product operations, and $\overline{x}$ 
636 is the negation of the Boolean $x$.
637 Consider the phase space:
638 \begin{equation}
639 \mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N} \times
640 \mathds{B}^\mathsf{N},
641 \end{equation}
642 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
643 \begin{equation}
644 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...
645 \end{equation}
646 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
647 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
648 \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
649 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)$. 
650 Then the general chaotic iterations defined in Equation \ref{general CIs} can 
651 be described by the following discrete dynamical system:
652 \begin{equation}
653 \left\{
654 \begin{array}{l}
655 X^0 \in \mathcal{X} \\
656 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
657 \end{array}%
658 \right.
659 \end{equation}%
660
661 Once more, a shift function appears as a component of these general chaotic 
662 iterations. 
663
664 To study the Devaney's chaos property, a distance between two points 
665 $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})$ of $\mathcal{X}$ must be defined.
666 Let us introduce:
667 \begin{equation}
668 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
669 \label{nouveau d}
670 \end{equation}
671 \noindent where $ \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} = \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
672  }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}$  is once more the Hamming distance, and
673 $  \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})}  =  \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
674  \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}$,
675 %%RAPH : ici, j'ai supprimé tous les sauts à la ligne
676 %% \begin{equation}
677 %% \left\{
678 %% \begin{array}{lll}
679 %% \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
680 %% }\delta (E_{k},\check{E}_{k})} \textrm{ is once more the Hamming distance}, \\
681 %% \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
682 %% \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
683 %% \end{array}%
684 %% \right.
685 %% \end{equation}
686 where $|X|$ is the cardinality of a set $X$ and $A\Delta B$ is for the symmetric difference, defined for sets A, B as
687 $A\,\Delta\,B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$.
688
689
690 \begin{proposition}
691 The function $d$ defined in Eq.~\ref{nouveau d} is a metric on $\mathcal{X}$.
692 \end{proposition}
693
694 \begin{proof}
695  $d_e$ is the Hamming distance. We will prove that $d_s$ is a distance
696 too, thus $d$, as being the sum of two distances, will also be a distance.
697  \begin{itemize}
698 \item Obviously, $d_s(S,\check{S})\geqslant 0$, and if $S=\check{S}$, then 
699 $d_s(S,\check{S})=0$. Conversely, if $d_s(S,\check{S})=0$, then 
700 $\forall k \in \mathds{N}, |S^k\Delta {S}^k|=0$, and so $\forall k, S^k=\check{S}^k$.
701  \item $d_s$ is symmetric 
702 ($d_s(S,\check{S})=d_s(\check{S},S)$) due to the commutative property
703 of the symmetric difference. 
704 \item Finally, $|S \Delta S''| = |(S \Delta \varnothing) \Delta S''|= |S \Delta (S'\Delta S') \Delta S''|= |(S \Delta S') \Delta (S' \Delta S'')|\leqslant |S \Delta S'| + |S' \Delta S''|$, 
705 and so for all subsets $S,S',$ and $S''$ of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$, 
706 we have $d_s(S,S'') \leqslant d_e(S,S')+d_s(S',S'')$, and the triangle
707 inequality is obtained.
708  \end{itemize}
709 \end{proof}
710
711
712 Before being able to study the topological behavior of the general 
713 chaotic iterations, we must first establish that:
714
715 \begin{proposition}
716  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
717 $\left( \mathcal{X},d\right)$.
718 \end{proposition}
719
720
721 \begin{proof}
722 We use the sequential continuity.
723 Let $(S^n,E^n)_{n\in \mathds{N}}$ be a sequence of the phase space $%
724 \mathcal{X}$, which converges to $(S,E)$. We will prove that $\left(
725 G_{f}(S^n,E^n)\right) _{n\in \mathds{N}}$ converges to $\left(
726 G_{f}(S,E)\right) $. Let us remark that for all $n$, $S^n$ is a strategy,
727 thus, we consider a sequence of strategies (\emph{i.e.}, a sequence of
728 sequences).\newline
729 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
730 to 0. But $d_{e}(E^n,E)$ is an integer, so $\exists n_{0}\in \mathds{N},$ $%
731 d_{e}(E^n,E)=0$ for any $n\geqslant n_{0}$.\newline
732 In other words, there exists a threshold $n_{0}\in \mathds{N}$ after which no
733 cell will change its state:
734 $\exists n_{0}\in \mathds{N},n\geqslant n_{0}\Rightarrow E^n = E.$
735
736 In addition, $d_{s}(S^n,S)\longrightarrow 0,$ so $\exists n_{1}\in %
737 \mathds{N},d_{s}(S^n,S)<10^{-1}$ for all indexes greater than or equal to $%
738 n_{1}$. This means that for $n\geqslant n_{1}$, all the $S^n$ have the same
739 first term, which is $S^0$: $\forall n\geqslant n_{1},S_0^n=S_0.$
740
741 Thus, after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term, states of $E^n$ and $E$ are
742 identical and strategies $S^n$ and $S$ start with the same first term.\newline
743 Consequently, states of $G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are equal,
744 so, after the $max(n_0, n_1)^{th}$ term, the distance $d$ between these two points is strictly less than 1.\newline
745 \noindent We now prove that the distance between $\left(
746 G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is convergent to
747 0. Let $\varepsilon >0$. \medskip
748 \begin{itemize}
749 \item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that the distance
750 between $\left( G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is
751 strictly less than 1 after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term (same state).
752 \medskip
753 \item If $\varepsilon <1$, then $\exists k\in \mathds{N},10^{-k}\geqslant
754 \varepsilon > 10^{-(k+1)}$. But $d_{s}(S^n,S)$ converges to 0, so
755 \begin{equation*}
756 \exists n_{2}\in \mathds{N},\forall n\geqslant
757 n_{2},d_{s}(S^n,S)<10^{-(k+2)},
758 \end{equation*}%
759 thus after $n_{2}$, the $k+2$ first terms of $S^n$ and $S$ are equal.
760 \end{itemize}
761 \noindent As a consequence, the $k+1$ first entries of the strategies of $%
762 G_{f}(S^n,E^n)$ 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
763 the distance between $(S^n,E^n)$ and $(S,E)$ is strictly less than $%
764 10^{-(k+1)}\leqslant \varepsilon $.\bigskip \newline
765 In conclusion,
766 %%RAPH : ici j'ai rajouté une ligne
767 \begin{flushleft}$$
768 \forall \varepsilon >0,\exists N_{0}=max(n_{0},n_{1},n_{2})\in \mathds{N}%
769 ,\forall n\geqslant N_{0},$$
770 $$ d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
771 \leqslant \varepsilon .
772 $$
773 \end{flushleft}
774 $G_{f}$ is consequently continuous.
775 \end{proof}
776
777
778 It is now possible to study the topological behavior of the general chaotic
779 iterations. We will prove that,
780
781 \begin{theorem}
782 \label{t:chaos des general}
783  The general chaotic iterations defined on Equation~\ref{general CIs} satisfy
784 the Devaney's property of chaos.
785 \end{theorem}
786
787 Let us firstly prove the following lemma.
788
789 \begin{lemma}[Strong transitivity]
790 \label{strongTrans}
791  For all couples $X,Y \in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $X$, we can 
792 find $n \in \mathds{N}^*$ and $X' \in V$ such that $G^n(X')=Y$.
793 \end{lemma}
794
795 \begin{proof}
796  Let $X=(S,E)$, $\varepsilon>0$, and $k_0 = \lfloor log_{10}(\varepsilon)+1 \rfloor$. 
797 Any point $X'=(S',E')$ such that $E'=E$ and $\forall k \leqslant k_0, S'^k=S^k$, 
798 are in the open ball $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$. Let us define 
799 $\check{X} = \left(\check{S},\check{E}\right)$, where $\check{X}= G^{k_0}(X)$.
800 We denote by $s\subset \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket$ the set of coordinates
801 that are different between $\check{E}$ and the state of $Y$. Thus each point $X'$ of
802 the form $(S',E')$ where $E'=E$ and $S'$ starts with 
803 $(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,\hdots)$, verifies the following properties:
804 \begin{itemize}
805  \item $X'$ is in $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$,
806  \item the state of $G_f^{k_0+1}(X')$ is the state of $Y$.
807 \end{itemize}
808 Finally the point $\left(\left(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,s^0, s^1, \hdots\right); E\right)$, 
809 where $(s^0,s^1, \hdots)$ is the strategy of $Y$, satisfies the properties
810 claimed in the lemma.
811 \end{proof}
812
813 <<<<<<< HEAD
814 We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}.
815 =======
816 We can now prove Theorem~\ref{t:chaos des general}...
817 >>>>>>> e55d237aba022a66cc2d7650d295b29169878f45
818
819 \begin{proof}[Theorem~\ref{t:chaos des general}]
820 Firstly, strong transitivity implies transitivity.
821
822 Let $(S,E) \in\mathcal{X}$ and $\varepsilon >0$. To
823 prove that $G_f$ is regular, it is sufficient to prove that
824 there exists a strategy $\tilde S$ such that the distance between
825 $(\tilde S,E)$ and $(S,E)$ is less than $\varepsilon$, and such that
826 $(\tilde S,E)$ is a periodic point.
827
828 Let $t_1=\lfloor-\log_{10}(\varepsilon)\rfloor$, and let $E'$ be the
829 configuration that we obtain from $(S,E)$ after $t_1$ iterations of
830 $G_f$. As $G_f$ is strongly transitive, there exists a strategy $S'$ 
831 and $t_2\in\mathds{N}$ such
832 that $E$ is reached from $(S',E')$ after $t_2$ iterations of $G_f$.
833
834 Consider the strategy $\tilde S$ that alternates the first $t_1$ terms
835 of $S$ and the first $t_2$ terms of $S'$: 
836 %%RAPH : j'ai coupé la ligne en 2
837 $$\tilde
838 S=(S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,$$$$\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots).$$ It
839 is clear that $(\tilde S,E)$ is obtained from $(\tilde S,E)$ after
840 $t_1+t_2$ iterations of $G_f$. So $(\tilde S,E)$ is a periodic
841 point. Since $\tilde S_t=S_t$ for $t<t_1$, by the choice of $t_1$, we
842 have $d((S,E),(\tilde S,E))<\epsilon$.
843 \end{proof}
844
845
846
847 \section{Efficient PRNG based on Chaotic Iterations}
848 \label{sec:efficient PRNG}
849
850 Based on the proof presented in the previous section, it is now possible to 
851 improve the speed of the generator formerly presented in~\cite{bgw09:ip,guyeux10}. 
852 The first idea is to consider
853 that the provided strategy is a pseudorandom Boolean vector obtained by a
854 given PRNG.
855 An iteration of the system is simply the bitwise exclusive or between
856 the last computed state and the current strategy.
857 Topological properties of disorder exhibited by chaotic 
858 iterations can be inherited by the inputted generator, we hope by doing so to 
859 obtain some statistical improvements while preserving speed.
860
861 %%RAPH : j'ai viré tout ca
862 %% Let us give an example using 16-bits numbers, to clearly understand how the bitwise xor operations
863 %% are
864 %% done.  
865 %% Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are given as
866 %% binary vectors.
867 %% Table~\ref{TableExemple} shows the result of $x \oplus S^i$.
868
869 %% \begin{table}
870 %% \begin{scriptsize}
871 %% $$
872 %% \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
873 %% \hline
874 %% x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
875 %% \hline
876 %% S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
877 %% \hline
878 %% x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
879 %% \hline
880
881 %% \hline
882 %%  \end{array}
883 %% $$
884 %% \end{scriptsize}
885 %% \caption{Example of an arbitrary round of the proposed generator}
886 %% \label{TableExemple}
887 %% \end{table}
888
889
890
891
892 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential PRNG based on chaotic iterations},label=algo:seqCIPRNG}
893 \begin{small}
894 \begin{lstlisting}
895
896 unsigned int CIPRNG() {
897   static unsigned int x = 123123123;
898   unsigned long t1 = xorshift();
899   unsigned long t2 = xor128();
900   unsigned long t3 = xorwow();
901   x = x^(unsigned int)t1;
902   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
903   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
904   x = x^(unsigned int)t2;
905   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
906   x = x^(unsigned int)t3;
907   return x;
908 }
909 \end{lstlisting}
910 \end{small}
911
912
913
914 In Listing~\ref{algo:seqCIPRNG} a sequential  version of the proposed PRNG based
915 on  chaotic  iterations  is  presented.   The xor  operator  is  represented  by
916 \textasciicircum.  This function uses  three classical 64-bits PRNGs, namely the
917 \texttt{xorshift},         the          \texttt{xor128},         and         the
918 \texttt{xorwow}~\cite{Marsaglia2003}.  In the following, we call them ``xor-like
919 PRNGs''.   As each  xor-like PRNG  uses 64-bits  whereas our  proposed generator
920 works with 32-bits, we use the command \texttt{(unsigned int)}, that selects the
921 32 least  significant bits  of a given  integer, and the  code \texttt{(unsigned
922   int)(t$>>$32)} in order to obtain the 32 most significant bits of \texttt{t}.
923
924 Thus producing a pseudorandom number needs 6 xor operations with 6 32-bits numbers
925 that  are provided by  3 64-bits  PRNGs.  This  version successfully  passes the
926 stringent BigCrush battery of tests~\cite{LEcuyerS07}.
927
928 \section{Efficient PRNGs based on Chaotic Iterations on GPU}
929 \label{sec:efficient PRNG gpu}
930
931 In order to  take benefits from the computing power  of GPU, a program
932 needs  to have  independent blocks  of  threads that  can be  computed
933 simultaneously. In general,  the larger the number of  threads is, the
934 more local  memory is  used, and the  less branching  instructions are
935 used  (if,  while,  ...),  the  better the  performances  on  GPU  is.
936 Obviously, having these requirements in  mind, it is possible to build
937 a   program    similar   to    the   one   presented    in  Listing 
938 \ref{algo:seqCIPRNG}, which computes  pseudorandom numbers on GPU.  To
939 do  so,  we  must   firstly  recall  that  in  the  CUDA~\cite{Nvid10}
940 environment,    threads    have     a    local    identifier    called
941 \texttt{ThreadIdx},  which   is  relative  to   the  block  containing
942 them. Furthermore, in  CUDA, parts of  the code that are executed by the  GPU, are
943 called {\it kernels}.
944
945
946 \subsection{Naive Version for GPU}
947
948  
949 It is possible to deduce from the CPU version a quite similar version adapted to GPU.
950 The simple principle consists in making each thread of the GPU computing the CPU version of our PRNG.  
951 Of course,  the  three xor-like
952 PRNGs  used in these computations must have different  parameters. 
953 In a given thread, these parameters are
954 randomly picked from another PRNGs. 
955 The  initialization stage is performed by  the CPU.
956 To do it, the  ISAAC  PRNG~\cite{Jenkins96} is used to  set  all  the
957 parameters embedded into each thread.   
958
959 The implementation of  the three
960 xor-like  PRNGs  is  straightforward  when  their  parameters  have  been
961 allocated in  the GPU memory.  Each xor-like  works with  an internal
962 number  $x$  that saves  the  last  generated  pseudorandom number. Additionally,  the
963 implementation of the  xor128, the xorshift, and the  xorwow respectively require
964 4, 5, and 6 unsigned long as internal variables.
965
966
967 \begin{algorithm}
968 \begin{small}
969 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
970 PRNGs in global memory\;
971 NumThreads: number of threads\;}
972 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
973 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
974   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
975   \For{i=1 to n} {
976     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIPRNG}\;
977     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
978   }
979   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
980 }
981 \end{small}
982 \caption{Main kernel of the GPU ``naive'' version of the PRNG based on chaotic iterations}
983 \label{algo:gpu_kernel}
984 \end{algorithm}
985
986
987
988 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of the proposed  PRNG on
989 GPU.  Due to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
990 used simultaneously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
991 inside   a    kernel   is   limited  (\emph{i.e.},    the    variable   \texttt{n}   in
992 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}). For instance, if  $100,000$ threads are used and
993 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)},
994 then   the  memory   required   to  store all of the  internals   variables  of both the  xor-like
995 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
996 and  the pseudorandom  numbers generated by  our  PRNG,  is  equal to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
997 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, that is, approximately $52$Mb.
998
999 This generator is able to pass the whole BigCrush battery of tests, for all
1000 the versions that have been tested depending on their number of threads 
1001 (called \texttt{NumThreads} in our algorithm, tested up to $5$ million).
1002
1003 \begin{remark}
1004 The proposed algorithm has  the  advantage of  manipulating  independent
1005 PRNGs, so this version is easily adaptable on a cluster of computers too. The only thing
1006 to ensure is to use a single ISAAC PRNG. To achieve this requirement, a simple solution consists in
1007 using a master node for the initialization. This master node computes the initial parameters
1008 for all the different nodes involved in the computation.
1009 \end{remark}
1010
1011 \subsection{Improved Version for GPU}
1012
1013 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
1014 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
1015 i.e., to use less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
1016 one xor-like PRNG by thread, saving  it into the shared memory, and then to use the results
1017 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
1018 thread uses the result of which other  one, we can use a combination array that
1019 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a combination has  been
1020 performed. 
1021
1022 In  Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2},  two  combination  arrays are  used.   The
1023 variable     \texttt{offset}    is     computed    using     the     value    of
1024 \texttt{combination\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
1025 representing the  indexes of  the other  threads whose results  are used  by the
1026 current one.   In this algorithm, we  consider that a 32-bits  xor-like PRNG has
1027 been chosen. In practice, we  use the xor128 proposed in~\cite{Marsaglia2003} in
1028 which  unsigned longs  (64 bits)  have been  replaced by  unsigned  integers (32
1029 bits).
1030
1031 This version  can also pass the whole {\it BigCrush} battery of tests.
1032
1033 \begin{algorithm}
1034 \begin{small}
1035 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
1036 in global memory\;
1037 NumThreads: Number of threads\;
1038 array\_comb1, array\_comb2: Arrays containing combinations of size combination\_size\;}
1039
1040 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1041 \If{threadId is concerned} {
1042   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1043   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1044   o1 = threadIdx-offset+array\_comb1[offset]\;
1045   o2 = threadIdx-offset+array\_comb2[offset]\;
1046   \For{i=1 to n} {
1047     t=xor-like()\;
1048     t=t\textasciicircum shmem[o1]\textasciicircum shmem[o2]\;
1049     shared\_mem[threadId]=t\;
1050     x = x\textasciicircum t\;
1051
1052     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1053   }
1054   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
1055 }
1056 \end{small}
1057 \caption{Main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
1058 version\label{IR}}
1059 \label{algo:gpu_kernel2} 
1060 \end{algorithm}
1061
1062 \subsection{Theoretical Evaluation of the Improved Version}
1063
1064 A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists in an operation ($x=x\oplus t$) having 
1065 the form of Equation~\ref{equation Oplus}, which is equivalent to the iterative
1066 system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, an iteration of the general chaotic
1067 iterations is realized between the last stored value $x$ of the thread and a strategy $t$
1068 (obtained by a bitwise exclusive or between a value provided by a xor-like() call
1069 and two values previously obtained by two other threads).
1070 To be certain that we are in the framework of Theorem~\ref{t:chaos des general},
1071 we must guarantee that this dynamical system iterates on the space 
1072 $\mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\times\mathds{B}^\mathsf{N}$.
1073 The left term $x$ obviously belongs to $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
1074 To prevent from any flaws of chaotic properties, we must check that the right 
1075 term (the last $t$), corresponding to the strategies,  can possibly be equal to any
1076 integer of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$. 
1077
1078 Such a result is obvious, as for the xor-like(), all the
1079 integers belonging into its interval of definition can occur at each iteration, and thus the 
1080 last $t$ respects the requirement. Furthermore, it is possible to
1081 prove by an immediate mathematical induction that, as the initial $x$
1082 is uniformly distributed (it is provided by a cryptographically secure PRNG),
1083 the two other stored values shmem[o1] and shmem[o2] are uniformly distributed too,
1084 (this is the induction hypothesis), and thus the next $x$ is finally uniformly distributed.
1085
1086 Thus Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} is a concrete realization of the general
1087 chaotic iterations presented previously, and for this reason, it satisfies the 
1088 Devaney's formulation of a chaotic behavior.
1089
1090 \section{Experiments}
1091 \label{sec:experiments}
1092
1093 Different experiments  have been  performed in order  to measure  the generation
1094 speed. We have used a first computer equipped with a Tesla C1060 NVidia  GPU card
1095 and an
1096 Intel  Xeon E5530 cadenced  at 2.40  GHz,  and 
1097 a second computer  equipped with a smaller  CPU and  a GeForce GTX  280. 
1098 All the
1099 cards have 240 cores.
1100
1101 In  Figure~\ref{fig:time_xorlike_gpu} we  compare the  quantity of  pseudorandom numbers
1102 generated per second with various xor-like based PRNGs. In this figure, the optimized
1103 versions use the {\it xor64} described in~\cite{Marsaglia2003}, whereas the naive versions
1104 embed  the three  xor-like  PRNGs described  in Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}.   In
1105 order to obtain the optimal performances, the storage of pseudorandom numbers
1106 into the GPU memory has been removed. This step is time consuming and slows down the numbers
1107 generation.  Moreover this   storage  is  completely
1108 useless, in case of applications that consume the pseudorandom
1109 numbers  directly   after generation. We can see  that when the number of  threads is greater
1110 than approximately 30,000 and lower than 5 million, the number of pseudorandom numbers generated
1111 per second  is almost constant.  With the  naive version, this value ranges from 2.5 to
1112 3GSamples/s.   With  the  optimized   version,  it  is  approximately  equal to
1113 20GSamples/s. Finally  we can remark  that both GPU  cards are quite  similar, but in
1114 practice,  the Tesla C1060  has more  memory than  the GTX  280, and  this memory
1115 should be of better quality.
1116 As a  comparison,   Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}  leads   to the  generation of  about
1117 138MSample/s when using one core of the Xeon E5530.
1118
1119 \begin{figure}[htbp]
1120 \begin{center}
1121   \includegraphics[width=\columnwidth]{curve_time_xorlike_gpu.pdf}
1122 \end{center}
1123 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second with the xorlike-based PRNG}
1124 \label{fig:time_xorlike_gpu}
1125 \end{figure}
1126
1127
1128
1129
1130
1131 In Figure~\ref{fig:time_bbs_gpu} we highlight  the performances of the optimized
1132 BBS-based PRNG on GPU.  On  the Tesla C1060 we obtain approximately 700MSample/s
1133 and  on the  GTX 280  about  670MSample/s, which  is obviously  slower than  the
1134 xorlike-based PRNG on GPU. However, we  will show in the next sections that this
1135 new PRNG  has a strong  level of  security, which is  necessarily paid by  a speed
1136 reduction.
1137
1138 \begin{figure}[htbp]
1139 \begin{center}
1140   \includegraphics[width=\columnwidth]{curve_time_bbs_gpu.pdf}
1141 \end{center}
1142 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second using the BBS-based PRNG}
1143 \label{fig:time_bbs_gpu}
1144 \end{figure}
1145
1146 All  these  experiments allow  us  to conclude  that  it  is possible  to
1147 generate a very large quantity of pseudorandom  numbers statistically perfect with the  xor-like version.
1148 To a certain extend, it is also the case with the secure BBS-based version, the speed deflation being
1149 explained by the fact that the former  version has ``only''
1150 chaotic properties and statistical perfection, whereas the latter is also cryptographically secure,
1151 as it is shown in the next sections.
1152
1153
1154
1155
1156
1157
1158
1159 \section{Security Analysis}
1160 \label{sec:security analysis}
1161
1162
1163
1164 In this section the concatenation of two strings $u$ and $v$ is classically
1165 denoted by $uv$.
1166 In a cryptographic context, a pseudorandom generator is a deterministic
1167 algorithm $G$ transforming strings  into strings and such that, for any
1168 seed $s$ of length $m$, $G(s)$ (the output of $G$ on the input $s$) has size
1169 $\ell_G(m)$ with $\ell_G(m)>m$.
1170 The notion of {\it secure} PRNGs can now be defined as follows. 
1171
1172 \begin{definition}
1173 A cryptographic PRNG $G$ is secure if for any probabilistic polynomial time
1174 algorithm $D$, for any positive polynomial $p$, and for all sufficiently
1175 large $m$'s,
1176 $$| \mathrm{Pr}[D(G(U_m))=1]-Pr[D(U_{\ell_G(m)})=1]|< \frac{1}{p(m)},$$
1177 where $U_r$ is the uniform distribution over $\{0,1\}^r$ and the
1178 probabilities are taken over $U_m$, $U_{\ell_G(m)}$ as well as over the
1179 internal coin tosses of $D$. 
1180 \end{definition}
1181
1182 Intuitively, it means that there is no polynomial time algorithm that can
1183 distinguish a perfect uniform random generator from $G$ with a non
1184 negligible probability. The interested reader is referred
1185 to~\cite[chapter~3]{Goldreich} for more information. Note that it is
1186 quite easily possible to change the function $\ell$ into any polynomial
1187 function $\ell^\prime$ satisfying $\ell^\prime(m)>m)$~\cite[Chapter 3.3]{Goldreich}.
1188
1189 The generation schema developed in (\ref{equation Oplus}) is based on a
1190 pseudorandom generator. Let $H$ be a cryptographic PRNG. We may assume,
1191 without loss of generality, that for any string $S_0$ of size $N$, the size
1192 of $H(S_0)$ is $kN$, with $k>2$. It means that $\ell_H(N)=kN$. 
1193 Let $S_1,\ldots,S_k$ be the 
1194 strings of length $N$ such that $H(S_0)=S_1 \ldots S_k$ ($H(S_0)$ is the concatenation of
1195 the $S_i$'s). The cryptographic PRNG $X$ defined in (\ref{equation Oplus})
1196 is the algorithm mapping any string of length $2N$ $x_0S_0$ into the string
1197 $(x_0\oplus S_0 \oplus S_1)(x_0\oplus S_0 \oplus S_1\oplus S_2)\ldots
1198 (x_o\bigoplus_{i=0}^{i=k}S_i)$. One in particular has $\ell_{X}(2N)=kN=\ell_H(N)$. 
1199 We claim now that if this PRNG is secure,
1200 then the new one is secure too.
1201
1202 \begin{proposition}
1203 \label{cryptopreuve}
1204 If $H$ is a secure cryptographic PRNG, then $X$ is a secure cryptographic
1205 PRNG too.
1206 \end{proposition}
1207
1208 \begin{proof}
1209 The proposition is proved by contraposition. Assume that $X$ is not
1210 secure. By Definition, there exists a polynomial time probabilistic
1211 algorithm $D$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1212 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1213 $$| \mathrm{Pr}[D(X(U_{2N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)}.$$
1214 We describe a new probabilistic algorithm $D^\prime$ on an input $w$ of size
1215 $kN$:
1216 \begin{enumerate}
1217 \item Decompose $w$ into $w=w_1\ldots w_{k}$, where each $w_i$ has size $N$.
1218 \item Pick a string $y$ of size $N$ uniformly at random.
1219 \item Compute $z=(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1220   \bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i).$
1221 \item Return $D(z)$.
1222 \end{enumerate}
1223
1224
1225 Consider  for each $y\in \mathbb{B}^{kN}$ the function $\varphi_{y}$
1226 from $\mathbb{B}^{kN}$ into $\mathbb{B}^{kN}$ mapping $w=w_1\ldots w_k$
1227 (each $w_i$ has length $N$) to 
1228 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1229   \bigoplus_{i=1}^{i=k_1} w_i).$ By construction, one has for every $w$,
1230 \begin{equation}\label{PCH-1}
1231 D^\prime(w)=D(\varphi_y(w)),
1232 \end{equation}
1233 where $y$ is randomly generated. 
1234 Moreover, for each $y$, $\varphi_{y}$ is injective: if 
1235 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y\bigoplus_{i=1}^{i=k_1}
1236 w_i)=(y\oplus w_1^\prime)(y\oplus w_1^\prime\oplus w_2^\prime)\ldots
1237 (y\bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i^\prime)$, then for every $1\leq j\leq k$,
1238 $y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i^\prime=y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i$. It follows,
1239 by a direct induction, that $w_i=w_i^\prime$. Furthermore, since $\mathbb{B}^{kN}$
1240 is finite, each $\varphi_y$ is bijective. Therefore, and using (\ref{PCH-1}),
1241 one has
1242 $\mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(\varphi_y(U_{kN}))=1]$ and,
1243 therefore, 
1244 \begin{equation}\label{PCH-2}
1245 \mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{kN})=1].
1246 \end{equation}
1247
1248 Now, using (\ref{PCH-1}) again, one has  for every $x$,
1249 \begin{equation}\label{PCH-3}
1250 D^\prime(H(x))=D(\varphi_y(H(x))),
1251 \end{equation}
1252 where $y$ is randomly generated. By construction, $\varphi_y(H(x))=X(yx)$,
1253 thus
1254 \begin{equation}%\label{PCH-3}      %%RAPH : j'ai viré ce label qui existe déjà, il est 3 ligne avant
1255 D^\prime(H(x))=D(yx),
1256 \end{equation}
1257 where $y$ is randomly generated. 
1258 It follows that 
1259
1260 \begin{equation}\label{PCH-4}
1261 \mathrm{Pr}[D^\prime(H(U_{N}))=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{2N})=1].
1262 \end{equation}
1263  From (\ref{PCH-2}) and (\ref{PCH-4}), one can deduce that
1264 there exists a polynomial time probabilistic
1265 algorithm $D^\prime$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1266 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1267 $$| \mathrm{Pr}[D(H(U_{N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)},$$
1268 proving that $H$ is not secure, which is a contradiction. 
1269 \end{proof}
1270
1271
1272 \section{Cryptographical Applications}
1273
1274 \subsection{A Cryptographically Secure PRNG for GPU}
1275 \label{sec:CSGPU}
1276
1277 It is  possible to build a  cryptographically secure PRNG based  on the previous
1278 algorithm (Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}).   Due to Proposition~\ref{cryptopreuve},
1279 it simply consists  in replacing
1280 the  {\it  xor-like} PRNG  by  a  cryptographically  secure one.  
1281 We have chosen the Blum Blum Shum generator~\cite{BBS} (usually denoted by BBS) having the form:
1282 $$x_{n+1}=x_n^2~ mod~ M$$  where $M$ is the product of  two prime numbers (these
1283 prime numbers  need to be congruent  to 3 modulus  4). BBS is known to be
1284 very slow and only usable for cryptographic applications. 
1285
1286   
1287 The modulus operation is the most time consuming operation for current
1288 GPU cards.  So in order to obtain quite reasonable performances, it is
1289 required to use only modulus  on 32-bits integer numbers. Consequently
1290 $x_n^2$ need  to be lesser than $2^{32}$,  and thus the number $M$ must be
1291 lesser than $2^{16}$.  So in practice we can choose prime numbers around
1292 256 that are congruent to 3 modulus 4.  With 32-bits numbers, only the
1293 4 least significant bits of $x_n$ can be chosen (the maximum number of
1294 indistinguishable    bits    is    lesser    than   or    equals    to
1295 $log_2(log_2(M))$). In other words, to generate a  32-bits number, we need to use
1296 8 times  the BBS  algorithm with possibly different  combinations of  $M$. This
1297 approach is  not sufficient to be able to pass  all the tests of TestU01,
1298 as small values of  $M$ for the BBS  lead to
1299   small periods. So, in  order to add randomness  we have proceeded with
1300 the followings  modifications. 
1301 \begin{itemize}
1302 \item
1303 Firstly, we  define 16 arrangement arrays  instead of 2  (as described in
1304 Algorithm \ref{algo:gpu_kernel2}), but only 2 of them are used at each call of
1305 the  PRNG kernels. In  practice, the  selection of   combination
1306 arrays to be used is different for all the threads. It is determined
1307 by using  the three last bits  of two internal variables  used by BBS.
1308 %This approach  adds more randomness.   
1309 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu},
1310 character  \& is for the  bitwise AND. Thus using  \&7 with  a number
1311 gives the last 3 bits, thus providing a number between 0 and 7.
1312 \item
1313 Secondly, after the  generation of the 8 BBS numbers  for each thread, we
1314 have a 32-bits number whose period is possibly quite small. So
1315 to add randomness,  we generate 4 more BBS numbers   to
1316 shift  the 32-bits  numbers, and  add up to  6 new  bits.  This  improvement is
1317 described  in Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}.  In  practice, the last 2 bits
1318 of the first new BBS number are  used to make a left shift of at most
1319 3 bits. The  last 3 bits of the  second new BBS number are  added to the
1320 strategy whatever the value of the first left shift. The third and the
1321 fourth new BBS  numbers are used similarly to apply  a new left shift
1322 and add 3 new bits.
1323 \item
1324 Finally, as  we use 8 BBS numbers  for each thread, the  storage of these
1325 numbers at the end of the  kernel is performed using a rotation. So,
1326 internal  variable for  BBS number  1 is  stored in  place  2, internal
1327 variable  for BBS  number 2  is  stored in  place 3,  ..., and finally, internal
1328 variable for BBS number 8 is stored in place 1.
1329 \end{itemize}
1330
1331 \begin{algorithm}
1332 \begin{small}
1333 \KwIn{InternalVarBBSArray: array with internal variables of the 8 BBS
1334 in global memory\;
1335 NumThreads: Number of threads\;
1336 array\_comb: 2D Arrays containing 16 combinations (in first dimension)  of size combination\_size (in second dimension)\;
1337 array\_shift[4]=\{0,1,3,7\}\;
1338 }
1339
1340 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
1341 \If{threadId is concerned} {
1342   retrieve data from InternalVarBBSArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
1343   we consider that bbs1 ... bbs8 represent the internal states of the 8 BBS numbers\;
1344   offset = threadIdx\%combination\_size\;
1345   o1 = threadIdx-offset+array\_comb[bbs1\&7][offset]\;
1346   o2 = threadIdx-offset+array\_comb[8+bbs2\&7][offset]\;
1347   \For{i=1 to n} {
1348     t$<<$=4\;
1349     t|=BBS1(bbs1)\&15\;
1350     ...\;
1351     t$<<$=4\;
1352     t|=BBS8(bbs8)\&15\;
1353     \tcp{two new shifts}
1354     shift=BBS3(bbs3)\&3\;
1355     t$<<$=shift\;
1356     t|=BBS1(bbs1)\&array\_shift[shift]\;
1357     shift=BBS7(bbs7)\&3\;
1358     t$<<$=shift\;
1359     t|=BBS2(bbs2)\&array\_shift[shift]\;
1360     t=t\textasciicircum  shmem[o1]\textasciicircum     shmem[o2]\;
1361     shared\_mem[threadId]=t\;
1362     x = x\textasciicircum   t\;
1363
1364     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
1365   }
1366   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId] using a rotation\;
1367 }
1368 \end{small}
1369 \caption{main kernel for the BBS based PRNG GPU}
1370 \label{algo:bbs_gpu}
1371 \end{algorithm}
1372
1373 In Algorithm~\ref{algo:bbs_gpu}, $n$ is for  the quantity of random numbers that
1374 a thread has to  generate.  The operation t<<=4 performs a left  shift of 4 bits
1375 on the variable  $t$ and stores the result in  $t$, and $BBS1(bbs1)\&15$ selects
1376 the last  four bits  of the  result of $BBS1$.   Thus an  operation of  the form
1377 $t<<=4; t|=BBS1(bbs1)\&15\;$  realizes in $t$ a  left shift of 4  bits, and then
1378 puts the 4 last bits of $BBS1(bbs1)$  in the four last positions of $t$.  Let us
1379 remark that the initialization $t$ is not a  necessity as we fill it 4 bits by 4
1380 bits, until  having obtained 32-bits.  The  two last new shifts  are realized in
1381 order to enlarge the small periods of  the BBS used here, to introduce a kind of
1382 variability.  In these operations, we make twice a left shift of $t$ of \emph{at
1383   most}  3 bits,  represented by  \texttt{shift} in  the algorithm,  and  we put
1384 \emph{exactly} the \texttt{shift}  last bits from a BBS  into the \texttt{shift}
1385 last bits of $t$. For this, an array named \texttt{array\_shift}, containing the
1386 correspondence between the  shift and the number obtained  with \texttt{shift} 1
1387 to make the \texttt{and} operation is used. For example, with a left shift of 0,
1388 we  make an  and operation  with 0,  with  a left  shift of  3, we  make an  and
1389 operation with 7 (represented by 111 in binary mode).
1390
1391 It should  be noticed that this generator has once more the form $x^{n+1} = x^n \oplus S^n$,
1392 where $S^n$ is referred in this algorithm as $t$: each iteration of this
1393 PRNG ends with $x = x \wedge t$. This $S^n$ is only constituted
1394 by secure bits produced by the BBS generator, and thus, due to
1395 Proposition~\ref{cryptopreuve}, the resulted PRNG is cryptographically
1396 secure.
1397
1398
1399
1400 \subsection{Toward a Cryptographically Secure and Chaotic Asymmetric Cryptosystem}
1401 \label{Blum-Goldwasser}
1402 We finish this research work by giving some thoughts about the use of
1403 the proposed PRNG in an asymmetric cryptosystem.
1404 This first approach will be further investigated in a future work.
1405
1406 \subsubsection{Recalls of the Blum-Goldwasser Probabilistic Cryptosystem}
1407
1408 The Blum-Goldwasser cryptosystem is a cryptographically secure asymmetric key encryption algorithm 
1409 proposed in 1984~\cite{Blum:1985:EPP:19478.19501}.  The encryption algorithm 
1410 implements a XOR-based stream cipher using the BBS PRNG, in order to generate 
1411 the keystream. Decryption is done by obtaining the initial seed thanks to
1412 the final state of the BBS generator and the secret key, thus leading to the
1413  reconstruction of the keystream.
1414
1415 The key generation consists in generating two prime numbers $(p,q)$, 
1416 randomly and independently of each other, that are
1417  congruent to 3 mod 4, and to compute the modulus $N=pq$.
1418 The public key is $N$, whereas the secret key is the factorization $(p,q)$.
1419
1420
1421 Suppose Bob wishes to send a string $m=(m_0, \dots, m_{L-1})$ of $L$ bits to Alice:
1422 \begin{enumerate}
1423 \item Bob picks an integer $r$ randomly in the interval $\llbracket 1,N\rrbracket$ and computes $x_0 = r^2~mod~N$.
1424 \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 $L-1$,
1425 \begin{itemize}
1426 \item $i=0$.
1427 \item While $i \leqslant L-1$:
1428 \begin{itemize}
1429 \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 $x_i$,
1430 \item $i=i+1$,
1431 \item $x_i = (x_{i-1})^2~mod~N.$
1432 \end{itemize}
1433 \end{itemize}
1434 \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 $y=x_{0}^{2^{L}}~mod~N.$
1435 \end{enumerate}
1436
1437
1438 When Alice receives $\left[(c_0, \dots, c_{L-1}), y\right]$, she can recover $m$ as follows:
1439 \begin{enumerate}
1440 \item Using the secret key $(p,q)$, she computes $r_p = y^{((p+1)/4)^{L}}~mod~p$ and $r_q = y^{((q+1)/4)^{L}}~mod~q$.
1441 \item The initial seed can be obtained using the following procedure: $x_0=q(q^{-1}~{mod}~p)r_p + p(p^{-1}~{mod}~q)r_q~{mod}~N$.
1442 \item She recomputes the bit-vector $b$ by using BBS and $x_0$.
1443 \item Alice finally computes the plaintext by XORing the keystream with the ciphertext: $ m = c \oplus  b$.
1444 \end{enumerate}
1445
1446
1447 \subsubsection{Proposal of a new Asymmetric Cryptosystem Adapted from Blum-Goldwasser}
1448
1449 We propose to adapt the Blum-Goldwasser protocol as follows. 
1450 Let $\mathsf{N} = \lfloor log(log(N)) \rfloor$ be the number of bits that can
1451 be obtained securely with the BBS generator using the public key $N$ of Alice.
1452 Alice will pick randomly $S^0$ in $\llbracket 0, 2^{\mathsf{N}-1}\rrbracket$ too, and
1453 her new public key will be $(S^0, N)$.
1454
1455 To encrypt his message, Bob will compute
1456 %%RAPH : ici, j'ai mis un simple $
1457 %\begin{equation}
1458 $c = \left(m_0 \oplus (b_0 \oplus S^0), m_1 \oplus (b_0 \oplus b_1 \oplus S^0), \hdots, \right.$
1459 $ \left. m_{L-1} \oplus (b_0 \oplus b_1 \hdots \oplus b_{L-1} \oplus S^0) \right)$
1460 %%\end{equation}
1461 instead of $\left(m_0 \oplus b_0, m_1 \oplus b_1, \hdots, m_{L-1} \oplus b_{L-1} \right)$. 
1462
1463 The same decryption stage as in Blum-Goldwasser leads to the sequence 
1464 $\left(m_0 \oplus S^0, m_1 \oplus S^0, \hdots, m_{L-1} \oplus S^0 \right)$.
1465 Thus, with a simple use of $S^0$, Alice can obtain the plaintext.
1466 By doing so, the proposed generator is used in place of BBS, leading to
1467 the inheritance of all the properties presented in this paper.
1468
1469 \section{Conclusion}
1470
1471
1472 In  this  paper, a formerly proposed PRNG based on chaotic iterations
1473 has been generalized to improve its speed. It has been proven to be
1474 chaotic according to Devaney.
1475 Efficient implementations on  GPU using xor-like  PRNGs as input generators
1476 have shown that a very large quantity of pseudorandom numbers can be generated per second (about
1477 20Gsamples/s), and that these proposed PRNGs succeed to pass the hardest battery in TestU01,
1478 namely the BigCrush.
1479 Furthermore, we have shown that when the inputted generator is cryptographically
1480 secure, then it is the case too for the PRNG we propose, thus leading to
1481 the possibility to develop fast and secure PRNGs using the GPU architecture.
1482 Thoughts about an improvement of the Blum-Goldwasser cryptosystem, using the 
1483 proposed method, has been finally proposed.
1484
1485 In future  work we plan to extend these researches, building a parallel PRNG for  clusters or
1486 grid computing. Topological properties of the various proposed generators will be investigated,
1487 and the use of other categories of PRNGs as input will be studied too. The improvement
1488 of Blum-Goldwasser will be deepened. Finally, we
1489 will try to enlarge the quantity of pseudorandom numbers generated per second either
1490 in a simulation context or in a cryptographic one.
1491
1492
1493
1494 \bibliographystyle{plain} 
1495 \bibliography{mabase}
1496 \end{document}